物联网技术概论2016(第5章)

(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》桂小林1桂小林11物联网技术概论(第5章)西安交通大学桂小林西安交通大学电子与信息工程学院计算机科学与技术系2014.04.02(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》桂小林2物联网通信技术物联网通信技术包含近距离无线通信技术、有线传输技术、远距离无线通信技术、Internet技术等。如图5-1所示，利用近距离无线通信技术、有线传输技术组成局域网，实现感知数据的汇聚，利用Internet技术实现感知数据的共享，利用远距离无线通信技术弥补有线无法涉及的区域。这些技术集合在一起，成为实现物联网数据传输的关键通信技术。(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》桂小林3物联网通信技术5.1近距离无线通信技术近距离无线通信技术是实现无线局域网、无线个人局域网中节点、设备组网的常用通信技术，用于将传感器、RFID，以及手机等移动感知设备的感知数据进行数据汇聚，并通过网关传输到上层网络中。近距离无线通信技术通常有Wi-Fi技术、蓝牙技术、ZigBee技术。(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》桂小林45.1.1Wi-Fi技术5.1.1Wi-Fi技术Wi-Fi（wirelessfidelity，无线保真）技术，是一种将PC机、笔记本、移动手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的短距离无线电通信技术。由Wi-Fi联盟于1999发布，Wi-Fi联盟最初为无线以太网相容联盟（WirelessEthernetCompatibilityAlliance，WECA），因此，Wi-Fi技术又称无线相容性认证技术。(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》5.1.1Wi-Fi技术Wi-Fi联盟主要针对移动设备，规范了基于IEEE802.11协议的数据连接技术，用以支持包括本地无线局域网（WirelessLocalAreaNetworks，WLAN）、个人局域网（PersonalAreaNetworks，PAN）在内的网络。1.Wi-Fi常用的协议标准1）工作于2.4GHz频段、数据传输率最高可达11Mbps的IEEE802.11b标准；2）工作于5GHz频段、数据传输率最高可达54Mbps的IEEE802.11a标准；3）工作于2.4GHz频段、数据传输率最高可达54Mbps的IEEE802.11g标准；4）工作于2.4GHz/5GHz频段、数据传输率最高可达300Mbps的IEEE802.11n标准。(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》Wi-Fi常用协议标准(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》桂小林85.1.1Wi-Fi技术2.Wi-Fi特点①覆盖范围广：开放性区域的通信距离通常可达305米，封闭性区域的通信距离通常在76米到122米之间。特别是基于智能天线技术的802.11n标准，可将覆盖范围扩大到几平方公里。②传输速度快：基于不同的802.11标准，传输速度可从11Mbps到450Mbps。③建网成本低，使用便捷：通过在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”（HotSpot），即无线接入点(AccessPoint，AP)，任意具备无线接入网卡的设备均可利用Wi-Fi技术实现网络访问。④更健康更安全：Wi-Fi技术采用IEEE802.11标准，实际发射功率约为60~70毫瓦，与在200毫瓦至1瓦间的手机发射功率相比，更加安全。(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》5.1.1Wi-Fi技术3.Wi-Fi组网技术利用Wi-Fi技术实现组网，称为无线LAN。无线LAN有两种模式一种是没有接入点的Ad-hoc模式，利用Wi-Fi技术实现设备间的之间连接，通常用在掌上游戏机、数字相机和其它电子设备，实现数据的之间传输。另一种是接入点模式，利用无线路由器作为访问接入点，具有无线网卡的台式机、笔记本、以及具有Wi-fi接口的手机均可作为无线终端接入，形成一个由无线终端与接入点组成的的无线局域网络，(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》在接入点模式中，Wi-Fi的设置至少需要一个接入点和一个或一个以上的终端。接入点每100ms将服务集标示（ServiceSetIdentifier，SSID）经由信号台（beacons）分组广播一次，分组的传输速率是1Mbit/s，并且长度短，所以这个广播动作对网络性能的影响不大。因为Wi-Fi规定的最低传输速率是1Mbit/s，所以确保所有的Wi-Fi终端都能收到这个SSID广播分组。图5-1基于接入点模式的Wi-Fi组网示意图(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》5.1.1Wi-Fi技术4.Wi-Fi接入基于Wi-Fi技术的无线网络使用方便、快捷高效，使得无线接入点数量迅猛增长。Wi-Fi的流行接入模式•IEEE802.11n(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》IEEE802.11n(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》Wi-Fi安全技术由于Wi-Fi是采用射频技术进行网络连接及传输的开放式物理系统，其安全性主要表现在物理层、链路层和网络层。核心是数据链路层安全。WEP（WiredEquivalentPrivacy，WEP）IEEE802.11b标准规定了一种称为有线等价保密协议WEP的加密方案，提供了确保无线局域网数据流的安全机制。WEP采用的加密算法是由RonRivetsofRSADataSecurityInc在1987年设计的40位的RC4加密算法。RC4算法属于对称流密码，支持可变长度密钥。(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》WEP支持64位和128位加密。对于64位加密，加密密钥为10个十六进制字符（0-9和A-F）或5个ASCII字符。对于128位加密，加密密钥为26个十六进制字符或13个ASCII字符。64位加密又称40位加密，128位加密又称104位加密。(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》WPA无线保护访问（WirelessProtectedAccess，WPA）是由Wi-Fi联盟提出的一个无线安全访问保护协议。WPA协议的提出旨在克服所有WEP协议的安全缺陷，WPA协议大大改进了之前的无线网络安全保护能力和访问控制技术，使无线网络数据的安全级别提高。WPA主要解决了WEP中在客户端与缺乏身份认证的访问点之间使用相同静态密钥和网络接入时身份认证方面存在的缺陷问题。(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》表7-2WEP和WPA的比较WEPWPA密钥长度为40位密钥长度为128位存在较多安全缺陷针对WEP的安全缺陷升级了安全措施密钥是静态的，同一网络上所有人共享密钥动态会话密钥，每次通信时每个用户都具有不同密钥密钥由用户设定密钥自动生成和分发使用预设的WEP密钥进行身份认证使用802.11x和EAP进行身份认证(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》WPA2加密技术WPA2除了使用802.1x/EAP框架以确保身份验证外，“四次握手”是另一个重要的WPA2的身份验证过程。预先共享密钥(PSK).WEPWPA2-PSK安全性弱，容易被破解安全性高，破解难度大加密算法采用RC4算法加密算法采用128bit的AES算法密钥是静态的，同一网络上所有人共享密钥动态会话密钥，不同用户不同设备密钥不同使用CRC32进行数据完整性校验，易被篡改，抗攻击弱使用CCM密码区块链信息认证，无法篡改密钥由用户设定密钥自动生成和分发使用预设的WEP密钥进行身份认证使用802.11x和EAP进行身份认证高级加密标准（AdvancedEncryptionStandard，AES）(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》桂小林215.1.2蓝牙技术蓝牙（Bluetooth），是一种支持设备短距离通信（10cm到10m之间）的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本计算机、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效。蓝牙技术最初由爱立信公司创制(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》1.蓝牙协议栈蓝牙联盟针对蓝牙技术制定了相应的协议结构，IEEE802.15委员会对物理层和数据链路层进行了标准化，于2002年批准了第一个PAN标准802.15.1。(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》1）协议栈最底层是物理无线电层，处理与无线电传送和调制有关的问题。蓝牙是一个低功率系统，通信范围在10米以内，运行在2.4GHz频段上。该频段分为79个信道，每个信道1MHz，总数据率为1Mbps，采用时分双工传输方案实现全双工传输。2）蓝牙基带层将原始位流转变成帧，每一帧都是在一个逻辑信道上进行传输的，该逻辑信道位于主节点与某一个从节点之间，称为链路。蓝牙标准中共有两种链路。第一种是ACL链路（异步无连接链路，AsynchronousConnection-Less），另一种是SCO链路（面向连接的同步链路，SynchronousConnectionOriented），用于实时数据传输，例如电话。(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》3）链路管理器负责在设备之间建立逻辑信道，包括电源管理、认证和服务质量。逻辑链路控制适应协议（LogicalLinkControladaptationProtocol，L2CAP）为上面各层屏蔽传输细节，主要包含三个功能：第一，在发送方，接收来自上面各层的分组，分组最大为64KB，将其拆散到帧中；在接收方，重组为对应分组。第二，处理多个分组源的多路复用和解复用。当一个分组被重组时，决定由哪一个上层协议来处理它。例如，由RFcomm或者电话协议来处理。第三，处理与服务质量有关的需求。此外，音频协议和控制协议分别处理音频和控制相关的事宜，上层应用可略过L2CAP直接调用这两个协议。(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》4）中间件层由许多不同的协议混合组成。RFcomm（无线电频率通信/射频通信，RadioFrequencyCommunication）是指模拟连接键盘、鼠标、modem等设备的串口通信。5）应用层包含特定应用的协议子集。(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》桂小林275.1.3ZigBee技术ZigBee技术是新兴的可以实现短距离内双向无线通信的技术，以其复杂程度低、能耗低、成本低取胜于其余的短距离无线通信技术。它因模拟蜜蜂的通信方式而得名，过去又称“HomeRFLite”、“RF-Easylink”或“FireFly”，目前统一称为Zigbee，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要应用于短距离内，传输速度要求不高的电子通信设备之间的数据传输和典型的有周期性、间歇性反应时间的数据传输。ZigBee技术主要被作为短距离无线传感器网络的通信标准，广泛应用于家庭居住控制、商业建筑自动化和工厂车间管理等领域。(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》桂小林28Zigbee处理器(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》桂小林29Zigbee节点(推荐阅读清华大学出版社桂小林主编的《物联网技术导论》CC2530CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（