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物聯網架構設計實戰——從云端到傳感器
( 簡體 字)
作者：[美]佩里·萊亞 著 類別：1. -> 程式設計 -> 物聯網
譯者： 陳凱 譯
出版社：清華大學出版社物聯網架構設計實戰——從云端到傳感器 3dWoo書號： 54294
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NT售價： 745 元
出版日：2/1/2021
頁數：447
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ISBN：9787302569237 加入購物車 │加到我的最愛 (請先登入會員)
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第1章物聯網故事 1
1.1物聯網的歷史 4
1.2物聯網的潛力 6
1.2.1工業和制造業 9
1.2.2消費者 10
1.2.3零售、金融和營銷 11
1.2.4醫療保健 11
1.2.5運輸和物流 12
1.2.6農業與環境 13
1.2.7能源 13
1.2.8智慧城市 14
1.2.9政府和軍事 15
1.3小結 15
第2章物聯網架構和核心物聯網模塊 17
2.1物聯網生態系統 17
2.1.1物聯網與機器對機器的對比 19
2.1.2網絡的價值和梅特卡夫定律 19
2.1.3物聯網架構 21
2.1.4架構師的角色 23
2.2核心物聯網模塊 24
2.2.1第1部分—傳感與電源 24
2.2.2第2部分—數據通信 24
2.2.3第3部分—互聯網路由和協議 25
2.2.4第4部分—霧和邊緣計算、數據分析和機器學習 26
2.2.5第5部分—物聯網中的威脅和安全性 26
2.3小結 27
第3章傳感器、端點和電源系統 29
3.1感應裝置 29
3.1.1熱電偶和溫度感應 30
3.1.2霍爾效應傳感器和電流傳感器 32
3.1.3光電傳感器 33
3.1.4熱釋電紅外傳感器 34
3.1.5激光雷達和有源傳感系統 35
3.1.6微機電系統傳感器 37
3.2智能物聯網終端 42
3.3傳感器融合 44
3.4輸入設備 45
3.5輸出設備 45
3.6功能示例 46
3.6.1功能示例—德州儀器CC2650SensorTag 46
3.6.2傳感器到控制器 49
3.7能源和電源管理 50
3.7.1電源管理 51
3.7.2能量收集 52
3.7.3能源儲備 57
3.8小結 62
第4章通信與信息論 63
4.1通信理論 64
4.1.1射頻能量和理論范圍 64
4.1.2射頻干擾 68
4.2信息論 69
4.2.1比特率限制和香農-哈特利定理 70
4.2.2誤碼率 74
4.2.3窄帶與寬帶通信 76
4.3無線電頻譜 79
4.4小結 83
第5章非基于IP的WPAN 85
5.1無線個人局域網標準 85
5.1.1關于802.15標準 86
5.1.2藍牙 87
5.1.3關于IEEE802.15.4 123
5.1.4關于Zigbee 133
5.1.5關于Z-Wave 143
5.2小結 151
第6章基于IP的WPAN和WLAN 153
6.1互聯網協議和傳輸控制協議 153
6.2使用IP的WPAN—6LoWPAN 155
6.2.1關于6LoWPAN拓撲 156
6.2.2關于6LoWPAN協議棧 158
6.2.3網格尋址和路由 159
6.2.4報頭壓縮和分段 162
6.2.5鄰居發現 164
6.2.6關于6LoWPAN的安全性 166
6.3使用IP的WPAN—Thread 166
6.3.1Thread架構和拓撲 167
6.3.2Thread協議棧 169
6.3.3Thread路由 170
6.3.4Thread尋址 170
6.3.5鄰居發現 171
6.4IEEE802.11協議和WLAN 171
6.4.1IEEE802.11協議套件和比較 172
6.4.2IEEE802.11架構 174
6.4.3IEEE802.11頻譜分配 176
6.4.4IEEE802.11調制和編碼技術 179
6.4.5IEEE802.11MIMO 183
6.4.6IEEE802.11數據包結構 187
6.4.7IEEE802.11操作 190
6.4.8IEEE802.11安全性 191
6.4.9IEEE802.11ac 192
6.4.10IEEE802.11p 194
6.4.11IEEE802.11ah 197
6.5小結 203
第7章遠距離通信系統和協議（WAN） 205
7.1蜂窩連接 205
7.1.1治理模型和標準 206
7.1.2蜂窩接入技術 211
7.1.3關于3GPP用戶設備類別 211
7.1.4關于4G-LTE頻譜分配和頻段 213
7.1.5關于4G-LTE拓撲和架構 218
7.1.6關于4G-LTEE-UTRAN協議棧 222
7.1.7關于4G-LTE地理區域、數據流和切換過程 224
7.1.8關于4G-LTE報文結構 227
7.1.9LTECat-0、Cat-1、Cat-M1和Cat-NB 228
7.1.105G 233
7.2LoRa和LoRaWAN 239
7.2.1LoRa物理層 240
7.2.2LoRaWANMAC層 241
7.2.3LoRaWAN拓撲 243
7.2.4LoRaWAN小結 245
7.3Sigfox 246
7.3.1Sigfox物理層 247
7.3.2SigfoxMAC層 248
7.3.3Sigfox協議棧 250
7.3.4Sigfox拓撲 251
7.4小結 253
第8章路由器和網關 255
8.1路由功能 255
8.1.1網關功能 255
8.1.2路由 256
8.1.3故障轉移和帶外管理 259
8.1.4虛擬局域網 260
8.1.5虛擬專用網 262
8.1.6流量整形和QoS 264
8.1.7安全功能 266
8.1.8指標和分析 267
8.1.9邊緣處理 267
8.2軟件定義網絡 268
8.2.1SDN架構 269
8.2.2傳統互聯網絡 271
8.2.3SDN的好處 272
8.3小結 273
第9章物聯網邊緣到云協議 275
9.1協議 275
9.2MQTT 277
9.2.1MQTT發布-訂閱模型 278
9.2.2MQTT架構細節 280
9.2.3MQTT封包結構 282
9.2.4MQTT通信格式 283
9.2.5MQTT工作示例 286
9.3MQTT-SN 289
9.3.1MQTT-SN架構和拓撲 289
9.3.2透明和聚合網關 291
9.3.3網關廣告和發現 292
9.3.4MQTT和MQTT-SN之間的區別 292
9.4受限應用協議 293
9.4.1CoAP架構詳解 293
9.4.2CoAP消息格式 297
9.4.3CoAP用法示例 302
9.5其他協議 304
9.5.1STOMP 304
9.5.2AMQP 304
9.6有關協議的總結和比較 308
9.7小結 308
第10章云和霧拓撲 309
10.1云服務模型 310
10.1.1NaaS 311
10.1.2SaaS 311
10.1.3PaaS 311
10.1.4IaaS 312
10.2公共、私有和混合云 312
10.2.1私有云 313
10.2.2公共云 313
10.2.3混合云 313
10.3OpenStack云架構 313
10.3.1Keystone：身份和服務管理 315
10.3.2Glance：鏡像服務 315
10.3.3Nova計算 316
10.3.4Swift：對象存儲 318
10.3.5Neutron：網絡服務 318
10.3.6Cinder：塊存儲 318
10.3.7Horizon 319
10.3.8Heat：編排引擎（可選） 319
10.3.9Ceilometer：計費（可選） 320
10.4物聯網云架構的約束 320
10.5霧計算 324
10.5.1霧計算的Hadoop哲學 324
10.5.2霧計算、邊緣計算與云計算 325
10.5.3OpenFog參考架構 326
10.5.4AmazonGreengrass和Lambda函數 332
10.5.5霧拓撲 334
10.6小結 339
第11章云和霧中的數據分析與機器學習 341
11.1物聯網中的基本數據分析 342
11.1.1頂層云管道 344
11.1.2規則引擎 346
11.1.3采集：流、處理和數據湖 349
11.1.4復合事件處理 352
11.1.5Lambda架構 353
11.1.6行業用例 354
11.2物聯網中的機器學習 357
11.2.1機器學習模型 360
11.2.2分類 361
11.2.3回歸 364
11.2.4隨機森林 364
11.2.5貝葉斯模型 366
11.2.6卷積神經網絡 368
11.2.7循環神經網絡 377
11.2.8物聯網的訓練和推理 383
11.2.9物聯網數據分析和機器學習的比較與評估 384
11.3小結 386
第12章物聯網安全性 387
12.1網絡安全術語 387
12.1.1攻擊和威脅術語 387
12.1.2防御術語 389
12.2物聯網網絡攻擊剖析 391
12.2.1Mirai 392
12.2.2Stuxnet 393
12.2.3鏈式反應 394
12.3物理和硬件安全 396
12.3.1信任根 396
12.3.2密鑰管理和可信平臺模塊 399
12.3.3處理器和內存空間 399
12.3.4存儲安全 400
12.3.5物理安全 400
12.4密碼學 402
12.4.1對稱密碼學 404
12.4.2非對稱密碼學 407
12.4.3加密哈希（身份驗證和簽名） 412
12.4.4公共密鑰基礎結構 413
12.4.5網絡堆棧—傳輸層安全 415
12.5軟件定義邊界 417
12.6物聯網中的區塊鏈和加密貨幣 419
12.6.1比特幣（基于區塊鏈） 421
12.6.2IOTA（基于有向無環圖） 426
12.7政府法規和干預 427
12.7.1美國國會的物聯網相關法案 427
12.7.2其他政府機構 428
12.8物聯網安全最佳實踐 429
12.8.1整體安全性 430
12.8.2安全建議列表 433
12.9小結 434
第13章聯盟和技術社區 437
13.1個人局域網聯盟 437
13.1.1藍牙SIG 437
13.1.2ThreadGroup 438
13.1.3Zigbee聯盟 438
13.1.4其他個人局域網聯盟 439
13.2協議聯盟 439
13.2.1開放互連基金會 439
13.2.2OASIS 440
13.2.3對象管理組 440
13.2.4IPSO聯盟 441
13.2.5其他協議聯盟 441
13.3廣域網聯盟 442
13.3.1Weightless 442
13.3.2LoRa聯盟 442
13.3.3互聯網工程任務組 443
13.3.4Wi-Fi聯盟 443
13.4霧和邊緣聯盟 444
13.4.1OpenFog 444
13.4.2EdgeXFoundry 444
13.5傘狀組織 445
13.5.1工業互聯網聯盟 445
13.5.2IEEE物聯網 445
13.5.3其他傘狀組織 446
13.6美國政府物聯網和安全實體 446
13.7小結 447
《物聯網架構設計實戰：從云端到傳感器》詳細闡述了與物聯網架構相關的基本解決方案，主要包括物聯網故事，物聯網架構和核心物聯網模塊，傳感器、端點和電源系統，通信與信息論，非基于IP的WPAN，基于IP的WPAN和WLAN，遠距離通信系統和協議（WAN），路由器和網關，物聯網邊緣到云協議，云和霧拓撲，云和霧中的數據分析與機器學習，物聯網安全性等內容。此外，本書還提供了相應的示例、代碼，以幫助讀者進一步理解相關方案的實現過程。
本書適合作為高等院校計算機及相關專業的教材和教學參考書，也可作為相關開發人員的自學讀物和參考手冊。
現代人可能在工作和生活的每一天都會體驗到物聯網。公眾對物聯網的印象大部分來自與健身追蹤器、智能手表或家庭智能恒溫器等的互動。
2017年，筆者在職場社交平臺領英（LinkedIn）上搜索關鍵詞IoT（物聯網）時，發現7189個與IoT相關的職位發布。Glassdoor職場社區顯示了5440個請求，而則顯示了超過1000個請求。物聯網市場在人才和解決方案方面正在蓬勃發展。一般來說，技術人員會采取最小的阻力將未連接的對象綁定到互聯網。這種方法當然有效，但是它與架構師的角色仍然是有區別的。架構師需要全盤考慮各種技術選項、方案在未來的可擴展性、安全性保證和能源消耗等問題，以構建不僅有效而且可以為其公司、客戶和股東帶來價值的物聯網解決方案。
許多物聯網項目失敗或被卡在研發過程中有兩個原因。首先，從安全性和健壯性的角度來看，為物聯網構建一個健壯的系統本身就是有困難的；其次，往往會出現雖然某個物聯網解決方案在技術上可行，但從IT采購經理的角度來看卻不現實的情況。例如，現在人們越來越傾向于在Internet上連接更多的東西，而作為架構師，則需要同時考慮企業實際需要以及IT世界是一個已有50年歷史的成熟行業。在智能燈泡上放一個IP地址當然是可能的，但是從客戶的角度來看就不一定是現實可行的。本書試圖從企業、工業或商業角度而不是業余愛好者的角度來看待物聯網問題。
本書從傳感器和云的架構及整體角度介紹了物聯網，包括兩者之間的所有物理傳輸和轉換。因為這是一本有關架構方面的指南，所以它試圖保持足夠的深度來給另一位架構師提供有關底層系統的約束和準則等知識。關于物聯網特定內容的書籍和教程不計其數，如MQTT協議、云設計和DevOps、電源和電池設計以及RF信號分析等，這些都是物聯網系統的重要組成部分，合格的架構師應能夠跨越廣度來設計健壯的系統。當然，架構師還必須能夠從設計細節中汲取靈感，這樣才能展現架構師應有的價值。
我們預計讀者不會對每個工程領域都有特別深入的理解。本書涉及射頻信號、功率和能量以及電路原理等，同時涉及互聯網協議編程和云配置等方面的知識。在本書的最后，還深入研究了卷積神經網絡等機器學習應用程序。架構師應該具備將這些技術和工具整合在一起并熟練駕馭的能力。本書可以幫助讀者達到這一水平，但是并不期望讀者對每種技術和工具都有深刻的了解。
物聯網可以做的事情超出人們的想象，它將帶動制造業、醫療保健、政府和企業的下一次重大革命。這將對世界GDP、就業和市場產生重大影響。當然，這也不可避免地給安全帶來了嚴重的挑戰和風險。
在前面提到的領英等網站列出的數千個工作機會中，許多工作都是需要由物聯網架構師、技術人員和項目負責人來構建物聯網解決方案，而不是開發小部件。本書將幫助讀者學習和應用針對此類項目的技術。
最后，有必要特別指出的是，本書有些內容是很有趣的。例如，介紹了如何設計一種設備來監視家庭照明，或者通過無人機來控制路燈。這雖然只是研究項目，但卻包含著非常先進的技術，不僅適用于技術愛好者，架構師也可以一試。
本書讀者
本書面向希望了解物聯網生態系統，需要綜合使用各種技術進行物聯網架構設計的架構師、系統設計師、技術人員和技術經理。
內容介紹
本書共分13章，具體內容如下。
第1章“物聯網故事”，從一個虛擬的時間點開始，站在未來的角度介紹了物聯網的發展、重要性和對日常生活的影響。本章還詳細闡述了物聯網在各個領域的用例，包括工業物聯網、智慧城市、交通和醫療保健等。
第2章“物聯網架構和核心物聯網模塊”，介紹了本書討論的技術組合的整體情況。物聯網生態系統的每個部分都有其目的，并且會在不知不覺中相互影響。對于架構師而言，這是非常重要的一章，因為他們能夠通過本章內容高屋建瓴地理解各種相互關聯的技術的全貌。本章還探討了賦予物聯網價值的方法。
第3章“傳感器、端點和電源系統”，探討了放置在Internet上的數十億個邊緣端點和相應的傳感器技術。本章還闡述了傳感器設計、架構和電源系統的基礎知識。
第4章“通信與信息論”，詳細介紹了有關通信理論、信息論、無線電頻譜和相關數學模型的重要知識基礎，這些基礎知識定義了對物聯網來說非常重要的通信系統。在選擇適當的電信形式時，架構師需要理解決策背后的理論基礎。
第5章“非基于IP的WPAN”，討論了物聯網邊緣上非基于IP的主要協議和技術，對新的藍牙5架構、Zigbee、Z-Wave和用于傳感器網絡的網格拓撲進行了深入介紹。
第6章“基于IP的WPAN和WLAN”，通過處理基于IP的通信（包括6LoWPAN、Thread和IEEE 802.11標準）來完成近距離通信。本章還詳細介紹了新的802.11協議，如用于車輛通信的802.11p和用于物聯網的802.11ah。
第7章“遠距離通信系統和協議（WAN）”，討論了廣域網通信系統，闡述了從物聯網到云的遠程通信協議。本章詳細介紹了所有蜂窩LTE標準、LoRaWAN、Sigfox以及新的LTE窄帶和5G架構。
第8章“路由器和網關”，闡述了邊緣路由和網關功能的重要性。本章詳細介紹了路由系統、網關功能、VPN、VLAN和流量整形，并討論了軟件定義網絡（SDN）。
第9章“物聯網邊緣到云協議”，詳細介紹了流行的物聯網到云協議，如MQTT、MQTT-SN、CoAP、AMQP和STOMP。
第10章“云和霧拓撲”，詳細介紹了云服務模型和類型，并且以OpenStack為參考，探討了云架構的基礎。本章還闡釋了云架構的約束以及霧計算（使用諸如OpenFog標準之類的框架）解決這些問題的方式。
第11章“云和霧中的數據分析與機器學習”，介紹了使用工具（如規則引擎、復雜事件處理和Lambda架構）有效分析大量物聯網數據的技術和用例。本章還探討了用于物聯網數據的機器學習以及它們的應用環境。
第12章“物聯網安全性”，從全局角度討論了本書涉及的每個物聯網組件的安全性。本章詳細介紹了有關協議、硬件、軟件定義邊界和區塊鏈安全性的理論和架構。
第13章“聯盟和技術社區”，詳細介紹了許多圍繞物聯網標準和規則創建的產業聯盟和技術社區，包括個人局域網聯盟、協議聯盟、廣域網聯盟、霧和邊緣聯盟以及傘狀組織等。
充分利用本書
本書中有若干個硬件設計示例和編碼示例。大多數編碼示例都是基于Python語法的偽代碼。工作示例還基于可在Mac OS X、Linux和Microsoft上使用的Python 3.4.3。在某些領域（如第9章“物聯網邊緣到云協議”介紹的內容）中，需要用到MQTT庫（如Paho），這可以在Python中免費使用。
如果讀者已經熟悉一些基礎演算、信息論、電氣特性和計算機科學，則這對于從架構師的角度深入了解物聯網是大有裨益的。
在第10章“云和霧拓撲”中提供了一些腳本，使用了OpenStack或Amazon AWS/ Greengrass。在這些情況下，可能需要獲得云賬戶。當然，如果僅僅是要了解架構目標，則這并非絕對必要。

本書約定
本書中使用了許多文本約定。
（1）CodeInText：表示文本中的代碼字、數據庫表名、文件夾名、文件名、文件擴展名、路徑名、虛擬URL、用戶輸入和Twitter句柄等。以下段落就是一個示例：

5G擁有3個不同的目標，有關詳細信息

（2）有關代碼塊的設置如下所示：

rule "Furnace_On"
when
Smoke_Sensor(value > 0) && Heat_Sensor(value > 0)
then
insert(Furnace_On())
end

（3）當希望引起讀者對代碼塊的特定部分的注意時，相關的行或項目以粗體顯示：

rule "Furnace_On"
when
Smoke_Sensor(value > 0) && Heat_Sensor(value > 0)
then
insert(Furnace_On())
end

（4）任何命令行輸入或輸出都采用如下所示的粗體代碼形式：

aws greengrass create-function-definition --name "sensorDefinition"

（5）術語或重要單詞使用粗體顯示，并且在括號內保留其英文原文，方便讀者對照查看。示例如下：

從左到右可以看到，5G網絡通過小型蜂窩小區（Small Cell）和宏小區（Macrocell，也稱為宏蜂窩）部署，節點密度為每平方千米一百萬個物聯網設備。在室內和家庭使用的是60 GHz頻率（宏小區使用的是4 GHz回程）。

（6）本書還使用了以下兩個圖標。
表示警告或重要的注意事項。
表示提示或小技巧。
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