*部分首先簡(jiǎn)要介紹了物聯(lián)網(wǎng)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)概念，然后著重介紹了本書對(duì)物聯(lián)網(wǎng)通信環(huán)節(jié)的理解，以及全書的組織思想。第二部分介紹了接觸環(huán)節(jié)的通信技術(shù)，這是為了感知而進(jìn)行的通信，主要包括標(biāo)簽RFID和導(dǎo)航等的通信技術(shù)。第三部分至第五部分是本書的核心，重點(diǎn)介紹了末端網(wǎng)通信技術(shù)，包括有線、無線和無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。第六部分是接入網(wǎng)技術(shù)，包括一些主流的接入技術(shù)。數(shù)據(jù)接入因特網(wǎng)后，往往需要進(jìn)行一定的處理，鑒于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)往往體量巨大，傳統(tǒng)的計(jì)算模式難以應(yīng)對(duì)，所以云計(jì)算被提上浪潮，可以為物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)處理提供有利的支持，所以*后一部分介紹了云計(jì)算的相關(guān)概念，并介紹了一個(gè)云計(jì)算軟件平臺(tái)Hadoop。 本書的*個(gè)特點(diǎn)是盡量從物聯(lián)網(wǎng)的角度來介紹各種通信技術(shù)，包括為很多通信技術(shù)都準(zhǔn)備了應(yīng)用的案例。其次，本書以物聯(lián)網(wǎng)通信環(huán)節(jié)來組織教材內(nèi)容，盡管可能并不一定準(zhǔn)確，但是可以給用戶一個(gè)較為清晰的架構(gòu)。另外，本書盡量選取當(dāng)前主要的通信技術(shù)，并且以算法介紹為主。*后，本書將各種通信基礎(chǔ)知識(shí)融入到具體技術(shù)當(dāng)中，可以避免枯燥、盲目的為了學(xué)習(xí)而學(xué)習(xí)。
本書針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)通信過程，將通信技術(shù)分為四大環(huán)節(jié)進(jìn)行組織，分別是接觸環(huán)節(jié)的通信技術(shù)、末端網(wǎng)通信技術(shù)、接入網(wǎng)通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層通信技術(shù)。鑒于末端網(wǎng)通信技術(shù)是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)通信研究中*重要的部分，所以又將末端網(wǎng)通信技術(shù)細(xì)分為3個(gè)部分。本書特色：（1）內(nèi)容全面，涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)通信的理論和技術(shù)，從基本知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用都進(jìn)行了較為詳盡的講解，是一本從入門到進(jìn)階的*教材；（2）案例引導(dǎo)，將枯燥的技術(shù)與鮮活的實(shí)例相結(jié)合，促使學(xué)生舉一反三，思考無處不在的物聯(lián)網(wǎng)通信蘊(yùn)含的理論根源和技術(shù)創(chuàng)新；（3）概念準(zhǔn)確，語言簡(jiǎn)潔，圖文并茂，適合作為高等學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)及其他計(jì)算機(jī)類專業(yè)的教材,也可供對(duì)物聯(lián)網(wǎng)通信感興趣的讀者學(xué)習(xí)參考。
前言
物聯(lián)網(wǎng)工程是當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，是圍繞國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)設(shè)立的新專業(yè)，是一個(gè)與產(chǎn)業(yè)啟動(dòng)和發(fā)展同步的新專業(yè)。而物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)非常重要的環(huán)節(jié)，屬于基礎(chǔ)設(shè)施，相應(yīng)的課程也就顯得非常重要。根據(jù)教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)于2012年發(fā)布的《高等學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范》，物聯(lián)網(wǎng)通信是物聯(lián)網(wǎng)工程這一新專業(yè)的核心課程，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)理論和技術(shù)的學(xué)習(xí)、理解和應(yīng)用起著不可替代的支撐作用。本書就是針對(duì)這個(gè)新專業(yè)的教學(xué)需要而編寫的。
然而，寫一部新教材非常困難，而寫出一部針對(duì)新專業(yè)的、有特色的好教材更加困難，除了需要精心的投入和淵博的學(xué)識(shí)外，還需要有自己獨(dú)特的思考。本書希望通過作者獨(dú)特的思考和全力的投入來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)所采用的通信技術(shù)實(shí)質(zhì)上并不是全新的技術(shù)，而是典型的新瓶裝舊酒，很多技術(shù)都來自計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。作為長(zhǎng)期從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的教師，作者對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)和教學(xué)有一定的理解，但是在授課過程中也深深地體會(huì)到了一些困難。
目前，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教材已經(jīng)有很多了，也出現(xiàn)了一些非常優(yōu)秀的教材。有些教材從有經(jīng)驗(yàn)的教師視角來看堪稱經(jīng)典。即便如此，作者在授課過程中以及在回想起自己學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)課程的情景時(shí)，有時(shí)也會(huì)感到一絲無奈。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)涉及的知識(shí)和概念太多、太龐雜了，在典型的分層思想指導(dǎo)下，不管從上而下還是從下而上的組織形式，每一層都涉及很多概念和知識(shí)點(diǎn)。學(xué)完每一層，腦袋中往往只是又裝入了一堆技術(shù)而已。作者之所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系有了一定的認(rèn)識(shí)，是通過在反復(fù)授課的過程中不斷地思考，將各種技術(shù)相互關(guān)聯(lián)，以及與同行不斷交流才獲得的。而希望學(xué)生能夠在學(xué)完這門課程后就立即對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有很好的理解是困難的。因此，本書不采用分層組織的思想，而嘗試從另一個(gè)角度來組織教材內(nèi)容。
本書貫徹了構(gòu)建以知識(shí)領(lǐng)域、知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)形式呈現(xiàn)的知識(shí)體系這一思想，專注于物聯(lián)網(wǎng)通信這一龐大的領(lǐng)域，借鑒泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)（USN）高層架構(gòu)的思想，構(gòu)建了通信技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)這一概念。本書分析并選擇了目前物聯(lián)網(wǎng)通信經(jīng)常采用的典型通信技術(shù)作為知識(shí)單元，對(duì)通信技術(shù)中涉及的各種概念、機(jī)制和算法進(jìn)行講解，形成知識(shí)點(diǎn)。具體來講，就是把多種常見的通信技術(shù)按照在物聯(lián)網(wǎng)傳輸環(huán)節(jié)中的應(yīng)用可能性進(jìn)行分類，將網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)融入具體的通信技術(shù)介紹中。當(dāng)然，本書首先還是介紹了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，以使讀者能夠通過具體技術(shù)理解物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的作用。本書力圖通過這種安排，使讀者能夠從另一個(gè)角度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。
這樣的組織方式與以往的通信技術(shù)課程的框架并不一致，但是，讀者可以在每個(gè)知識(shí)單元了解相應(yīng)的通信技術(shù)利用的機(jī)制、采用的算法以及所需功能的實(shí)現(xiàn)方法，再通過體系層次分析來體會(huì)這種通信技術(shù)的架構(gòu)，最后通過相關(guān)的應(yīng)用案例了解這種技術(shù)可能的應(yīng)用場(chǎng)景，從而可以比較全面地理解和掌握每個(gè)知識(shí)單元的內(nèi)容。
以上就是本書的出發(fā)點(diǎn)。
基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)，本書將通信技術(shù)的知識(shí)點(diǎn)融入相關(guān)的通信技術(shù)介紹中，這樣可以減輕讀者的學(xué)習(xí)壓力。對(duì)于具體的通信技術(shù)，并不是在其第一次出現(xiàn)就全面展開講解，而是逐步滲透、細(xì)化、總結(jié)、改進(jìn)。作者希望能夠通過這種安排使讀者加深印象，逐步深入，使學(xué)習(xí)過程比較順利。
另外，本書注重各種技術(shù)所依據(jù)的思想和機(jī)制，因此，在講解上側(cè)重于引導(dǎo)，只介紹最基本的理論和技術(shù)，引導(dǎo)讀者通過拓展閱讀了解技術(shù)細(xì)節(jié)。因此，對(duì)于大多數(shù)通信技術(shù)，本書不過多地介紹其幀/報(bào)文格式。
在講解一些技術(shù)和算法時(shí)，作者加入了自己的思考、定位和分析，以幫助讀者加深對(duì)這些技術(shù)和算法的理解。
本書的出版得到了十三五江蘇省高等學(xué)校重點(diǎn)教材項(xiàng)目的資助和清華大學(xué)出版社的大力支持，并得到了許多專家學(xué)者的指導(dǎo)，在此表示衷心感謝。最后也要感謝家人的理解和支持。
限于作者的學(xué)識(shí)和時(shí)間，書中難免存在不足和疏漏，懇請(qǐng)讀者提出寶貴意見。
作者
2019年6月〖1〗〖1〗
陳兵，博士，教授，博士生導(dǎo)師，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)，工信部研究型教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，中國工程教育專業(yè)認(rèn)證專家，江蘇省計(jì)算機(jī)教育專委會(huì)主任，教育部計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)和全國高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究會(huì)培養(yǎng)計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力研究組成員。長(zhǎng)期從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域教學(xué)和科研工作。負(fù)責(zé)了南航物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的創(chuàng)建和驗(yàn)收，主持并完成了物聯(lián)網(wǎng)工程教育部卓越工程師計(jì)劃，負(fù)責(zé)建設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)工程國家級(jí)實(shí)踐教育基地、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與安全工信部實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、物聯(lián)網(wǎng)工程江蘇省實(shí)踐教育中心建設(shè)，先后承擔(dān)了江蘇省優(yōu)秀研究生課程現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的建設(shè)及江蘇省研究生網(wǎng)絡(luò)課程群實(shí)踐體系改革與實(shí)現(xiàn)教改項(xiàng)目，講授的課程包括研究生的高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，本科生的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全。出版的教材包括工信部十二五規(guī)劃教材《物聯(lián)網(wǎng)通信》、江蘇省重點(diǎn)教材《網(wǎng)絡(luò)安全》等。
目錄
第1部分引論
第1章概述3
1.1概念3
1.2物聯(lián)網(wǎng)模型5
1.3傳感器網(wǎng)絡(luò)8
1.4USN體系結(jié)構(gòu)和層次分析11
1.5物聯(lián)網(wǎng)通信環(huán)節(jié)的劃分15
1.6本書的組織思想17
第2章通信知識(shí)的回顧18
2.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)18
2.2通信技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容22
第3章對(duì)物聯(lián)網(wǎng)通信的分析26
3.1物聯(lián)網(wǎng)的通信體系結(jié)構(gòu)26
3.2物聯(lián)網(wǎng)中物體的分析27
3.3物聯(lián)網(wǎng)通信體系結(jié)構(gòu)29
3.3.1通信模式29
3.3.2直接通信模式30
3.3.3網(wǎng)關(guān)通信模式31
第2部分接觸環(huán)節(jié)的通信技術(shù)第4章RFID技術(shù)37
4.1RFID概述37
4.2RFID的工作原理39
4.3RFID的通信協(xié)議41
4.4ISO/IEC 180006B協(xié)議42
4.4.1概述43
4.4.2部件及通信流程43
4.4.3閱讀器到標(biāo)簽的通信44
4.4.4標(biāo)簽到閱讀器的通信47
4.5防止沖突算法49
4.5.1純ALOHA算法49
4.5.2時(shí)隙ALOHA算法50
4.5.3幀時(shí)隙ALOHA算法51
4.5.4Type A的防沖突算法52
4.5.5Type B的防沖突算法54
4.5.6Type C的防沖突算法55
〖1〗〖1〗第5章無線電導(dǎo)航57
5.1概述57
5.2GPS58
5.2.1GPS的工作原理58
5.2.2GPS組成59
5.2.3GPS的通信技術(shù)61
5.3北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)68
5.3.1概述68
5.3.2北斗一號(hào)70
5.3.3北斗二號(hào)、三號(hào)系統(tǒng)組成及工作機(jī)制74
5.3.4北斗通信技術(shù)74
第6章激光制導(dǎo)79
6.1概述79
6.2激光制導(dǎo)原理79
6.3激光制導(dǎo)編碼82
6.3.1激光波束制導(dǎo)的編碼83
6.3.2激光尋的制導(dǎo)的編碼85
6.4反激光制導(dǎo)89
第3部分末端網(wǎng)通信技術(shù)有線通信技術(shù)第7章串行接口通信95
7.1概述95
7.2RS232串行接口標(biāo)準(zhǔn)96
7.3其他串口技術(shù)98
第8章USB總線103
8.1USB概述103
8.2USB組成104
8.3USB的通信106
8.3.1USB的層次結(jié)構(gòu)106
8.3.2USB傳輸方式107
8.3.3USB傳輸技術(shù)108
8.4USB的發(fā)展110
第9章現(xiàn)場(chǎng)總線113
9.1概述113
9.2CAN總線115
9.2.1CAN概述115
9.2.2CAN總線通信117
9.2.3CAN的數(shù)據(jù)鏈路層120
9.3其他現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)123
第10章RFID閱讀器相關(guān)通信技術(shù)126
10.1概述126
10.2韋根協(xié)議127
10.3IETF SLRRP130
10.4EPCglobal LLRP135
10.5RFID中間件138
10.6RFID網(wǎng)絡(luò)相關(guān)應(yīng)用141
第4部分末端網(wǎng)通信技術(shù)無線通信底層技術(shù)第11章無線通信底層技術(shù)概述147
11.1物理層147
11.2數(shù)據(jù)鏈路層149
11.2.1概述149
11.2.2MAC子層相關(guān)通信協(xié)議151
第12章超寬帶159
12.1概述159
12.2脈沖無線電161
12.3多頻帶OFDM163
第13章IrDA紅外通信技術(shù)167
13.1概述167
13.2IrDA協(xié)議棧169
13.3IrLAP工作原理171
13.4其他應(yīng)用協(xié)議174
第14章水下通信176
14.1概述176
14.2水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧178
14.3物理層調(diào)制技術(shù)178
14.4MAC層技術(shù)182
第15章IEEE 802.15.4185
15.1概述185
15.2IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)185
15.3IEEE 802.15.4協(xié)議棧187
15.3.1物理層187
15.3.2MAC層189
第16章數(shù)據(jù)鏈193
16.1概述193
16.2相關(guān)技術(shù)194
16.2.1多址接入技術(shù)194
16.2.2擴(kuò)頻技術(shù)196
16.2.3組網(wǎng)和集成197
16.3典型數(shù)據(jù)鏈198
16.3.1Link16198
16.3.2其他數(shù)據(jù)鏈206
第5部分末端網(wǎng)通信技術(shù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)第17章自組織網(wǎng)絡(luò)的概念213
17.1自組織網(wǎng)絡(luò)概述213
17.2自組織網(wǎng)絡(luò)的演化214
17.3自組織網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)216
第18章Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)219
18.1概述219
18.2Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)220
18.3Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議223
18.3.1DSDV路由算法226
18.3.2DSR協(xié)議231
18.3.3AODV協(xié)議235
第19章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)241
19.1概述241
19.2路由協(xié)議242
19.2.1路由協(xié)議概述242
19.2.2SPIN協(xié)議245
19.2.3LEACH協(xié)議247
19.2.4PEGASIS協(xié)議251
19.3特殊的傳感器網(wǎng)絡(luò)253
第20章機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)257
20.1概述257
20.2機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)261
20.2.1機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)概述261
20.2.2PROPHET算法264
20.2.3CMTS算法265
20.3車載自組織網(wǎng)絡(luò)267
第21章藍(lán)牙269
21.1概述269
21.2藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)270
21.3微微網(wǎng)與散射網(wǎng)273
21.4藍(lán)牙的傳輸技術(shù)275
21.5散射網(wǎng)拓?fù)湫纬珊吐酚伤惴?81
第22章ZigBee290
22.1概述290
22.2ZigBee的組網(wǎng)291
22.3ZigBee體系結(jié)構(gòu)293
22.4ZigBee路由算法296
22.4.1ClusterTree算法296
22.4.2AODVjr算法298
第23章6LoWPAN302
23.1概述302
23.26LoWPAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和體系結(jié)構(gòu)305
23.36LoWPAN的工作308
23.4路由算法312
23.4.1路由算法分類312
23.4.2RPL路由協(xié)議315
第24章其他無線技術(shù)321
24.1ZWave321
24.2MiWi無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議325
第6部分接入網(wǎng)通信技術(shù)第25章有線接入方式331
25.1撥號(hào)上網(wǎng)331
25.2非對(duì)稱數(shù)字用戶線路334
25.3混合光纖同軸電纜網(wǎng)接入337
25.4以太接入網(wǎng)技術(shù)339
25.5電力線上網(wǎng)342
25.6光纖接入技術(shù)345
第26章無線光通信349
26.1概述349
26.2光通信相關(guān)技術(shù)351
26.3特殊無線光通信357
第27章IEEE 802.11無線局域網(wǎng)360
27.1概述及系統(tǒng)組成360
27.2IEEE 802.11協(xié)議棧361
27.3相關(guān)發(fā)展366
第28章無線Mesh網(wǎng)絡(luò)369
28.1概述369
28.2WMN結(jié)構(gòu)370
28.3WMN路由372
28.3.1概述372
28.3.2RMAODV373
28.3.3基于樹的路由協(xié)議375
28.3.4混合路由模式377
第29章蜂窩通信379
29.1概述379
29.2LTE系統(tǒng)381
29.34G物理層相關(guān)技術(shù)383
29.44G數(shù)據(jù)鏈路層相關(guān)技術(shù)389
第30章衛(wèi)星通信394
30.1概述394
30.2IPoS協(xié)議396
30.3衛(wèi)星通信相關(guān)技術(shù)398
30.4路由算法401
30.5衛(wèi)星網(wǎng)實(shí)例403
第7部分互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用層通信第31章云計(jì)算技術(shù)411
31.1概述411
31.2虛擬化技術(shù)416
31.3海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理技術(shù)419
31.3.1數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取419
31.3.2海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)421
31.3.3其他424
第32章Hadoop426
32.1概述426
32.2資源管理系統(tǒng)YARN427
32.2.1YARN的架構(gòu)427
32.2.2YARN的工作流程429
32.3分布式文件系統(tǒng)HDFS430
32.3.1HDFS的架構(gòu)430
32.3.2讀文件的流程432
32.3.3寫文件的流程432
32.4MapReduce433
32.5分布式數(shù)據(jù)庫HBase435
參考文獻(xiàn)442
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