《信息科学技术导论》课件第4章 物联网技术基础.ppt

1、第4章第4章本章目录4.1 通信网络基础4.2 数据通信网络4.3 互联网4.4 天 线 传感器网络4.5 物联网4.6 移动互联网4.7 云计算4.8 区块链技术第四章第四章 物联网技术基础物联网技术基础第4章第4章 4.1 通信网络基础4.1.1 从点到点通信到通信网络为了更好的利用有限的频谱资源，点对点通信发展为网络通信。第4章第4章信息技术、管理科学、经济与社会的发展，促成了物联网的出现。第4章第4章通信网络的发展大致可分为三个阶段：（2）第二阶段（19701994）：骨干网络由模拟通信向数字通信转变，这一时期数字技术和计算机技术在网络中广泛使用。数字技术、分组交换技术等，这些技术奠定

2、了未来网络实现综合业务的基础。（3）第三阶段（1995年至今）：骨干通信网络实现了全数字化，骨干传输网实现了光纤化，同时数据通信业务增长迅速，独立于业务网的传输网也已形成。（1）第一阶段（18801970）：模拟通信网络时代，电话通信网络占统治地位。第4章第4章4.1.2 通信网络的关键技术网络通信的实现需要依托交换技术，网络用户之间不再直接通信，而是经过交换机进行链路链接。常用的交换方式有两种：（1）电路交换：主要用于语音通信，用户使用时分配路线，使用结束后释放路线以便其他用户使用。第4章第4章（2）分组交换：主要用于数据通信，传输时根据路由情况选择合适路径传输数据，不需要专门的链路。第4章

3、第4章影响网络发展的三大技术：（1）计算机技术。硬件的发展使计算机成本下降，同时计算能力大大提高；软件方面的发展极大地提高了大型信息处理系统的处理能力，降低了开发成本。成本的降低有利于PC的普及。（2）光传输技术。光传输技术的成熟使得光纤逐步取代线缆技术，光纤的普及提升了通信的传输速率，实现宽带多媒体业务，在网络带宽上已不存在问题。（3）Internet。基于IP技术的Internet的发展和迅速普及，使得数据业务的增长速率远远超过电话业务。第4章第4章4.1.3 通信网络的组成 定义定义：通信网络是由一定数量的节点(包括终端节点、交换节点)和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起，按约定的信

4、令或协议完成任意用户间信息交换的通信体系。第4章第4章通信网络的硬件构成：（1）终端节点。是通信网络上信息的产生者，同时也是通信网络上信息的使用者，其主要功能是处理用户信息和信令信息。第4章第4章（2）交换节点。交换节点是通信网络的核心设备，主要负责集中、转发终端节点产生的用户信息，但它自己并不产生和使用这些信息。第4章第4章（3）业务节点。通常由连接到通信网络中的计算机系统、数据库系统组成。第4章第4章（4）传输系统。通常传输系统的硬件组成应包括线路接口设备、传输媒介、交叉连接设备等部分。第4章第4章4.1.4 通信网络的分类 1.按业务类型分，可分为电话通信网络、数据通信网络、广播电视网等

5、。2.按空间距离分，可分为广域网、城域网、局域网。3.按信号传输方式分，可分为模拟通信网络和数字通信网络。4.按运营方式分，可分为公用通信网络和专用通信网络。第4章第4章4.1.5 通信网络的拓扑运用拓扑学将计算机网络抽象化，网络拓扑结构可以分为五种类型。（1）网状网，它是一种完全互连的网，网内任意两节点间均由直达线路连接，N个节点的网络需要N(N1)/2条传输链路。第4章第4章（2）星形网，该结构与网状网相似，但增加了一个中心转接节点，其他节点都与转接节点有线路相连。N个节点的星形网需要N-1条传输链路。第4章第4章（3）复合型网，它是由网状网和星形网复合而成的。它以星形网为基础，在业务量较

6、大的转接交换中心之间采用网状网结构。第4章第4章（4）总线型网，总线型网中的所有节点都连至一个公共的总线上，任何时候只允许一个用户占用总线发送或接收数据。第4章第4章（5）环形网，该结构中所有节点首尾相连，组成一个环。N个节点的环形网需要N条传输链路。环网可以是单向环，也可以是双向环。第4章第4章4.1.6 交换技术 实现通信网络的方法主要有两种：（1）通过网状网的结构在任意两个用户之间连接，每对用户都有一个永久的通信线路，造成线路浪费且不利于集中管理，所以不适合大规模的通信网络。第4章第4章（2）网络中引入交换节点，组建交换式网络，任何两个用户之间的通信都要通过交换节点进行转接交换，用户终端

7、都通过用户线与交换节点相连，交换节点之间通过中继线相连。第4章第4章 4.2 数据通信网络 4.2.1 数据通信的概念 数据通信是指由源点产生的数据，按照一定的通信协议，将数据通过信道传输的到终点的过程，主要是“人-机”或“机-机”通信。我们研究数据通信的传输、通信接口和通信处理三个方面。第4章第4章4.2.2 数据通信系统数据通信系统由以下三个部分组成：(1)终端设备子系统：由数据终端设备及有关的传输控制设备组成。(2)数据传输子系统：由传输信道和两端的数据电路终接设备组成。(3)数据处理子系统：指包括通信控制器在内的电子计算机。第4章第4章数据通信系统的分类按照不同的划分标准，数据通信系统

8、可以分好几个类型：(1)按照传输和设备子系统是否与处理子系统相连接，可分为脱机系统和联机系统。(2)按照处理子系统处理数据形式不同，可以分为联机实时系统、远程批处理系统和分时处理系统。(3)按照覆盖的物理范围不同，可以分为广域网、局域网、城域网和个域网。第4章第4章数据通信网络，又称计算机网络，是通信技术与计算机技术密切结合的产物，这两种技术的密切关系主要体现在以下两个方面：(1)通信技术为多台计算机之间进行信息传输和交换提供了必要的手段。(2)计算机技术应用于各个通信领域，极大地提高了通信系统的各项性能。第4章第4章 现在的计算机网络已经逐步向互联网发展第4章第4章 4.3 互 联 网4.3

9、.1 互联网的概念互联网是构成计算机网络的基础。TCP/IP体系结构以网络互连为基础，提供了一个建立不同计算机网络间通信的标准框架。第4章第4章4.3.2 互联网协议 接下来介绍两种常见互联网协议：（1）OSI参考模型：该模型可以分为七个独立层次，分别为应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。第4章第4章（2）TCP/IP协议体系结构，该结构可以分为五个独立层次，分别为应用层、运输层、IP层、网络接入层和物理层。第4章第4章 4.4 无线传感器网络4.4.1 传感网的概念 传感网是一种新型的网络和计算技术，它将客观世界中不断变化的信息持续高效地传递给人们，传感网包含三个基本

10、要素：传感器、感知对象和观察者。第4章第4章 同传统网络相比，传感网具有以下显著特点：他的节点数目大密度高，采用空间位置寻址；节点的能量、计算能力和存储容量有限；传感网的拓扑结构易变化，具有自组织能力；传感网具有自动管理和高度协作性；传感器节点具有数据融合能力；传感网是以数据为中心的网络；传感网存在诸多安全威胁。传感网的主要应用包括：军事应用，环境监测，工业应用，医疗应用，其他方面的应用。第4章第4章 传感网作为一种自组织通信网络，它的基本组成单位是感知节点和汇聚节点(或基站节点)，对传感网来说，其网络协议体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。第4章第4章4.4.2 无线传感器网络的组成

11、无线传感器网络由分布式传感器节点、汇聚节点、互联网、远程用户管理节点四个部分组成。感知区域附近的传感器节点可以采集信息，并把数据幻术到汇聚节点；汇聚节点将数据信息发送给各个节点；汇聚节点通过互联网实现和管理节点之间的相互通信。第4章第4章 传感器节点由数据采集的感知模块、数据处理和存储模块、无线通信模块、节点供电的电源供给模块组成：第4章第4章汇聚节点连接着传感网与互联网等，实现两种协议栈协议之间的转换，同时发布管理节点的监测任务，并将收集到的数据转发到外部网络上。第4章第4章 4.5 物 联 网4.5.1 物联网的发展第4章第4章物联网在中国的发展过程第4章第4章物联网的概念：任何时刻、任何

12、地点、任意物品之间的互连；无所不在的网络；无所不在计算的发展远景。第4章第4章物联网主要解决物品到物品、人到物品、人到人之间的互连。物联网通过接口与无线接入，连入互联网，实现物物相连。第4章第4章物联网具有以下特点：(1)物联网是指对具有全面感知能力的物品及人的互连集合。两个或两个以上物品如果能交换信息即可称为物联。(2)物联网必须遵循约定的通信协议，并通过相应的软、硬件实现。互连的物品要互相交换信息就需要实现不同系统中的实体的通信。(3)物联网可以实现对各种物品(包括人)进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能，这也是组建物联网的目的。第4章第4章物联网与传统互联网最大的区别如下：(1)

13、H2T，是指人利用通用装置与物品之间的连接。(2)H2H，是指人之间不依赖于个人计算机而进行的互连。第4章第4章4.5.2 物联网的组成 物联网的自主体系结构包括数据面、控制面、知识面、管里面。自主通信是指以自主件为核心的通信。第4章第4章 物联网要实现的是全球物品的信息实时共享，首先对所有物品进行统一的编码，需要应用射频识别系统。射频识别系统包括EPC标签和读写器。物联网是架构在互联网基础上的关于各种物理产品信息服务网络的总和。EPC标签是编号(每一个商品唯一的号码，即牌照)的载体，EPC物联网体系架构如下图：第4章第4章4.5.3 物联网的关键技术 RFID读/写器从含有一个EPC或一系列

14、EPC的标签上读取物品的电子代码，然后将读取的物品电子代码送到中间件系统中进行处理。第4章第4章 感知节点由各种类型的采集和控制模块组成，包括四个基本单元：传感单元、处理单元、通信单元、电源。感知节点。感知节点综合了传感器技术、嵌入式计算技术、智能组网技术、无线通信技术和分布信息处理技术等。图为光纤温度传感器第4章第4章 物联网技术涵盖了从信息获取、传输、存储、处理直至应用的全过程，物联网主要需要以下四项关键性应用技术：（1）标签物品的RFID技术。（2）感知事物的传感网络技术。（3）思考事物的智能技术。（4）微缩事物的纳米技术。对于核心承载网络来说，主要通信技术包括移动通信网、互联网、无线局

15、域网和企业专用网。同时物联网也需要数据融合技术和智能处理技术进行数据处理。第4章第4章4.5.4 物联网的应用 物联网是通信网络的应用延伸和拓展，是信息网络上的一种增值应用。感知、传输、应用三个环节构成物联网产业的关键要素，物联网的主要应用领域有现代物流、智能交通、智能安防等。第4章第4章 4.6 移动互联网4.6.1 移动互联网的概念 移动互联网是以移动网络作为网络接入方式的互联网及服务，它包括三个要素：移动终端、移动网络和应用服务。移动互联网可以从广义和狭义两个角度来理解。(1)从广义角度理解，移动互联网指用户使用手机、上网本、笔记本电脑等移动终端，通过移动或无线网络访问互联网并使用互联网

16、服务。(2)从狭义角度理解，移动互联网是指用户使用手机通过移动网络访问互联网并使用互联网服务。第4章第4章4.6.2 移动互联网的特点 移动互联网的主要特点有终端移动性、终端智能感知能力、个性化、业务私密性。移动互联网与桌面互联网及移动通信网之间的关系，如下图：第4章第4章 4.7 云计算4.7.1 云计算的概念 云计算最基本的概念是，透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，是一种基于互联网的商业计算模型。云计算是分布式计算技术的一种，可以从狭义和广义两个角度理解。(1)狭义的云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源。(2)广义的云

17、计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是与IT(软件、互联网)相关的，也可以是任意其他的服务。第4章第4章4.7.2 云计算的特点 云计算具有超大规模、虚拟化和可靠安全的特点，它的核心是要提供服务。未来的互联网世界将会是“云+端”的组合。第4章第4章 随着云计算的发展，将来用户可以便捷地使用各种终端设备访问云端中的数据和应用，同时可以得到的是完全相同的无缝体验。关于云计算的一个比较准确的定义是：云计算是一种计算模式，它可以把IT资源、数据和应用的数据储存再云端，然后以服务的方式充分利用数据中心强大的计算能力通过网络提供给用户。第4章第4章4.7

18、.3 云计算的分类 云计算的基本特征有虚拟化、高可靠性、可用性和扩展性、按需服务、超大规模、高性价比。云计算可以按照部署方式和服务对象划分为公共云、私有云和混合云。第4章第4章 当云计算按其服务方式提供给公众用户时，称其为公共云；私有云或称专属云，是指为企业内提供云服务(IT资源)的数据中心，不对外开放；混合云是公共云和私有云的混合，这类云一般由企业创建，而管理职责由企业和公共云提供商共同负责。第4章第4章4.7.4 云计算的应用 云计算在很多领域都有应用，例如：云计算对物联网的支撑和各大公司开发的云计算平台。第4章第4章 4.8 区块链技术 区块链本质上讲，它是一个共享数据库，存储于其中的数

19、据或信息，具有不可伪造、全程留痕、可以追溯、公开透明、集体维护等特征，有广阔的发展前景。第4章第4章4.8.2 区块链本质 区块链是一种新的信息与网络技术，它采用加密、哈希和共识机制来保证网络中每个节点所记录的信息(也称为分布式账本)真实有效。区块链架构主要分为应用层、扩展层、协议层。第4章第4章第4章第4章4.8.3 区块链原理、设计与应用 区块链包括交易、区块。链三个基本概念。区块链在不引入第三方中介机构的前提下，可以提供去中心化、不可篡改、安全可靠等特性保证，因此，所有直接或间接依赖于第三方担保机构的活动，均可能从区块链技术中获益。第4章第4章 区块链自身维护着一个按时间顺序持续增长、不

20、可篡改的数据记录，当现实或数字世界中的资产可以生成数字摘要时，区块链便成为确权类应用的完美载体，提供包含所属权和时间戳的数字证据，在各大领域都有应用。第4章第4章4.8.4 区块链与数字货币 数字货币与电子货币、虚拟货币均不同。数字货币不仅可以提高资金的安全性，通过区块链实现追踪资金去向，同时还可以满足人们的去账户匿名支付需求。区块链技术可以使整个数字货币体系中所有规则透明化，所有数据内容公开化，无法篡改和操纵，在数字货币领域有显著优势。第4章第4章数字货币，有一个典型的例子，就是“比特币”，获得比特币最常用的手段就是“挖矿”。挖矿的原理就是通过计算机的算力来产生，但是这需要很多台计算机，需要

21、很多显卡，这也是目前显卡价格飙升的原因之一。另一方面，挖矿需要24小时，多台计算机同时高速运转，因此会浪费很多电力资源，因此目前国家正在大力查处挖矿现象。第4章第4章4.8.5 区块链面临的挑战 区块链的优势是“可信”，但在确保可信的前提下，克服可扩展性问题的挑战对于区块链技术研究而言，还有一段较长的路要走。区块链面临的又一个重大挑战是监管问题。区块链技术诞生于一群称为“网络朋克”的无政府主义者之中。区块链最早、最成功的应用是比特币，比特币被广泛地应用在“暗网”中，作为洗钱和非法交易的途径，被人恶意利用。从这个视角而言，在保持区块链的“自治”优势的前提下，融入现实世界的监管体系中是广泛应用区块

22、链的必经之路。第4章第4章小 结 本章简要介绍了通信网络、互联网、无线传感器网络、物联网、移动互联网、云计算、区块链技术等现代网络技术，这些都是发展迅速的技术领域。本章内容主要包括：通信网络的构成、拓扑、协议、交换等，互联网、无线传感器网络、物联网、移动互联网、区块链的基本概念、组成、关键技术、相互关系等。第4章第4章习 题1.上网查阅最新的通信网络的进展。2.上网查阅物联网中使用的新技术，并了解物联网技术与人工智能技术的联系。3.上网查阅资料，了解互联网的最新情况。4.上网查阅资料，了解无线传感器网络的最新进展。5.上网查阅资料，了解云计算的情况。6.查阅相关资料，简述区块链技术在日常生活中主要解决了哪些问题。Questions？第4章