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'《物联网导论》习题解答2016年4月 第1章概述一、本章学习目标本章主要了解物联网的起源、物联网关键技术及其应用进展；掌握物联网的概念与定义、物联网的特征、信息处理流程与物联网框架结构、物联网的基本结构、物联网的层次框架。二、本章知识点l物联网的概念与定义l物联网的特征l信息处理流程与物联网框架结构l物联网的基本结构、物联网的层次框架三、习题及解答1.物联网的含义包含哪些方面？答：“物联网”或“TheInternetofThings”具有以下含义：（1）“物联网”依然是一个网，是一个在现有互联网基础上的网，应具有互联网的共性，这些共性应包括信息传输、信息交换、信息存储与信息的应用。（2）物联网中的“物”应具有英特网中的终端或端点的特性，即“物”可以被寻址，“物”可以“产生”信息、交换信息。（3）物联网中的“物”“所产生”的信息可以加以应用，或者说，人们可以应用“物”的信息。（4）物联网应为人服务，能满足人的某些方面的需求，如果不能为人服务，它是没有意义的。2.学术界、我国及国际组织对物联网是如何定义的？答：学术界对物联网的定义有以下几个：（1）面向互联网的定义：“全球化的基础设施，连接物理与虚拟的对象，以应用其捕获的数据和通信功能。这个基础设施包括了现存的和演进的英特网和网络，它将提供特殊的对象识别、感知和连接能力，以作为开发独立的、协作的、服务和应用基础。这些将是由高度自治的数据捕获、事件传输、网络互联和交互为特征的”。该定义是由CASAGRAS(CoordinationandSupportActionforGlobalRFID-relatedActivitiesandStandardisation，全球RFID运作及标准化协调支持行动)提出的。（2）面向物的定义： 在智能空间，被辨识的、拟人化操作的物，通过界面连接，与社区、环境和用户进行交互。（3）面向语义的定义：“利用适当的建模解决方案，对物体进行描述、对物联网产生的数据进行推理、适应物联网需求的语义执行环境和架构、可扩展性存储和通信基础设施。”。面向语义的定义来源于IPSO(IPforSmartObjects)联盟。我国及国际组织对物联网的定义为：（1）我国的定义：物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。（2）欧盟定义：将现有的互联的计算机网络扩展到互联的物品网络。（3）国际电信联盟(ITU)的定义：物联网主要解决物品到物品(ThingtoThing,T2T)，人到物品(HumantoThing，H2T)，人到人(HumantoHuman，H2H)之间的互连。3.物联网的主要特征有哪些？试简要给以说明。答：感知、交互和信息处理特征。（1）物联网的感知特征，感知是物联网的基本特征之一。“物”的描述以及运动状态是通过感知得到的。感知的手段是采用监测的方法，即通过传感器、射频识别等设备对“物”的物理参数、化学参数、生物参数、空间参数等进行实时采集，所采集的这些参数表征了“物”的属性及运动状态，能客观、完整地描述“物”。（2）物联网的交互特征。“物”的感知信息需要与特定的应用相联系，也就是需要与相关的人或“物”进行交互，以达到信息共享或信息处理的目的。（3）物联网的信息处理特征。物联网不但应具有信息传送与存储能力，而且更重要的是具有信息处理能力。物联网感知的“物”是具有全局性，而全局性意味着信息的多样性和海量性，这些多样性、海量性的数据必须通过信息处理来为某个特定的应用服务。基于以上特征，物联网中的“物”已不是简单的物，它应是装备某种特殊性能的“物”，因此“物”应具有信息通信与处理能力，信息的通信与处理应符合一定的规范和标准，按照一定的通信协议和规范进行通信，并且“物”要有能被全局识别或定位的唯一标识和编码。4.一般的信息处理系统主要由哪些部分构成？其主要作用如何？答：一个信息处理系统一般由源信息采集与源信息处理（或源信息预处理）、信息传送和信息处理及应用三部分构成。 源信息采集就是采用各种传感器获取监测对象的物理的、化学的、生物的信息，或采集监测对象的图形图像信息。源信息采集首先需要有监测对象，该对象可是物、人、或者是其他实体；其次，源信息的采集需要传感器，包括摄影摄像等方面的设备，因此，源信息采集所用的传感器的种类非常多；第三，源信息的采集不仅仅只采集监测对象的一种信息，可以同时采集多种信息。一般来说采集的源信息需要经过一定的处理才能通过通信系统的传输传送出去。这是因为传感器采集的信息一般是一个电压或电流信号，而这样一个信号不能直接由通信系统传送，需经过一定的处理、编码、变换才能传送。信息传送就是将经过处理的源信息通过通信系统传送到信息处理与应用部分。它主要由通信系统组成，包括有线与无线通信系统。最简单的传输系统是两根导线。经过传输到达的源信息需要进一步处理，将该信息处理为人或机器能理解的信息，如采集的温度信息，需要将它转换为具有物理含义的摄氏或华氏温度表示。处理后的源信息需要加以应用为人们提供各种服务。5.物联网的系统结构主要由哪些部分构成？其主要作用是什么？答：物联网是全球性的信息系统，它是由众多的、完成不同任务的子信息系统组成的，因此，物联网不但具有信息系统的一般结构，而且也有其特殊性。物联网的主要由感知控制系统、短距离汇聚通信系统、网络通信系统以及信息处理与应用系统组成。感知控制系统一般由多个感知控制器构成。感知控制器一般由传感器、射频识别设备、图像图形获取设备（摄像、摄影机）等，以及控制装置组成。主要完成信息的获取，或完成某种控制。感知控制系统一般感知某一区域的信息，或在该区域实施某种控制。短距离汇聚通信系统的作用是将感知区域内的各个感知控制器所获取的信息进行汇聚，以适合传送通信系统的方式。另外，还接收信息处理与应用系统的信息或命令完成感知和控制。目前应用短距离有线、无线通信技术实现。网络通信系统完成全球性的感知信息的传送与交换与共享。由各种无线、有线通信系统组成通信网，在通信网上由各种主机（计算机）、网络交换机、路由器等组成数据通信网络，以实现互联网功能，进而实现物联网的信息传送、交互与共享。信息处理与应用是将管辖区域内感知获取的信息进行处理与应用，它还可以处理应用其他非管辖区感知到信息，同时也可与其他的信息处理与应用系统的信息共享与交互。6.物联网框架主要由哪些层次构成？答：物联网的层次框架由三个层次构成，即由信息的感知控制层、信息的传送网络层和信息的综合应用层构成。 感知控制层包含三个子层次，即数据采集子层、短距离通信传输子层和协同信息处理子层次。传输网络层是将来自感知控制层的信息通过网络通信系统传送到综合应用层。网络通信系统包括了现有的各种公用通信网络、专业通信网络，目前这些通信网主要有移动通信网、固定通信网、互联网、广播电视网、卫星网等。综合应用层是将物联网框架结构的最高层次，是“物”的信息综合应用的最终体现。“物”的信息综合应用与行业有密切的关系，依据行业的不同而不同。综合应用层主要分为两个子层次，即服务支撑层和行业应用层。服务支撑层主要用于各种行业应用的信息协同、信息处理、信息共享、信息存储等，是一个公用的信息服务平台；行业应用层主要面向诸如环境、电力、智能、工业、农业、家居等方面的应用。另外，物联网框架还应有公共支撑层，其作用是保障整个物联网安全、有效地运行，主要包括了网络管理、QoS管理、信息安全和标识解析等运行管理系统。7.物联网的关键技术主要有哪些？答：物联网的关键技术主要有：RFID与EPC技术、感知控制技术、无线网络技术、中间件技术和智能处理技术等。8.物联网主要应用在哪些领域？试举出几个应用场景。答：物联网主要应用在以下10大领域，它们是物流、交通、家居、环境监测、金融与服务业、医疗健康、农业、工业、电网和国防军事。应用场景（略）9.能否举出一些你身边物联网应用的例子？这些例子都应用了物联网哪些技术？答：二代身份证，应用了RFID技术。智能停车场，应用了无线传感器技术和RFID技术等。其他略。 第2章RFID与EPC编码一、本章学习目标了解RFID、EPC编码和条码的发展过程，掌握FRID的基本构成与基本原理、参数与应用场合；掌握EPC编码的标准结构与各字段的含义与应用；掌握一维与二维条码的特性。二、本章知识点lRFID的构成与特点l标签的分类与主要技术参数、应用领域lGSI编码体系、SSCC编码结构、GLN编码结构lEPC编码规则及标准l条码技术三、习题及解答1.什么是RFID？试简述RFID发展历程。答：RFID是英语RadioFrequencyIdentification射频识别的缩写。RFID技术是利用射频信号实现无接触自动识别的技术。1941-1950年，雷达技术催生了RFID技术，1948年奠定了RFID的理论基础；1951-1960年，早期RFID技术的探索阶段，处于实验室研究阶段；1961-1970年，RFID技术的理论得到进一步发展，人们开始尝试一些新应用；1971-1980年，RFID技术与产品研发处于高潮期，各种RFID技术测试加速，出现了早期应用；1981-1990年，RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现；1991-2000年，RFID标准化问题日趋得到重视，RFID应用更加丰富，已成为人们生活中的一部分；2000年-至今，RFID产品种类更加丰富，各类标签得到大力发展，标签的成本也不断降低，规模应用行业开始扩张。2.RFID系统主要由哪些部分构成？答：RFID系统由电子标签、阅读器和主机系统构成。3.RFID标签主要由哪些部分构成？试简述其的工作原理。答：RFID标签由天线、射频电路、控制电路、存储器和电源等组成。标签的基本工作原理：从读写器发送的射频信号经过标签的天线接收后，由射频电路进行解调和解码，获得数据、时钟和能量（电能），时钟信号供标签系统进行同步工作，能量用于无源标签的电源。获得的数据送给控制电路用于控制存储器的读写操作。相反，如果从标签向读写器传送数据时，存储中存储的数据在控制电路(CPU)的控制下，传送到射频电路，经过编码、调制后经天线以射频信号的方式发送给读写器。 4.RFID标签是如何分类的？各类的特点如何？答：根据标签是否有内置电源，可将其分为被动式、主动式和半主动式三类。被动式标签的工作电源由接收的射频信号的能量获得。被动式标签采用高频(HF)或超高频(UHF)通信频率。第一代被动式标签采用采用高频通信，通信中心频率为13.56MHz，通信距离较短，最长仅为1m左右，主要用于非接触式标识。第二代被动式标签采用超高频通信，通信频段为860~960MHz，通信距离较长，可达到3~5m，并支持多标签识别。目前，第二代被动式标签是应用最广的，主要用于工业自动化、资产管理、物品监控、个人标识等领域。主动式标签内部具有电源，因此又称为有源标签。因其内部自带电源，所有它的体积比无源标签大，价格也昂贵。主动式标签的通信距离较远，可达百米以上。主动式标签有主动式和唤醒式两种工作模式。半主动式标签具有被动式和主动式标签的各种优点，内部携带电源，但该电源的用作多为维持存储器内部数据状态和标签与阅读器信息交互时的计算、控制等辅助工作，通信所用的电源依然由接收到的射频信号提供。这种标签可以携带传感器、可用于检测环境参数。5.试述简述RFID阅读器的工作原理，可分几类，各类特点如何？答：RFID的工作原理如下：接收时，天线接收标签发送的射频信号，经射频电路解调、解码后送到控制器、控制器将解码后的数据按照通信接口电路的要求及信息系统协议的要求进行转换，交通信接口电路输出到信息系统。发送时，通信接口将信息系统送来的数据交给控制电路，控制电路将其转换为标签约定的数据格式后，交射频电路该数据进行编码、并调制为射频信号，然后送天线发送出去。RFID阅读器一般是按照其工作的通信频率分类的，RFID阅读器分为低频(LF)、工作频点在125kHz附近；高频(HF)，工作频点在13.54MHz附近；超高频(UHF)，工作频段为850~910MHz附近；2.4GHz微波频段。不同频率有不同的特点，其用途也不同。低频标签比超高频阅读器更便宜，更节能，穿透力更强，更适合于含水成分较高的物品。超高频阅读器作用范围较广，传输数据的速率较快，但应用区域不能有太多的干扰，适合于监测货物的运输及仓库管理。6.RFID阅读器的性能参数主要有哪些？如何防止阅读冲突？答：RFID阅读器，它有很多参数，常用的参数主要有：工作频率、输出功率、数据传输速率、输出端口形式、容量、读写速度、封装形式、读写数据的安全性等。 在阅读器的应用中会出现阅读器冲突的问题，即一个阅读器接收到的信息和另一个阅读器接收到的信息发生冲突，产生重叠。解决该问题的方式是使用时分多址(TDMA)技术。7.编码有何作用和意义？答：编码的终极目标就是将物质与信息编码之间建立完全的一一对应关系。普遍认为，这种结合并非是简单的组合，而是一种全新的具有极强生命力的事物。作为编码技术的一个典型的应用是在物流领域兴起的物流信息技术，物流信息技术对于加快物流各个环节提供了必要的信息技术，包括计算机、网络、信息编码技术、自动识别、电子数据交换、全球定位系统以及地理信息系统等技术。这些技术的综合应用对于改变传统物流企业业务的运作水平，完善物流管理中的管理手段、管理组织结构以及企业决策管理起到了积极的作用。8.试简述EPC编码的主要组织。答：针对编码标准，目前已形成了两大协会组织：一是欧洲产品编码协会(EuropeanArticleNumberingAssociation，EANA)，二是美国和加拿大的统一代码委员会(UniformCodeCouncil，UCC)。两大组织合并以后，形成了EAN•UCC组织，该组织于2005年后改名为GS1(GlobalStandard)，可认为是全球第一商务标准化组织，提供全球统一标识系统。中国物品编码中心（ANCC）成立于1988年，由国务院授权统一组织、协调、管理全国的条码工作。1991年，代表中国加入国际物品编码协会，是目前全世界140个国家（地区）编码组织之一，负责在我国推广应用EAN•UCC系统。依据EAN•UCC系统规则，编码中心经过二十多年的工作摸索与探索，研究制定了一套适合我国国情的、技术上与国际接轨的产品与服务标识系统—ANCC全球统一标识系统，简称“ANCC系统”。9.试述GTIN、SSCC和GLN代码的结构。答：GTIN是为全球贸易项目提供唯一标识的一种代码，称其位代码结构。GTIN有GTIN-14、GTIN-13、GTIN-12和GTIN-8四种不同的编码结构。这四种结构可以对不同包装形态的商品进行唯一编码。标识代码无论应用在哪个领域的贸易项目上，每一个标识代码必须以整体方式使用。完整的标识代码可以保证在相关的应用领域内全球唯一。包装指示符包装内含项目的GTIN（不含校验码）校验码N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13N14(a)GTIN-14代码结构厂商识别代码商品项目代码校验码N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13(b)GTIN-13代码结构厂商识别代码商品项目代码校验码N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12(c)GTIN-12代码结构商品项目识别代码校验码N1N2N3N4N5N6N7N8(d)GTIN-8代码结构 图2.1GTIN的四种代码结构SSCC系列货运包装箱代码(SerialShippingContainerCode，SSCC)的代码结构如表2.1所示。系列货运包装箱代码是为物流单元（运输和/或储藏）提供唯一标识的代码，具有全球唯一性。物流单元标识代码由扩展位、厂商识别代码、系列号和校验码四部分组成，是18位的数字代码。它采用UCC/EAN-128条码符号表示。表2.1SSCC的结构种类扩展厂商识别代码系列号校验位结构一N1N2N3N4N5N6N7N8N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13N14N15N16N17N18结构二N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13N14N15N16N17N18结构三N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13N14N15N16N17N18结构四N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13N14N15N16N17N18GLN参与方位置代码(GlobalLocationNumber，GLN)是对参与供应链等活动的法律实体、功能实体和物理实体进行唯一标识的代码。参与方位置代码由厂商识别代码、位置参考代码和校验码组成，用13位数字表示，其结构如表2.2所示。表2.2参与方位置代码结构结构厂商识别代码位置参考代码校验码结构1N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13结构2N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13结构3N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13 10.EPC编码有哪些规则？试简述之。答：企业在对商品进行编码时，必须遵守编码唯一性、稳定性及无含义性原则。（1）唯一性唯一性原则是商品编码的基本原则。是指相同的商品应分配相同的商品代码，基本特征相同的商品视为相同的商品；不同的商品必须分配不同的商品代码。基本特征不同的商品视为不同的商品。（2）稳定性稳定性原则是指商品标识代码一旦分配，只要商品的基本特征没有发生变化，就应保持不变。同一商品无论是长期连续生产、还是间断式生产，都必须采用相同的商品代码。即使该商品停止生产，其代码也应至少在4年之内不能用于其他商品上。（3）无含义性无含义性原则是指商品代码中的每一位数字不表示任何与商品有关的特定信息。有含义的代码通常会导致编码容量的损失。厂商在编制商品代码时，最好使用无含义的流水号。对于一些商品，在流通过程中可能需要了解它的附加信息，如生产日期、有效期、批号及数量等，此时可采用应用标识符（AI）来满足附加信息的标注要求。应用标识符由2～4位数字组成，用于标识其后数据的含义和格式。11.试简述条码的基本原理，常用的条码有哪些？答：条码是将线条与空白按照一定的编码规则组合起来的符号，用以代表一定的字母、数字等资料。在进行辨识的时候，是用条码阅读机扫描，得到一组反射光信号，此信号经光电转换后变为一组与线条、空白相对应的电信号，经解码后还原为相应的文数字，再传入电脑。条码辨识技术已相当成熟，其读取的错误率约为百万分之一，首读率大于98%，是一种可靠性高、输入快速、准确性高、成本低、应用面广的资料自动收集技术。目前应用最多的是一维和二维条码。12.试比较一维、二维条码的特性。答：一维、二维条码的特性比较特性一维条码二维条码资料密度与容量密度低、容量小密度高、容量大错误侦测与自我纠正能力可用检查码进行错误侦测、但无纠正能力有检错纠错能力，并可根据实际应用设置不同的安全等级 垂直方向的资料不存储资料，垂直方向的高度为了只读方便，弥补印刷缺陷或局部损坏携带资料，因对印刷缺陷或局部损坏等可以纠错，并恢复资料主要用途主要用于对物品的标识主要用于对物品的描述资料与网络数据库的依赖性多数情况下必须配合数据库，依赖于网络通信可不依赖数据库及网络通信，可单独应用只读设备线扫描仪只读，如光笔、线型CCD，激光扫描枪等对排列式可用型线扫描器多次进行扫描，或可用图像扫描仪只读，矩阵式则仅能用图像扫描仪只读13.试述EPC编码的标准和结构。答：EPC标签编码标准对应于EPCglobal最新发布的EPCTagDataStandardv1.9版本中。EPCglobal的主要目标是实现任何物理系统的唯一标示，因此协议首先规定了EPC编码标准，并且实现跟现有的编码体系之间的兼容问题。编码标准覆盖两大问题：第一，电子产品编码的规格，包括EPCglobal框架下各个层次的表示以及与GS1关键字和其它现存编码之间的对应关系。第二，定义Gen2标准下RFID电子标签的数据规格，包括EPC用户数据、控制信息和标签制造信息。EPC的目标是实现对任何物理实体全球统一的标识，它将需要追踪或其它应用的信息系统指向物理目标。EPC的目标是为每一物理实体提供唯一标识，它是由一个版本号和另外三段数据（依次为域名管理者、对象分类、序列号）组成的一组数字。其中EPC的版本号标识EPC的长度或类型；域名管理者是描述与此EPC相关的生产厂商的信息；序列号唯一标识货品。14.谈谈你对校园一卡通的认识与体会。略 第3章传感器技术一、本章学习目标本章应掌握传感器的基本概念、所应用的物理定律、基本结构、分类和要求、掌握传感器的特性与技术指标，了解传感器的应用领域与发展趋势。了解电阻式与变磁阻式传感器、电容式传感器与磁电式传感器、压电式传感器与热电式传感器、光电式传感器与光纤传感器、化学传感器与生物传感器的基本原理，掌握常用的它的应用范畴。了解MEMS传感器与智能传感器的构成与特点。二、本章知识点l传感器概念与定义l传感器的物理定律l传感器基本结构、传感器敏感元件l传感器分类与要求l传感器特性与性能指标电阻式与变磁阻式传感器、电容式传感器与磁电式传感器、压电式传感器与热电式传感器、光电式传感器与光纤传感器、化学传感器与生物传感器的基本、MEMS传感器与智能传感器三、习题及解答1.国家标准GB7665—87对传感器是如何定义的？试述传感器的狭义与广义定义。答：国家标准GB7665—87对传感器给出了明确的定义：“能感受规定的被测量（物理量、化学量、生物量等），并按照一定规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件(SensingElement)和转换元件(TransductionElement)组成。”传感器狭义定义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置。传感器广义定义：凡是利用一定的物质（物理、化学、生物等）法则、定理、定律、效应等进行能量转换与信息转换，并输出与输入严格—一对应的器件或装置均。2.传感器工作的物理基础的基本定律和法则主要有哪些类型？请给以简述。答：传感器之所以具有能量信息转换的机能，在于它的工作机理是基于各种物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律和法则所支配。传感器工作的物理基础的基本定律和法则有以下四种类型：（1）守恒定律 主要有能量、动量、电荷量等守恒定律。这些定律是我们探索、研制新型传感器时、或在分析、综合现有传感器时，部必须严格遵守的基本法则。（2）场定律包括运动场、电磁场的感应定律等。其相可作用与物体在空间的位置及分布状态有关。—般可由物理方程给出，这些方程可作为许多传感器工作的数学模型。如，利用静电场定律研制的电容式传感器；利用电磁感应定律研制的自感、互感、电涡流式传感器。（3）物质定律它是表示各种物质本身内在性质的定律，如欧姆定律。通常以这种物质所固有的物理常数给予描述。因此，这此常数的大小决定着传感器的主要性能。例如，利用半导体物质法则——压阻、热阻、磁阻、光阻、湿阻等效应，可分别做成压敏、热敏、磁做、光敏、湿敏等传感器件。（4）统计法则它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。这些法则，常常与传感器的工作状态有关，是分析某些传感器的理论基础。3.试画出传感器的基本结构，并对各主要部分给以简要说明。答：传感器是一种能把非电输入信息转换成电信号输出的器件或装置。传感器一般由敏感元件和转换元件组成。其基本结构如图3.1所示。敏感元件构成传感器的核心。敏感元件转换元件测量电路辅助电源被测非电量有用非电量有用电参量可用电量图3.1传感器基本结构敏感元件的主要作用是将被测的非电量转换为有用的非电量，以便于转换元件将其转换为电量；转换元件的作用是将有用的非电量转换为有用的、可测量的电量；测量电路的作用是将有用的电量给予度量，以便于用电量的形式表示被测的非电量；辅助电源，用来对传感器提供工作电源。4.传感器的主要敏感元件有哪些？答：传感器主要敏感元件有多种，常用的敏感元件如表所示。功能主要敏感元件 力(压)—位移转换弹性元件（环、梁、圆柱、膜片式，膜盒、波纹管、弹簧管）位移敏电位器、电感、电容、差动变压器、电涡流线圈、容栅、磁栅、感应同步器、霍尔元件、光栅、码盘、应变片、光纤、陀螺力敏半导体压阻元件、压电陶瓷、石英晶体、压电半导体、高分子聚合物压电体、压磁元件热敏金属热电阻、半导体热敏电阻、PN结、热释电器件、热线探针、强磁性体、强电介质光敏光电管、光电倍增管、光敏二极管、色敏三极管、光导纤维、CCD、热释电器件磁敏霍尔元件、半导体磁阻元件、铁磁体金属薄膜磁阻元件（超导器件）声敏压电振子射线敏闪烁计数管、电离室、盖格计数器、PN二极管、表面障壁二极管、PIN二极管、MIS二极管、通道型光电倍增管气敏MOS气敏元件、热传导元件、半导体气敏电阻元件、浓差电池、红外吸收式气敏元件湿敏MOS湿敏元件、电解质湿敏元件、高分子电容式湿敏元件、高分子电阻式湿敏元件、热敏电阻、CFT湿敏元件物质敏固相化酶膜、周相化微生物膜、动植物组织膜、离子敏场效应晶体管5.传感器是如何分类和要求的？答：传感器应用于不同领域，它的品类众多，分类也较多，可以按基本效应来分、也可以按照传感机理来分，等等。传感器，通常都必须满足快速、准确、可靠并经济地实现信息转换的基本要求。即：足够的容量；灵敏度高，精度适当；响应速度快，工作稳定、可靠性好；适用性和适应性强，体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小，内部噪声小而又不易受外界干扰的影响，其输出力求采用通用或标难形式；使用经济，成本低，寿命长，便于使用、维修和校准。6.传感器的应用领域主要有哪些？答：传感器主要应用领域为：工业自动化，航空航天，资源探测与环境保护，医学，家电，军事等。7.试述传感器的特性与指标。答：传感器的特性主要有静态特性和动态特性。 静态特性表示传感器在被测输入量各个位处于稳定状态时的输出——输入关系。静态特性主要应考虑其非线性和随机变化等因素；动态特性是反映传感器对随时间变化的输入量的响应特性。静态特性包括线性度、回差（滞后）、重复性、灵敏度、分辨率、阈值、稳定性、漂移、静态误差（精度）这些指标。8.简述电阻式与变磁阻式传感器的基本原理、应用领域。答：通过电阻参数的变化来测量非电量的传感器称为电阻式传感器(ResistiveTransducer)。它用来测力、加速度、位移和应变测量。变磁阻式传感器(VariableReluctanceTransducer)是一种利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感或互感）变化来检测非电量的机电转换装置。常用来检测位移、振动、力、应变、流量、密度等物理量。上述两类传感器广泛应用在机械、冶金、石油、建筑、交通、水利、生物、医学和宇航等部门的自动测量与控制或科学实验中。9.简述电容式传感器与磁电式传感器的基本原理、应用领域。答：电容式传感器(CapacitanceTransducer)是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。应用于位移、加速度、力和压力、物位等领域的测量。磁电式传感器(MagnetoelectricTransducer)是利用电磁感应原理，将输入运动速度或磁量的变化变换成感应电势输出的传感器。磁电式传感器各要用于振动测量，可应用在航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨（轨道）忱（枕木）振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等的振动监测上。10.简述压电式传感器与热电式传感器的基本原理、应用领域。答：压电式传感器(PiezoelectricSensor)是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。压电器件已被广泛应用在超声、通信、宇航、雷达和引爆等领域，并与激光、红外、微声等技术相结合，成为一种重要器件。热电式传感器(ThermoelectricSensor)是利用转换元件电磁参量随温度变化的特件、对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。这两种热电式传感器应用非常广泛。热电式传感器广泛应用于工业、农业、医疗等领域中。11.简述光电式传感器与光纤传感器的基本原理、应用领域。答：光电式传感器(PhotoelectricSensor)是以光为测量媒介、以光电器件为转换元件的传感器，它具有非接触、响应快、性能可靠等优良特性。激光技术和图像技已应用于传感器。在非接触测量领域光电式传感器具有非常重要的作用，在各个领域得到广泛应用。 光纤传感器是通过被测量对光纤内传输光进行调制，使传输光的强度（振幅）、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的光信号进行检测，从而得出相府被测量的传感器。光纤传感器可用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、PH位等70多个物理量的测量、应用十分广泛。12.简述化学传感器与生物传感器的基本原理、应用领域。答：能将各种物质的化学特性，如成分、浓度等，定性或定量地转变成电信号输出的装置称为化学传感器(ChemicalSensor)。化学传感器的应用领域非常广泛，可应用在化工、生物、医疗、环境保护等领域。生物传感器(Biosensor)处指用生物活性材料，如酶、蛋出质、DNA、抗体、抗原、生物膜等作为感受器，通过其生化效应来检测被测量的传感器，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监护方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。生物传感器与国民经济的诸多领域关系非常密切，广泛应用在生化、医学、生物工程、环境、食品、工业控制与军事等领域。13.简述MEMS传感器与智能传感器的基本构成，MEMS传感器有何优点？答：微电子机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystem)技术简称MEMS技术，是指可批量生产的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，包括接口、通信和电源等集成于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路精细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，具有小型化、集成化的特点。目前已发展成了一门独立的新兴学科。MEMS传感器具有以下优点：第一，极大地提高了传感器性能。在信号传输前就可放大信号，从而减少扰和传输噪声，提高信噪比；在芯片上集成反馈线路和补偿线路，可改善输出的线性度和频响特性，降低温差，提高灵敏度；第二，具有阵列特性。可以在一块芯片上集成敏感元件、放大电路和补偿电路，可将多个相同的敏感元件集成在一个芯片上；第三，具有良好的兼容性，便于与微电子器件集成封装；第四，利用成熟的硅微半导体工艺制造可批量生产，成本低廉。智能传感器是一种以微处理器为核心单元，具有检测、判断和信息处理功能的传感器。智能传感器具有多种功能，且可靠性好、一体化集成度高、体积小、适宜大批量生产、使用方便、性价比高。它是传感器发展的必然趋势。目前广泛使用的智能式传感器是通过传感器的智能化来实现的。 第4章无线传感器网络一、本章学习目标本章主要掌握无线传感器网络的基本构成与特点，了解无线传感器网络的关键技术与应用难点。了解IEEE802.15.4标准及ZigBee协议规范，了解无线传感器网络的路由协议与拓扑控制、节点定位、时间同步的原理与算法。二、本章知识点lIEEE802.15.4标准、ZigBee协议规范l无线传感器网络的路由协议与拓扑控制l节点定位l无线传感器网络时间同步三、习题及解答1．什么是无线传感网络？无线传感网络的“三要素”指的是什么？答：无线传感器网络就是部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成的，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器，感知对象和观察者是无线传感器网络具有三个要素。2.一个无线传感器节点主要由哪些部分构成？各部分的功能是什么？答：一个无线传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分构成。传感器模块的功能是负责采集监测区域内的信息，并进行数据格式的转换，将原始的模拟信号转换成数字信号，不同的传感器采集不同的信息；处理器模块一般由嵌入式系统构成，用于处理存储传感器采集的信息数据并负责协同传感器节点各部分的工作。处理器模块还具有控制电源工作模式的功能，实现节能。处理器模块中还负责处理由其他节点发来的数据；无线通信模块的基本功能是将处理器输出的数据通过无线信道与其它节点或基站通信。一般情况下，无线通信模块具有低功耗、短距离通信的特点；电源模块就用来为传感器节点提供能量，一般都是采用微型电池供电。3.无线传感器网络系统结构是怎样的？请画图给予说明。答：无线传感器网络系统通常由大量的传感器节点(Sensornode)、汇聚节点(Sinknode)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域(Sensor field)，通过自组织的方式构成网络。传感器节点采集的数据通过其它传感器节点以逐跳的方式在网络中传输，传输过程中数据可被多个节点处理，经过多跳路由后到达汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达数据处理中心。同样，数据处理中心也可以沿着相反的方向，通过管理节点对传感器网络进行管理，发布监测任务以及收集监测数据。无线传感器网络系统结构如图所示。Internet数据处理中心汇聚结点监测区域传感器结点卫星4．无线传感器网络协议体系主要由哪些层构成？简述各层的主要任务。答：无线传感器网络协议体系是对网络及其部件应完成功能的定义与描述。它由网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术组成。网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。物理层的功能包括信道选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等。无线传感器网络采用的传输方式可以是无线、红外或者光波等。物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。数据链路层的主要任务是建立一条无差错的通信链路，该层一般包括媒体访问控制(MAC)子层与逻辑链路控制(LLC)子层，其中MAC层规定了不同用户如何共享信道资源，LLC层负责向网络层提供同意的服务接口。网络层的主要功能是完成分组路由、网络互连等功能。传输层负责数据流的传输控制，提供可靠高效的数据传输服务。网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理。网络管理模块是网络故障管理、计费管理、配置管理、性能管理的总和。其他还包括网络安全模块、移动控制模块、远程管理模块。传感器网络的应用支撑技术为用户提供各种应用支撑，包括时间同步、节点定位，以及向用户提供协调应用服务接口。5.无线传感器网络的关键技术有哪些？答：无线传感器网络的关键技术主要有以下几个方面：通信协议；WSN的支撑技术；自组织管理技术；6.ZigBee与IEEE802.15.4有何关系？答：ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的高层技术，该技术的物理层和MAC(MediumAccessControl，MAC介质访问控制)直接引用IEEE 802.15.4。ZigBee协议规范的基础是IEEE802.15.4，这两者之间有着非常密切的关系。可以说ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词，是一种短距离、低功耗的无线通信技术。7.IEEE802.15.4标准主要有哪些性能？答：该标准具有以下主要性能：（1）频段、数据传输速率及信道个数：在868MHz频段，传输为20kbit/s，信道数为1个；在915MHz频段，传输为40kbit/s，信道数为10个；在2.4GHz频段，传输为250kbit/s，信道数为16个。（2）通信范围室内：通信距离为10m时，传输速率为250kbit/s；室外：当通信距离为30~75m时，传输速率为40kbit/s；当通信距离为300m时，传输速率为20kbit/s。（3）拓扑结构及寻址方式：支持点对点及星形网络拓扑结构；支持65536个网络节点；支持64bit的IEEE地址，8bit的网络地址。（4）应用领域：可应用于传感器网络、现场控制等领域。8.IEEE802.15.4标准的物理层及拓扑结构是如何定义的？答：IEEE802.15.4物理层定义了无线信道和MAC层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服。网络层支持星形、树形和网状拓扑结构。若采用星形拓扑结构组网，整个网络有一个协调器设备来进行整个网络的控制。协调器能够启动和维持网络正常工作，使网络内的终端设备实现通信。若采用网状和树形拓扑结构组网，协调器则负责启动网络以及选择关键的网络参数。在树形网络中，路由器采用分级路由策略来传送数据和控制信息。网状网络中，设备之间使用完全对等的通信方式，在此网络结构中，路由器不发送通信信标。9.试简述IEEE802.15.4标准物理层的主要功能。答：主要完成以下功能：激活和去激活无线收发器功能；对当前信道进行能量检测；发送链路质量指示；载波侦听多址接入/冲突避免；信道频率的选择；数据发送与接收；媒质访问控制方式的空闲信道评估。10.ZigBee的频段是如何划分的？采用了何种扩频和调制方式？IEEE802.15.4标准采用了三个频段，每个频段包含若干个信道，各信道划分如下：868MHz频段：fc=868.3MHz，k=0，1个信道； 915MHz频段：fc=906+2(k-1)MHz，，10个信道；2.4GHz频段：fc=2405+5(k-11)MHz，，16个信道；采用了DSSS(直接扩频序列)和模拟调制技术。11.ZigBee支持几种拓扑结构？答：ZigBee可以支持星形、网状和混合状拓扑等多种网络拓扑结构。12.WSN路由协议具有哪些特点和性能指标？答：WSN的路由协议具有以下特点：节点的能量消耗小且均衡；网络拓扑信息有限、计算资源有限；以数据为核心；与应用密切相关。评价一个WSN路由协议设计性能指标，一般包含WSN的生命周期、传输延迟、路径容错性、可扩展性等性能指标。13.WSN路由协议是如何分类的？它们的基本思想是什么？答：从具体应用的角度出发，根据不同应用对WSN各种特性的敏感度不同，可将路由协议分为4种类型，它们分别是：1）能量感知型：能量感知型路由协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优能量消耗路径以及最长网络中存期等问题。2）查询型在诸如环境检测、战场评估等应用中，需要不断查询传感器访点采集的数据，查询节点（汇聚节点）发出查询命令，传感器节点向查询节点报告采集的数据。在这类应用中，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令和数据传输，同时传感器行点的采集信息在传输路径上通常要进行数据融合，以减少通信负荷，来节省能量。3）地理位置型在诸如目标跟踪类应用中，住住需要唤醒距离跟踪目标最近的传感器检点，以得到关于目标的精确位置等相关信息。在这类应用中，通常需要知到目的节点的精确或者大致地理位置。把节点的位置信息作为路内选择的依据，不仅能够完成节点路由功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。4）可靠型WSN的某些应用对通信的服务质量有较高要求，如可靠性和实时性等。在WSN中，链路的稳定性难以保让、通信信道质量比较低，拓扑变化比较频繁，要实现服务质量保证，需要设计相应的可靠的路由协议。以下分别介绍这些协议。14.试述WSN的拓扑控制与优化具有的作用。 答：WSN的拓扑控制与优化具有以下几个方面的作用：良好的网络拓扑结构可以延长WSN的生命周期；可有效减弱节点间通信干扰，通信效率；为路由协议的实施提供基础数据；可以更好地进行数据融合及有利于提高网络的鲁棒性。15.WSN的节点定位在WSN的应用中具哪些重要的作用？答：定位可以确定WSN节点的确切的地理位置，为感知提供更为全面的信息，尤其是对于环境监测、突发事件的监控、目标的跟踪等方面，节点的定位对于WSN的有效运行也具有非常重要作用，对于提高路由控制、网络管理、网络的覆盖质量等方面都有非常大的帮助。16.试构建一WSN，应用三边测量法、三角测量法和极大似然估计法对其所构建的WSN中的未知节点进行定位。解：参见《4.4.1节点定位的基本原理》。17.试述质心算法的基本原理。如何提高算法的精确度？答：质心是指多边形的几何中心，多边形顶点坐标的平均值就是质心节点的坐标。质心算法为一种估计算法，估计的精确度与信标节点的密度以及分布有很大关系，密度越大，分布越均匀，定位精度越高。18.WSN的时间同步有何作用与意义？答：WSN作为一个分布式系统，它们中的结点间相互协同工作时需要相互通信，要求结点间的时钟同步。因此，时间同步对分布式系统的协同工作非常重要。WSN的时间同步对TDMA调度机制、多传感器节点的数据融合和测距定位等应用都具有非常重要的基础作用。 第5章短距离通信技术与信息融合一、本章学习目标掌握数据终端间的通信及接口特性，了解常用的RS232C、485、USB和CAN工业总线等串行通信接口，掌握蓝牙、红外及超宽带通信技术的基本概念和通信原理。物联网与信息融合具有非常密切的关系，本章还应掌握信息融合基本概念与原理，了解信息融合数据、传感器管理和无线传感器网络的数据融合相关的概念和原理。二、本章知识点l数据终端间的通信及接口特性lRS232C、485、USB和CAN工业总线等串行通信接口l蓝牙、红外及超宽带通信技术l信息融合基本概念与原理l无线传感器网络的数据融合三、习题及解答1．数据通信的接口中的定义了哪四种特性？答：数据通信的接口中定义了机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。2．简述RS-485总线的特点及典型应用场合。答：RS-485接口标准的抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远。采用双绞线，不用调制解调器等通信设备的情况下，当传输速率为100kbit/s时，传输距离可达1200m；在9600bit/s时，传输距离可达15km。在传输距离为15m时，它的最大传输速率可达10Mbit/s。RS-485允许在平衡电缆上连接32个发送器/接收器，因此它的应用非常广泛，尤其在工业现场总线等方面，同时也是物联网中物联网终端常用的接口方式。RS-485串行通信接口可用集成芯片实现，目前常用的芯片有MAX485/MAX491等。3.USB接口具有哪些特点？答：USB具有以下特点：使用方便，USB的传输速率快，功耗低、性能稳定，操作系统的支持性与灵活性。4.简述CAN总线的特点。答： CAN总线属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术以及独特的设计，与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的性能、可靠性、实时性和灵活性。其特点可以概括如下：（1）通信方式灵活。（2）CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，以满足和协调各自不同的实时性要求；（3）采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时发送信息时，按优先级顺序通信，大大节省总线冲突仲裁时间，避免网络瘫痪；（4）CAN通过报文滤波实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送数据，无需专门的“调度”；（5）传输速率最高可以达到1Mbit/s(40m)，直接传输距离最远可以达到10km(传输速率在5kbit/s以下)；（6）CAN上的结点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。报文标志符可达2032种(CAN2.0A)，扩展标准(CAN2.0B)的报文标志符几乎不受限制；（7）短帧，传输时间短，抗干扰能力强,检错效果好。其中每帧字节数最多为8个，能够满足工业领域的一般要求，也能保证通信的实时性；（8）CAN每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了通信的可靠性；（9）CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成数据通信的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等；（10）通信介质可以为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活；（11）网络结点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能，使总线上其他节点的操作不受影响；（12）已经实现了标准化、规范化（国际标准ISO11898）。5.CAN总线的通信协议有哪些？答：CAN的通信协议基于如下5条基本规则进行通信协调：1）总线访问CAN是共享媒体的总线，对媒体的访问机制类似于以太网的媒体访问机制，即采用载波监听多路访问(CarrierSenseMultipleAccess,CSMA)的方式。CAN控制器只能在总线空闲时开始发送，并采用硬同步，所有CAN控制器同步都位于帧起始的前沿。为避免异步时钟因累计误差而错位，CAN总线在硬同步后，还应在满足一定条件的跳变下进行重新同步。2）非破坏性的位仲裁方式CAN总线是由两条导线构成的，总线上的状态（信号）由两条导线上的电压决定，当处于隐性状态（即隐性电平）时，两条导线上的电压为0V；当处于显性状态（即显性电平）时，两条导线上的电压不低于2.5V。当总线空闲时呈隐形电平，此时任何一个节点都可以向总线发送一个显性电平作为一个帧的开始。如果有两个或两个以上的节点同时发送，就会产生总线冲突。CAN总线解决总线冲突的办法比以太网的CSMA/CD方法有很大的改进。3）编码/解码帧起始域、仲裁域、控制域、数据域和CRC序列均使用位填充技术进行编码。在CAN总线中，每连续5个同状态的电平插入一位与它相补的电平，还原时每5个同状态的电平后的相补电平删除，从而保证了数据的透明。 4）出错标注当检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，检测出错条件的CAN控制器将发送一个出错标志。5）超载标注一些CAN控制器会发送一个或多个超载帧以延迟下一个数据帧或远程帧的发送。6.短距离无线通信技术主要有哪些？这些技术与物联网的关系如何？答：技术主要有蓝牙、红外技术、超宽带无线技术、WI-FI技术以及无线传感网络等。在物联网中，经常需要和物理空间较小范围的感知层物联网终端进行灵活的接入，实现感知控制层与网络传输层的通信。这就需要采用一种非接触式的近距离无线通信来承载信息的传输。7.简述蓝牙技术的特点。答：蓝牙技术具有功耗低、通信速率高、传输距离短、工作频段不受限制、可靠性高、通信距离短、可灵活组网、自动搜索、成本低廉和技术成熟、应用范围广等特点。8.蓝牙的通信距离与发送功率有何关系？答：蓝牙的通信距离与发射功率有关，一般，发射功率越大，则通信距离越远，蓝牙通信典型的通信距离为10m。蓝牙有100mW，25mW和1mW三个典型的发射功率。当发射功率为100mW时，其传输距离为100m；2.5mW时，为10m；1mW时，则为10cm。非常适合不同应用场合的短距离无线通信，尤其适用于物联网的传感器的数据采集。9.蓝牙物理信道采用何种技术？该技术有何优点？答：采用跳频(HF)和分多址(TDMA)技术，以实现抗干扰和抑制信号衰减。10.什么是红外线？IrDA是如何规定红外通信波长的？答：红外线(Infrared)是一种波长范围在750nm至1mm频谱范围之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。红外通信一般采用红外波段内的近红外线，即采用为0.75µm至25µm之间的电磁波波长进行无线通信的。1993年成立的红外数据协会(InfraredDataAssociation，IrDA)，为了保证不同厂商生产的红外产品能够获得最佳的通信效果，IrDA制定的红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之间。11.简述红外通信的特点。答：红外通信具有以下特点： 红外通信具有极强的保密性；避免了常规无线电波之间的相互干扰；可以承载高速数据的传输；设备结构简单、成本低、耗电少，能进行高速数据通信；红外通信设备比无线电波通信设备便宜、简单。12.UWB是如何定义的？答：1989年美国国防部高级研究计划署(DARPA)首次使用UWB术语，并规定若一个信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或分数带宽大于25%，则这个信号就是UWB信号。2002年美国联邦通信委员会(FCC)颁布了UWB的频谱规划。规定只要一个信号在-10dB处的绝对带宽大于0.5GHz或分数带宽大于20%，则这个信号就是UWB信号。13.试简述UWB通信的特点。答：超宽带无线通信系统的主要性能特点表现在以下几个方面：系统结构和硬件电路简单；具有较好的隐蔽性及较高的处理增益；多径分辨能力强；传输速率高；空间传输容量大；与其它系统有良好的同频段共存性；便于多功能一体化。14.信息融合与物联网的关系如何？答：物联网与信息融合具有非常密切的关系，物联网中的各种感知设备就是多源信息的获取设备，物联网中的应用层的功能实质就是对多源信息的融合与决策。因此，信息融合成为了物联网学科中必不可少的理论与应用工具。15.在无线传感器网络中，通过多传感器间的协同信息融合可以达成哪些目标？答：在无线传感器网络中，信息（或数据）呈现出多源特征，通过多传感器间的协同信息融合可以达成以下目标：（1）去除信息的冗余性：去除信息的冗余性意味着同一个信息可能被不同的的传感器节点获取，需要剔除这些不必要的重复信息。（2）信息的互补性：一个或一种传感器获取信息的一个或一种特征，而多种或多个传感器可获取信息的多个特征。（3）信息处理的及时、与低成本性：采用多个传感器协同工作可以及时采集处理信息、可以充分利用传感器节点的计算资源降低信息处理成本。16.无线传感器网络的信息融合技术可以分为哪三个方面？答：无线传感器网络的信息融合技术可以分为以下三个方面：（1）与路由相结合的信息（数据）融合；（2）基于方向组播树的信息融合；（3）基于性能的信息融合。 第6章物联网通信系统与传输网一、本章学习目标主要掌握物联网通信系统结构、通信网的基本概念与构成要素。掌握并理解时分复用、SDH数字传输系统的原理。掌握数据通信网的基本概念、数据交换原理与技术，了解数据通信网中的分组交换网、帧中继网、ATM通信网的基本原理与特点。二、本章知识点l物联网通信系统结构l通信网的构成三要素l时分复用与SDH数字传输系统l数据通信网的构成l分组交换网、帧中继网、ATM通信网三、习题及解答1.通信网由哪些基本要素构成？对通信网有何质量要求?答：终端设备、交换设备、传输设备及协议构成了通信网的基本要素。对通信网质量要求为：接通的任意性与快速性；信号传输的透明性与传输质量的一致性；网络的可靠性与经济合理性。2.按照垂直的观点可将现代通信网分为几层？各层的作用以及它们之间的关系是怎样的？答：从垂直结构上，按照功能的划分，可以将通信网分为应用层、业务层和传送层。应用层表示信息的各种应用，业务层表示传送各种信息业务的业务网，传送层表示支持业务网的传送手段和基础设施。另外还需要支撑网来支持三个层的运行，它提供了保障通信网有效运行的各种控制和管理能力，传统的通信支撑网包括了信令网、同步网和通信管理网。3.简述OSI参考模型的层次结构及各层的功能。答：为了更好地描述现代通信网，需引入网络的分层结构。从通信网纵向分层的观点来看，可根据不同的功能将网络分解成多个功能层，上下层之间的关系为客户/服务者的关系。通信网的纵向分层结构式网络演进的焦点，而开放系统互联(OSI)7层参考模型是人们普遍认可的分层方式。ISO/OSI七层参考模型的体系结构为：1）物理层 该层的任务是透明地传送信息比特流，在物理层上所传输的数据是以比特为单位的。传送信息所应用的物理媒质如双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波等并不在物理层内，而是在其下面，因此可认为这些传输媒质为分层参考模型的第0层。物理层还需要确定接口方式，如电缆的插头引脚，以及如何连接等。2）数据链路层该层的任务是在两个相邻结点间的链路上，实现以帧为单位的无差错的数据传输。每一帧包括数据和必要的控制信息。在传送信息时，若接收结点检测到所接收的数据中有差错，就通知发送结点重发该帧，直到正确为止。在帧的控制信息中，包括了同步、地址、差错控制以及流量控制等信息，这样数据链路层就把一条可能出差错的实际链路转换为了一个让网络看来无差错的链路。3）网络层在该层中，数据传送的单位是分组或包，该分组或包是由运输层下达到网络层的。网络层的任务就是要选择合适的路由，使发送结点的数据分组能够正确无误地按照地址找到目标结点，并交付给目标结点的运输层。4）运输层在运输层，信息的传送单位是报文，当报文较长时，先将其分割为若干个分组，然后下达给网络层进行传输。运输层的任务是根据下面通信网的特性，以最佳的方式利用网络资源，并以可靠经济的方式为发送结点和接收结点建立一条运输连接，来透明地传送报文。运输层为上一层进行通信的两个进程间提供了一个可靠地端到端的服务，使得运输层以上各层不必关心信息是如何传送的。5）会话层会话层不参与具体的数据传输，但该层却对数据传输给予了管理。它在两个相互通信的进程之间进行组织、协调和建立。6）表示层该层主要解决了用户信息的语法表示。表示层将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法变换为适合于OSI内部使用的语法。7）应用层该层对应用进程进行了抽象，它只保留应用进程中与进程间交互有关的那些部分。经过抽象后的应用进程就成为了OSI应用层中的应用实体。OSI的应用层并不是把各种应用进行了标准化，应用层所标准化的是一些应用进程经常使用的功能，以及实现这些功能所应用的协议。4.试述时分复用的基本原理，并画图说明。解：时分复用指的是各路信号在同一信道上占用不同时间间隙（称为时隙）进行的通信。具体地说，把时间分成一些均匀的时隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时隙，以达到互相分开、互不干扰的目的。如图题6.1所示，3个用户分别用C1、C2和C3 表示，各用户的接通由快速电子旋转开关（或称分配器）S1，和S2周期性地旋转来完成。为了使收、发两端用户能在时间上一一对应，即收、发两端的C1、C2和C3能准确地对应接通，一定要在发送端加入起始标志码，在接收端设有标志码识别和调整装置。当相应位置发生错误时，该装置应有自动调整能力使其调整到正确的位置。在时分复用系统中，用“帧同步”来表示标志码的识别和调整功能。低通C1低通C2低通C3PCM编码PCM解码低通C1低通C2低通C3S1S2(a)时分复用原理图t标志码C1PCM码C2PCM码C3PCM码标志码C1PCM码C2PCM码C3PCM码(b)3路PCM帧结构图6.1时分复用原理及帧结构原理图5.在时分复用中为什么要求收发两端同步？同步的方式有哪几种？答：为了保证正常通信，时分复用系统中收、发两端必须严格保持同步，同步是指时钟频率同步和帧中的时隙同步。时分复用通信中的同步技术包括位同步（时钟同步）和帧同步两个方面。同步对时分多路复用具有非常重要的作用，它是确保时分复用通信的基础。1）位同步位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。位同步的基本含义是收、发端机的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。为了达到收、发两端同频、同相，在设计传输码型时，一般要考虑传输的码型中应含有发送端的时钟频率成分，这样，接收端从接收到的PCM码中提取发送端时钟频率来控制接收端时钟，就可以做到位同步。2）帧同步帧同步是为了保证收、发两端各对应的话路在时间上保持一致，这样在位同步的前提下，接收端就能正确接收发送端送来的每一个话路信号。 为了建立收、发两端的帧同步，需要在每一帧（或几帧）中的固定位置插入具体特定码型的帧同步码，接收端只要能正确识别出这些帧同步码，就能正确识别出每一帧的首尾，从而正确区分出发送端送来的各路信号。6.为什么要进行数字复接？试述数字复接的基本原理。答：在时分数字通信系统中，为了扩大传输容量和提高传输效率，常常需要将若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号流，以便在高速宽带信道中传输。数字复接技术就是把两个或两个以上的分支数字信号按时分复用方式汇接成单一的复合数字信号，即数字复接技术是解决PCM信号由低次群到高次群的合成技术，是将PCM数字信号由低次群逐级合成为高次群以适于在高速线路中传输的技术。7.数字复接有几种方法？这些方法有何特点？答：数字复接的方法主要有按位复接、按字复接和按帧复接三种形式。按位复接所要求的电路存储量小，方法简单易行，设备也简单，准同步数字体系PDH大多采用按位复接方式。但这种方式破坏了1B（一个字）的完整性，不利于以字节为单位的信号的处理和交换。按字复接保证了一个码字的完整性，有利于以字节为单位的信号的处理和交换。但要求有较大的存储容量，同步数字体系SDH大多采用按字复接方式。按帧复接是每次复接1个支路的1帧的256bit，这种方法的优点是复接时不破坏原来的帧结构，有利于交换，但要求更大的存储容量。8.什么是PDH，它有何缺点？答：PDH称为准同步数字体系(PlesynchronousDigitalHierarchy，PDH)，之所以被称为准同步是因为低次群到高次群的速率不是按整数倍关系合成的，而是用脉冲插入的方法进行码速调，使高次群合成速率是由复接的低次群速率之和再加上适当的插入比特构成的。PDH的缺点主要有：数字标准规范不统一；缺乏统—的光接口标准规范；复用结构复杂；仅能进行点对点通信，以及缺乏灵活的网络管理能力。9．SDH的基本思想是什么？它有何特点？答：由于PDH存在着固有的不足，需要有一种全新的体制，以适应通信业务多样性、宽带化及分组化的发展。于是美国贝尔实验室的研究人员提出了同步光网络(SONET，SynchronousOpticalNetwork)的概念和相应的标准，其基本思想是采用一整套分级的标准数字传送结构组成同步网络，可在光纤上传送经适配处理的电信业务，1986年，该体系成为美国数字体系的新标准。与此同时，欧洲和日本等国也提出了自己的意见。1988年，CCITT经过充分地讨论协商，接受了SONET的建议，并进行了适当的修改，重新命名为同步数字体系(SDH)，使之成为不仅适用于光纤，也适用于微波和卫星传输的技术体制。。1988年到1995年，CCITT共通过了16个有关SDH的决议，从而给出了SDH的基本框架。 SDH是一系列可进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的标准化数字信号的结构等级，具有一下特点：统一的接口标准规范；新型的复用映射方式；良好的兼容性及强大的管理功能；指针调整技术；虚容器；动态组网与自愈能力。目前，随着技术的不断发展、进步，SDH已与光波分复用(WDM)技术、ATM技术等融合，使SDH网络的成为目前信息高速公路中主要的物理传送平台。10.试述报文交换的基本原理，并画图说明。答：报文交换原理如图6.2所示。交换机中的通信控制器探询各条输入用户线路，若某条用户线路有报文输入，则向中央处理机发出中断请求，并逐字把报文送入内存储器。一旦接收到报文结束标志，则表示该份报文已全部接收完毕，中央处理机对报文进行处理，如分析报头、判别和确定路由、输出排队表等。然后将报文转存到外部大容量存储器，等待一条空闲的输出线路。一旦线路空闲，就再把报文从外存报文交换机存储调入内存储器，由通信控制器将报文从线路发送出去。在报文交换中，由于报文是经过存储的，因此通信就不是交互式或实时的。对于报文交换，来自交换机不同输入线路的报文可在同一条输出线路，它们需要在交换机内部要排队等待发送，发送方式一般本着先进先出的原则。而在局间中继线上不同用户的报文占用同一条线路（或通信链路）传输，在传输时采用统计时分复用技术将不同用户的报文复用在一起。报文A报文B报文C入线12n出线12n报文C报文B报文A报文A报文B报文C存储器交换机图6.2报文交换原理 11.试述报文交换的优缺点。答：报文交换的主要有一下优点：第一，不同类型的数据终端设备间可相互进行通信。因为报文交换机具有存储和处理能力，可对输入输出电路上的速率、编码格式进行变换；第二，报文交换无电路接续过程，来自不同用户的报文可以在同一条线路上以报文为单位实现统计时分多路复用，线路可以以它的最高传输能力工作，大大提高了线路利用率；第三，用户不需要叫通对方就可以发送报文，无接续不成功的无呼损发生；第四，可实现同文报通信的多点传输，即同一报文可以由交换机转发到不同的收信地点。报文交换方式的主要缺点为：第一，信息的传输时延大，而且时延的变化也大；第二，要求报文交换机有高速处理能力，且缓冲存储器容量大，导致了交换设备的成本、费用较高用高。因此，报文交换不利于实时通信，它较适用于公众电报和电子信箱业务。12.试述分组交换的基本原理，并画图说明。答：分组交换依然采用“存储—转发”的方式，与以报文为单位交换的交换方式不同，而是把报文分割成了若干个比较短的、规格化了的“分组”进行交换和传输，这些分组又称为“包”，所以分组交换也可称为包交换。分组交换是以分组为单位进行存储—转发的，当用户的分组到达交换机时，先将分组存储在交换机的存储器中，当所需要的输出电路有空闲时，再将该分组发向接收交换机或用户终端。分组是由分组头和其后的用户数据部分组成的。分组头包含接收地址和控制信息，其长度为3~10B(Byte)，数据部分长度一般是固定的，平均为128B，最大不超过256B。一般，“分组”经交换机或网络的时间很短，通常一个交换机的平均时延为数毫秒或更短，所以，能满足绝大多数数据通信用户对信息传输的实时性要求。分组交换的工作原理如图6.3所示。用户AC分组交换机1C11分组交换机2用户CC2分组传输线路C存储器存储器用户D存储器分组交换机3用户B3D2D1D1—3C2—3123将报文C拆为2个分组图例：：非分组型终端：分组型终端：PDA1—32C：2—33D：2D1D2C图6.3分组交换工作原理 假设分组交换网有3个交换中心，交换中心的分组交换机编号分别为l、2、3；有4个数据用户终端，分别为A、B、C、D，其中B和C为分组型终端，A和D为一般终端；分组型终端以分组的形式发送和接收信息，而一般型非分组型终端发送和接收的不是分组，而是报文。所以，一般型非分组型终端发送的报文要由分组装/拆设备PAD将其拆成若干个分组，以分组的形式在网中传输和交换，若接收终端为一般型非分组型终端，则由PAD将若干个分组重新组装成报文再送给一般型非分组型终端。在图6.3中，有两个通信过程，分别是非分组型终端A和分组型终端C之间的通信，以及分组型终端B和非分组型终端D之间的通信。非分组型终端A发出带有接收终端C地址的报文，分组交换机1将此报文拆成两个分组，存入存储器、并选择路内，决定将分组直接传送给分组交换机2，将分组先传给分组交换机3，再由交换机3传送给分组交换机2，路由选择后，等到相应路由有空闲，分组交换机l便将两个分组从存储器中取出送往相应的路由。其他相应的交换机也进行同样的操作，最后由分组交换机2将这两个分组送给接收终端C。由于C是分组型终端，因此在交换机2中不必经过PAD，直接将分组送给终端C。另一个通信过程是：分组型终端B发送的数据是分组，在交换机3中不必经过PAD，、、 这3个分组经过相同的路由传输，由于接收终端为一般非分组型终端，所以在交换机2内PAD将3个分组组装成报文送给一般终端C。需要指出的是：来自不同终端的不同分组可以去往分组交换机的同一出线，这就需要分组在交换机中排队等待，一般本着先进先出的原则（也可采用优先制的），等到交换机相应的输出线路有空闲时，交换机对分组进行处理并将其送出。分组交换最基本的思想就是实现通信资源的共享，采用的是统计时分复用技术(StatisticalTimeDivisionMultiplexing,STDM)。13.分组在分组交换网中的传输方式由哪两种？试简述其工作原理。答：分组在分组交换网中的传输方式有数据报方式和虚电路两种方式。数据报方式类似于报文交换方式。该方式将每个分组单独作为一个报文对待，分组交换机为每一个数据分组独立地寻找路由。不论是分组型数据终端发送的不同分组，还是非分组型数据终端分拆后的不同分组，同一终端所发送的不同分组可以沿着不同的路径到达目标终点。在网络的目标终点，分组的顺序可能不同于发送端，需要重新排序。虚电路方式是两个用户终端设备在开始互相传输数据之前必须通过网络建立一条逻辑上的连接，称之为称为虚电路。一旦这种连接建立以后，用户发送的以分组为单位数据将通过该路径按顺序通过网络传送到达终点。当通信完成之后用户发出拆链请求，网络清除连接。14.分组交换网主要由哪些主要设备组成？分组交换机提供了哪些功能？答：分组交换网主要由结点交换机、数据终端、分组拆装设备、远程集中器、网络管理中心、传输系统等构成。分组交换机的主要功能为：第一，提供网络交换虚电路和永久虚电路两项基本业务实现分组在虚电路上的传送，完成信息交换；第二，实现X.25、X.75建议的各项功能；第三，如果交换机需直接连接非分组型终端，或经电话网接终端，则交换机还应有X.3、X.28、X.29、X.32等建议的功能；第四，在转接交换机中应有路由选择功能，以便在网中选择一条最佳路由；第五，能进行流量控制，防止网络阻塞，使不同速率的终端能互相通信；第六，能完成局部的维护、运行管理、故障报告与诊断、计费及一些网络的统计等功能。用户终端有分组型终端和非分组型终端两种。如计算机或智能终端等分组型终端发送和接收的均是规格化的分组，可以按照X.25建议等直接与分组交换网相连。而如字符型终端非分组型终端的用户数据不是分组数据，该终端不能直接接入分组交换网，而要通过分组装/拆设备才能接入到分组交换网。 远程集中器(RemoteConcentrateUnit,RCU)可以将离分组交换机较远地区的低速效据终端的数据集中起来，通过一条中、高速电路送往分组交换机，以提高电路利用率。远程集中器包含了分组装/拆设备的功能，可使非分组型终端接入分组交换网。远程集中器的功能介于分组交换机和分组装/拆设备之间，也可认为是装/拆的功能与容量的扩大。网络管理中心有一下主要功能：第一，收集全网的信息。收集的信息主要有交换机或线路的故障信息，检测规程差错、网络拥塞、通信异常等网络状况信息，通信时长与通信量多少的计费信息，以及呼叫建立时间、交换机交换量、分组延迟等统计信息；第二，路由选择与拥塞控制。根据收集到的各种信息，协同各交换机确定该时刻的某一交换机连接到相关交换机的最佳路由。第三，网络配置的管理及用户管理。网管中心针对网内交换机、设备与线路等容量情况、用户所选用补充业务情况及用户名与其对照号码等，向其所连接的交换机发出命令，修改用户参数表，对分组交换机的应用软件进行管理；第五，用户运行状态的监视与故障检测。网管中心通过显示各交换机和中继线的工作状态、负荷、业务量等，掌握全网运行状态，检测故障。传输线路是构成分组交换网的主要组成部分之一，包括交换机之间的中继传输线路和用户线路。交换机之间的中继传输线路主要有两种传输方式：一种是频带传输，另一种是数字数据传输。用户线路有3种传输方式：基带传输、数字数据传输及频带传输。15．比较数据报和虚电路方式的路由选择有什么不同？答：数据报方式中，由于每个分组可以在数据通信网内独立传输，所以交换结点要对每个数据分组进行路由选择。具体方法是结点收到数据分组时，根据分组头中的目的地址，查结点内的路由表为分组选择路由，然后按照所选的路由将分组发送出去。在虚电路方式中，分组传送的路由是在虚电路建立时确定的，即虚电路方式是对一次虚呼叫确定路由，路由选择是在结点接收到呼叫请求分组之后执行的。一旦虚电路建立好，数据分组将沿着呼叫请求分组建立的虚电路路径到达目的地。 第7章互联网IP通信网一、本章学习目标通过本章的学习，应深刻理解领会互联网的实质及其内涵。掌握互联网与因特网的结构、掌握TCP/IP协议的构成及相关的五个层次，了解IP通信网的基本概念与结构。掌握IEEE802.11无线局域网的基本概念与特点，掌握数据链路层与CSMA/CA协议的基本原理。二、本章知识点lTCP/IP协议与传输协议lIP宽带城域网lIPOverATM、IPOverSDH、IPOverDWDMlIEEE802.11无线局域网与Wi-FilIEEE802.11数据链路层与CSMA/CA协议三、习题及解答1.Internet的特点有哪些?答：Internet的特点是开放性，对用户和开发者限制较小，网络对用户是透明的，用户不需要了解网络底层的物理结构；Internet的接入方式非常灵活，任何计算机只要遵守TCP/IP协议均可接入。基于Internet的IP通信网已广泛地渗透到社会生活的各个方面，改变了原有的通信形态，成为了信息社会的基础。物联网是感知与Internet结合的产物，因此IP通信也必然是物联网的基础。2.试画图说明TCP/IP模型与OSI参考模型的对应关系。答：TCP/IP也是采用分层体系结构。TCP/IP模型与OSI参考模型的对应关系如图7.1所示。图7.1OSI与TCP/IP模型的对应关系1物理层2数据链路层3网络层4运输层5会话层6表示层7应用层OSI参考模型网络层(IP)运输层(TCP/UDP)TCP/IP参考模型网络接口层应用层(各种应用协议，如Telnet、FTP、SMTP) TCP/IP仅有四层，网络接口层对应OSI参考模型的物理层和数据链路层；网络层对应OSI参考模型的网络层；运输层对应OSI参考模型的运输层；应用层对应OSI参考模型的5、6、7层。应注意的是，TCP/IP模型并不包括物理层，网络接口层下面是物理网络。（1）网络接口层在网络接口层中，数据传送单位是物理帧，网络接口层主要功能为：第一，发送端接收来自网络层的IP数据报，将其封装成物理帧并且通过特定的网络进行传输；第二，接收端从网络上接收物理帧，将数据帧的IP数据报取出上交给网络层。网络接口层没有规定具体的协议。（2）网络层网络层的作用是提供主机间的数据传送功能，其数据传送单位是IP数据报。网络层的核心协议是IP协议，它非常简单，提供的是不可靠、无连接的IP数据报传送服务。网络层的辅助协议是协助IP协议更好地完成数据报传送，主要有：第一是地址转换协议ARP：用于将IP地址转换成物理地址。在网络中的每一台主机都要有一个物理地址，物理地址也叫硬件地址，即MAC地址，它是固化在计算机的网卡上；第二是逆向地址转换协议RARP：与ARP的功能相反，用于物理地址转换成IP地址；第三是Internet控制报文协议ICMP：用于报告差错和传送控制信息，其控制功能包括差错控制、拥塞控制和路由控制等。（3）运输层TCP/IP运输层的作用是提供应用程序间端到端的通信服务，以确保源主机传送的数据正确到达目地的主机。运输层提供了如下两个协议：第一是传输控制协议TCP：负责提供高可靠的面向连接的数据传送服务，主要用于一次传送数据量大的报文，如文件传送等；第二是用户数据报协议UDP：提供高效率的、无连接的服务，用于一次传送数据量较少的报文，如数据查询等。运输层的数据传送单位是TCP报文或UDP报文。（4）应用层 TCP/IP应用层的作用是为用户提供访问Internet的高层应用服务，如文件传送、远程登录、电子邮件、www服务等。为了便于传输与接收数据信息，应用层要对数据进行格式化。应用层的协议就是一组应用高层协议，即一组应用程序，主要有文件传送协议FTP、远程终端协议Telnet、简单邮件传输协议SMTP、超文本传送协议HTTP等。3.简述TCP/IP模型各层的主要功能及协议。答：（1）网络接口层在网络接口层中，数据传送单位是物理帧，网络接口层主要功能为：第一，发送端接收来自网络层的IP数据报，将其封装成物理帧并且通过特定的网络进行传输；第二，接收端从网络上接收物理帧，将数据帧的IP数据报取出上交给网络层。网络接口层没有规定具体的协议。（2）网络层网络层的作用是提供主机间的数据传送功能，其数据传送单位是IP数据报。网络层的核心协议是IP协议，它非常简单，提供的是不可靠、无连接的IP数据报传送服务。网络层的辅助协议是协助IP协议更好地完成数据报传送，主要有：第一是地址转换协议ARP：用于将IP地址转换成物理地址。在网络中的每一台主机都要有一个物理地址，物理地址也叫硬件地址，即MAC地址，它是固化在计算机的网卡上；第二是逆向地址转换协议RARP：与ARP的功能相反，用于物理地址转换成IP地址；第三是Internet控制报文协议ICMP：用于报告差错和传送控制信息，其控制功能包括差错控制、拥塞控制和路由控制等。（3）运输层TCP/IP运输层的作用是提供应用程序间端到端的通信服务，以确保源主机传送的数据正确到达目地的主机。运输层提供了如下两个协议：第一是传输控制协议TCP：负责提供高可靠的面向连接的数据传送服务，主要用于一次传送数据量大的报文，如文件传送等；第二是用户数据报协议UDP：提供高效率的、无连接的服务，用于一次传送数据量较少的报文，如数据查询等。运输层的数据传送单位是TCP报文或UDP报文。 （4）应用层TCP/IP应用层的作用是为用户提供访问Internet的高层应用服务，如文件传送、远程登录、电子邮件、www服务等。为了便于传输与接收数据信息，应用层要对数据进行格式化。应用层的协议就是一组应用高层协议，即一组应用程序，主要有文件传送协议FTP、远程终端协议Telnet、简单邮件传输协议SMTP、超文本传送协议HTTP等。4.简述用户数据报协议UDP和传输控制协议TCP特点。答：由于UDP提供了协议端口，提供了不可靠的无连接的数据传输，因此UDP适于高效率、低延迟的网络环境，可为用户提供高效的数据传输。在不需要TCP全部服务的时候，可以用UDP代替TCP。TCP协议是Internet中最重要的协议之一，它提供了协议端口来保证进程通信正常运行，提供了面向连接的全双工数据传输，保证了通信的可靠性。5.路由器是由哪些部分组成的？路由器的基本功能有哪些？路由器的用途有哪些？答：路由器是一种具有多输入、多个输出端口的专用计算机，其任务是对传输的分组进行路由选择并转发分组。主要由输入、输出端口、分组交换和路由选择等功能模块构成。路由器具有一些基本功能为：选择最佳传输路由；IP、TCP、UDP、ICMP等互联网协议的转换；流量控制和差错指示、分段和重新组装功能、提供网络管理和系统支持机制等。路由器可用于同构、异构局域网之间的互连，可用于局域网与广域网之间的互连，以及广域网和城域网之间的互联。6.什么是宽带IP城域网？答：IP城域网是电信运营商或IP服务提供商在城域范围内建设的城市IP骨干网络。宽带IP城域网是一个以IP和SDH、ATM等技术为基础，集数据、语音、视频服务为一体的宽带宽、多功能、多业务接入的城域综合业务通信网络。宽带IP城域网是基于宽带技术，以电信网的可管理性、可扩充性为基础，在城市的范围内汇聚宽、窄带用户的接入，面向机构、个人用户对各种宽带多媒体业务需求的综合宽带网络，是电信网络的重要组成部分，向上与骨干网络互连。7.宽带IP网的骨干传输技术主要有哪些？试简述它们的构成与工作原理。答：主要有：IPOverATM、IPOverSDH、IPOverDWDM这三种。IPOverATM是IP技术与ATM技术的结合的产物，它是在IP路由器之间、或路由器与交换机之间采用ATM网进行传输。 IPOverSDH是IP技术与SDH技术的结合的产物，是在IP路由器之间、或路由器与交换机之间采用SDH网进行传输。该技术利用SDH标准的帧结构，同时利用点到点传送等的封装技术把IP业务进行封装然后在SDH网中传输。SDH网为IP数据包提供点到点的链路连接，IP数据包的路由则由路由器来完成。DWDM技术是采用波分复用器（合波器）在发送端将不同规格波长的信号光载波合并起来，并用一根光纤传输信号，在接收端，再由另一波分复用器（分波器）将这些不同波长信号的光载波分开。DWDM的工作方式有双纤单向传输方式和单纤双向传输方式两种。双纤单向传输就是一根光纤只完成一个方向光信号的传输，反向光信号的传输由另一根光纤来完成，同一波长在两个方向可以重复利用；单纤双向传输是在一根光纤中实现两个方向光信号的同时传输，两个方向的光信号安排在不同的波长上。8.简述IEEE802.11中主要协议标准及其特点。答：最初IEEE802.11主要支持1Mbps和2Mbps传输速率，支持DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum)和FHSS(Frequency-HoppingSpreadSpectrum)等物理层。随着无线局域网技术的不断发展和完善，IEEE又制订了大量的协议扩展了标准。目前IEEE802.11协议已成为了庞大的协议簇，后缀从a扩展到了n。IEEE802.11标准由多个子集构成。IEEE802.11无线局域网作为有线局域网的扩展随着应用的进一步展开，逐渐成为互联网宽带接入的重要方法和手段。无线局域网(WLAN)具有易安装、易管理、易维护、易移植、高移动性、保密性强、抗干扰等特点。9.简述Wi-Fi相关的标准和规范。答：Wi-Fi的全英文是Wireless-Fidelity，为无线保真的意思。在无线局域网中是指“无线兼容性认证”，为一种商业认证，而IEEE802.11是无线局域网的技术标准，两者是不同的，但两者保持同步更新状态。国际Wi-Fi联盟组织，是一个商业联盟，拥有Wi-Fi的商标。它负责Wi-Fi认证与商标授权的工作，主要目的是在全球范围内推行Wi-Fi产品的兼容认证，发展IEEE802.11标准的无线局域网技术。Wi-Fi实质上是一种商业认证，但同时也是一种无线互联的技术。通过网线连接电脑，无线路由器，在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用Wi-Fi连接方式进行联网，该无线路由器被称为“热点”。Wi-Fi联盟负责产品的兼容性认证，凡是通过Wi-Fi联盟认证的产品均会被授权打标记，它能确保产品之间的兼容性。10.简述CSMA/CA协议的工作原理与流程。答：IEEE802.11提供了一个共享信道访问的协议，称为避免碰撞的载波侦听多址接入(Carrier-SenseMultipleAccessCollisionAvoidance, CSMA/CA)。其工作原理为：一个节点在开始传输分组（数据包）前，必须侦听信道，如果侦听到信道空闲，且空闲时间大于分布时间隙(DIFS)，则该节点可以发送数据；否者，节点在[0,CW]（CW为竞争窗口）内随机产生一个整数N，并用该整数设定回退时间。回退时间为N倍的物理层时隙大小。11.简述IEEE802.11MAC管理子层的主要功能。答：MAC管理子层的功能主要是同步管理、认证与关联、省电管理、业务流TS、块确认操作、直接链路建立、发送功率控制和动态频率选择等。具体来说，IEEE802.11MAC管理子层负责客户端与AP之间的通信，主要功能为接入、扫描、加密、漫游和同步。12.IEEE802.11无线局域网可应用于哪些行业和领域。答：WLAN具有以上优良特点，它广泛应用在社会生活、生产的各个方面，具体来说可以应用于工厂车间的生产和管理，医院的监护与管理，零售与物流行业的仓储与销售管理，会展与会议的信息服务，金融、旅游服务，教育与教学，移动与家庭办公，公共安全与公众Internet的接入等。 第8章移动通信技术一、本章学习目标通过本章的学习，应掌握移动通信的概念，移动通信的组网技术。了解第三代移动通信系统概念与特点，了解WCDMA、CDMA2000、TD-SCDAM及WiMAX移动通信技术的频谱分配、结构与组成。二、本章知识点l移动通信网的体制l3G移动通信技术及其参数l通用移动通信系统UMTSlCDMA2000前向及反向物理信道lTD-SCDMAlWiMAX及IEEE802.16标淮三、习题及解答1.什么是移动通信？移动通信具有哪些特点？答：移动通信就是在运动中实现的通信，即通信双方或至少有一方是在移动中进行信息交换的过程或方式，如车辆、船舶、飞机、人等移动体与固定点之间，或者移动体之间的通信。移动通信不受时间和空间的限制，可以灵活、快速、可靠地实现信息互通，是目前实现理想通信的重要手段之一。移动通信具有以下特点：（1）电波传播条件恶劣；（2）环境噪声、干扰和多普勒频移影响严重；（3）频率资源有限；（4）组网技术复杂。2．移动通信的发展大致经历哪几个发展阶段？答：移动通信的发展大致经历了以下几个发展阶段：（1）第一代模拟蜂窝移动通信系统；（2）第二代数字蜂窝移动通信系统；（3）第三代数字蜂窝移动通信系统；（4）第四代数字蜂窝移动通信系统。3.什么是移动通信的大区制和小区制？各有何特点和不同？答：一般来说，移动通信网的服务区域覆盖方式可分为两类，一类是小容量的大区制；另一类是大容量的小区制，即蜂窝系统。（1）大区制 大区制是指一个基站覆盖整个服务区，并由基站(BS)负责移动台(MS)的控制和联络。在大区制中，服务区范围的半径通常为20km~50km。为了覆盖这个服务区，BS发射机的功率要大，通常为100w~200w；BS天线要架得很高，通常在几十米以上，以保证大区中的MS能正常接收BS发出的信号。MS的发射功率较小，通常在一个大区中需要在不同地点设立若干个接收机，接收附近MS发射的信号，通过有组微波接力将信号传输至基站。大区制的特点是只有一个个天线，且架设高、功率大，覆盖半径也大，一般用于集群通信中。该方式设备较简单、投资少、见效快，但频率利用率低，扩容困难，不能漫游。（2）小区制小区制就是将整个服务区划分成若干个小区，在每个小区中分别设置一个BS，负责小区中的移动通信的联络控制。各BS统一连接到个移动交换中心(MSC)，由MSC统一控制各BS协调工作，并与有线通信网相连接，使移动用户进入有线网，保证MS在整个服务区内，无论在哪个小区都能正常进行通信。采用小区制不仅提高了频率的利用率，而且由于基站功率减小，也使相互间的干扰减少。此外无线小区的范围还可根据实际用户数的多少灵活确定，具有组网的灵活性。采用小区制最大的优点是有效地解决了信道数量有限和用户数增大之间的矛盾。小区制有一下四个特点：特点一：BS仅提供信道，其交换、控制都集中在一个移动电话交换局(MobileTelephoneSwitchingOffice,MTSO)，或称为移动电话交换中心，其作用相当于市话交换局，而大区制的信道交换、控制等功能都集中在BS完成。特点二：具有“过区切换功能”，简称“过区”功能，即一个服从一个小区进入另一个小区时，要从原BS的信道切换到新BS的信道上，且不能影响正常通话。特点三：具有漫游功能，即一个MS从本管理区进入到另一个管理区时，其电话早码不能变，仍然像在原管理区一样能够被呼叫到。特点四：具有频率复用的特点，频率复用是指一个频率可以在不同的小区重复使用。由于同频信道可以重复使用，复用的信道越多，用户数也就越多，因此，小区制可以提供比大区制更大的通信容量。4.试述带状覆盖服务区和面状覆盖服务区的概念。答：带状覆盖服务区：列车的无线电话、长途汽车的无线电话，以及沿海内河航行的船舶无线电话系统等部属于带状服务区。为了克服同信道干扰，常采用双频组频率配置和三频组频率配置，这种服务区域的无线小区是按横向排列覆盖整个服务区，因此在服务区域比较狭窄时，带状服务覆盖网的基站可以使用定向天线，这样整个系统是由许多细长的无线小区相连而成，因此也称“链状网”。 面状服务区：面状服务覆盖区的形状取决于电波传播条件和天线的方向性。如果服务区的地形、地物相同，且基站采用全向天线，它的覆盖面积大体是一个圆。为了不留空隙地覆盖整个服务区，一个个圆形的无线小区之间会有重叠。每个小区实际上的有效覆盖区是一个圆的内接多边形。根据重叠情况不同，这些多边形有正三角形、正方形或正六边形。5.什么是3G？它包含哪些主要技术、具有哪些特点？答：3G是3rdGeneration的缩写，是第三代移动通信技术的简称，它是将无线通信与互联网等多媒体通信相结合的新一代移动通信系统，能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了满足不同应用需求，第三代移动通信技术能够支持不同的数据传输速率，即在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbit/s，384kbit/s以及144kbit/s的传输速率。目前第三代移动通信系统的标准分别为WCDMA、CDMA2000、TD-CDMA和WiMAX这4种。3G技术的特点包括以下几方面：第一，采用高频段频谱资源。为实现全球漫游，按ITU规划IMT—2000将统一采用2G频段，可用带宽高达230MHz，分配结陆地网络170MHz、卫星网络60MHz，这为3G容量发展，实现全球多业务环境提供了广阔的频谱空间，同时可更好地满足宽带业务。第二，采用宽带射频信道、支持高速率业务。充分考虑承载多媒体业务的需要，3G网络射频载波信道根据业务要求，在室内、室外和行车的环境中至少支持2Mbit/s，384kbit/s以及144kbit/s的传输速率，同时进一步提高了码片速率，系统抗多径衰落能力也大大提高。第三，实现多业务、多速率传送。在宽带信道中，可以灵活应用时分复用、码分复用技术，单独控制每种业务的功率和质量，通过选取不同的扩频因子，将具有不同Qos要求的各种速率业务映射到宽带信道上，实现多业务、多速率传送。第四，快速功率控制。3G主流技术均在下行信道中采用了快速闭环功率控制技术，用以改善下行传输信道性能，这提高了系统抗多径衰落能力，但由于多径信道影响，会导致扩频码分多址用户间的正交性不理想，增加了系统自干扰的偏差，但总体上快速功率控制的应用对改善系统性能是有好处的。第五，采用自适应天线及软件无线电技术。3G基站采用带有可编程电子相位关系的自适应天线阵列，可以进行发信波束赋形，自适应地调整功率，减小系统自干扰，提高接收灵敏度，增大系统容量；另外软件无线电技术在基站及终端产品中的应用，对提高系统灵活性、降低成本至关重要。6.我国对3G的频谱是如何分配的？答：我国的频谱分配情况：（1）WCDMA 双工方式：FDD；异步CDMA系统：无GPS；带宽；5MHz；码片速率：3.84Mc/s中国联通频段，核心频段：1920MHz~1980MHz，2110MHz~2170MHz（分别用于上行和下行），补充频率：1755MHz~1785MHz，1850MHz~1880MHz（分别用于上行和下行）（2）TD-SCDMA双工方式：TDD；同步CDMA系统：有GPS；带宽：1.6MHz中国移动，核心频段：1880MHz~1920MHz，2010MHz~2025MHz补充频段：2300MHz~2400MHz（3）CDMA2000双工方式：FDD；同步CDMA：有GPS；带宽：1.23MHz；码片速率：1.2288Mc/s中国电信，核心频段：825MHz~835MHz，870MHz~880MHz（分别用于上行和下行），补充频段：885MHz~915MHz，930MHz~960MHz（分别用于上行和下行）（4）WiMAX微波接入全球互通，其他名称802.16；带宽：1.5MHz~20MHz；最高接入速率：70Mbit/s；最远传输距离：50km。7.WCDMA系统主要有哪些接口？这些接口是如何定义的？答：WCDMA系统主要有如下接口：（1）Cu接口是USIM卡和ME之间的电气接口，是遵循智能卡的标准接口。（2）Uu接口Uu是WCDMA的无线接口。UE通过Uu接口接入到UMTS系统的固定网络部分，Uu接口是UMTS系统中最重要的开放接口，其开放性可以确保不同制造商设计的UE终端可以接入其他制造商设计的RAN中。（3）Iu接口Iu接口是连接UTRN和CN的接口。Iu接口是一个开放的标准接口。这也使通过Iu接口相连接的UTRAN与CN可以分别出不向的设备制造商提供。(4)Iur接口 Iur接口是连接RNC之间的接口，是UMTS系统特有的接口，用于对RAN中移动台的移动管理，比如在不同的BNC之间进行软切换时，移动台所有数据都是通过Iur接口从正在工作的BNC转到候选RNC，Iur是开放的标带接口。（5）Iub接口Iub接口是连接NodeB与RNC的接口，Iub接口是一个开放的标准接门。这也使通过Iub接口相连接的RNC与NodeB可以分别由不同的设备制造商提供。8.CDMA2000有何特点？答：CDMA2000的目标是进一步提高话音容量，提高数据传输效率，支持更高数据速率，降低移动台电源消耗，延长电池寿命，消除对其他电子设备的电磁干扰，更好的加密技术，后向兼容CDMAone。与CDMAone相比，CDMA2000具有以下特点：（1）多种射频信道带宽；（2）Turbo码；（3）3800MHz前向快速功率控制；（4）前向快速寻呼信道；（5）前向链路发射分集；（6）反向相干解调；（7）连接的反向空中接口波形；（8）辅助导频信道；（9）增强的媒体接入控制功能；（10）灵活的帧长。9.CDMA2000系统由哪些部分构成？各部分的功能如何？答：CDMA2000系统由无线接入网、核心网电路域、核心网分组域、智能网短消息中心、无线应用协议(WAP)网关以及定位部分组成。系统结构的组成如图8.1所示。MCBTSBTSBCSPCFBTSBCSPCFPDEBTSIPSCPMSC/SSPVLRHLR/AUCIWF网关PDSN/FAAAAHA短消息定位无线接入智能网核心网电路域WAP核心网分组域PSTN/ISDNIP图8.1CDMA2000系统结构 无线接入部分由基站收发信机(BTS)和基站控制器(BSC)组成。BTS主要负责接收移动台的无线信号，BSC则负责管理多个BTS，与移动交换中心(MSC)和分组控制功能(PCF)进行话音和数据的交互。PCF则主要负责与分组数据业务相关的无线资源管理控制。核心网电路域主要由MSC、访问位置寄存器(VLR)和原籍位置寄存器(HLR)和鉴权中心(AUC)构成。该部分主要用于控制电路域的业务。核心网分组域主要由PCF、分组数据服务节点(PDSN)、认证、授权、计费(AAA)、本地代理(HA)等组成。该部分主要用于控制分组数据业务。其中PDSN负责管理用户通信状态，转发用户的数据到另外一个MSC网络中。AAA主要用来对用户的权限和计费进行管理。智能网部分主要由MSC、业务交换点(SSP)、IP、业务控制节点(SCP)等构成。智能网是目前移动通信系统中非常重要的部分，许多新业务都需要智能网。短消息中心(MC)主要完成与短消息相关的业务。无线应用协议(WAP)主要完成—系列网络协议的转换，将Internet与移动通信网相连。定位部分是CDMA提供的一个特殊服务，主要用在各种切换技术中。10.TD-SCDMA的特点如何？答：时分同步码分多址接入TD-SCDMA系统，它是第一次由中国提出全球3G标准之一。TD-SCDMA是TDD和CDMA、TDMA技术的完美结合，其具有一下特点：第一，采用时分双工(TDD)技术；第二，采用智能天线、联合检测和上行同步等大量先进技术，可以降低发射功率，减少多址干扰，提高系统容量；第三，采用TDMA更适合传输下行数据速率高于上行的非对称因特网业务；第四，采用软件无线电先进技术，更容易实现多制式基站和多模终端，系统更易于升级换代，更适合在开通GSM网络的大城市热点地区首先建设，借以满足局部用户群对384kbit/s多媒体业务的需求，通过GSM/TD双模终端以适应两网并存的过渡期用户漫游切换的要求；第五，采用TDD与TDMA更易支持PTT业务和实现新—代数字集群；第六，DT-SCDMA还具有频率资源丰富、频谱效率高及适于全球漫游特点。11.TD-SCDMA系统由哪些部分构成？各部分的功能如何？ 答：TD-SCDMA系统由核心网(CN)、无线接入网(UTRAN)和手机终端(UE)组成，如图8.2所示。RNCNodeBNodeBIubIubIuSPNSRNCNodeBNodeBIubIubIuDRNSUECNIur图26-9TD-SCDMA系统网络结构UuUTRAN由基站控制器RNC(RadioNetworkController，无线网络控制器)和基站NodeB组成。CN通过Iu接口与UTRAN的RNC相连。Iu接口可分为连接到电路交换域的Iu-SC、连接到分组交换域的Iu-PS和连接到广播控制域的Iu-BC接口。NodeB与RNC之间由Iub相连。在UTRAN内部，RNC通过Iur接口进行信息交互。NodeB与UE之间通过Uu接口交换信息。12.TD-SDMA的物理信道由哪些层结构组成？答：TD-SDMA的物理信道由4层结构组成：系统帧、无线帧、子帧和时隙码。依据不同的资源分配方案，子帧或时隙码的配置结构可能有所不同。时隙能够在时域和码域上区分不同用户信号，具有TDMA的特性，如图8.3所示。TDD模式下的物理信道是将一个突发在所分配的无线帧的特定时隙发射。无线帧的分配可以是连续的，即每一帧的相应时隙都可以分配给某物理信道，也可以是不这续的分配，即仅有部分无线帧中的相应时隙分配给该物理信道。一个突发由数据部分、Midamble部分和一个保护间隔组成。一个突发的持续时间就是一个时隙。帧i帧i+1子帧2i子帧2i+1无线帧(10ms)子帧(5ms)时隙/码(0.675ms)TS0TS1TS2TS3TS4TS6TS5DwPTSG(75μs)UpPTS(125μs)SwitchingPoint图8.3TD-SCDMA物理信道信号格式 物理信道分为为两大类：专用物理信道和公共物理信道。专用物理传迢(DPCH)由DCH(DedicatedChannnel，专用信道)映射得到，支持上下行数据传输，下行通常采用智能天线进行波束赋形。13.简述WiMAX标准？答：2007年10月19日，ITU批准WiMAX标准成为ITU移动无线标准，于是在移动通信技术领域，WiMAX成为了未来全球移动通信中的一个重要组成部分。从某种意义上来说，WiMAX几乎就是802.16的代名词。IEEE802.16是—种无线接入系统的新协议，它定义了无线城域网的空中接口。该标准从1999年开始，并在2001年、2003年发表2种基于单载波的固定式传输的技术标准IEEE802.16—2001和IEEE802.16a。2004年发表了基于正交频分复用(OFDM)的固定式应用技术标准IEEE802.16d。随后又推出了针对移动应用的技术标准IEEE802.16e标淮。14.WiMAX技术有何特点？答：（1）覆盖范围大；（2）无线数据传输性能强；（3）数据传输速率高；（4）支持Qos；（5）可靠的安全性；（6）业务功能丰富。 第9章中间件技术一、本章学习目标通过本章的学习应掌握中间件的基本概念、中间件的体系框架、中间件分类。应掌握无线传感器中间件的功能与体系结构参考模型；掌握基于EPC的RFID中间件的功能，了解其核心功能模块。了解云计算中间件的基本概念与研究热点，了解物联网中间所其面临的挑战。二、本章知识点l中间件基本概念与功能l中间件体系框架l无线传感器网络中间件体系结构参考模型l基于EPC的RFID中间件的功能l云计算中间件的基本概念三、习题及解答1.中间件是如何定义的？中间件有何含义？答：中间件的定义为：中间件是一种独立的系统软件，分布式应用软件凭借这种软件在不同技术平台共享资源。中间件位于客户机/服务器的操作系统之上，用来管理计算机资源和网络通信。中间件的含义为：中间件是一类软件，它不仅实现互联、而且还实现应用之间的相互访问、操作。中间件是位于操作系统和应用软件间的通用服务，其主要作用是用来屏蔽网络硬件平台的差异和操作系统与网络协议的异构性，使应用软件能够比较平滑地运行在不同平台上，同时中间件在负载平滑、连接管理和调度方面具有非常重要的作用，使得各种异构的应用的性能得到大幅度提升。2.物联网中间件具有何主要特点？答：物联网中间件具有以下特点：（1）独立于感知设备物联网中间件介于感知设备与上端应用程序之间，又独立于它们之外，能与多个感知设备、多个上端应用程序进行交互，以减少架构与维护的复杂度。（2）数据处理与流处理物联网中间件具有数据搜索、过滤、整合与传递等特性，能将实体对象转换为消息环境下的虚拟对象，数据处理是其最重要的功能。物联网中间件负责实现与感知设备间的信息交互与管理，它屏蔽了感知设备的复杂性，并将感知到的信息发送到应用服务层。 3.中间件主要可分几类，试简述各类的功能或特点。答：依据中间件在系统中所发挥的作用和采用的技术不同，主要可分为数据访问、远程过程调用、面向对象、基于事件、面向消息对象请求代理和事务处理监控中间件等。数据访问中间件是在系统中建立数据应用资源互操作的模式，实现异构环境下的数据库连接或文件系统连接，从而为在网络中虚拟缓冲存取、格式转换、解压等带来便利。远程过程调用中间件，用来执行一个位于不同地址空间的过程，并且从效果上看，它与执行本地调用的效果相同。面向对象中间件将程序设计模型从面向过程提升为面向对象，能够为应用提供位置透明性和平台无关性，其接口定义语言还可提供语言无关性。此外，该类中间件还为分布式应用环境提供多种基本服务，如名录服务、事件服务、生命周期服务、安全服务和事务服务等。基于事件的系统以事件作为主要交互方式，允许对象间异步、对等地交互，它特别适应于广域分布式系统对松散、异步交互模式的要求。它提供了面向事件的编程模型，支持异步通信机制，同时也具有更好的可扩展性。面向消息的中间件具有的特点为：通信程序可在不同时间运行；对应于程序的结构没有约束；程序与网络复杂性相隔离。对象请求代理(ObjectRequestBroker,ORB)的作用是提供一个通信框架，定义异构环境下对象透明地发送请求和接收响应的基本机制，建立对象之间的Client/Server关系。ORB可以支持更加复杂的结构。事务处理监控能够为大量的Client提供服务，对Client请求进行管理并对其分配相应的进程，使Server在有限的系统资源下能够高效地为大规模的客户提供服务。4.无线传感器中间件有哪些特点？答：其特点为：性能与资源消耗之间达到合理的平衡；无人干涉操作；提供合适的QoS机制；数据融合；良好的可扩展性与鲁棒性；提供良好的系统服务。5.无线传感器网络中间件设计主要分为哪些类？答：无线传感器网络中间件设计分类如下表所示。单节点控制虚拟机MateMagnetOSSensorware 网络级控制耦合范式数据库SINATinyDBCougar自适应MILANAutoSecTinyCubus去耦合元组空间AgillaTinyLime事件驱动ImpalaDSWareMires6.试简述无线传感器网络中间件参考模型。答：无线传感器网络中间件参考主要由通用服务、领域服务、和运行支持三大功能类构成。（1）通用服务通用服务主要指可以被不同的WSN应用所共享的服务。通用服务进一步分为：代码管理服务，数据管理服务，资源发现和管理服务以及集成服务。（2）领域服务领域服务的目的是利用通用服务，提供对于特殊领域的中间件算法模块，从而加速领域相关的无线传感器网络应用开发。（3）运行支持运行支持提供了应用底层的执行环境。可以被看作是嵌入式操作系统的扩展。WSN的运行支持通常包括对于任务的调度，任务进程间的通信，内存的控制，能量的控制，组件的唤醒和休眠等管理。7.RFID中间件的功能主要有哪些？答：RFID中间件的技术重点研究的内容包括并发访问技术、目录服务及定位技术、数据及设备监控技术、远程数据访问、安全和集成技术、进程及会话管理技术等。大部分的RFID中间件提供了以下几个功能：（1）对读写器或数据采集设备的管理； （2）数据处理；（3）事件数据报告生成与发送；（4）访问安全控制；（5）提供符合标准的接口；（6）集中统一的管理界面；（7）负载均衡。8.试简述云计算中间件的基本概念与作用。答：面向云计算的中间件简称云计算中间件，其主要任务是对云计算涉及的各类网络信息资源进行有效管理，并为云计算应用提供高效、可信的开发、部署和运行的支撑环境。云计算中间件在云计算中处于核心地位，其作用向下是支持各类信息网络资源的集成和聚合，以及对资源池中各类资源实施有效管理；向上需要面向大规模客户端访问，通过资源按需部署和使用、任务自适应地调度与执行、服务质量控制、用户环境管理、账户管理和多租户的安全保障等支持，为各类用户提供灵活、可信和低成本的自助服务。9.云计算中间件的研究热点有哪些？答：云计算中间件的研究围绕以下技术展开：（1）数据密集型计算；（2）虚拟化；（3）资源共享；（4）多承租效用计算。10.物联网中间面临哪些主要挑战？答：（1）感知和互联；（2）海量数据的实时处理；（3）多网融合环境和泛在化。 第10章云计算与大数据一、本章学习目标通过本章的学习，应掌握云计算的定义、基本概念及模型。了解云计算的虚拟化技术、云计算的机制以及云计算的基本架构。掌握大数据的概念和典型的大数据处理系统，大数据处理的基本流程，了解Hadoop分布式大数据系统。二、本章知识点l应掌握云计算的定义、基本概念及模型l云计算的虚拟化技术、云计算的机制以及云计算的基本架构l大数据的概念l大数据处理的基本流程三、习题及解答1.简述云计算的起源，网络“云”与云计算中的“云”有何异同？答：20世纪90年代，在整个网络行业出现了“网络云”或“云”的术语，但它的含义与现今的概念有所区别。所指的“云”是广域网。2006年，“云计算”这一术语是指企业推出的远程服务及远程计算资源的租赁技术。2.云计算主要有哪几种定义？答：三种定义。（1）NIST定义云计算是一种模型，可以实现随时随地、便捷地、按需地从可配置计算资源共享池中获取所需资源（例如，网络、服务器、存储、应用程序及服务），资源可以快速供给和释放，使管理的工作量和服务提供者的介入降低至最少。（2）ThomasErl等人给出的定义云计算是分布式计算的一种特殊形式，它引入了效用模型来远程供给可扩展和可测量的资源。（3）本书的定义云计算是一种基于网络的分布式计算，它可以按需提供给用户可扩展和计量的计算资源。3.云计算是在那些技术上的创新？答：云计算是一种信息技术的创新，它的创新是在以下几个技术上的创新： （1）集群化的冗余与故障转移；（2）网格计算；（3）虚拟化；（4）使能技术。4.试简述云、计算资源、云用户与云提供者、可扩展性、云服务和云端用户的含义与概念。答：云是指一个独特的计算环境，它可以按需提供给用户可扩展和计量的计算资源。云这个术语原来比喻Internet，在本质上是由网络构成的，可用于对一组分散的计算资源进行远程访问。计算资源是指一个与计算有关的物理或虚拟的实体，它可以是硬件（如服务器或网络）、可以是虚拟服务器或软件。提供基于云计算资源的一方称为云提供者(CloudProvider)，使用基于云的计算资源的一方称为云用户(CloudConsumer)。从计算资源的角度看，可扩展性是指计算资源可以增加或减少的使用需求的能力。可扩展性主要有两种类型：第一种是向外或向内扩展的水平扩展；另一种是向上或向下扩展的垂直扩展。云服务(CloudService)是指任何可以通过远程访问的计算资源。云服务的含义较宽泛，可以是一个简单的Web程序，或者是管理工具，或者更大环境和其他计算资源远程接入点。云计算是以服务形式提供计算资源的，这些服务封装了其他计算资源，向客户端提供远程应用功能，亦即“作为服务”(As-a-Service)。云端用户(CloudConsumer)是一个临时的运行角色，由访问云服务的软件承担此功能。常见的云端用户可为软件程序、服务、工作站、笔记本电脑、移动终端等。5.云计算中的角色与边界都有那些？答：角色可分为以下几种：（1）云提供者；（2）云用户；（3）云服务拥有者；（4）其他角色，如云审计者，云代理和云运营商。边界有：（1）组织边界；（2）信任边界。6.云计算有哪6大特性？答：按需使用；泛在接入；多租户与资源池；弹性；可计量使用；可恢复性。7.常见的云交付模型有那些？试简述之。答：云交付模型(CloudDeliverymode)是云提供者提供具体的、事先封装好的计算资源的组合，常见的云交付模型有IaaS、PaaS和SaaS。基础设施即服务(IaaS)：IaaS交付模型是一种自我包含的计算资源，由以基础设施为中小的计算资源组成，可以通过云服务接口和工具访问、管理这些资源。这个环境可以包括硬件、网络、连通性、操作系统以及其他一些原始的计算资源。 平台即服务(PaaS)：PaaS交付模型是预先定义好的“就绪可用”(Ready-to-Use)的环境，一般由已部署好的和配置好的计算资源组成。PaaS依赖于使用已就绪环境(Ready-made)环境，设立好一套预先封装好的产品和用来支持定制化应用的整个交付生命周期的工具。软件即服务(SaaS)：SaaS通常将软件定位为共享的云服务，作为“产品”或通用的工具提供服务。SaaS交付模型一般是一个可重用的云服务，对大多数云用户可用。8.常见的云部署有哪些？试简述之。答：云部署模型表示的是某种特定的云环境类型，主要是以所有权、大小和访问方式来分。常见的云部署有公有云、社区云、私有云和混合云。公有云(PublicCloud)是由第三方云提供者拥有的、可公共访问的云环境。社区云与公有云类似，只有社区内的云用户才可访问社区云。社区云可以是社区成员或提供具有访问限制的公有云的第三方提供者共同拥有的。私有云是由一家组织或单位单独拥有的云。混合云是由两个或多个不同云部署模型组成的云环境。9.计算资源的虚拟化主要包括那几种？答：虚拟化技术是云计算的关键技术之一。虚拟化是将物理的计算资源转化为虚拟的计算资源的过程。计算资源的虚拟化主要包括以下几个部分：一是服务器的虚拟化，即将一个物理服务器抽象为一个虚拟的服务器；二是存储设备的虚拟化，即将一个物理存储设备抽象为一个虚拟存储设备或一个虚拟磁盘；三是网络的虚拟化，即将一个物理的路由器、交换机等网络设备抽象为逻辑网络，如VLAN。10.试简述Web技术。答：Web技术通常用来对云服务实现访问应用和管理接口，因此Web技术也是云计算的关键技术之一。WWW是通过Internet访问互联的信息资源系统。它由两个Web浏览器客户端和Web服务器两个基本组件构成。另外，还有其他一些如代理、缓存服务、网关、负载均衡等组件，用来改善诸如扩展性和安全性等Web的应用特性。Web技术架构由三个基本元素组成：（1）统一资源定位符(UniformResourceLocator,URL)；（2）超文本传输协议(HypertextTransferProtocol,HTTP)；（3）标记语言(MarkupLanguage)HTML,XML。 11.云基础设施机制主要包括哪些内容？答：云基础设施是云环境的基础，是云技术构架基础的主要构件，主要包括的云基础设施机制有：逻辑网络边界、虚拟服务器、云存储设备、云使用监控、资源复制和已就绪环境等，它们是云平台中常见的核心组件。12.常见的云存储机制中数据结构有哪几种？试简述之。答：云存储设计机制提出的常见数据结构有文件(File)、块(Block)、数据集(Dataset)和对象(Object)。文件：数据集合分组，存放在文件夹中的文件中；块：存储的最低级，最接近硬件，数据块是可被访问的最小数据单位；数据集：基于表格的、以分隔符分隔的或以记录形式组织的数据集合；对象：将数据及其相关元数据组织为web的资源。每个数据存储等级通常都与某种类型的接口相关，该接口不仅与特定类型的云存储设备对应，还与API的云存储服务对应。13.常见的云监控机制的实现形式有哪些？答：常见的实现形式为监控代理、资源代理和轮询代理。每种形式都将收集到的使用情况数据发送到日志数据库，以便后续处理和报告。14.特殊云机制包括哪些机制？答：特殊云机制包括了自动伸缩监听器、负载均衡器、SLA监控器、按使用付费监控器、审计监控器、故障转移系统、虚拟机监控器、资源集群、多设备代理和状态管理数据库。15.常见的资源集群类型包括哪些？答：常见的资源集群类型包括：（1）服务器集群(ServerCluster)；（2）数据库集群(DataCluster)；（3）大数据库集群(LargeDataCluster)。16.云管理机制主要包含哪些系统？答：云管理机制系统主要包括远程管理系统、资源管理系统、SLA管理系统和计费管理系统。这些系统通常由API整合在一起，为用户提供较完善的云管理服务。17.基本云架构有哪些？试述资源池架构的组成与作用。答：基本云架构，代表了现在构建云环境的常见方法和特性。主要有：负载分布架构；资源池架构；动态可扩展架构；弹性资源容量架构；服务负载均衡架构；弹性磁盘供给架构；冗余存储架构。资源池架构(ResourcePooling Architecture)以使用一个活多个资源池为基础，其中相同的计算资源由一个系统进行分组和维护，以自动确保它们保存同步。常见的资源池有：（1）物理服务器池联网服务器池由联网的服务器构成，这些服务器已安装了操作系统以及必要的程序和应用，并且可以立即投入使用。（2）虚拟服务器池一般将虚拟服务器池配置为一个被选择的可用模板，该模板是云用户在准备期间从几种可用模板中选择出来的。例如，一个用户可以建立一个中档Windows服务器池，配置有4GB的RAM；或者2GB的RAM低档配置。（3）云存储池云存储池由基于文件或基于块的存储结构构成，它包含了空的或满的云存储设备。（4）网络池（或互联池）网络池（或互联池）是由不同配置的网络互联设备组成。如为了冗余连接，负载均衡或链路聚合，可以创建虚拟防火墙设备池或物理网络交换机。（5）CPU池CPU池准备分配给虚拟服务器，通常分解为单个处理器内核。（6）内存池物理RAM池可以用于物理服务器的新供给或垂直扩展。可以为每种类型的计算资源创建专用池，也可以讲单个池集合为一个更大的池，在这个更大的池中，每个单独的池成为了子资源池。18.动态可扩展架构有何作用？试简述常用的动态扩展类型。答：动态可扩展架构(DynamicScalabilityArchitecture)是一个架构模型，它是基于预先定义扩展条件的系统，触发这些条件会导致从资源池中动态分配计算资源。由于不需要人工交互就可以有效地回收不必要的计算资源，因此，动态分配使得资源池的使用可以按照使用需求的变化而变化。自动扩展监听器配置了负载阈值，以决定何时为工作负载的处理添加新计算资源。根据给定云用户的供给条款来提供该机制，并配以决定可动态提供的额外计算资源。常用的动态扩展类型有：（1）动态水平扩展(DynamicHorizontalScaling)想内或向外扩展计算资源实例，以便适应处理工作负载的变化。按照需求和权限，自动扩展监听器请求资源复制，并发出信号启动计算资源的复制。 （2）动态垂直扩展(DynamicVerticalScaling)当需要调整单个计算资源的处理容量时，向上或向下扩展资源实例。例如，当一个虚拟服务器超载时，可以动态增加其内存容量，或增加CPU处理内核。（3）动态重定位(DynamicRelocation)将计算资源重新放置到更大容量的主机。例如，将一个数据库从一个磁带的SAN存储器设备迁移到另一个磁盘的SAN存储设备，前者的I/O容量为4GB/s，后者的I/O容量为8GB/s。动态扩展架构可以应用于一系列计算资源上，包括虚拟服务器和云存储设备。19.什么是大数据？它有何特点？答：大数据是一个较为抽象的概念，维基百科将大数据描述为：大数据是现有数据库管理工具和传统数据处理应用很难处理的大型、复杂的数据集，大数据的挑战包括采集、存储、搜索、共享、传输、分析和可视化等。大数据系统有规模性大、类型多、需要频繁地采集、处理和输出的特性。20.典型的大数据处理系统有哪些？答：目前典型的大数据处理系统有数据查询分析计算协调、批处理系统、流式计算系统、迭代计算系统、图计算系统和内存计算系统。21.简述大数据处理的基本流程。答：数据处理的流程主要有：数据抽取与集成，数据分析和数据解释这三大环节。22.Hadoop的核心模块主要包括哪些？答：目前，Hadoop的核心模块主要包括HDFS(HadoopDistributedFileSystem)和分布式计算框架MapReduce，该结构实现了计算和存储的高度融合，非常适应于面向数据的系统架构的分布式处理。23.简述GFS的简单工作过程。答：GFS的简单工作过程如下：（1）客户端使用固定大小的块将应用程序指定的文件名和字节偏移量转换为文件的一个块索引，向Master发送包含文件名和块索引的请求；（2）Master收到客户请求，Master向块服务器发出指示，同时时刻监控众多Chunkserver（大块服务器）的状态。Chunkserver缓存Master从客户端收到的文件名和块索引等信息； （3）Master通过和Chunkserver的交互，向客户端发送Chunk-handle（块句柄）和副本位置。其中文件被分成若干个块，每个块都是由一个不变的、全局唯一的64为Chunk-handle标识。handle是由Mater在块创建时分配的。出于安全性考虑，每个文件块都要被复制到多个Chunkserver上，一般默认为3个副本；（4）客户端向其中的一个副本发出请求，请求指定了Chunk-handle和块内的一个字节区间；（5）客户端从Chunkserver获得数据块，任务完成。24.HDFS的存储过程中采用了哪两种策略？简述在HDFS中文件写入的基本过程。答：HDFS在对一个文件存储时采用了两个重要策略：一是副本，二是分块。副本策略保证了文件存储的高可靠性；分块策略保证了数据并发读写的效率，是MapReduce实现并行数据处理的基础。一个文件要写入的HDFS，首先由Namenode为该文件创建一个新的记录，该记录为文件分配存储节点，包括文件的分块存储信息。在写入时，系统会对文件进行分块，文件写入的客户端获得存储位置的信息后，直接与指定的Datanode进行通信，将文件块按Namenode分配的位置写入到指定的Datanode，数据块在写入时不再通过Namenode，因此Namenode不会成为数据通信的瓶颈。 第11章物联网定位技术一、本章学习目标通过本章的学习，掌握GPS、移动蜂窝测量技术、WLAN、短距离无线测量、WSN这些物联网中常用的定位技术的基本原理，主要参数和应用场合。二、本章知识点l物联网定位技术lGPS的组成lC/A码、P码与Y码lGPS定位、测速和授时l细微特征匹配l指纹室内定位技术三、习题及解答1.物联网定位一般采用什么方法？常用的定位技术有哪些？答：所谓“物联网定位”，就是在所选定的坐标系中，确定“物”的坐标。所谓“物联网定位技术”就是采用某种测量和计算技术测量“物”在所选定坐标系中的坐标。对选定坐标系中“物”的定位，首先是测量其坐标系中的各维度的坐标，在实际应用中，我们所测量的空间是三维空间。因此，在定位测量中，一般需要测量“物”的三个维度的坐标。目前，用来测量的方法有多种方法，最简单的方法是用尺子来度量，最常用的方法是用光学测量。现在较常用的方法是用电磁来测量，主要有雷达测量、无线电波测量、激光测量等。在物联网中常用的定位技术主要有GPS、WLAN、短距离无线测量、WSN、UWB（超宽带）、移动蜂窝测量技术。2.试述GPS的定位原理，并详细论述GPS的基本构成。答：GPS是一种全天候空基导航系统，用于精密定位、测速和提供精密时间，它可以看作一种卫星从空间已知位置发射信号，用户接收信号测定到达卫星距离的测距系统。测定距离必须知道卫星信号的传播时间，而要测定这个时间要求用户接收机和卫星都装有时间精密同步的钟——原子钟。对于一般用户来说配备这种昂贵的原子钟是不现实的。事实上，普通用户接收机不需原子钟，但这样测定用户至卫星的距离不是真实的距离，而是伪距。通过测量到四颗卫星的伪距，解定位方程，可求得用户在空间的三维位置坐标和时钟差四个未知数。GPS由卫星部分、地面控制部分和用户设备组成： （1）空间卫星部分空间卫星早期的方案是由分布在3个轨道面上的24颗卫星组成，均匀分布在6个倾角为550轨道面上，其中三颗为有源在轨备用卫星。GPS卫星由收发设备、操作系统和各种辅助设备、太阳能电池等组成。（2）控制部分控制部分由一个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成，它的任务是跟踪所有自卫星，进行卫星轨道参数和卫星钟钟差测定，并将预测轨道修正参数和各个卫星的钟差数据注入卫星，它还有控制卫星飞行姿态、控制SA的大小和接通与不接通A-S等功能。（3）用户设备GPS用户设备包括GPS接收机和传感器。它的种类繁多，例如按工作原理可分为伪距法、载波相位法、多普勒法相干涉法接收机，按用途可分为导航、测量、跟踪、授时等接收机。3．GPS卫星发射的信号主要有哪些？答：卫星发射的信号包括：载频、测距码和导航数据码。GPS卫星发射L波段的二个载频，它们都是由原子钟产生的基准频率MHz倍频得到：L1载频，MHz，波长cm；L2载频，MHz，波长cm；测距码和导航数据码模二相加后调制在载频上。二个载频之间的间隔为347.82MHz，等于L2的28.3％。选择两载频的目的在于测定并消除电波传播途经电离层效应而引起的延迟误差。导航数据码也称D码，由地面站注入。它包含卫星星历、卫星钟修正参数和电离层修正参数等信息，用于计算空间卫星位置，修正卫星至观测点的伪距误差。D码的码率为50bit/s。测距码即伪距随机码，包括C/A码(Coarse/Acquistion)和P码(Precise)。用以测定卫星至观测点的伪距，解码计算观测点位置。4.试推导蜂窝定位技术中的TODA表达式，并对所得表达式进行简要分析。解：TODA的获取可以通过对两TOA值相减得到，它的提出是为了解决TOA技术中需要发送端和接收端时钟精确同步的限制，因此就可以消除了。假设时刻移动台发射了信号，送达基站1和基站2，假设距离分别为和，移动台端测得的TDOA值t可由如式得到 由于信号在传播中所引入的高斯噪声，因而上式的时间t可表示为两个均匀分布相减得到介于和之间的中心在零点的三角形分布，同样两个高斯分布相减得到均值为0，标准差为的高斯分布。上式中假设移动台和两个基站间的传播噪声是相同的。TDOA技术分为上行模式和下行模式。在上行模式中，移动台产生信号发送到两个不同的基站，计算过程在网络侧；下行模式中，两个基站产生相同的信号同时发送到移动台，计算过程在移动台进行。在蜂窝网无线定位实际应用中，TDOA估计第一种方法是两个TOA相减得到TDOA，这种方法需要定位终端和基站之间具有非常精确的统一参考时间；第二种是对两个基站的接收信号进行互相关运算，得到信号间的时间差，在实际运用中后者只需要基站间时钟同步就可以，所以在实际运用中常采用后者。5.试述室内指纹定位技术中的最近邻法的基本原理。答：最近邻法是基于类比学习，即通过给定的检验样例与和它相似的训练样例进行比较来学习。在定位问题里，样例就是位置指纹，类标号就是位置指纹对应的物理位置。假设定位区域里共产生个位置指纹，记作，每个位置指纹与一组位置有一对一的映射关系。在实时定位阶段，一个RSS位置指纹样例记为S，它包含有来自n个接入点的接收信号强度的平均值，即。位置指纹数据库里，每个位置指纹表示成，其中表示第i个位置指纹里包含的来自第n个接入点的接收信号强度的平均值。那么，实时信号的位置指纹S与位置指纹数据库中的样例的邻近性用两者间的距离来度量，如欧几里德距离。即如下式所示：最后，对于实时信号的位置指纹S，估计的位置为和它最接近的位置指纹所对应的位置，如式下所示： 第12章物联网安全一、本章学习目标通过本章学习，应掌握物联网安全要素，物联网安全架构；了解物联网安全的研究现状、感知控制层安全、无线传感器网络的安全、传输网络层的安全、综合应用层安全的关键技术和面临的问题。二、本章知识点l物联网安全三要素l感知控制层的安全保护l物理攻击、信道阻塞、伪造攻击、假冒攻击、复制攻击、重放攻击和信息篡改l网关节点捕获、普通节点捕获、传感信息窃听、DoS攻击、重放攻击、完整性攻击、虚假路由信息、选择性转发、Sinkhole攻击、Sybil攻击、Wormholes虫洞攻击lSS、TLS、IPsec、DNSSECl流量窃听、恶意媒介、授权不足、虚拟化攻击三、习题及解答1.物联网安全的要素涉及哪三个方面？试给予简单描述。答：主要包括物理要素、运行要素、数据要素三个方面。物理安全是物联网安全的基础要素。主要涉及感知控制层的感知控制设备的安全，主要包括对传感器及RFID的干扰、屏蔽、信号截获等,是物联网安全特殊性的体现。运行安全，存在于物联网的各个环节中，涉及到了物联网的三个层次，其目的是保障感知控制设备、网络传输系统及处理系统的正常运行，与传统信息系统安全基本相同。数据安全也是存在于物联网的各环节之中，要求在感知控制设备、网络传输系统、处理系统中的信息不会出现被窃取、被篡改、被伪造、被抵赖等性质。其中传感器与传感网所面临的安全问题比传统的信息安全更为复杂，因为传感器与传感网可能会因为能量受限的问题而不能运行过于复杂的保护体系。2.物联网面临的威胁和攻击主要有哪些？答：物联网除面临一般信息网络所具有的安全问题外，还面临物联网特有的威胁和攻击。 相关威胁有：物理俘获、传输威胁、自私性威胁、拒绝服务威胁、感知数据威胁。相关攻击包有：阻塞干扰、碰撞攻击、耗尽攻击、非公平攻击、选择转发攻击、陷洞攻击、女巫攻击、洪泛攻击、信息篡改等。3.物联网的安全架构如何？答：按照物联网的基本层次架构，物联网安全需围绕着该层次架构来构建。物联网的安全架构应包含对感知控制层、传输网络和综合应用层的安全保障机制，使得这三层能不受到威胁与攻击。4.针对RFID的主要安全威胁有哪些？答：目前，针对RFID的主要安全威胁有物理攻击、信道阻塞、伪造攻击、假冒攻击、复制攻击、重放攻击和信息篡改等。5.试述RFID安全措施。答：主要安全措施有：（1）对标签的身份进行一定的管理和保护（2）短距离通信安全技术和认证、鉴别技术（3）轻量级的加密算法（4）加强立法6.针对无线传感网络的威胁主要有哪些？答：针对无线传感网络的威胁比较多，主要有网关节点捕获、普通节点捕获、传感信息窃听、DoS攻击、重放攻击、完整性攻击、虚假路由信息、选择性转发、Sinkhole攻击、Sybil攻击、Wormholes虫洞攻击和HELLOflood等。7.试述无线传感器网络的安全措施。答：无线传感网作为物联网感知层的重要组成部分，应对其密码与密钥技术、安全路由、安全数据融合、安全定位和隐私保护方面进行较全面地安全保护。具体来说，可以采用链路层加密和认证、身份验证、双向链路认证、路由协议涉及、多径路由技术及广播认证等技术。8.移动智能终存在哪些安全隐患？答：移动智能设备已是物联网感知层重要组成部分，其面临恶意软件、僵尸网络、操作系统缺陷和隐私泄露等安全问题。9.互联网的安全保护都有哪些安全协议？试简要说明。答：互联网的安全协议主要有：SSL安全套接层(SecureSocketsLayer)与TLS传输层安全(TransportLayerSecurity)、IPsec(InternetProtocolSecurity)和DNSSEC域名系统安全扩展(DomainNameSystemSecurityExtensions)等。 （1）SSLSSL协议与TLS协议是工作在OSI模型应用层的安全协议，SSL协议和TLS协议需要与PKI公朗基础设施(PublicKeyInfrastructure)相结合，通过公钥密码体制实现安全数据通信，防止客户端和服务器间的通信被窃听以及篡改。（2）TLSSSL协议与TLS协议可以透明的为应用层协议提供服务。目前SSL与TLS协议已经广泛与其他应用层协议相结合，例如HTTP、PostOfficeProtocol(POP)、SimpleMailTransferProtocol(SMTP)、InternetMessageAccessProtocol(IMAP)。但SSL协议仅能对TCP协议进行有效保护，不支持UDP协议。（3）IPsecIPsec由两大部分组成：第一是密朗协商协议IKE(InternetKeyExchange)，它定义了密钥办商方案；第二是封装安全载荷协议ESP(EncapsulatingSecurityPayload)和认证头协议AH(AuthenticationHeader)。通过该IPsec协议可以保证数据在传输过程中的机密性，同时通信双方可以对数据的来源进行认证，另外IPsec协议能够抵挡重放攻击。IPsec可以使用不同的工作模式适应不同的应用场景。IPsec的两种工作模式为：传输模式(TransportMode)可提供安全的端到端通信；隧道模式(TunnelMode)可提供安全的端到网络的通信。（4）DNSSECDNSSEC可以确保最终客户端在链接到其所指定的域名与实际服务器一致。DNSSEC同SSL和TLS协议类似，都需要公钥密码体制的支持。在DNSSEC中，所有应答数据都进行数字签名，客户端通过对签名的验证可以实现：对DNS解析结果进行来源验证，鉴别是否来自真实DNS服务器；对DNS解析结果进行完整性验证，鉴别数据是否被篡改或者伪造。DNSSEC能够比较有效的抵御DNS缓存污染攻击、猜测查询攻击、否认存在攻击，在一定程度上能够抵御不可递归攻击，但DNSSEC不能抵御拒绝服务攻击。10.物联网综合应用层安全的关键技术可包括哪几个方面？答：物联网综合应用层安全的关键技术可包括如下几个方面：（1）隐私保护隐私保护包括身份隐私和位置隐私。在物联网中，隐私保护包括RFID、无线传感器网络（或节点）的身份隐私保护、移动终端用户的身份和位置隐私保护、大数据下的隐私保护技术等。2移动终端设备安全 当移动设备作为物联网系统的控制终端时，移动设备的失窃所带来的损失可能会远大于设备中数据的价值。因此为移动终端的安全保护是物联网安全中的一个重要的挑战之一。3物联网安全基础设施即使保证物联网感知控制层安全、传输网络层安全和综合应用层安全，也保证终端设备不失窃，仍然不能保证整个物联网系统的安全。一个典型的例子是智能家居系统，假设传感器到家庭汇聚网关的数据传输得到安全保护，家庭网关到云端数据库的远程传输得到安全保护，终端设备访问云端也得到安全保护，但对智能家居用户来说还是没有安全感，因为感知数据是在别人控制的云端存储。如何实现端到端安全，需要由合理的安全基础设施完成。对智能家居这一特殊应用来说，安全基础设施可以非常简单，例如通过预置共享密钥的方式完成，但对其他环境，如智能楼宇和智慧社区，预置密钥的方式不能被接受，也不能让用户放心。如何建立物联网安全基础设施的管理平台，是安全物联网实际系统建立中不可或缺的组成部分，也是重要的技术问题。11.云计算环境下的威胁作用者将会产生哪些主要威胁？答：在云计算环境下，对计算资源与数据产生威胁的因素主要有：（1）匿名攻击者(AnonymousAttacker)；（2）恶意服务作用者(MaliciousServiceAgent)；（3）授信的攻击者(TrustedAttacker)；（4）恶意的内部人员可可能成为威胁作用者。12.云安全的措施主要有哪些？它们各自能防护哪些威胁？答：（1）加密加密机制可以帮助对抗流量窃听，恶意媒介、授权不足等安全威胁。可通过常规的SSL和TLS来实现云环境中的加密。（2）哈希(Hasing)当需要一种单向的、不可逆的数据保护时，就会采用哈希机制。对消息采用哈希运算时，消息就会被锁住了，并且不提供密钥打开该消息，该机制是常见的密码存储方式。除了用哈希来保护存储的数据外，可以用哈希机制减轻云威胁，包括恶意媒介和授权不足。（3）其他方法除了上述两个方法外，还可采用数字签名、建立共钥基础设施、身份与访问管理、单一登录等方法。对于虚拟化攻击可以采用强化虚拟服务器映像的措施。 第13章物联网综合应用案例一、本章学习目标通过本章以四个典型物联网应用范例学习，应能了掌握物联网应用的架构，掌握物联网应用的需求和构建方法，激发起物联网的创新意识，贴近生活，服务社会、经济和民生。二、本章知识点l物联网应用架构l智慧城市、校园，智能物流和智能家居。三、习题及解答1.简述智慧城市的由来与演进。答：智慧城市是充分利用数字化及相关计算机技术和手段，对城市基础设施与生活发展相关的各方面内容进行全方面的信息化处理和利用，具有对城市地理、资源、生态、环境、人口、经济、社会等复杂系统的数字网络化管理、服务与决策功能的信息体系。智慧城市能够充分运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对于包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能的响应，为人类创造更美好的城市生活。智慧城市并不是数字城市简单的升级，智慧城市的目标是更透彻的感知，更全面的互联互通和更深入的智能。（1）智慧城市的由来“数字化城市”，即城市信息的数字化是利用数字技术、信息技术和网络技术，将城市的人口、资源、环境、经济、社会等要素，以数字化、网络化、智能化合可视化的方式加以呈现，是将城市的各种信息资源整合起来用于监管城市、运营城市、预测城市。数字化的城市主要涉及教育、科技、文化、医疗卫生、社会保障等方面，是改变居民生活方式、改善居住环境的直接体现，是智慧城市的基础。（2）从数字化城市到智慧城市随着感知技术及其网络化的发展，依托新的信息技术、通信技术，数字化城市正向智能化城市演进。诸如环境监测、图像监控等感知装置在城市中的大规模装备而形成的传感器网络将成为城市的重要基础设施。它们的广泛应用，将彻底解决城市实时信息获取的问题，这为从数字化城市向智慧城市的演进奠定了坚实的物质基础。2.简述智慧城市的主要目标与系统架构。 答：（1）智慧城市的主要目标全面提高资源利用效率、城市管理水平和市民生活质量，努力改变传统落后的生产方式和生活方式。将城市建成为一个基础设施先进、信息网络通畅、科技应用普及、生产生活便捷、城市管理高效、公共服务完备、生态环境优美、惠及全体市民的智慧城市。（2）系统架构智慧城市的构架可以分为四个部分：感知层、网络层、平台层、应用层。感知层：主通过遥感、地理信息系统、导航定位、通讯、高性能计算等高新技术对城市的各方面信息进行数据采集和智能感知，将得到的信息通过包括互联网在内的各种通信系统传输到平台层进行处理。网络层：主要实现更广泛的互连功能，能够把感知层感知到的信息无障碍、高可要靠性、高安全性地进行传送。网络层由通信网、互联网和短距离通信网组成。（3）平台层智能城市的信息处理平台由IDC(InternetDataCenter，互联数据中心)和VAE(VerticalApplicationEnvironment)构成。IDC互联数据中心的任务是完成了智慧城市中各种信息的汇聚和智能处理。智能处理主要包括：数据分析、数据处理和数据存储，为城市的智能化提供支撑。VAE垂直行业应用平台对智慧城市的应用进行集成，形成统一的框架系统，智慧城市中的各个系统围绕着框架系统展开，从而实现了智慧城市的有序规划。应用集成包括了规模应用聚集、快速应用协同和全面应用整合。（4）业务应用层业务应用层通过信息处理和智能分析，形成对智慧城市各领域应用的具体解决方案。业务应用涵盖了应急指挥、数字城管、平安城市、政府热线、数字医疗、环境监测、智能交通和数字物流等方面。这些应用领域主要是智慧城市的全景中的内容，是智慧城市运作的具体体现。3.简述智慧校园的物联网特征及关键技术。答：智慧校园具有以下物联网特征：（1）网络互连特性；（2）实时全面环境感知；（3）各种与教学相关业务的全面融合。智慧校园将应用以下物联网关键技术： （1）云计算；（2）无线传感网络、RFID、嵌入式技术；（3）大数据；（4）移动互联；（5）公众社交网络。4.智慧校园主要有哪些功能？答：智慧校务管理、智慧教学管理、智慧科研、节能校园、平安校园、智慧数字图书、便捷生活和智慧学习等八个方面的功能。5.智能物流主要的含义是什么？智慧港口物流系统由哪几个层次构成？答：智能物流是在现代信息技术高度发展的基础上，利用先进的信息采集、信息处理、信息流通和信息管理技术，完成包括运输、仓储、配送、包装、装卸等多项基本活动的货物从供应者向需求者移动的整个过程，为供方提供最大化利润，为需方提供最佳服务，同时消耗最少的自然资源和社会资源，最大限度地保护好生态环境的整体智能社会物流管理体系。智能港口物流体系架构分为四个层次，即RFID传感网层、移动互联网层、云计算与应用服务层。RFID系统实时采集各车辆所装载的物品信息，传感网感知港口、码头的环境信息、船舶信息等，并通过移动互联网将RFID和传感器采集的信息传送到云计算中心进行存储和处理为应用层提供基础数据。移动互联网层采用移动通信中的3G/4G技术作为传送平台，将RFID传感网层感知的信息传送到云计算中心。云计算是智能港口物流系统的核心，由高性能的计算机和大容量、高可靠性的存储设备组成，为智能港口物流提供强大的存储能力和信息处理能力。应用层提供各种服务应用。包括智能闸口管理系统、散杂货码头营运管理系统、智能堆场管理系统、电子车牌电子驾照系统、货物配送信息采集系统（包括GIS系统）等。6.简述图13.3.1智能港口物流的工作流程。（略）7.智能家居是如何定义的？答：智能家居可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。智能家居不仅能提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还具有能动智慧的工具，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间。物联网环境下的智能家居系统融合了无线传感器网络、Internet 、人工智能等多种先进技术。它可以将家居中的所有物品连接起来，实现家居网络中所有物体均可被寻址、所有物体均具有通信能力、所有物体均可被操作、部分物体具有传感与信息上传共享能力。8.能否设计一个智能家居的应用场景？如能，请给以设计。（略）'