雲計算與物聯網

本書主要介紹雲計算與物聯網的系統結構與關鍵技術，首先介紹雲計算的概念與發展、雲計算的系統結構、雲計算的關鍵技術、雲存儲技術及應用、雲安全技術及應用、開源雲計算系統、雲計算應用開發實例，然後介紹物聯網的概念與發展、物聯網的系統結構、物聯網的關鍵技術、物聯網安全、工業互聯網標識解析及安全，最後介紹雲計算與物聯網實驗。本書強調雲計算與物聯網系統與技術的內在聯系、科學技術與工程實驗的有機結合，包含經過驗證的精選程序代碼，既保證理論的完整性，又保證實驗的可行性。 本書既可作為高等院校電腦科學與技術、物聯網工程、信息安全等相關專業的本科生和研究生教材，又可作為雲計算與物聯網工程技術人員的參考書。

第1章 雲計算的概念與發展 ....................................................................................................... 1
1.1 雲計算的概念及定義 ........................................................................................................ 1
1.2 雲計算的發展歷程 ............................................................................................................ 3
1.3 雲計算的特點 .................................................................................................................... 6
1.4 雲計算的標準化 ................................................................................................................ 6
1.4.1 國際雲計算標準化的現狀 ..................................................................................... 6
1.4.2 國內雲計算標準化的現狀 ................................................................................... 12
1.5 雲計算的發展現狀 .......................................................................................................... 13
1.5.1 國際雲計算的發展現狀 ....................................................................................... 13
1.5.2 國內雲計算的發展現狀 ....................................................................................... 15
1.6 雲計算的挑戰 .................................................................................................................. 17
本章小結 .................................................................................................................................. 19
習題 ......................................................................................................................................... 19

第2章 雲計算的系統結構 ......................................................................................................... 20
2.1 雲計算的系統結構概念 ................................................................................................... 20
2.2 雲計算的系統結構模型 ................................................................................................... 20
2.3 雲計算服務層次結構 ...................................................................................................... 21
2.4 雲計算技術層次結構 ...................................................................................................... 23
2.5 雲計算SOA層次結構 .................................................................................................... 24
2.6 典型的雲計算平臺及系統結構 ....................................................................................... 25
本章小結 .................................................................................................................................. 33
習題 ......................................................................................................................................... 33
第3章 雲計算的關鍵技術 ......................................................................................................... 35
3.1 資源池技術 ..................................................................................................................... 35
3.2 數據中心技術 .................................................................................................................. 37
3.2.1 數據中心的概念與發展 ....................................................................................... 37
3.2.2 典型的雲計算數據中心 ....................................................................................... 38
3.3 虛擬化技術 ..................................................................................................................... 39
3.3.1 虛擬化的基本概念 .............................................................................................. 39
3.3.2 虛擬化的平臺架構與部署 ................................................................................... 41
3.3.3 虛擬化的技術優勢 .............................................................................................. 43
3.3.4 虛擬化的技術類型與實現形式 ........................................................................... 44
3.3.5 虛擬化技術存在的問題 ....................................................................................... 46
3.4 資源管理技術 .................................................................................................................. 47
3.4.1 資源監測 ............................................................................................................. 48
3.4.2 資源調度 ............................................................................................................. 49
3.4.3 分佈式資源管理技術 .......................................................................................... 49
3.4.4 雲計算系統管理技術 .......................................................................................... 50
3.4.5 數據管理技術 ...................................................................................................... 50
3.5 網絡通信技術 .................................................................................................................. 53
3.6 編程模型及語言 .............................................................................................................. 54
3.6.1 MapReduce編程模型 .......................................................................................... 54
3.6.2 編程語言 ............................................................................................................. 56
3.7 雲存儲技術 ..................................................................................................................... 56
3.7.1 集群存儲技術 ...................................................................................................... 56
3.7.2 分佈式文件系統 .................................................................................................. 57
3.7.3 分佈式數據庫 ...................................................................................................... 58
3.8 雲安全技術 ..................................................................................................................... 58
3.8.1 物理環境安全 ...................................................................................................... 59
3.8.2 鏈路與網絡安全 .................................................................................................. 59
3.8.3 數據安全 ............................................................................................................. 60
3.8.4 管理安全 ............................................................................................................. 60
3.8.5 環境考慮 ............................................................................................................. 61
本章小結 .................................................................................................................................. 61
習題 ......................................................................................................................................... 61
第4章 雲存儲技術及應用 ......................................................................................................... 62
4.1 雲存儲概述 ..................................................................................................................... 62
4.1.1 雲存儲的概念 ...................................................................................................... 62
4.1.2 雲存儲與雲計算的關系 ....................................................................................... 63
4.1.3 雲存儲與傳統存儲的關系 ................................................................................... 63
4.2 雲存儲系統結構 .............................................................................................................. 63
4.3 雲存儲的關鍵技術 .......................................................................................................... 65
4.3.1 存儲虛擬化技術 .................................................................................................. 65
4.3.2 分佈式存儲技術 .................................................................................................. 66
4.3.3 數據備份技術 ...................................................................................................... 67
4.3.4 數據縮減技術 ...................................................................................................... 67
4.3.5 存儲安全技術 ...................................................................................................... 69
4.3.6 容錯技術 ............................................................................................................. 70
4.4 雲存儲的標準化 .............................................................................................................. 71
4.4.1 雲存儲的國際標準化 .......................................................................................... 71
4.4.2 雲存儲的國內標準化 .......................................................................................... 74
4.5 雲存儲的安全性 .............................................................................................................. 74
4.6 雲存儲服務系統應用 ...................................................................................................... 76
4.6.1 個人級雲存儲應用 .............................................................................................. 76
4.6.2 企業級雲存儲應用 .............................................................................................. 76
本章小結 .................................................................................................................................. 77
習題 ......................................................................................................................................... 77
第5章 雲安全技術及應用 ......................................................................................................... 78
5.1 雲計算的安全問題 .......................................................................................................... 78
5.2 雲計算的安全屬性 .......................................................................................................... 79
5.2.1 可靠性 ................................................................................................................. 79
5.2.2 可用性 ................................................................................................................. 79
5.2.3 保密性 ................................................................................................................. 80
5.2.4 完整性 ................................................................................................................. 81
5.2.5 不可抵賴性.......................................................................................................... 81
5.2.6 可控性 ................................................................................................................. 81
5.3 雲計算的安全架構 .......................................................................................................... 81
5.3.1 用戶認證與授權 .................................................................................................. 82
5.3.2 數據隔離 ............................................................................................................. 84
5.3.3 數據加密及隱私保護 .......................................................................................... 85
5.3.4 網絡隔離 ............................................................................................................. 87
5.3.5 災備恢復 ............................................................................................................. 89
5.4 雲計算安全的標準化 ...................................................................................................... 90
5.4.1 ISO/IEC JTC1/SC27 ............................................................................................. 90
5.4.2 ITU-T ................................................................................................................... 91
5.4.3 CSA ..................................................................................................................... 91
5.4.4 NIST .................................................................................................................... 92
5.4.5 ENISA ................................................................................................................. 93
5.4.6 全國信息安全標準化技術委員會 ....................................................................... 93
5.4.7 雲服務的制度和法律環境建設 ........................................................................... 94
5.5 雲計算和服務保險 .......................................................................................................... 95
5.6 雲計算安全實施步驟 ...................................................................................................... 95
5.7 阿裡雲安全策略與方法 ................................................................................................... 99
5.7.1 安全策略 ............................................................................................................. 99
5.7.2 組織安全 ............................................................................................................. 99
5.7.3 合規安全 ............................................................................................................. 99
5.7.4 數據安全 ............................................................................................................. 99
5.7.5 訪問控制 ........................................................................................................... 100
5.7.6 人員安全 ........................................................................................................... 100
5.7.7 物理和環境安全 ................................................................................................ 100
5.7.8 基礎設施安全 .................................................................................................... 100
5.7.9 系統和軟件開發及維護 ..................................................................................... 101
5.7.10 災難恢復及業務連續性 ................................................................................... 101
本章小結 ................................................................................................................................ 101
習題 ....................................................................................................................................... 101
第6章 開源雲計算系統 ........................................................................................................... 102
6.1 開源軟件與雲計算 ........................................................................................................ 102
6.2 主流開源雲計算系統 .................................................................................................... 103
6.2.1 Hadoop .............................................................................................................. 103
6.2.2 Eucalyptus .......................................................................................................... 106
6.2.3 OpenStack .......................................................................................................... 109
6.2.4 CloudStack ......................................................................................................... 110
6.2.5 雲原生及K8s架構 ............................................................................................ 115
本章小結 ................................................................................................................................ 116
習題 ....................................................................................................................................... 116
第7章 雲計算應用開發實例 ................................................................................................... 117
7.1 Microsoft Azure Service雲應用開發 ............................................................................. 117
7.2 Salesforce雲應用開發 ................................................................................................... 121
7.3 Amazon AWS雲應用開發 ............................................................................................. 122
7.4 Google App Engine雲應用開發 .................................................................................... 127
7.4.1 Google App Engine介紹 .................................................................................... 127
7.4.2 Google App Engine的應用與服務 ..................................................................... 127
7.4.3 Google App Engine開發流程 ............................................................................ 129
7.5 Hadoop雲計算編程實例 ............................................................................................... 129
7.5.1 Hadoop分佈式編程模型 ................................................................................... 129
7.5.2 Hadoop數據排序實例 ....................................................................................... 130
7.6 阿裡雲自助實驗系統及案例 ......................................................................................... 133
7.6.1 阿裡雲自助實驗系統簡介 ................................................................................. 133
7.6.2 阿裡雲自助實驗步驟 ........................................................................................ 135
7.6.3 阿裡雲自助實驗案例 ........................................................................................ 135
本章小結 ................................................................................................................................ 141
習題 ....................................................................................................................................... 141
第8章 物聯網的概念與發展 ................................................................................................... 142
8.1 物聯網的概念及定義 .................................................................................................... 142
8.1.1 物聯網的概念 .................................................................................................... 142
8.1.2 物聯網的定義 .................................................................................................... 143
8.2 物聯網的發展歷程 ........................................................................................................ 145
8.3 物聯網的特徵 ................................................................................................................ 146
8.4 物聯網的標準化 ............................................................................................................ 147
8.5 物聯網的發展狀況 ........................................................................................................ 150
8.5.1 物聯網的國際發展狀況 ..................................................................................... 150
8.5.2 物聯網的國內發展狀況 ..................................................................................... 152
8.5.3 物聯網的應用案例 ............................................................................................ 153
8.6 物聯網發展的挑戰與建議 ............................................................................................. 159
8.6.1 物聯網發展的挑戰 ............................................................................................ 159
8.6.2 物聯網發展的建議 ............................................................................................ 160
本章小結 ................................................................................................................................ 161
習題 ....................................................................................................................................... 161
第9章 物聯網的系統結構 ....................................................................................................... 162
9.1 物聯網系統結構設計原則 ............................................................................................. 162
9.2 物聯網的一般體系結構 ................................................................................................. 163
9.2.1 物聯網的3層架構 ............................................................................................ 163
9.2.2 物聯網的4層架構 ............................................................................................ 164
9.3 物聯網的自主體系結構 ................................................................................................. 164
9.4 物聯網的EPC體系結構 ............................................................................................... 165
9.5 物聯網的CPS體系結構 ............................................................................................... 167
9.6 物聯網的SOA體系結構 ............................................................................................... 169
9.7 物聯網的標準體系結構 ................................................................................................. 171
9.7.1 物聯網標準體系框架 ........................................................................................ 171
9.7.2 物聯網國際標準化狀況 ..................................................................................... 172
本章小結 ................................................................................................................................ 173
習題 ....................................................................................................................................... 173
第10章 物聯網的關鍵技術 ..................................................................................................... 174
10.1 現代感知與標識技術 .................................................................................................. 174
10.1.1 條碼技術 ......................................................................................................... 174
10.1.2 RFID ................................................................................................................ 181
10.1.3 傳感器技術 ...................................................................................................... 184
10.2 嵌入式系統技術 .......................................................................................................... 186
10.2.1 嵌入式系統的概念 .......................................................................................... 186
10.2.2 嵌入式系統的組成與分類 ............................................................................... 187
10.2.3 嵌入式系統的特點 .......................................................................................... 188
10.2.4 嵌入式系統開發技術 ...................................................................................... 191
10.2.5 從嵌入式系統視角看物聯網 ........................................................................... 191
10.3 網絡與通信技術 .......................................................................................................... 192
10.3.1 短距離網絡通信 .............................................................................................. 192
10.3.2 廣域網通信技術 .............................................................................................. 216
10.4 信息融合技術 .............................................................................................................. 223
10.4.1 信息融合的定義 .............................................................................................. 223
10.4.2 信息融合的分層模型 ...................................................................................... 223
10.4.3 物聯網信息融合的新問題 ............................................................................... 224
10.5 智能信息處理技術 ...................................................................................................... 225
10.6 新型服務計算技術 ...................................................................................................... 226
10.6.1 雲計算與物聯網信息服務 ............................................................................... 226
10.6.2 霧計算與物聯網信息服務 ............................................................................... 228
10.6.3 邊緣計算與物聯網信息服務 ........................................................................... 228
10.6.4 認知計算與物聯網信息服務 ........................................................................... 229
10.7 網絡安全與管理技術 .................................................................................................. 229
本章小結 ................................................................................................................................ 231
習題 ....................................................................................................................................... 231
第11章 物聯網安全 ................................................................................................................. 232
11.1 物聯網安全概述 .......................................................................................................... 232
11.2 物聯網的安全問題 ...................................................................................................... 233
11.3 物聯網的安全需求 ...................................................................................................... 235
11.4 物聯網的安全機制 ...................................................................................................... 236
11.5 物聯網的安全技術 ...................................................................................................... 237
11.5.1 物聯網感知層安全技術 ................................................................................... 237
11.5.2 物聯網傳輸層安全技術 ................................................................................... 239
11.5.3 物聯網處理層安全技術 ................................................................................... 239
11.5.4 物聯網應用層安全技術 ................................................................................... 239
11.6 物聯網的安全標準 ...................................................................................................... 241
11.6.1 物聯網安全的國際標準 ................................................................................... 241
11.6.2 物聯網安全的國內標準 ................................................................................... 242
11.7 物聯網安全的六大關系 ............................................................................................... 243
本章小結 ................................................................................................................................ 244
習題 ....................................................................................................................................... 244
第12章 工業互聯網標識解析及安全 ..................................................................................... 245
12.1 工業互聯網的基本概念與架構 ................................................................................... 245
12.1.1 工業互聯網基本概念及發展歷程.................................................................... 245
12.1.2 工業互聯網整體架構 ...................................................................................... 246
12.2 工業互聯網標識解析體系與技術................................................................................ 246
12.2.1 工業互聯網標識解析體系相關概念及架構 .................................................... 246
12.2.2 國內標識解析體系 .......................................................................................... 248
12.2.3 國際標識解析體系 .......................................................................................... 251
12.3 工業互聯網標識解析相關安全技術 ............................................................................ 255
12.3.1 工業互聯網安全體系框架 ............................................................................... 255
12.3.2 標識解析安全風險分析模型 ........................................................................... 255
12.3.3 標識解析體系風險分析 ................................................................................... 256
12.3.4 標識解析安全框架 .......................................................................................... 257
12.3.5 標識解析安全關鍵技術 ................................................................................... 258
12.4 工業互聯網標識解析相關標準 ................................................................................... 261
12.4.1 標識解析相關標準概述 ................................................................................... 261
12.4.2 工業互聯網安全標準體系 ............................................................................... 262
本章小結 ................................................................................................................................ 263
習題 ....................................................................................................................................... 263
第13章 雲計算與物聯網實驗 ................................................................................................. 264
13.1 RFID實驗 ................................................................................................................... 264
13.1.1 RFID實驗系統介紹 ........................................................................................ 264
13.1.2 RFID 認知實驗 ............................................................................................... 265
13.2 ZigBee實驗 ................................................................................................................. 269
13.2.1 TI CC2530處理器介紹.................................................................................... 269
13.2.2 ZigBee點對點通信實驗 .................................................................................. 270
13.2.3 ZigBee協議分析實驗 ...................................................................................... 274
13.3 Wi-Fi實驗 ................................................................................................................... 279
13.4 藍牙實驗 ..................................................................................................................... 284
13.5 Hadoop雲計算實驗 ..................................................................................................... 290
13.5.1 實驗目的 ......................................................................................................... 290
13.5.2 實驗環境 ......................................................................................................... 290
13.5.3 實驗設計說明 .................................................................................................. 290
13.5.4 實驗過程 ......................................................................................................... 291
13.5.5 附件 ................................................................................................................. 296
13.6 MQTT發布/訂閱物聯網消息實驗 .............................................................................. 297
13.6.1 實驗目的 ......................................................................................................... 297
13.6.2 實驗環境 ......................................................................................................... 297
13.6.3 實驗原理 ......................................................................................................... 297
13.6.4 實驗網絡拓撲結構 .......................................................................................... 298
13.6.5 實驗環境搭建 .................................................................................................. 298
13.6.6 Python MQTT客戶端消息發布/訂閱實驗 ...................................................... 299
13.6.7 實驗結果與思考 .............................................................................................. 304
本章小結 ................................................................................................................................ 304
習題 ....................................................................................................................................... 304
索引 ............................................................................................................................................305
參考文獻 ................................................................................................................................... 308