第3章物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層3.1物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層概述3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)3.3短距離無線通信技術(shù)3.4移動通信技術(shù)3.5NB-IoT技術(shù)3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)3.7本章小結(jié)第3章本章內(nèi)容什么是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層？物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層基本包含了目前所有的網(wǎng)絡(luò)形式。網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。感知技術(shù)采集的數(shù)據(jù)需要傳輸給應(yīng)用層，或?qū)?shù)據(jù)向感知層傳輸，需要利用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)完成傳輸操作。網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動通信技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)（藍牙、NFC、IEEE802.11、IEEE802.15.4、ZigBee、衛(wèi)星通信網(wǎng)等）、光通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、VPN虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、WSN技術(shù)、總線技術(shù)（如CAN等技術(shù)）3.1概述計算機網(wǎng)絡(luò)自從以互聯(lián)網(wǎng)為代表的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已深深地植入人們的生活中。從最初的簡單局域網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，從固定網(wǎng)到移動網(wǎng)，這其中滲透著人類的智慧。計算機網(wǎng)絡(luò)給用戶提供的最基本且重要的功能是連通性和共享性。計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展規(guī)模及速度遠遠超過人們最初的預(yù)期。隨著各個領(lǐng)域新需求不斷被提出和新應(yīng)用不斷被推廣，計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有顯著的階段性特征。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)第一階段的計算機網(wǎng)絡(luò)可從20世紀50年代算起，人們在電子數(shù)字計算機問世后，自然會產(chǎn)生將計算機與通信技術(shù)結(jié)合的想法，加之當時美國軍方的需要，促進了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，并形成相關(guān)的理論基礎(chǔ)。

第二階段以20世紀60年代美國的ARPANET與分組交換技術(shù)為代表，同時奠定了互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)第三階段可從20世紀70年代中期開始，國際各計算機廠商紛紛研發(fā)和推廣自己的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

第四階段為計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和應(yīng)用最活躍階段，它可從20世紀90年代算起，很多我們所熟悉的技術(shù)名詞都是這個階段的，如互聯(lián)網(wǎng)、三網(wǎng)融合、P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)計算機網(wǎng)絡(luò)的定義計算機網(wǎng)絡(luò)是指將分布在不同地理位置的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設(shè)備，通過通信線路連接起來，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下，實現(xiàn)資源共享和信息傳輸?shù)挠嬎銠C系統(tǒng)。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)計算機網(wǎng)絡(luò)的分類人們根據(jù)不同角度將計算機網(wǎng)絡(luò)分成不同的類別，如根據(jù)范圍的不同，可將計算機網(wǎng)絡(luò)分為個人區(qū)域網(wǎng)（PersonalAreaNetwork，PAN）、局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）、城域網(wǎng)（MetropolitanAreaNetwork，MAN）和廣域網(wǎng)（WideAreaNetwork，WAN）；根據(jù)使用者的不同，可將計算機網(wǎng)絡(luò)分為公用網(wǎng)（PublicNetwork）和專用網(wǎng)（PrivateNetwork）；根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，可將計算機網(wǎng)絡(luò)分為有線網(wǎng)和無線網(wǎng)等。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)計算機網(wǎng)絡(luò)性能（1）速率速率是指計算機在數(shù)字信道上每秒鐘傳輸?shù)谋忍財?shù)，也稱為數(shù)據(jù)率或比特率。

（2）帶寬帶寬是指某個信號具有的頻帶寬度。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，帶寬用來表示網(wǎng)絡(luò)的通信線路在單位時間內(nèi)從某一點到另一點所能傳輸?shù)淖罡邤?shù)據(jù)率。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)計算機網(wǎng)絡(luò)性能（3）吞吐量吞吐量是指在單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡(luò)（或信道、接口）的實際數(shù)據(jù)通信量。（4）時延時延也叫作延遲或遲延，是描述計算機網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標。計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由于計算機網(wǎng)絡(luò)是個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，為便于設(shè)計和實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)，其體系結(jié)構(gòu)的劃分多以分層次為基本思路進行。1974年，美國的IBM推出著名的網(wǎng)絡(luò)標準——系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（SystemNetworkArchitecture，SNA）。1977年，國際標準化組織成立了專門機構(gòu)來研究計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的標準化問題，提出了著名的開放系統(tǒng)互連參考模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，OSI-RM），簡稱OSI。OSI參考模型如圖3-1所示。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-1OSI參考模型3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)OSI的七層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)在理論方面比較完整，概念比較清晰且邏輯性強，但其過于復(fù)雜的設(shè)計反而在應(yīng)用上不方便。因此，有人提出了TCP/IP參考模型。TCP/IP體系的四層結(jié)構(gòu)分別為網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層；其五層結(jié)構(gòu)分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，上述兩種體系結(jié)構(gòu)模型及其與OSI參考模型的對應(yīng)關(guān)系如圖3-2所示。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-2OSI參考模型和TCP/IP參考模型

(a)OSI參考模型

(b)TCP/IP四層結(jié)構(gòu)模型

(c)TCP/IP五層結(jié)構(gòu)模型3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層次功能由低到高的層次順序簡要介紹各層功能：（1）物理層物理層（PhysicalLayer）所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是比特（1或0），也就是說物理層的功能就是透明地傳輸比特流。（2）數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層（DataLinkLayer）介于物理層和網(wǎng)絡(luò)層之間，它在物理層提供的服務(wù)的基礎(chǔ)上向網(wǎng)絡(luò)層提供相鄰節(jié)點間透明、可靠的信息傳輸服務(wù)。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（3）網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層（NetworkLayer）的主要作用是將數(shù)據(jù)分成一定長度的分組，將分組從發(fā)送數(shù)據(jù)的源節(jié)點傳送到接收數(shù)據(jù)的目的節(jié)點。（4）傳輸層傳輸層（TransportLayer）提供了主機應(yīng)用程序進程之間的端到端的服務(wù)，為上層用戶提供不依賴于具體網(wǎng)絡(luò)的高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（5）應(yīng)用層應(yīng)用層（ApplicationLayer）在OSI參考模型與TCP/IP參考模型中的最高層，為應(yīng)用程序提供服務(wù)以保證通信，但不是進行通信的應(yīng)用程序本身。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)TCP/IP協(xié)議TCP/IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用的基礎(chǔ)協(xié)議，它由TCP（屬于傳輸層）協(xié)議和IP（屬于網(wǎng)絡(luò)層）協(xié)議共同組成，協(xié)調(diào)工作。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)IP協(xié)議IP是工作于OSI參考模型中的網(wǎng)絡(luò)層，為計算機網(wǎng)絡(luò)相互連接進行通信而設(shè)計的協(xié)議。事實上，區(qū)別互聯(lián)網(wǎng)中不同的計算機主要依靠IP地址。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)IP地址有兩個標準：IPv4（InternetProtocolversion4）標準和IPv6（InternetProtocolversion6）標準。（1）IPv4標準已為我們所熟悉，而IPv6標準被稱作下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，解決互聯(lián)網(wǎng)中IP地址緊缺的問題。（2）IPv6地址由128個二進制位（16字節(jié)）組成，表示寫成8組十六進制形式的無符號整數(shù)，每組整數(shù)間用冒號（:）分開，如一個合法的IPv6地址形式上應(yīng)為ACB2:0EC1:745B:35d0:10FF:7EDB:02AE:2CAF。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)TCP協(xié)議TCP是工作在傳輸層的重要協(xié)議，它能夠駐留在用戶計算機中并提供用戶進程之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。（1）TCP報文結(jié)構(gòu)TCP實體間交換的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱為段（Segment），每個段由報文段頭部（簡稱報頭或報首）和數(shù)據(jù)兩部分組成，其中數(shù)據(jù)的長度受限于最大段的長度。TCP的報頭由一個20字節(jié)的固定頭部及可變長度的選項（若選用）組成，如圖3-3所示。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-3TCP段的頭（首）部結(jié)構(gòu)3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1）源端口號/目的端口號：源端口號和目的端口號分別用于識別發(fā)送進程和接收進程。

2）TCP段的首字節(jié)序號：該序號指出TCP段的首字節(jié)序號。TCP提供的是字節(jié)流服務(wù)，故TCP段中的每字節(jié)都有一個序號。

3）確認號：用于對收到的數(shù)據(jù)進行確認，表示接收方期待接收下一字節(jié)，并證明該序號之前的字節(jié)已全部正確收到。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

4）TCP報頭長度：指示TCP報頭的長度（以32bit為單位）。該字段的最大值為15，因此限制了TCP報頭最大長度為60字節(jié)，即選項最多為40字節(jié)。5）接收窗口大?。褐甘窘邮沾翱诖笮?。該字段用于流量控制，表示發(fā)送方從“確認號”開始可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)。6）檢查和：該字段與UDP中的檢查和字段用法相同，通過對TCP偽頭及TCP數(shù)據(jù)計算檢查和得到。2）TCP連接的建立。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

（2）TCP連接的建立為了能夠順利完成數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，TCP在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要在發(fā)送端和接收端之間建立一個可靠連接，其連接建立過程如圖3-4（a）所示。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-4（a）TCP連接建立過程 3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)這個連接是通過“三次握手”來建立的，建立過程如下。

1）主機A發(fā)送SYN=1且ACK=0的TCP段，給出自己的起始連接序號x。

2）主機B返回一個SYN=1且ACK=1的TCP段，給出自己的起始連接序號y并放入TCP段的首字節(jié)序號域中，對x進行確認。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

3）主機A發(fā)送SYN=0且ACK=1的TCP段，對y進行確認。

4）在以上的三次握手過程中，前兩個TCP段都使用了定時器，并在定時器超時后重發(fā)。當數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，需要對所建立的連接進行釋放，以節(jié)省資源。TCP采用對稱釋放法來釋放連接，在釋放時，任何一方想要釋放連接，需要先行發(fā)送TCP段，這里以主機A發(fā)起釋放連接為例，具體過程如圖3-4（b）所示，過程如下。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-4（b）釋放TCP連接3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1）主機A發(fā)送FIN=1的TCP段（稱為FIN報文段）；當這個段被確認后，這個方向的連接就釋放了。

2）主機B發(fā)送確認信號，一個方向的連接釋放。

3）主機B發(fā)送FIN=1的TCP段。

4）主機A發(fā)送確認信號，另一個方向的連接釋放。從上述過程中可以看出，TCP連接的釋放需要經(jīng)過4個階段。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

3）TCP流量控制TCP協(xié)議使用可變長度的滑動窗口進行流量控制，在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層上進行擁塞控制。4）套接字接口為了允許應(yīng)用程序訪問傳輸層的服務(wù)，傳輸層必須向應(yīng)用程序提供應(yīng)用程序接口（ApplicationProgramInterface，API）。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

Socket是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，是一組獨立于具體協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程接口。在TCP/IP參考模型中，Socket主要位于傳輸層和應(yīng)用層之間，把復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議族隱藏在Socket接口后面，如圖3-5所示。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-5Socket在TCP/IP參考模型中的位置關(guān)系3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一個完整的網(wǎng)絡(luò)通信需要一個五元組來標識：協(xié)議、本地地址、本地端口號、遠端地址、遠端端口號。在C/S（客戶端/服務(wù)器）模式中，一個完整的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序包括客戶端（Client）和服務(wù)器（Server）兩部分，其中請求服務(wù)的一方稱為客戶，而提供某種服務(wù)的一方則稱為服務(wù)器。一個服務(wù)程序通常在一個眾所周知的地址監(jiān)聽對服務(wù)的請求，也就是說服務(wù)進程一直處于休眠狀態(tài)，直到一個客戶對這個服務(wù)的地址提出了連接請求。在這個時刻，服務(wù)程序被“驚醒”并且為客戶提供服務(wù)，對客戶的請求做出適當?shù)姆磻?yīng)，客戶端/服務(wù)器的請求及響應(yīng)過程如圖3-6所示。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-6客戶端/服務(wù)器的請求及響應(yīng)過程3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)套接字是一個通信終節(jié)點，是Socket應(yīng)用程序用來在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包的對象。套接字的類型，與正在運行的進程相關(guān)聯(lián)，并且可以有名稱，套接字一般只與使用IP協(xié)議組的同一“通信域”中的其他套接字交換數(shù)據(jù)。套接字通信模型如圖3-7所示。圖3-7套接字通信模型3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)1）流式套接字。流式套接字（SOCK_STREAM）是基于TCP協(xié)議并提供沒有記錄邊界的數(shù)據(jù)流（字節(jié)流）。

2）數(shù)據(jù)報套接字。數(shù)據(jù)報套接字（SOCK_DGRAM）是基于UDP協(xié)議并支持面向記錄的數(shù)據(jù)流，但不能確保被送達，也無法確保數(shù)據(jù)包按發(fā)送的順序送達，但是可以保證一個特定的數(shù)據(jù)包只能被獲取一次。數(shù)據(jù)報套接字（無連接通信）的程序執(zhí)行過程如圖3-9所示。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-9數(shù)據(jù)報套接字（無連接通信）的程序執(zhí)行過程3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對于上述兩種套接字模式的使用，應(yīng)根據(jù)實際需求來選用。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)藍牙藍牙（Bluetooth）是一種常用的短距離無線通信技術(shù)，支持設(shè)備短距離、高數(shù)據(jù)率的無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球無線規(guī)范。截止到2023年1月，藍牙共有版本為V1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/5.2/5.3。3.3短距無線通信技術(shù)藍牙3.0技術(shù)藍牙3.0的核心采用一種全新的交替射頻技術(shù)（AMP）。該技術(shù)能夠根據(jù)不同任務(wù)動態(tài)選擇射頻。藍牙3.0通過集成的“802.11PAL”（協(xié)議適應(yīng)層）使其數(shù)據(jù)傳輸速率達到24Mbit/s（兆比特/秒）（實際是根據(jù)需要調(diào)用802.11Wi-Fi來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)模?。這一速率是藍牙2.0的8倍，更加拓寬了藍牙3.0的應(yīng)用面。藍牙4.0技術(shù)與前面版本相比，藍牙4.0的改進之處主要體現(xiàn)在3方面：電池續(xù)航時間、節(jié)能和設(shè)備種類。3.3短距無線通信技術(shù)藍牙5.2技術(shù)

該標準與前面版本相比信息更穩(wěn)定、抗干擾能力更強，同時安全性更高。目前，藍牙5.2主要應(yīng)用于共享單車、智能手機、平板電腦中。3.3短距無線通信技術(shù)ZigBee技術(shù)

ZigBee協(xié)議層從下到上分別為物理層（PHY）、介質(zhì)訪問控制層（MAC）、數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層規(guī)范（API）、應(yīng)用層（APL），如圖3-11所示。3.3短距無線通信技術(shù)圖3-11ZigBee協(xié)議框架3.3短距無線通信技術(shù)ZigBee的技術(shù)優(yōu)勢

（1）低速率ZigBee工作于2.4GHz的頻段，盡管速率能夠達到250Kbit/s，但真正速率不足100Kbit/s，不適合做傳輸視頻之類事情，但適合傳感和控制領(lǐng)域。

（2）短距離ZigBee相鄰節(jié)點之間傳輸距離一般為10～100m，在增加發(fā)射功率后也可增加到1km～3km。3.3短距無線通信技術(shù)

（3）低功耗ZigBee的優(yōu)勢之一就是低功耗，在節(jié)點不需要工作時能夠進入休眠狀態(tài)，此時功耗可以低至正常工作狀態(tài)下的千分之一，兩節(jié)普通電池可以用到6個月到2年時間。

（4）低成本ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，且免收專利費，成本低，適合大量部署。3.3短距無線通信技術(shù)（5）低時延ZigBee響應(yīng)快，一般從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，而藍牙需要3～10s、Wi-Fi需要3s，節(jié)省了電能。

（6）高安全性ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法。3.3短距無線通信技術(shù)（7）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大ZigBee采用星狀、樹狀和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持254個節(jié)點，再通過協(xié)調(diào)器實現(xiàn)互相連接，一個區(qū)域最多可同時容納100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，理論上可容納65535個節(jié)點。3.3短距無線通信技術(shù)ZigBee技術(shù)的應(yīng)用ZigBee技術(shù)主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中。具體如下。（1）工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)方面的信息監(jiān)視、傳感器、自動化控制等。（2）智能家居方面的電視、各類播放機、智能空調(diào)、智能衛(wèi)浴、門禁等。（3）個人健康監(jiān)護方面的患者監(jiān)護、醫(yī)生呼號等。（4）益智玩具和游戲等。（5）PC外圍設(shè)備方面的操作桿、鍵盤、鼠標等。3.3短距無線通信技術(shù)IEEE802.15.4標準2000年12月，電氣電子工程師學(xué)會（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）成立了IEEE802.15.4工作組，專門從事開發(fā)一套稱為無線個人局域網(wǎng)（WPAN）的短程無線通信標準。WPAN是一種與無線廣域網(wǎng)（WWAN）、無線城域網(wǎng)（WMAN）、無線局域網(wǎng)（WLAN）并列的個人局域網(wǎng)，但是它的覆蓋范圍相對較?。ㄒ话阍?0m半徑以內(nèi)），用于整個網(wǎng)絡(luò)末端或計算機周邊附屬設(shè)備之間的無線連接。3.3短距無線通信技術(shù)WPAN類型支持WPAN的技術(shù)包括藍牙、ZigBee、超頻波段（UWB）、IrDA等，其中藍牙技術(shù)在WPAN中使用得最廣泛。IEEE802.15工作組是對WPAN做出定義說明的機構(gòu)，它推薦了3種類型。

（1）基于藍牙技術(shù)的WPAN藍牙技術(shù)也是一種無線通信技術(shù)，用藍牙來連接設(shè)備形成個人局域網(wǎng)具有許多優(yōu)勢，如免費、連接終端設(shè)備多、使用廣泛等。3.3短距無線通信技術(shù)

（2）基于高頻率的802.15.3標準的WPAN高頻率的802.15.3標準也稱為超頻波段或UWB，支持用于多媒體的介于20Mbit/s和1Gbit/s之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。

（3）基于低頻率的802.15.4標準的WPAN低頻率的802.15.4標準也稱為ZigBee，是針對低電壓和低成本家庭控制方案提供的低速率傳輸技術(shù)，同時具有低復(fù)雜度、低成本、低功耗等特點。3.3短距無線通信技術(shù)IEEE802.15.4標準及其技術(shù)特點IEEE802.15.4標準協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖3-12所示。3.3短距無線通信技術(shù)圖3-12IEEE802.15.4模型3.3短距無線通信技術(shù)

（1）IEEE802.15.4的物理層IEEE802.15.4的物理層提供兩種無線通信頻率：868/915MHz和2.4GHz。

1）868/915MHz。868/915MHz物理層的數(shù)據(jù)傳輸速率分別為20Kbit/s和40Kbit/s。因為868/915MHz物理層使用簡單的DSSS技術(shù)，用低速率換取了較高的靈敏度和較大的覆蓋面積，從而減少了監(jiān)測區(qū)域部署的節(jié)點數(shù)。3.3短距無線通信技術(shù)

（2）2.4GHz。與868/915MHz物理層的數(shù)據(jù)傳輸速率相比，2.4GHz物理層具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠達到250Kbit/s。2）IEEE802.15.4的介質(zhì)訪問控制層IEEE802.15.4的介質(zhì)訪問控制層（MAC）負責(zé)實現(xiàn)可靠性數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和轉(zhuǎn)發(fā)，以及避免沖突等功能。3）IEEE802.15.4的網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層的功能是負責(zé)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的建立、維護、命名、綁定等服務(wù)，協(xié)同完成尋址、路由及網(wǎng)絡(luò)安全等，并能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護。3.3短距無線通信技術(shù)4）IEEE802.15.4的應(yīng)用層應(yīng)用層主要完成某一應(yīng)用領(lǐng)域中的具體功能或業(yè)務(wù)，主要由最終制造商、應(yīng)用服務(wù)供應(yīng)商來完成。3.3短距無線通信技術(shù)IEEE802.15.4技術(shù)的應(yīng)用

IEEE802.15.4早期應(yīng)用于高端工業(yè)用戶中的工業(yè)控制、遠程監(jiān)控和樓宇自動化領(lǐng)域；隨著該技術(shù)低成本、低功耗和便于使用等技術(shù)優(yōu)勢而快速成長，后期轉(zhuǎn)向普通消費者和家庭用戶，如家庭自動化、安全和交互式玩具等。3.3短距無線通信技術(shù)什么是移動通信？移動通信（MobileCommunication）是指通信中的一方或雙方處于運動中的通信，即通信對象中至少有一方處于移動狀態(tài)中并進行數(shù)據(jù)通信。第一代至第四代移動通信技術(shù)歷史性較強，本書暫略，現(xiàn)從第五代移動通信技術(shù)開始介紹。3.4移動通信技術(shù)第五代移動通信技術(shù)第五代移動通信技術(shù)被人們稱為5G技術(shù)，是目前我國正在商用的主流技術(shù)，具有高傳輸速率、低時延、海量連接等特點，屬于目前的新一代技術(shù)。它主要具有如下特點。3.4移動通信技術(shù)高速傳輸速率5G傳輸速率可達到10Gbit/s～20Gbit/s，能夠完全滿足許多大數(shù)據(jù)量的傳輸，如高清視頻、各類大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。低時延5G時延可低至1ms，完全滿足對實時性需求非常高的領(lǐng)域，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、遠程醫(yī)療手術(shù)等。3.4移動通信技術(shù)高連接數(shù)量級可每平方千米建立百萬個連接數(shù)量，尤其滿足萬物互聯(lián)時代的物聯(lián)網(wǎng)連接需求。強移動性5G技術(shù)可滿足每小時500km高速移動狀態(tài)下的通信，因此可應(yīng)用于中國高鐵，提高人們的生活指數(shù)。（中國5G、中國高鐵已成中國標志，是中國人民的自豪。）高體驗速率用戶體驗速率達到100Mbit/s。3.4移動通信技術(shù)第六代移動通信技術(shù)當5G技術(shù)正在如火如荼在社會應(yīng)用時，科技人員已經(jīng)開始第六代移動通信（6G）的研發(fā)，其傳輸速率將達到5G的100倍，理論速率約為每秒1TB。3.4移動通信技術(shù)衡量6G的關(guān)鍵指標如下：（1）傳輸速率：達到100Gbit/s～1Tbit/s，約是5G的100倍。（2）定位精度：室內(nèi)達到10cm，室外達到1m，約是5G的10倍。（3）通信時延：0.1ms，約是5G的1/10。（4）連接數(shù)量：設(shè)備密度達到每立方米過百個，約每平方千米100億個連接，約是5G的10萬倍，密度驚人。（5）中斷率：小于百萬分之一，可靠性極高。3.4移動通信技術(shù)第六代移動通信技術(shù)低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)是為物聯(lián)網(wǎng)需求應(yīng)運而“生”的。該技術(shù)設(shè)計在實現(xiàn)遠程通信功能的同時還能夠以低功耗、低速率方式運行，大大延長該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的使用壽命。低功耗廣域網(wǎng)應(yīng)用非常廣泛。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）也被稱為低功耗廣域網(wǎng)，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域新興的一項技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)中以蜂窩方式完成數(shù)據(jù)連接，可直接用于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)向其他網(wǎng)絡(luò)的平滑升級，同時還能夠降低部署成本。3.5NB-IoT技術(shù)第六代移動通信技術(shù)目前，NB-IoT已經(jīng)成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支。NB-IoT受到用戶歡迎，是與它的特點分不開的。NB-IoT的特點如下。3.5NB-IoT技術(shù)低功耗

NB-IoT的功耗很低，如果使用AA（5000mAh）電池，那么NB-IoT終端模塊待機時間可以長達10年，完全可以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域系統(tǒng)生存時間的需求。低成本NB-IoT模塊成本更低，國內(nèi)模塊價格十幾元到幾十元不等（NB-IoT芯片價格更低），企業(yè)部署時完全可以根據(jù)模組功能、性能與品牌來選用。NB-IoT模塊如圖3-13所示。3.5NB-IoT技術(shù)圖3-13NB-IoT模塊3.5NB-IoT技術(shù)大連續(xù)

NB-IoT具備非常強的連接支撐能力，在一個200kHz扇區(qū)內(nèi)可容納10萬個連接，因此，其對低時延并不敏感。廣覆蓋在覆蓋能力方面，NB-IoT較GPRS增加20dB的信號增益，具備覆蓋面積廣、節(jié)點可移動等特性，能夠用于多種應(yīng)用領(lǐng)域。（如共享單車、野外跟蹤、室外設(shè)備監(jiān)控等）3.5NB-IoT技術(shù)什么是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)？工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)系統(tǒng)技術(shù)深度融合且應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施。本節(jié)將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為一個應(yīng)用背景，簡單介紹工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中用于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的通信技術(shù)。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)工業(yè)現(xiàn)場總線概念與類型

工業(yè)現(xiàn)場總線是指能夠?qū)F(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)過程控制單元等連接起來，實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場技術(shù)。星型現(xiàn)場總線星型現(xiàn)場總線用短距離、廉價、低速率電纜取代模擬信號傳輸線，星型現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)如圖3-14所示。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)圖3-14星型現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)總線型現(xiàn)場總線總線型現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)傳輸距離長、速率高，采用點-點、點-多點和廣播式通信方式，總線型現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)如圖3-15所示。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)圖3-15總線型現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)EIA-RS-485總線標準

EIA-RS-485總線是工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛采用的標準之一，它定義于OSI參考模型中的物理層。

EIA-RS-485總線采用多點互連，可以省掉許多信號線，非常方便地構(gòu)成分布式系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)采用雙絞線、同軸電纜或光纖，其布線簡單、穩(wěn)定可靠，并且網(wǎng)絡(luò)成本低廉。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)Modbus協(xié)議

它工作在OSI網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用層，可以實現(xiàn)控制器、網(wǎng)絡(luò)及其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，支持RS-232、RS-485通信標準和以太網(wǎng)上的TCP/IP協(xié)議，該協(xié)議標準及開放性使其支持更多的產(chǎn)品，具有實時性好、速率高、協(xié)議格式簡單等特點，已經(jīng)成為通用的工業(yè)總線標準之一。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)CAN總線介紹

CAN總線通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率可達1Mbit/s，符合ISO11898CAN標準，收發(fā)器、CAN控制器和微控制器3種器件分別對應(yīng)OSI參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。CAN總線比較容易加進一些新節(jié)點而無須在硬件或軟件上進行修改。CAN總線具有如下特點。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（1）采用多主機工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點均可以在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從關(guān)系，通信方式比較靈活。（2）網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點（信息）可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時需求。（3）采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機制，當兩個節(jié)點發(fā)生沖突時，優(yōu)先級低的節(jié)點要避讓優(yōu)先級高的節(jié)點，優(yōu)先級高者優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)。（4）采用點對點、一點對多點（成組）及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（5）直接通信距離最遠可達6km（速率在10Kbit/s以下）。（6）通信速率最高可達1MB/s（此時距離最長30m）。（7）節(jié)點數(shù)實際可達110個。（8）采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個。（9）每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，數(shù)據(jù)出錯率極低。（10）通信介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜和光導(dǎo)纖維，一般采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（11）節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)PROFIBUS過程現(xiàn)場總線（PROFIBUS）是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS由3個兼容部分組成。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（1）PROFIBUS-DP分布式外圍設(shè)備過程現(xiàn)場總線（PROFIBUSDecentralizedPeriphery，PROFIBUS-DP）應(yīng)用于現(xiàn)場級。它是一種高速低成本通信技術(shù)（速率為9.6Kbit/s～12Mbit/s），用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O之間的通信。（2）PROFIBUS-PA過程自動化過程現(xiàn)場總線（PROFIBUSProcessAutomation，PROFIBUS-PA）適用于過程自動化，可使傳感器和執(zhí)行器接在一根共用的總線上。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（3）PROFIBUS-FMS過程現(xiàn)場總線信息規(guī)范（PROFIBUSFieldbusMessageSpecification，PROFIBUS-FMS）主要解決車間級通信問題，完成中等傳輸速率的循環(huán)或非循環(huán)數(shù)據(jù)交換任務(wù)，是令牌結(jié)構(gòu)的實時多主網(wǎng)絡(luò)，可用來完成控制器和智能現(xiàn)場設(shè)備之間的通信，以及控制器之間的信息交換。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)是指由計算機與工業(yè)過程控制部件組成的自動控制系統(tǒng)，除控制器、傳感器、傳送器、執(zhí)行器和I/O接口等部分外，還涉及控制軟件及各類協(xié)議，不同設(shè)備廠商、不同設(shè)備、不同需求及功能使得各協(xié)議之間的差別很大，加之各工業(yè)系統(tǒng)之間的“孤島”現(xiàn)象嚴重，使協(xié)議在類別、數(shù)量及兼容性等方面的表現(xiàn)差距更大?，F(xiàn)根據(jù)協(xié)議的使用領(lǐng)域列舉部分典型協(xié)議如下。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（1）自動化通信類協(xié)議自動化發(fā)展歷史相對較悠久，協(xié)議數(shù)量巨大，如CC-Link、CAN、CANopen、ControlNet、DeviceNet、EtherCAT、EthernetPowerlink、EtherNet/IP、HoneywellSDS、HostLink、Modbus、Optomux、PieP、Profibus、PROFINETIO、SERCOSinterface等。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（2）工業(yè)控制類協(xié)議

工業(yè)控制系統(tǒng)是工業(yè)系統(tǒng)中的重要部分，典型協(xié)議有OPC（OLEforProcessControl）協(xié)議（別名OPCDA、OPCUA），以及用于過程控制的OLE（ObjectLinkingandEmbedding）。協(xié)議設(shè)計的基本原理是相同的，差異性在于不同場景下協(xié)議功能需求、協(xié)議性能需求、協(xié)議實時性需求及兼容性等不同。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器是將一種信號轉(zhuǎn)換成另一種信號的裝置。轉(zhuǎn)換器從原理上可分為協(xié)議轉(zhuǎn)換器、接口轉(zhuǎn)換器兩大類；從應(yīng)用上又可以分光纖轉(zhuǎn)換器、光電轉(zhuǎn)換器、視頻轉(zhuǎn)換器等。目前，市場中已有多種相關(guān)產(chǎn)品面市，種類繁多，如圖3-16所示。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)圖3-16轉(zhuǎn)換器（a）RS-232轉(zhuǎn)CAN總線轉(zhuǎn)換器 （b）RS-422轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換器3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)典型現(xiàn)場總線應(yīng)用目前，國際上具有代表性的現(xiàn)場總線技術(shù)標準為PROFIBUS、EIA-RS-485總線、CAN總線與LONWORKS等。PROFIBUS可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場底層到車間級實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，它應(yīng)用于智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字自動化等領(lǐng)域，并可同時實現(xiàn)集中控制、分散控制和混合控制3種方式。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（1）現(xiàn)場設(shè)備層現(xiàn)場設(shè)備層的主要功能是連接現(xiàn)場設(shè)備，如分散式I/O、傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)、開關(guān)設(shè)備等，能夠完成現(xiàn)場設(shè)備控制及設(shè)備間聯(lián)鎖控制。（2）車間監(jiān)控層對于車間級監(jiān)控通常需要設(shè)立車間監(jiān)控室，采用PROFIBUS-FMS傳輸大量信息。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（3）工廠管理層工廠管理層利用內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)集中起來管理，相關(guān)操作員可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)調(diào)度，也可將管理數(shù)據(jù)通過企業(yè)網(wǎng)絡(luò)送到其他服務(wù)器上。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)可編程邏輯控制器PLC主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境中。但隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，PLC已成為一種典型的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的控制設(shè)備，并且它也可以獨立設(shè)置IP地址，可以當成局域網(wǎng)中一個設(shè)備來使用。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)PLC的定義PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義為：PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)PLC的發(fā)展和特點（1）可靠性高，抗干擾能力強PLC在電路設(shè)計、器件生產(chǎn)、抗干擾、故障自診斷等方面表現(xiàn)優(yōu)異，可靠性高，能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境（2）產(chǎn)品市場發(fā)展完善PLC經(jīng)過多年發(fā)展，其上下游市場發(fā)展非常完善，適用性極強，幾乎能夠滿足所有的控制要求，可以靈活使用。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（3）簡單易學(xué)PLC作為面向工礦企業(yè)的設(shè)備，其接口和編程語言都非常簡單，方便操作人員學(xué)習(xí)和使用。設(shè)備維護也很方便，只需