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第1章 物聯網和邊緣計算的定義及用例 …… 1
1.1 物聯網的歷史 …… 3
1.2 物聯網的潛力 …… 5
1.3 物聯網的定義 …… 7
1.3.1 工業和制造業 …… 8
1.3.2 消費者 …… 10
1.3.3 零售、金融和營銷 …… 10
1.3.4 醫療保健 …… 11
1.3.5 運輸業和物流業 …… 11
1.3.6 農業和環境 …… 12
1.3.7 能源產業 …… 13
1.3.8 智慧城市 …… 13
1.3.9 軍事和政府 …… 14
1.4 使用案例和部署示意 …… 14
1.4.1 案例研究——遠程和緩醫療 …… 15
1.4.2 用例回顧 …… 22
1.5 小結 …… 23
第2章 物聯網架構和核心物聯網模塊 …… 24
2.1 相連的生態系統 …… 24
2.1.1 物聯網、機器對機器與SCADA …… 26
2.1.2 網絡的價值、梅特卡夫定律和貝克斯特倫定律 …… 27
2.1.3 物聯網和邊緣架構 …… 29
2.1.4 架構師的作用 …… 30
2.2 第一部分——傳感和電源 …… 31
2.3 第二部分——數據通信 …… 31
2.4 第三部分——邊緣計算 …… 32
2.5 第四部分——計算、分析和機器學習 …… 33
2.6 第五部分——物聯網中的威脅與安全 …… 34
2.7 小結 …… 34
第3章 傳感器、終端和電力系統 …… 35
3.1 傳感設備 …… 35
3.1.1 熱電偶和溫度傳感器 …… 35
3.1.2 霍爾效應傳感器和電流傳感器 …… 38
3.1.3 光電傳感器 …… 38
3.1.4 PIR傳感器 …… 39
3.1.5 激光雷達和主動傳感系統 …… 40
3.1.6 MEMS傳感器 …… 41
3.2 高性能物聯網終端 …… 44
3.2.1 視覺系統 …… 45
3.2.2 傳感器融合 …… 47
3.2.3 輸出設備 …… 47
3.3 功能示例（整合在一起） …… 48
3.3.1 功能示例——TI SensorTag CC2650 …… 48
3.3.2 傳感器到控制器 …… 49
3.4 能源和電源管理 …… 51
3.4.1 電源管理 …… 51
3.4.2 能量收集 …… 52
3.4.3 儲能 …… 56
3.5 小結 …… 60
第4章 通信和信息論 …… 61
4.1 通信理論 …… 62
4.1.1 射頻能量和理論范圍 …… 62
4.1.2 射頻干擾 …… 65
4.2 信息論 …… 66
4.2.1 比特率限制和香農-哈特利定理 …… 66
4.2.2 誤碼率 …… 70
4.2.3 窄帶通信與寬帶通信 …… 71
4.3 無線電頻譜 …… 74
4.4 小結 …… 77
第5章 基于WPAN的非IP協議 …… 78
5.1 802.15標準 …… 79
5.2 藍牙 …… 80
5.2.1 藍牙的歷史 …… 80
5.2.2 藍牙5通信進程和拓撲 …… 81
5.2.3 藍牙5棧 …… 82
5.2.4 BR/EDR操作 …… 87
5.2.5 低功耗藍牙技術角色 …… 89
5.2.6 BLE運算 …… 90
5.2.7 藍牙配置文件 …… 91
5.2.8 BR/EDR安全 …… 94
5.2.9 信標 …… 95
5.2.10 藍牙5的范圍和速度增強 …… 100
5.2.11 藍牙網狀網 …… 101
5.2.12 藍牙5.1技術 …… 107
5.3 IEEE 802.15.4 …… 115
5.3.1 IEEE 802.15.4架構 …… 115
5.3.2 IEEE 802.15.4 拓撲結構 …… 119
5.3.3 IEEE 802.15.4 地址模式和數據包結構 …… 120
5.3.4 IEEE 802.15.4 啟動序列 …… 120
5.3.5 IEEE 802.15.4 安全性 …… 121
5.4 Zigbee …… 122
5.4.1 Zigbee的歷史 …… 122
5.4.2 Zigbee概述 …… 122
5.4.3 Zigbee PHY和MAC（與IEEE 802.15.4的區別） …… 124
5.4.4 Zigbee 協議棧 …… 124
5.4.5 Zigbee尋址和數據包結構 …… 125
5.4.6 Zigbee網狀路由 …… 126
5.4.7 Zigbee安全性 …… 127
5.5 Z-Wave …… 128
5.5.1 Z-Wave概述 …… 129
5.5.2 Z-Wave協議棧 …… 130
5.5.3 Z-Wave尋址 …… 131
5.5.4 Z-Wave拓撲和路由 …… 132
5.6 小結 …… 133
第6章 基于IP的WPAN和WLAN …… 134
6.1 TCP/IP …… 134
6.2 具有IP的WPAN—— 6LoWPAN …… 136
6.3 IEEE 802.11協議和WLAN …… 136
6.3.1 IEEE 802.11 協議集及比較 …… 137
6.3.2 IEEE 802.11架構 …… 138
6.3.3 IEEE 802.11頻譜分配 …… 140
6.3.4 IEEE 802.11調制和編碼技術 …… 141
6.3.5 IEEE 802.11 MIMO …… 145
6.3.6 IEEE 802.11數據包結構 …… 147
6.3.7 IEEE 802.11操作 …… 149
6.3.8 IEEE 802.11安全性 …… 150
6.3.9 IEEE 802.11ac …… 151
6.3.10 IEEE 802.11p車聯網 …… 152
6.3.11 IEEE 802.11ah …… 155
6.3.12 6LoWPAN拓撲 …… 158
6.3.13 6LoWPAN協議棧 …… 160
6.3.14 網狀網尋址和路由 …… 161
6.3.15 報頭壓縮和分段 …… 163
6.3.16 鄰居發現 …… 165
6.3.17 6LoWPAN安全性 …… 166
6.4 具有IP的WPAN——Thread …… 166
6.4.1 Thread架構及拓撲 …… 167
6.4.2 Thread協議棧 …… 168
6.4.3 Thread路由 …… 168
6.4.4 Thread尋址 …… 169
6.4.5 鄰居發現 …… 169
6.5 小結 …… 170
第7章 遠程通信系統和協議 …… 171
7.1 蜂窩連接 …… 171
7.1.1 管理模式和標準 …… 172
7.1.2 蜂窩接入技術 …… 174
7.1.3 3GPP用戶設備類別 …… 175
7.1.4 4G LTE頻譜分配和頻段 …… 176
7.1.5 4G LTE拓撲和架構 …… 181
7.1.6 4G LTE E-UTRAN協議棧 …… 185
7.1.7 4G LTE地理區域、數據流和切換過程 …… 186
7.1.8 4G LTE數據包結構 …… 188
7.1.9 Cat-0、Cat-1、Cat-M1和NB-IoT …… 189
7.1.10 Multefire、CBRS和蜂窩網絡頻譜共享 …… 194
7.1.11 5G …… 196
7.2 LoRa和LoRaWAN …… 210
7.2.1 LoRa物理層 …… 210
7.2.2 LoRaWAN MAC層 …… 212
7.2.3 LoRaWAN拓撲結構 …… 213
7.2.4 LoRaWAN總結 …… 214
7.3 Sigfox …… 215
7.3.1 Sigfox物理層 …… 215
7.3.2 Sigfox MAC層 …… 217
7.3.3 Sigfox協議棧 …… 217
7.3.4 Sigfox拓撲結構 …… 218
7.4 小結 …… 219
第8章 邊緣計算 …… 221
8.1 邊緣的用途和定義 …… 221
8.2 邊緣用例 …… 223
8.3 邊緣硬件架構 …… 225
8.3.1 處理器 …… 226
8.3.2 動態隨機存取內存和易失性內存 …… 234
8.3.3 存儲和非易失性內存 …… 235
8.3.4 低速I/O …… 240
8.3.5 高速I/O …… 241
8.3.6 硬件輔助和協同處理 …… 242
8.3.7 引導和安全模塊 …… 243
8.3.8 邊緣計算硬件示例 …… 243
8.3.9 防護等級 …… 244
8.4 操作系統 …… 245
8.4.1 操作系統選擇要點 …… 246
8.4.2 典型引導過程 …… 246
8.4.3 操作系統調優 …… 247
8.5 邊緣平臺 …… 248
8.5.1 虛擬化 …… 248
8.5.2 容器 …… 249
8.6 邊緣計算用例 …… 254
8.6.1 環境計算 …… 254
8.6.2 合成傳感 …… 255
8.7 小結 …… 256
第9章 邊緣路由和網絡 …… 257
9.1 邊緣的TCP/IP網絡功能 …… 257
9.1.1 路由功能 …… 257
9.1.2 PAN到WAN的橋接 …… 261
9.1.3 故障切換和帶外管理 …… 264
9.2 邊緣級的網絡安全 …… 265
9.2.1 VLAN …… 266
9.2.2 VPN …… 267
9.2.3 流量整形和QoS …… 268
9.2.4 安全功能 …… 270
9.2.5 指標和分析 …… 271
9.3 軟件定義網絡 …… 271
9.3.1 SDN架構 …… 272
9.3.2 傳統的網絡連接 …… 273
9.3.3 SDN的好處 …… 274
9.4 小結 …… 275
第10章 邊緣–云協議 …… 276
10.1 協議 …… 276
10.2 MQTT …… 278
10.2.1 MQTT發布–訂閱 …… 279
10.2.2 MQTT架構細節 …… 282
10.2.3 MQTT狀態轉換 …… 284
10.2.4 MQTT數據包結構 …… 285
10.2.5 MQTT數據類型 …… 287
10.2.6 MQTT通信格式 …… 288
10.2.7 MQTT 3.1.1工作示例 …… 291
10.3 MQTT-SN …… 293
10.3.1 MQTT-SN架構和拓撲結構 …… 294
10.3.2 透明網關和聚合網關 …… 294
10.3.3 網關廣播和發現 …… 295
10.3.4 MQTT和MQTT-SN的區別 …… 295
10.3.5 選擇MQTT代理 …… 296
10.4 約束應用協議 …… 297
10.4.1 CoAP架構細節 …… 297
10.4.2 CoAP消息格式 …… 300
10.4.3 CoAP使用示例 …… 303
10.5 其他協議 …… 305
10.5.1 STOMP …… 305
10.5.2 AMQP …… 305
10.6 協議總結與比較 …… 308
10.7 小結 …… 308
第11章 云和霧拓撲 …… 309
11.1 云服務模型 …… 309
11.1.1 NaaS …… 310
11.1.2 SaaS …… 311
11.1.3 PaaS …… 311
11.1.4 IaaS …… 311
11.2 公有云、私有云和混合云 …… 311
11.2.1 私有云 …… 312
11.2.2 公有云 …… 312
11.2.3 混合云 …… 312
11.3 OpenStack云架構 …… 313
11.3.1 Keystone：身份和服務管理 …… 313
11.3.2 Glance：鏡像服務 …… 313
11.3.3 Nova計算 …… 315
11.3.4 Swift：對象存儲 …… 317
11.3.5 Neutron：網絡服務 …… 317
11.3.6 Cinder：塊存儲 …… 317
11.3.7 Horizon …… 317
11.3.8 Heat：編排（選讀） …… 318
11.3.9 Ceilometer：計量監控（選讀） …… 318
11.4 物聯網云架構的限制 …… 318
11.5 霧計算 …… 321
11.5.1 用于霧計算的Hadoop原理 …… 321
11.5.2 霧、邊緣、云和薄霧計算比較 …… 322
11.5.3 OpenFog參考架構 …… 323
11.5.4 EdgeX …… 327
11.5.5 Amazon Greengrass和Lambda …… 329
11.5.6 霧拓撲 …… 331
11.6 小結 …… 334
第12章 云和邊緣中的數據分析與機器學習 …… 335
12.1 物聯網基礎數據分析 …… 335
12.1.1 頂層云管道 …… 337
12.1.2 規則引擎 …… 339
12.1.3 數據獲取—流、處理和數據湖 …… 341
12.1.4 復雜事件處理 …… 344
12.1.5 Lambda架構 …… 345
12.1.6 行業用例 …… 345
12.2 物聯網中的機器學習 …… 347
12.2.1 人工智能和機器學習里程碑簡史 …… 347
12.2.2 機器學習模型 …… 349
12.2.3 分類 …… 350
12.2.4 回歸 …… 352
12.2.5 隨機森林 …… 353
12.2.6 貝葉斯模型 …… 355
12.2.7 卷積神經網絡 …… 357
12.2.8 循環神經網絡 …… 365
12.2.9 物聯網的訓練與推理 …… 370
12.3 物聯網數據分析和機器學習比較與評估 …… 371
12.4 小結 …… 372
第13章 物聯網與邊緣網絡安全 …… 373
13.1 網絡安全術語 …… 373
13.1.1 攻擊和威脅術語 …… 373
13.1.2 防范術語 …… 375
13.2 物聯網網絡攻擊分析 …… 377
13.2.1 Mirai …… 377
13.2.2 震網病毒 …… 379
13.2.3 連鎖反應 …… 379
13.3 物理及硬件安全 …… 381
13.3.1 RoT …… 381
13.3.2 密鑰管理和可信平臺模塊 …… 382
13.3.3 處理器和內存空間 …… 382
13.3.4 存儲安全 …… 383
13.3.5 物理安全 …… 384
13.4 shell安全性 …… 385
13.5 密碼使用 …… 385
13.5.1 對稱加密 …… 387
13.5.2 非對稱加密 …… 390
13.5.3 散列加密法（身份驗證和簽名） …… 392
13.5.4 公鑰基礎設施 …… 393
13.5.5 網絡堆棧——傳輸層安全性 …… 395
13.6 軟件定義邊界 …… 396
13.7 物聯網中的區塊鏈和加密貨幣 …… 398
13.7.1 比特幣（基于區塊鏈） …… 399
13.7.2 IOTA和有向無環圖信任模型 …… 403
13.8 政府法規及干預 …… 404
13.8.1 美國國會法案——2017年物聯網網絡安全改進法案 …… 404
13.8.2 其他政府機構 …… 405
13.9 物聯網安全最佳實踐 …… 406
13.9.1 全面的安全 …… 406
13.9.2 安全檢查清單 …… 406
13.10 小結 …… 408
第14章 聯盟和協會 …… 409
14.1 PAN協會 …… 409
14.1.1 藍牙技術聯盟 …… 409
14.1.2 Thread聯盟 …… 410
14.1.3 Zigbee聯盟 …… 410
14.1.4 其他 …… 410
14.2 協議協會 …… 411
14.2.1 開放連接基金會和Allseen聯盟 …… 411
14.2.2 綠洲協會 …… 411
14.2.3 對象管理組 …… 412
14.2.4 OMA規范工程聯盟 …… 413
14.2.5 其他 …… 413
14.3 WAN聯盟 …… 413
14.3.1 Weightless技術聯盟 …… 413
14.3.2 LoRa聯盟 …… 414
14.3.3 互聯網工程任務組 …… 414
14.3.4 Wi-Fi聯盟 …… 414
14.4 霧及邊緣計算協會 …… 415
14.4.1 OpenFog組織 …… 415
14.4.2 Eclipse基金會和EdgeX Foundry …… 415
14.5 傘式組織 …… 416
14.5.1 工業互聯網協會 …… 416
14.5.2 IEEE物聯網 …… 416
14.5.3 其他 …… 417
14.6 美國政府物聯網和安全實體 …… 417
14.7 工商業物聯網與邊緣計算 …… 417
14.7.1 工商業傳感器和MEMS廠商 …… 418
14.7.2 硅片、微處理器和器件廠家 …… 418
14.7.3 PAN網絡通信公司 …… 419
14.7.4 WAN技術公司 …… 419
14.7.5 邊緣計算及解決方案公司 …… 420
14.7.6 操作系統、中間件和軟件公司 …… 420
14.7.7 云提供商 …… 420
14.8 小結 …… 421