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《物联网架构设计实战：从云端到传感器》从一个物联网架构师的角度，深入介绍了物联网在各个领域的用例、物联网架构和核心物联网模块，涵盖了传感器、端点和电源系统，通信理论和信息论基础，非基于IP的WPAN（包括新的蓝牙5架构、Zigbee和Z-Wave等），基于IP的通信（包括6LoWPAN、Thread和IEEE 802.11标准等），远距离通信系统和协议（包括蜂窝LTE标准、LoRaWAN、Sigfox以及新的LTE窄带和5G架构等），边缘路由器和网关，软件定义网络，物联网边缘到云协议（如MQTT、MQTT-SN、CoAP、AMQP和STOMP等），云和雾拓扑，云和雾中的数据分析与机器学习，以及物联网安全性等方面的知识和应用。总之，对于物联网架构师来说，本书是兼具启发性和实用性的技术宝典。
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| 內容簡介： |
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《物联网架构设计实战：从云端到传感器》详细阐述了与物联网架构相关的基本解决方案，主要包括物联网故事，物联网架构和核心物联网模块，传感器、端点和电源系统，通信与信息论，非基于IP的WPAN，基于IP的WPAN和WLAN，远距离通信系统和协议（WAN），路由器和网关，物联网边缘到云协议，云和雾拓扑，云和雾中的数据分析与机器学习，物联网安全性等内容。此外，本书还提供了相应的示例、代码，以帮助读者进一步理解相关方案的实现过程。 本书适合作为高等院校计算机及相关专业的教材和教学参考书，也可作为相关开发人员的自学读物和参考手册。
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| 目錄：
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第1章 物联网故事 1
1.1 物联网的历史 4
1.2 物联网的潜力 6
1.2.1 工业和制造业 9
1.2.2 消费者 10
1.2.3 零售、金融和营销 11
1.2.4 医疗保健 11
1.2.5 运输和物流 12
1.2.6 农业与环境 13
1.2.7 能源 13
1.2.8 智慧城市 14
1.2.9 政府和军事 15
1.3 小结 15
第2章 物联网架构和核心物联网模块 17
2.1 物联网生态系统 17
2.1.1 物联网与机器对机器的对比 19
2.1.2 网络的价值和梅特卡夫定律 19
2.1.3 物联网架构 21
2.1.4 架构师的角色 23
2.2 核心物联网模块 24
2.2.1 第1部分传感与电源 24
2.2.2 第2部分数据通信 24
2.2.3 第3部分互联网路由和协议 25
2.2.4 第4部分雾和边缘计算、数据分析和机器学习 26
2.2.5 第5部分物联网中的威胁和安全性 26
2.3 小结 27
第3章 传感器、端点和电源系统 29
3.1 感应装置 29
3.1.1 热电偶和温度感应 30
3.1.2 霍尔效应传感器和电流传感器 32
3.1.3 光电传感器 33
3.1.4 热释电红外传感器 34
3.1.5 激光雷达和有源传感系统 35
3.1.6 微机电系统传感器 37
3.2 智能物联网终端 42
3.3 传感器融合 44
3.4 输入设备 45
3.5 输出设备 45
3.6 功能示例 46
3.6.1 功能示例德州仪器CC2650 SensorTag 46
3.6.2 传感器到控制器 49
3.7 能源和电源管理 50
3.7.1 电源管理 51
3.7.2 能量收集 52
3.7.3 能源储备 57
3.8 小结 62
第4章 通信与信息论 63
4.1 通信理论 64
4.1.1 射频能量和理论范围 64
4.1.2 射频干扰 68
4.2 信息论 69
4.2.1 比特率限制和香农-哈特利定理 70
4.2.2 误码率 74
4.2.3 窄带与宽带通信 76
4.3 无线电频谱 79
4.4 小结 83
第5章 非基于IP的WPAN 85
5.1 无线个人局域网标准 85
5.1.1 关于802.15标准 86
5.1.2 蓝牙 87
5.1.3 关于IEEE 802.15.4 123
5.1.4 关于Zigbee 133
5.1.5 关于Z-Wave 143
5.2 小结 151
第6章 基于IP的WPAN和WLAN 153
6.1 互联网协议和传输控制协议 153
6.2 使用IP的WPAN6LoWPAN 155
6.2.1 关于6LoWPAN拓扑 156
6.2.2 关于6LoWPAN协议栈 158
6.2.3 网格寻址和路由 159
6.2.4 报头压缩和分段 162
6.2.5 邻居发现 164
6.2.6 关于6LoWPAN的安全性 166
6.3 使用IP的WPANThread 166
6.3.1 Thread架构和拓扑 167
6.3.2 Thread协议栈 169
6.3.3 Thread路由 170
6.3.4 Thread寻址 170
6.3.5 邻居发现 171
6.4 IEEE 802.11协议和WLAN 171
6.4.1 IEEE 802.11协议套件和比较 172
6.4.2 IEEE 802.11架构 174
6.4.3 IEEE 802.11频谱分配 176
6.4.4 IEEE 802.11调制和编码技术 179
6.4.5 IEEE 802.11 MIMO 183
6.4.6 IEEE 802.11数据包结构 187
6.4.7 IEEE 802.11操作 190
6.4.8 IEEE 802.11安全性 191
6.4.9 IEEE 802.11ac 192
6.4.10 IEEE 802.11p 194
6.4.11 IEEE 802.11ah 197
6.5 小结 203
第7章 远距离通信系统和协议（WAN） 205
7.1 蜂窝连接 205
7.1.1 治理模型和标准 206
7.1.2 蜂窝接入技术 211
7.1.3 关于3GPP用户设备类别 211
7.1.4 关于4G-LTE频谱分配和频段 213
7.1.5 关于4G-LTE拓扑和架构 218
7.1.6 关于4G-LTE E-UTRAN协议栈 222
7.1.7 关于4G-LTE地理区域、数据流和切换过程 224
7.1.8 关于4G-LTE报文结构 227
7.1.9 LTE Cat-0、Cat-1、Cat-M1和Cat-NB 228
7.1.10 5G 233
7.2 LoRa和LoRaWAN 239
7.2.1 LoRa物理层 240
7.2.2 LoRaWAN MAC层 241
7.2.3 LoRaWAN拓扑 243
7.2.4 LoRaWAN小结 245
7.3 Sigfox 246
7.3.1 Sigfox物理层 247
7.3.2 Sigfox MAC层 248
7.3.3 Sigfox协议栈 250
7.3.4 Sigfox拓扑 251
7.4 小结 253
第8章 路由器和网关 255
8.1 路由功能 255
8.1.1 网关功能 255
8.1.2 路由 256
8.1.3 故障转移和带外管理 259
8.1.4 虚拟局域网 260
8.1.5 虚拟专用网 262
8.1.6 流量整形和QoS 264
8.1.7 安全功能 266
8.1.8 指标和分析 267
8.1.9 边缘处理 267
8.2 软件定义网络 268
8.2.1 SDN架构 269
8.2.2 传统互联网络 271
8.2.3 SDN的好处 272
8.3 小结 273
第9章 物联网边缘到云协议 275
9.1 协议 275
9.2 MQTT 277
9.2.1 MQTT发布-订阅模型 278
9.2.2 MQTT架构细节 280
9.2.3 MQTT封包结构 282
9.2.4 MQTT通信格式 283
9.2.5 MQTT工作示例 286
9.3 MQTT-SN 289
9.3.1 MQTT-SN架构和拓扑 289
9.3.2 透明和聚合网关 291
9.3.3 网关广告和发现 292
9.3.4 MQTT和MQTT-SN之间的区别 292
9.4 受限应用协议 293
9.4.1 CoAP架构详解 293
9.4.2 CoAP消息格式 297
9.4.3 CoAP用法示例 302
9.5 其他协议 304
9.5.1 STOMP 304
9.5.2 AMQP 304
9.6 有关协议的总结和比较 308
9.7 小结 308
第10章 云和雾拓扑 309
10.1 云服务模型 310
10.1.1 NaaS 311
10.1.2 SaaS 311
10.1.3 PaaS 311
10.1.4 IaaS 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
10.3 OpenStack云架构 313
10.3.1 Keystone：身份和服务管理 315
10.3.2 Glance：镜像服务 315
10.3.3 Nova计算 316
10.3.4 Swift：对象存储 318
10.3.5 Neutron：网络服务 318
10.3.6 Cinder：块存储 318
10.3.7 Horizon 319
10.3.8 Heat：编排引擎（可选） 319
10.3.9 Ceilometer：计费（可选） 320
10.4 物联网云架构的约束 320
10.5 雾计算 324
10.5.1 雾计算的Hadoop哲学 324
10.5.2 雾计算、边缘计算与云计算 325
10.5.3 OpenFog参考架构 326
10.5.4 Amazon Greengrass和Lambda函数 332
10.5.5 雾拓扑 334
10.6 小结 339
第11章 云和雾中的数据分析与机器学习 341
11.1 物联网中的基本数据分析 342
11.1.1 顶层云管道 344
11.1.2 规则引擎 346
11.1.3 采集：流、处理和数据湖 349
11.1.4 复合事件处理 352
11.1.5 Lambda架构 353
11.1.6 行业用例 354
11.2 物联网中的机器学习 357
11.2.1 机器学习模型 360
11.2.2 分类 361
11.2.3 回归 364
11.2.4 随机森林 364
11.2.5 贝叶斯模型 366
11.2.6 卷积神经网络 368
11.2.7 循环神经网络 377
11.2.8 物联网的训练和推理 383
11.2.9 物联网数据分析和机器学习的比较与评估 384
11.3 小结 386
第12章 物联网安全性 387
12.1 网络安全术语 387
12.1.1 攻击和威胁术语 387
12.1.2 防御术语 389
12.2 物联网网络攻击剖析 391
12.2.1 Mirai 392
12.2.2 Stuxnet 393
12.2.3 链式反应 394
12.3 物理和硬件安全 396
12.3.1 信任根 396
12.3.2 密钥管理和可信平台模块 399
12.3.3 处理器和内存空间 399
12.3.4 存储安全 400
12.3.5 物理安全 400
12.4 密码学 402
12.4.1 对称密码学 404
12.4.2 非对称密码学 407
12.4.3 加密哈希（身份验证和签名） 412
12.4.4 公共密钥基础结构 413
12.4.5 网络堆栈传输层安全 415
12.5 软件定义边界 417
12.6 物联网中的区块链和加密货币 419
12.6.1 比特币（基于区块链） 421
12.6.2 IOTA（基于有向无环图） 426
12.7 政府法规和干预 427
12.7.1 美国国会的物联网相关法案 427
12.7.2 其他政府机构 428
12.8 物联网安全最佳实践 429
12.8.1 整体安全性 430
12.8.2 安全建议列表 433
12.9 小结 434
第13章 联盟和技术社区 437
13.1 个人局域网联盟 437
13.1.1 蓝牙SIG 437
13.1.2 Thread Group 438
13.1.3 Zigbee联盟 438
13.1.4 其他个人局域网联盟 439
13.2 协议联盟 439
13.2.1 开放互连基金会 439
13.2.2 OASIS 440
13.2.3 对象管理组 440
13.2.4 IPSO联盟 441
13.2.5 其他协议联盟 441
13.3 广域网联盟 442
13.3.1 Weightless 442
13.3.2 LoRa联盟 442
13.3.3 互联网工程任务组 443
13.3.4 Wi-Fi联盟 443
13.4 雾和边缘联盟 444
13.4.1 OpenFog 444
13.4.2 EdgeX Foundry 444
13.5 伞状组织 445
13.5.1 工业互联网联盟 445
13.5.2 IEEE物联网 445
13.5.3 其他伞状组织 446
13.6 美国政府物联网和安全实体 446
13.7 小结 447
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| 內容試閱：
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现代人可能在工作和生活的每一天都会体验到物联网。公众对物联网的印象大部分来自与健身追踪器、智能手表或家庭智能恒温器等的互动。
2017年，笔者在职场社交平台领英（LinkedIn）上搜索关键词IoT（物联网）时，发现7189个与IoT相关的职位发布。Glassdoor职场社区显示了5440个请求，而http：monster.com则显示了超过1000个请求。物联网市场在人才和解决方案方面正在蓬勃发展。一般来说，技术人员会采取最小的阻力将未连接的对象绑定到互联网。这种方法当然有效，但是它与架构师的角色仍然是有区别的。架构师需要全盘考虑各种技术选项、方案在未来的可扩展性、安全性保证和能源消耗等问题，以构建不仅有效而且可以为其公司、客户和股东带来价值的物联网解决方案。
许多物联网项目失败或被卡在研发过程中有两个原因。首先，从安全性和健壮性的角度来看，为物联网构建一个健壮的系统本身就是有困难的；其次，往往会出现虽然某个物联网解决方案在技术上可行，但从IT采购经理的角度来看却不现实的情况。例如，现在人们越来越倾向于在Internet上连接更多的东西，而作为架构师，则需要同时考虑企业实际需要以及IT世界是一个已有50年历史的成熟行业。在智能灯泡上放一个IP地址当然是可能的，但是从客户的角度来看就不一定是现实可行的。本书试图从企业、工业或商业角度而不是业余爱好者的角度来看待物联网问题。
本书从传感器和云的架构及整体角度介绍了物联网，包括两者之间的所有物理传输和转换。因为这是一本有关架构方面的指南，所以它试图保持足够的深度来给另一位架构师提供有关底层系统的约束和准则等知识。关于物联网特定内容的书籍和教程不计其数，如MQTT协议、云设计和DevOps、电源和电池设计以及RF信号分析等，这些都是物联网系统的重要组成部分，合格的架构师应能够跨越广度来设计健壮的系统。当然，架构师还必须能够从设计细节中汲取灵感，这样才能展现架构师应有的价值。
我们预计读者不会对每个工程领域都有特别深入的理解。本书涉及射频信号、功率和能量以及电路原理等，同时涉及互联网协议编程和云配置等方面的知识。在本书的最后，还深入研究了卷积神经网络等机器学习应用程序。架构师应该具备将这些技术和工具整合在一起并熟练驾驭的能力。本书可以帮助读者达到这一水平，但是并不期望读者对每种技术和工具都有深刻的了解。
物联网可以做的事情超出人们的想象，它将带动制造业、医疗保健、政府和企业的下一次重大革命。这将对世界GDP、就业和市场产生重大影响。当然，这也不可避免地给安全带来了严重的挑战和风险。
在前面提到的领英等网站列出的数千个工作机会中，许多工作都是需要由物联网架构师、技术人员和项目负责人来构建物联网解决方案，而不是开发小部件。本书将帮助读者学习和应用针对此类项目的技术。
最后，有必要特别指出的是，本书有些内容是很有趣的。例如，介绍了如何设计一种设备来监视家庭照明，或者通过无人机来控制路灯。这虽然只是研究项目，但却包含着非常先进的技术，不仅适用于技术爱好者，架构师也可以一试。
本书读者
本书面向希望了解物联网生态系统，需要综合使用各种技术进行物联网架构设计的架构师、系统设计师、技术人员和技术经理。
内容介绍
本书共分13章，具体内容如下。
第1章物联网故事，从一个虚拟的时间点开始，站在未来的角度介绍了物联网的发展、重要性和对日常生活的影响。本章还详细阐述了物联网在各个领域的用例，包括工业物联网、智慧城市、交通和医疗保健等。
第2章物联网架构和核心物联网模块，介绍了本书讨论的技术组合的整体情况。物联网生态系统的每个部分都有其目的，并且会在不知不觉中相互影响。对于架构师而言，这是非常重要的一章，因为他们能够通过本章内容高屋建瓴地理解各种相互关联的技术的全貌。本章还探讨了赋予物联网价值的方法。
第3章传感器、端点和电源系统，探讨了放置在Internet上的数十亿个边缘端点和相应的传感器技术。本章还阐述了传感器设计、架构和电源系统的基础知识。
第4章通信与信息论，详细介绍了有关通信理论、信息论、无线电频谱和相关数学模型的重要知识基础，这些基础知识定义了对物联网来说非常重要的通信系统。在选择适当的电信形式时，架构师需要理解决策背后的理论基础。
第5章非基于IP的WPAN，讨论了物联网边缘上非基于IP的主要协议和技术，对新的蓝牙5架构、Zigbee、Z-Wave和用于传感器网络的网格拓扑进行了深入介绍。
第6章基于IP的WPAN和WLAN，通过处理基于IP的通信（包括6LoWPAN、Thread和IEEE 802.11标准）来完成近距离通信。本章还详细介绍了新的802.11协议，如用于车辆通信的802.11p和用于物联网的802.11ah。
第7章远距离通信系统和协议（WAN），讨论了广域网通信系统，阐述了从物联网到云的远程通信协议。本章详细介绍了所有蜂窝LTE标准、LoRaWAN、Sigfox以及新的LTE窄带和5G架构。
第8章路由器和网关，阐述了边缘路由和网关功能的重要性。本章详细介绍了路由系统、网关功能、VPN、VLAN和流量整形，并讨论了软件定义网络（SDN）。
第9章物联网边缘到云协议，详细介绍了流行的物联网到云协议，如MQTT、MQTT-SN、CoAP、AMQP和STOMP。
第10章云和雾拓扑，详细介绍了云服务模型和类型，并且以OpenStack为参考，探讨了云架构的基础。本章还阐释了云架构的约束以及雾计算（使用诸如OpenFog标准之类的框架）解决这些问题的方式。
第11章云和雾中的数据分析与机器学习，介绍了使用工具（如规则引擎、复杂事件处理和Lambda架构）有效分析大量物联网数据的技术和用例。本章还探讨了用于物联网数据的机器学习以及它们的应用环境。
第12章物联网安全性，从全局角度讨论了本书涉及的每个物联网组件的安全性。本章详细介绍了有关协议、硬件、软件定义边界和区块链安全性的理论和架构。
第13章联盟和技术社区，详细介绍了许多围绕物联网标准和规则创建的产业联盟和技术社区，包括个人局域网联盟、协议联盟、广域网联盟、雾和边缘联盟以及伞状组织等。
充分利用本书
本书中有若干个硬件设计示例和编码示例。大多数编码示例都是基于Python语法的伪代码。工作示例还基于可在Mac OS X、Linux和Microsoft上使用的Python 3.4.3。在某些领域（如第9章物联网边缘到云协议介绍的内容）中，需要用到MQTT库（如Paho），这可以在Python中免费使用。
如果读者已经熟悉一些基础演算、信息论、电气特性和计算机科学，则这对于从架构师的角度深入了解物联网是大有裨益的。
在第10章云和雾拓扑中提供了一些脚本，使用了OpenStack或Amazon AWS Greengrass。在这些情况下，可能需要获得云账户。当然，如果仅仅是要了解架构目标，则这并非绝对必要。
本书约定
本书中使用了许多文本约定。
（1）CodeInText：表示文本中的代码字、数据库表名、文件夹名、文件名、文件扩展名、路径名、虚拟URL、用户输入和Twitter句柄等。以下段落就是一个示例：
5G拥有3个不同的目标，有关详细信息，可参考以下链接：
http：www.gsmhistory.com5g
（2）有关代码块的设置如下所示：
rule "Furnace_On"
when
Smoke_Sensorvalue 0 && Heat_Sensorvalue 0
then
insertFurnace_On
end
（3）当希望引起读者对代码块的特定部分的注意时，相关的行或项目以粗体显示：
rule "Furnace_On"
when
Smoke_Sensorvalue 0 && Heat_Sensorvalue 0
then
insertFurnace_On
end
（4）任何命令行输入或输出都采用如下所示的粗体代码形式：
aws greengrass create-function-definition --name "sensorDefinition"
（5）术语或重要单词使用粗体显示，并且在括号内保留其英文原文，方便读者对照查看。示例如下：
从左到右可以看到，5G网络通过小型蜂窝小区（Small Cell）和宏小区（Macrocell，也称为宏蜂窝）部署，节点密度为每平方千米一百万个物联网设备。在室内和家庭使用的是60 GHz频率（宏小区使用的是4 GHz回程）。
（6）本书还使用了以下两个图标。
表示警告或重要的注意事项。
表示提示或小技巧。
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