第五章：物联网通信体系

前言
5.1 WiFi技术
5.2 蓝牙技术
5.3 ZigBee技术
5.4 移动通信技术
5.5 卫星通信技术
5.6 双绞线和光纤
5.7 以太网
5.8 网络体系结构
5.9 传输层和网络层重要协议

前言

物联网相关各种信息传递技术
（1）无线通信技术
① 短距离通信：蓝牙、NFC
② 中距离无线：WIFI、Zigbee
③ 远距离无线：3G、4G、5G
④ 长距离无线：微波、卫星

（2）有线通信技术
双绞线、光纤组网

5.1 WiFi技术

WiFi 是一种无线局域网通信技术（全称 Wireless - Fidelity，无线保真）。
WiFi最早是基于IEEE802.11协议，发表于1997年，定义了WLAN的MAC层和物理层标准。
继IEEE802.11协议之后，相继有众多版本被推出，最典型的是IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11n。

1、WiFi技术标准

2、WiFi无线局域网

WiFi局域网的本质特点：
不使用通信电缆将计算机与网络进行连接，而是用无线的方式，从而使网络的构建和终端的移动更加灵活。
WiFi局域网两个重要的基本概念：
① 站点(Station，STA)：每一个连接到无线网络中的终端（如笔记本电脑、手机等可联网的设备）都称之为一个站点。
② 无线接入点(Access Point，AP)：无线网络的创建者，也是网络的中心节点。一般家庭或办公室使用的无线路由器就一个AP。

3、两种网络拓扑结构

WiFi无线网络包括两种类型的拓扑形式：
① 基础网（Infrastructure）；
②自组网（Ad-hoc）
两者的差别：
① 基础网基于AP组建；
② 自组网中仅含有STA，不存在AP。

（1）WiFi组网：基础网

基于AP组建的基础无线网络
由AP创建，众多STA加入所组成
AP是整个网络的中心
各STA间不能直接通信，需经AP转发

（2）WiFi组网：自组网

Ad-hoc模式也称对等模式，允许一组具有无线功能的计算机或移动设备之间为数据共享而迅速建立起无线连接。
仅由两个及以上STA组成，网络中不存在AP
各设备自发组网，设备之间是对等的
网络中所有的STA之间都可以直接通信，不需要转发

（3）WiFi网络的安全机制

用户接入过程中的认证：
① 认证是STA向AP证明其身份的过程
② 只有通过身份认证的站点才能进行无线接入访问
③ 认证可以通过MAC地址进行，也可以通过用户名/口令进行
④ 认证有开放系统认证和共享密钥认证两种
⑤ STA和AP均可通过解除认证来终结认证关系

5.2 蓝牙技术

蓝牙技术是一种支持设备短距离通信（一般几十米内）的技术。
蓝牙技术采用分散式网络结构，支持点对点及点对多点通信。
工作在2.4~2.485GHz频段，其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。
能在包括移动电话、无线耳机、笔记本电脑等等众多设备之间进行无线信息交换。
蓝牙系统采用一种灵活的、无基站的组网方式
一个蓝牙设备可同时与 7 个其他的蓝牙设备相连接。

1、蓝牙系统的网络结构的有两种形式：

（1）微微网（Piconet）；
微微网是通过蓝牙技术以特定方式连接起来的微型网络，一个微微网可以只是 2 台相连的设备，也可以是 8 台相连的设备。
在一个微微网中，所有设备的级别都是相同的，有相同权限。
蓝牙采用自组式组网方式（Ad hoc），微微网由主设备单元（发起链接的设备）和从设备单元构成，有 1 个主设备单元和最多 7 个从设备单元。
（2）散射网（Scatternet）
散射网由多个独立的、非同步的微微网组成，以特定的方式连接在一起。
一个微微网中的主设备单元同时也可以作为另一个微微网中的从设备单元，作为 2 个或 2 个以上微微网成员的蓝牙单元就成了网桥（bridge）节点。
网桥最多只能作为一个微微网的主设备，但可以作为多个微微网的从设备。

2、蓝牙协议栈
（1）物理层
负责提供数据传输的物理通道（通常称为信道）。一个通信系统中往往存在几种不同类型的信道，如控制信道、数据信道、语音信道等等。
（2）数据链路层
在物理层的基础上，提供两个或多个设备之间、和物理无关的逻辑传输通道（也称作逻辑链路）。
（3）中间件层
提供针对某种通信方式、服务模式的协议。比如针对语音通信的协议、针对串口通信的协议、查询服务的协议等。
（4）应用层
为实现各种各样的应用功能制定的协议。

3、蓝牙技术安全模式

安全模式1：非安全模式
安全模式2：业务层安全模式
业务层安全模式的安全机制对系统的各个应用和服务需要进行分别的安全保护，包括授权访问、身份鉴别和加密传输。
安全模式3：链路层安全模式
链路层安全机制对所有的应用和服务的访问都需要访问授权、身份鉴别和加密传输。

安全模式2 与安全模式3 的本质区别在于：

① 安全模式2下的蓝牙设备在信道建立以后启动安全性过程，即其安全性过程在较高层协议进行;
② 安全模式3下的蓝牙设备在信道建立以前启动安全性过程，即其安全性过程在低层协议进行。

5.3 ZigBee技术

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。
主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。非常适合用于有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
ZigBee又称紫蜂协议，来源于蜜蜂的八字舞（蜜蜂通过之字形“舞蹈”与同伴传递信息）。也就是说ZigBee协议可以建立类似于蜂群的通信网络。
ZigBee是一个由可多到65000个模块组成的无线网络平台，任何结点之间可以相互通信，通信距离一般在几十米左右。

1、ZigBee技术特性

（1）低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。
（2）低成本：通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，每块芯片的价格远低于蓝牙或WiFi。
（3）低速率：ZigBee 分别提供 250kbps（2.4GHz）、40kbps （915 MHz）和 20kbps（868 MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
（4）短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi 需要3s。
（5）高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单(ACL) 防止非法获取数据，以及在数据转移中采用高级加密标准(AES)的对称密码加密。

2、ZigBee网络

（1）协调器
在ZigBee 网络中，有且只能有一个协调器，它在网络中起了网络搭建和网络维护的功能。是整个网络的中心枢纽。是等级最高的父节点。
（2）路由器
路由器在ZigBee 网络中既可以充当父节点，也可以充当子节点，有信息转发和辅助协调器维护网络的功能。
（3）终端
终端的功能最为简单，只能加入网络，为最末端的子节点设备。只能与其父节点进行通信，如果两个终端之间需要通信，必须经过父节点进行多跳或者单跳通信。是网络中数量最多的节点，也是低功耗的网络设备。

3、网络拓扑结构

4、ZigBee 网络协议

（1）物理层（PHY）
物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。
（2）MAC层
MAC 层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。
（3）网络层
网络层主要实现结点加入或离开网络、接收或抛弃其他结点、路由查找及传送数据等功能，支持多种路由算法。
（4）应用层
应用层包含三部分：应用框架AF、ZigBee设备对象ZDO和应用支持APS子层。它们实现了将不同的应用对象映射到ZigBee网络层。

5、ZigBee应用领域

（1）家庭和建筑物的自动化控制：照明、空调、窗帘等家具设备的远程控制；
（2）消费性电子设备：电视、DVD、CD机等电器的遥控。
（3）PC外设：无线键盘、鼠标、游戏操纵杆等；
（4）工业控制：使数据的自动采集、分析和处理变得更加容易；
（5）医疗设备控制：医疗传感器、病人的紧急呼叫按钮等；
（6）交互式玩具。

总结：

5.4 移动通信技术

移动通信是指通信的双方，或至少有一方处于移动状态下进行信息交换的通信就叫做移动通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船等在移动状态中的物体。
移动通信系统包括无绳电话，无线寻呼，陆地蜂窝移动通信，卫星移动通信等。一般情况下，移动通信系统是指陆地蜂窝移动通信系统。
移动通信除了依靠无线通信技术之外，还依赖有线通信网络的支持，如公众电话网PSTN，公众数据网PDN，综合业务数字网ISDN。

1、蜂窝通信网络

20世纪70年代中期，贝尔实验室发明了蜂窝式组网技术。
这种技术放弃了点对点传输和广播覆盖模式，把整个服务区域划分成若干个较小的区域（蜂窝技术因此而得名）。
各小区均用小功率的发射机（即基站发射机）进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满（即覆盖）任意形状的服务地区。手机均采用这项技术，因此常常被称作蜂窝电话。

蜂窝移动通信小区覆盖：

移动通信系统组成：

2、蜂窝移动通信特点

（1）频率复用
每一组连接（对于无线电话而言就是一组会话）都需要专门的频率，而可以使用的频率一共只有大约1000个。
为了使更多的会话能同时进行，蜂窝系统把给每一个 “蜂窝”(即每一个小的区域) 分配了一定数额的频率。
不同的蜂窝可以使用相同的频率。这样有限的无线资源就可以充分利用了。
（2）越区切换
越区切换通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入另一基站覆盖小区的情况下，为保持通信的连续性，将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路。
（3）位置登记
移动系统中，用户在系统覆盖范围内任意移动。为能把一个呼叫传送给移动的用户，必须有一个高效的位置管理系统来跟踪用户的位置变化。
现有的移动系统中，位置管理采用数据库技术实现。

3、移动通信技术的发展

5.5 卫星通信技术

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。其无线电波频率使用微波频段(300 MHz～300 GHz)。
卫星通信是地面微波中继通信的继承和发展，是微波接力向太空的延伸。

1、卫星通信系统组成

（1）空间设备也就是通信卫星是由若干转发器、数副天线、位置和姿态控制系统、遥测和指令系统、电源分系统组成，其主要作用是转发各地球站信号。
（2）地球站由天线、发射系统、接收系统、以及电源、监控等设备组成。主要功能是将需要发射的信号传至卫星和从卫星接收信号。
（3）地面的跟踪遥测及指令分系统并不直接用于通信，而是用来保障通信的正常进行。
（4）监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行监测与控制。

2、卫星通信链路

单颗卫星通信链路的组成：

通信卫星的分类：
按照卫星的结构，可分为有源卫星和无源卫星。
按照卫星的运动方式，可分为静止卫星（同步卫星）和运动卫星（非同步卫星），包括相位卫星和随机卫星等类型。
按照卫星离地面的高度(h)，通信卫星可分为低轨道(h<5000 km)卫星、中轨道(5000<h<20000 km)卫星、高轨道(h>20000 km)卫星和地球同步轨道(h=35786 km)卫星。

卫星轨道的分类：

同步卫星通信：

3、卫星通信的优缺点
（1）卫星通信的优势
（2）卫星通信的局限性

4、卫星通信系统介绍
（1）海事卫星通信系统 INMARSAT（高轨道）
最早的海事卫星移动系统，由美国 COMSAT 公司利用 Marisat 卫星进行卫星通信，是一个军用的卫星通信系统。
70年代中期为增强海上船只的安全保障，将部分内容提供给远洋船只使用。
1982年形成了以国际海事卫星组织管理的INMARSAT系统，开始提供全球海事卫星通信服务。
如今已发展为INMARSAT-4 移动通信卫星以及INMARSAT- 5宽带通信卫星，管理着135个国家的大量通信服务。
运行在地球静止轨道上，为除南北极75度以上的级区外的全球区域提供通信服务。
按发展顺序由INMARSAT-1、 INMARSAT-2、 INMARSAT- 3、 INMARSAT-4 、INMARSAT-5代卫星组成。当前主要用后三代，共有 11 颗 GEO 卫星在轨运行。
（2）铱星通信系统 Iridium（低轨道）

5.6 双绞线和光纤

电子设备之间进行有线通信，首先需要在它们之间建立物理连接。所有的连接材料都可以称为介质。
有线网络通信的传输介质有很多种，包括电话线、双绞线、同轴电缆、光纤等。
和物联网关系最为密切的有线网络是局域网。用于局域网组网的传输媒介主要有两种：双绞线和光纤。

1、双绞线

双绞线是目前使用最广的一种传输介质，它价格便宜、易于安装，适用于多种网络拓扑结构。
由4对扭在一起且相互绝缘的铜导线组成，两条线扭绞在一起可以减少对邻近线对的电子干扰。
通常有橙（白橙）、蓝（白蓝）、绿（白绿）、棕（白棕）四对。
按结构分类，双绞线可分为非屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twisted Pair）和屏蔽双绞线（STP，Shielded Twisted Pair）两类。
按性能指标分类，双绞线可分为1类，2类，3类，4类，5类，超5类，6类等双绞线。
双绞线多数用于局域网的构建。
电子工业协会根据导体的技术性能和绞扭的密度对双绞线进行分类：1类、2类、3类、4类、5、超5类、6类和7 类。以上多数类型的线缆都有屏蔽型和非屏蔽型两种。
3类双绞线的最高传输频率为16MHz，最高传输速率为10Mbps，最大网段长度为100m。
4类双绞线的最高传输频率为20MHz，最高传输速率为16Mbps，最大网段长度为100m。
5类双绞线增加了绕线密度，外套使用高质量的绝缘材料。其最高传输频率达到100MHz，最高传输速率达100Mbps，最大网段长度为100m。
超5类双绞线是增强型的5类双绞线，实际最高的传输频率往往可达200MHz，在工作于全双工通信时，实际最高传输速率可以达到近1000Mbps。
6类的性能超过超5类，标准规定其带宽为250MHz。是1000 Mbps 数据传输的最佳选择，其最大网段长度也是100m。
目前局域网中最常见的双绞线是超5类、6类双绞线。
双绞线接头：
双绞线线序：

2、光纤
光导纤维简称为光纤。
在它的中心部分包括了一根或多根玻璃纤维，通过从激光器或发光二极管发出的光波穿过中心纤维来进行数据传输。
光纤通信系统构成：
双绞线和光纤应用场合：

5.7 以太网

以太网是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。
局域网是覆盖较小地理范围的计算机网络。局域网一般在一组楼房内或一座楼房内或在同一房间内。
以太网是目前应用最普遍的局域网技术，基本取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI等技术。

1、以太网发展：

标准以太网：
传输速率：10M
传输介质：同轴电缆、非屏蔽3类、5类双绞线。
拓扑结构：总线型、星形
快速以太网：
传输速率：100M
传输介质：主要是双绞线。
拓扑结构：星形
千兆以太网：
传输速率达到1000M，传输介质是超5类、6类双绞线、光纤等。拓扑结构以星形为主。

2、以太网拓扑结构：

3、以太网通信方式：

4、以太网中常用设备：

5.8 网络体系结构

计算机网络通信涉及到软件、硬件等诸多方面。为了简化问题，人们设计了分层式的网络体系结构。
OSI参考模型：
协议是为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、标准或约定。
两个通信对象对等层之间使用同样的协议才能互相交流。
网络体系结构的每个层次都有各自的协议。
例如：
应用层协议有http(万维网)、ftp(文件传输)、smtp（邮件）等;
物理层协议有IEEE 802.3(以太网)、IEEE 802.11(WIFI)、IEEE 802.15.4 (Zigbee) 等。
分层网络体系的优点：
各层之间是独立的。某一层并不需要知道它的下一层是怎样实现的，仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。
灵活性好。当某一层发生变化时，只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或者以下各层均不受影响。
易于实现和维护。这种结构使得实现和调试一个庞大而又复杂的系统变得易于处理，因为整个系统已被分解为若干个相对独立的子系统。

5.9 传输层和网络层重要协议

IP协议：

IP协议的作用是将数据包从源传送到目的地。
实现了在互联网络间进行寻址和分组转发。
IP数据包中含有发送它的主机的地址（源地址）和接收它的主机的地址（目的地址），这些地址就是IP地址。
它不提供可靠的传输服务，它不提供端到端的确认，对数据没有差错控制，不提供重发和流量控制。

IPV4存在的问题：
（1）地址空间使用效率较低，IPv4 资源即将耗尽
① Internet迅速发展，越来越多的设备需要IP地址：手机、家电、…
② IPv4地址大约有40多亿个，即将被分配完毕
（2）资源分配不均
① IPv4对于移动特性并没有很好的支持
② 对于某些因特网应用，需要能够对数据进行加密和鉴别，但IPv4不提供数据的加密和鉴别。

IPV6优点：

① 更大的地址空间，地址扩大到128bit；
② 减少路由选择表的长度；
③ 简化协议，使路由器处理分组更迅速；
④ 提供比当前IP更好的安全性（含鉴别和保密）。

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