本書是依托中南大學(xué)國家級特色專業(yè)(物聯(lián)網(wǎng)工程)的建設(shè)，結(jié)合國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教學(xué)情況編寫的。本書主要介紹物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計方面的知識，首先對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行概要描述，給出物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法，然后就物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)的描述，最后給出智能家居和智能醫(yī)療這兩個典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計實例，以及簡單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計。本書的內(nèi)容涉及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成方法、物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)及其各層次(感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層)的設(shè)計原則與方法、典型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用案例分析等，能為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生和其他感興趣的讀者提供實質(zhì)性的幫助。
本書自2013年初次出版以來已有4年，期間不少老師通過電子郵件索要套配課件，自知書中存在諸多不足，套配課件也有待進(jìn)一步完善，感覺有愧于使用本書作為教材的各位老師們的期望。鑒于本人學(xué)識、時間、精力等各方面的局限，尚難對本書有根本性改進(jìn)與完善，但逐步向好的愿望是一直存在的。
本次再版僅是對其中部分章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行了補充，具體補充了第4章的RPL路由協(xié)議的擴展內(nèi)容，以及第6章的簡單物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計。前一部分包括RPL路由協(xié)議的QoS機制、QoS保證的路由度量目標(biāo)函數(shù)、支持節(jié)點移動的RPL路由協(xié)議；后一部分包括應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的一般模式與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的樣例。
本書分為6章，每章后面都提供一定數(shù)量的思考與習(xí)題，以便于讀者復(fù)習(xí)鞏固本章的重點。前后章節(jié)之間是遞進(jìn)關(guān)系，建議初學(xué)者從頭開始按章節(jié)順序閱讀，而有一定基礎(chǔ)的讀者可選擇感興趣的章節(jié)以獲得自己所需的知識，例如，對一些核心協(xié)議的學(xué)習(xí)。
第1章是對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的概述，內(nèi)容涉及物聯(lián)網(wǎng)定義與分類、系統(tǒng)集成要求與步驟、系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，以及用戶需求分析等。本章內(nèi)容是后面章節(jié)內(nèi)容展開的鋪墊。
第2章講述物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，內(nèi)容包括常見的物聯(lián)網(wǎng)三層，五層體系結(jié)構(gòu)模型，相應(yīng)的安全體系結(jié)構(gòu)模型，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)、原則、步驟以及折中考慮等。后面的第3、4、5章將在本章講述的三層體系結(jié)構(gòu)上依次展開闡述。
第3章講述物聯(lián)網(wǎng)感知層涉及的主要技術(shù)和設(shè)計方法，內(nèi)容涉及感知層的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信息讀寫和傳輸、頻譜的規(guī)范與使用等，其中，感知層信息讀寫與傳輸所涉及的防沖突協(xié)議是本章學(xué)習(xí)的重點，同時也是難點。
第4章講述物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層涉及的主要技術(shù)和設(shè)計方法，內(nèi)容涉及網(wǎng)絡(luò)層的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、基于網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計，以及基于IPv6的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計等，其中，LoWPAN適配層協(xié)議、RPL路由協(xié)議、支持節(jié)點移動的RPL路由協(xié)議是本章學(xué)習(xí)的重點，同時也是難點。
第5章講述物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層涉及的主要技術(shù)和設(shè)計方法，內(nèi)容涉及應(yīng)用業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)性能需求分析、適用于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層協(xié)議CoAP、應(yīng)用業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量設(shè)計，以及負(fù)載均衡設(shè)計等，其中CoAP協(xié)議是本章學(xué)習(xí)的重點，同時也是難點。
第6章給出兩個典型的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的應(yīng)用案例，以便引導(dǎo)讀者在掌握前述章節(jié)知識的基礎(chǔ)上，自己構(gòu)思設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。為了便于讀者快速掌握開發(fā)自己的小型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的一般模式做了詳細(xì)闡述與歸納總結(jié)，并給出了三個不同應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計樣例，以方便初學(xué)者快速掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的最基本方法。
本書由桂勁松編著，由中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系黃東軍教授審閱。在編寫的過程中，作者參閱了大量書籍和文獻(xiàn)資料，借鑒了許多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的工程經(jīng)驗，得到了很多專家、同行的幫助。中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院為本書的完成提供了大力支持。為此，作者對所有為本書的順利出版提供幫助的各界人士以及所有參閱書籍和文獻(xiàn)的作者，一并致以敬意，并表示衷心的感謝。
由于作者水平有限，本書難免存在不足之處，敬請各位讀者批評指正。在使用本書的過程中，若發(fā)現(xiàn)錯誤或不妥之處，甚至有更好的建議，都?xì)g迎通過jsgui06@163.com與作者聯(lián)系，作者將不勝感謝。同時也懇請學(xué)界和業(yè)界同仁批評指正，以期共同為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教學(xué)工作獻(xiàn)計獻(xiàn)策。
作者
2017年4月
桂勁松，男，副教授，博士后，中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授；中國計算機學(xué)會（CCF）會員。從事計算機網(wǎng)絡(luò)原理、網(wǎng)絡(luò)工程、無線通信系統(tǒng)原理的教學(xué)。
第1章 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計概論 （1）
1．1 物聯(lián)網(wǎng)概論 （1）
1．1．1 物聯(lián)網(wǎng)定義 （1）
1．1．2 物聯(lián)網(wǎng)分類 （3）
1．2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成 （4）
1．2．1 系統(tǒng)集成的定義與特點 （4）
1．2．2 系統(tǒng)集成的要求 （5）
1．2．3 系統(tǒng)集成的步驟 （5）
1．3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范 （11）
1．3．1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) （11）
1．3．2 文檔與規(guī)范 （18）
1．3．3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計文檔編制 （19）
1．4 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的用戶需求分析 （21）
1．4．1 需求分析概述 （21）
1．4．2 用戶需求獲取 （22）
1．4．3 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求分析 （22）
1．4．4 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)性能需求分析 （24）
思考與練習(xí)題 （24）
第2章 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法 （25）
2．1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) （25）
2．1．1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)概述 （25）
2．1．2 物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu) （27）
2．1．3 物聯(lián)網(wǎng)的五層體系結(jié)構(gòu) （29）
2．1．4 物聯(lián)網(wǎng)安全體系結(jié)構(gòu)概述 （35）
2．1．5 物聯(lián)網(wǎng)三層安全體系結(jié)構(gòu) （38）
2．1．6 物聯(lián)網(wǎng)五層體系結(jié)構(gòu)考慮的安全模型 （40）
2．2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法 （41）
2．2．1 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計目標(biāo) （41）
2．2．2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的原則 （41）
2．2．3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的步驟 （42）
2．2．4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的折中 （43）
思考與練習(xí)題 （44）
第3章 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知層設(shè)計 （45）
3．1 感知層的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （45）
3．1．1 感知層涉及的主要技術(shù) （45）
3．1．2 感知層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的類型 （46）
3．1．3 感知層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成 （47）
3．2 感知層的信息讀寫與傳輸 （48）
3．2．1 RFID分類與工作原理 （48）
3．2．2 RFID標(biāo)簽的沖突概念及其避免算法 （51）
3．3 感知層的頻譜規(guī)劃與使用 （66）
3．3．1 感知層對頻譜的需求 （66）
3．3．2 頻譜的科學(xué)規(guī)范 （66）
3．3．3 頻譜感知的基本方法 （68）
3．3．4 可用帶寬感知技術(shù) （70）
3．3．5 使用認(rèn)知頻譜的MAC協(xié)議 （72）
3．4 感知層的安全設(shè)計 （76）
3．4．1 感知層中RFID的信息安全問題 （76）
3．4．2 感知層中RFID的信息安全對策 （76）
思考與練習(xí)題 （78）
第4章 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計 （79）
4．1 網(wǎng)絡(luò)層的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （79）
4．1．1 網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概述 （79）
4．1．2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的類型與使用選擇 （79）
4．1．3 網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制 （82）
4．2 基于網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計 （85）
4．2．1 網(wǎng)絡(luò)層分層設(shè)計模型 （85）
4．2．2 網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)的路由與尋址 （87）
4．2．3 具體場景下路由與尋址的性能 （89）
4．3 基于IPV6的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計 （91）
4．3．1 引入6LoWPAN的原因 （91）
4．3．2 6LoWPAN協(xié)議棧概述 （93）
4．3．3 LoWPAN適配層協(xié)議 （96）
4．3．4 RPL路由協(xié)議 （107）
4．3．5 RPL路由協(xié)議的擴展 （134）
4．4 網(wǎng)絡(luò)層的安全設(shè)計 （141）
4．4．1 物理隔離設(shè)計 （141）
4．4．2 網(wǎng)絡(luò)層邏輯安全設(shè)計 （142）
思考與練習(xí)題 （145）
第5章 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用層設(shè)計 （147）
5．1 應(yīng)用業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)性能需求 （147）
5．1．1 業(yè)務(wù)承載能力分析 （147）
5．1．2 基本業(yè)務(wù)需求分析 （150）
5．1．3 業(yè)務(wù)應(yīng)用對平臺營運的需求 （151）
5．1．4 業(yè)務(wù)帶寬需求及管理 （153）
5．2 適用于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用協(xié)議 （155）
5．2．1 物聯(lián)網(wǎng)的通信量特征 （155）
5．2．2 CoAP和HTTP對比 （157）
5．2．3 CoAP協(xié)議細(xì)節(jié) （161）
5．3 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量設(shè)計 （178）
5．3．1 服務(wù)質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo) （178）
5．3．2 服務(wù)質(zhì)量的主要實現(xiàn)機制 （178）
5．4 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)的負(fù)載均衡設(shè)計 （181）
5．4．1 負(fù)載均衡原理與技術(shù) （181）
5．4．2 多條寬帶線路下的負(fù)載均衡 （183）
5．4．3 負(fù)載均衡設(shè)計案例 （185）
5．5 應(yīng)用層的安全設(shè)計 （186）
5．5．1 應(yīng)用層DDoS攻擊的原理 （186）
5．5．2 新網(wǎng)絡(luò)流特征導(dǎo)致DDoS檢測的困難 （187）
5．5．3 有效檢測突發(fā)流下App-DDoS攻擊的方法 （189）
思考與練習(xí)題 （191）
第6章 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用案例 （192）
6．1 智能家居行業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計 （192）
6．1．1 智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計背景 （192）
6．1．2 智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計案例分析 （194）
6．2 智能醫(yī)療行業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計 （202）
6．2．1 智能醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計背景 （202）
6．2．2 智能醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計案例分析 （204）
6．3 簡單物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 （214）
6．3．1 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的一般模式 （214）
6．3．2 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的樣例 （215）
思考與練習(xí)題 （220）
參考文獻(xiàn) （221）
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