本書是依托中南大學***特色專業（物聯網工程）的建設，結合國內物聯網工程專業的教學情況編寫的。本書主要介紹物聯網設計方面的知識，首先對物聯網繫統的設計進行概要描述，給出物聯網體繫結構和網絡的設計方法，然後就物聯網的感知層、網絡層和應用層的設計進行詳細的描述，最後給出智能家居和智能醫療這兩個典型的物聯網繫統的設計實例，以及簡單的物聯網應用設計。本書的內容涉及物聯網繫統集成方法、物聯網體繫結構及其各層次（感知層、網絡層、應用層）的設計原則與方法、典型物聯網繫統應用案例分析等，能為物聯網工程專業的學生和其他感興趣的讀者提供實質性的幫助。

桂勁松，男，副教授，博士後，中南大學信息科學與工程學院副教授；中國計算機學會（CCF）會員。從事計算機網絡原理、網絡工程、無線通信繫統原理的教學。

第1章 物聯網繫統設計概論 （1）
1．1 物聯網概論 （1）
1．1．1 物聯網定義 （1）
1．1．2 物聯網分類 （3）
1．2 物聯網繫統集成 （4）
1．2．1 繫統集成的定義與特點 （4）
1．2．2 繫統集成的要求 （5）
1．2．3 繫統集成的步驟 （5）
1．3 網絡繫統設計標準與規範 （11）
1．3．1 設計標準 （11）
1．3．2 文檔與規範 （18）
1．3．3 網絡繫統設計文檔編制 （19）
1．4 物聯網繫統設計的用戶需求分析 （21）
1．4．1 需求分析概述 （21）
1．4．2 用戶需求獲取 （22）
1．4．3 物聯網業務需求分析 （22）
1．4．4 物聯網繫統性能需求分析 （24）
思考與練習題 （24）
第2章 物聯網體繫結構與網絡設計方法 （25）
2．1 物聯網體繫結構 （25）
2．1．1 物聯網體繫結構概述 （25）
2．1．2 物聯網的三層體繫結構 （27）
2．1．3 物聯網的五層體繫結構 （29）
2．1．4 物聯網安全體繫結構概述 （35）
2．1．5 物聯網三層安全體繫結構 （38）
2．1．6 物聯網五層體繫結構考慮的安全模型 （40）
2．2 網絡設計方法 （41）
2．2．1 網絡的設計目標 （41）
2．2．2 網絡設計的原則 （41）
2．2．3 網絡設計的步驟 （42）
2．2．4 網絡設計的折中 （43）
思考與練習題 （44）
第3章 物聯網繫統感知層設計 （45）
3．1 感知層的基本拓撲結構 （45）
3．1．1 感知層涉及的主要技術 （45）
3．1．2 感知層拓撲結構的類型 （46）
3．1．3 感知層拓撲結構的形成 （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標簽的衝突概念及其避免算法 （51）
3．3 感知層的頻譜規劃與使用 （66）
3．3．1 感知層對頻譜的需求 （66）
3．3．2 頻譜的科學規範 （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 （70）
3．3．5 使用認知頻譜的MAC協議 （72）
3．4 感知層的安全設計 （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）
思考與練習題 （78）
第4章 物聯網繫統網絡層設計 （79）
4．1 網絡層的基本拓撲結構 （79）
4．1．1 網絡層拓撲結構概述 （79）
4．1．2 拓撲結構的類型與使用選擇 （79）
4．1．3 網絡層拓撲結構的控制 （82）
4．2 基於網關的網絡層設計 （85）
4．2．1 網絡層分層設計模型 （85）
4．2．2 網絡分層結構的路由與尋址 （87）
4．2．3 具體場景下路由與尋址的性能 （89）
4．3 基於IPV6的網絡層設計 （91）
4．3．1 引入6LoWPAN的原因 （91）
4．3．2 6LoWPAN協議棧概述 （93）
4．3．3 LoWPAN適配層協議 （96）
4．3．4 RPL路由協議 （107）
4．3．5 RPL路由協議的擴展 （134）
4．4 網絡層的安全設計 （141）
4．4．1 物理隔離設計 （141）
4．4．2 網絡層邏輯安全設計 （142）
思考與練習題 （145）
第5章 物聯網繫統應用層設計 （147）
5．1 應用業務的網絡性能需求 （147）
5．1．1 業務承載能力分析 （147）
5．1．2 基本業務需求分析 （150）
5．1．3 業務應用對平臺營運的需求 （151）
5．1．4 業務帶寬需求及管理 （153）
5．2 適用於物聯網的應用協議 （155）
5．2．1 物聯網的通信量特征 （155）
5．2．2 CoAP和HTTP對比 （157）
5．2．3 CoAP協議細節 （161）
5．3 網絡應用業務的服務質量設計 （178）
5．3．1 服務質量的主要技術指標 （178）
5．3．2 服務質量的主要實現機制 （178）
5．4 網絡應用業務的負載均衡設計 （181）
5．4．1 負載均衡原理與技術 （181）
5．4．2 多條寬帶線路下的負載均衡 （183）
5．4．3 負載均衡設計案例 （185）
5．5 應用層的安全設計 （186）
5．5．1 應用層DDoS攻擊的原理 （186）
5．5．2 新網絡流特征導致DDoS檢測的困難 （187）
5．5．3 有效檢測突發流下App-DDoS攻擊的方法 （189）
思考與練習題 （191）
第6章 物聯網繫統設計的應用案例 （192）
6．1 智能家居行業中的物聯網繫統設計 （192）
6．1．1 智能家居物聯網繫統設計背景 （192）
6．1．2 智能家居物聯網繫統設計案例分析 （194）
6．2 智能醫療行業中的物聯網繫統設計 （202）
6．2．1 智能醫療物聯網繫統設計背景 （202）
6．2．2 智能醫療物聯網繫統設計案例分析 （204）
6．3 簡單物聯網應用繫統設計 （214）
6．3．1 應用繫統設計的一般模式 （214）
6．3．2 應用繫統設計的樣例 （215）
思考與練習題 （220）
參考文獻 （221）

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，套配課件也有待進一步完善，感覺有愧於使用本書作為教材的各位老師們的期望。鋻於本人學識、時間、精力等各方面的局限，尚難對本書有根本性改進與完善，但逐步向好的願望是一直存在的。

本次再版僅是對其中部分章節的內容進行了補充，具體補充了第4章的RPL路由協議的擴展內容，以及第6章的簡單物聯網應用繫統設計。前一部分包括RPL路由協議的QoS機制、QoS保證的路由度量目標函數、支持節點移動的RPL路由協議；後一部分包括應用繫統設計的一般模式與應用繫統設計的樣例。

本書分為6章，每章後面都提供一定數量的思考與習題，以便於讀者復習鞏固本章的重點。前後章節之間是遞進關繫，建議初學者從頭開始按章節順序閱讀，而有一定基礎的讀者可選擇感興趣的章節以獲得自己所需的知識，例如，對一些核心協議的學習。

第1章是對物聯網繫統設計的概述，內容涉及物聯網定義與分類、繫統集成要求與步驟、繫統設計標準與規範，以及用戶需求分析等。本章內容是後面章節內容展開的鋪墊。

第2章講述物聯網體繫結構與網絡設計方法，內容包括常見的物聯網三層，五層體繫結構模型，相應的安全體繫結構模型，網絡繫統設計的目標、原則、步驟以及折中考慮等。後面的第3、4、5章將在本章講述的三層體繫結構上依次展開闡述。

第3章講述物聯網感知層涉及的主要技術和設計方法，內容涉及感知層的基本拓撲結構、信息讀寫和傳輸、頻譜的規範與使用等，其中，感知層信息讀寫與傳輸所涉及的防衝突協議是本章學習的重點，同時也是難點。

第4章講述物聯網網絡層涉及的主要技術和設計方法，內容涉及網絡層的基本拓撲結構、基於網關的網絡層設計，以及基於IPv6的網絡層設計等，其中，LoWPAN適配層協議、RPL路由協議、支持節點移動的RPL路由協議是本章學習的重點，同時也是難點。

第5章講述物聯網應用層涉及的主要技術和設計方法，內容涉及應用業務的網絡性能需求分析、適用於物聯網的應用層協議CoAP、應用業務服務質量設計，以及負載均衡設計等，其中CoAP協議是本章學習的重點，同時也是難點。

第6章給出兩個典型的物聯網設計的應用案例，以便引導讀者在掌握前述章節知識的基礎上，自己構思設計物聯網應用繫統。為了便於讀者快速掌握開發自己的小型物聯網繫統，對物聯網應用繫統設計的一般模式做了詳細闡述與歸納總結，並給出了三個不同應用領域的設計樣例，以方便初學者快速掌握物聯網繫統設計的最基本方法。

本書由桂勁松編著，由中南大學信息科學與工程學院計算機科學與技術繫黃東軍教授審閱。在編寫的過程中，作者參閱了大量書籍和文獻資料，借鋻了許多網絡繫統設計的工程經驗，得到了很多專家、同行的幫助。中南大學信息科學與工程學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的作者，一並致以敬意，並表示衷心的感謝。

由於作者水平有限，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，若發現錯誤或不妥之處，甚至有更好的建議，都歡迎通過jsgui06@163.com與作者聯繫，作者將不勝感謝。同時也懇請學界和業界同仁批評指正，以期共同為物聯網工程專業的教學工作獻計獻策。

作者

2017年4月