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信息技术和网络技术的快速发展，让我们的工作和生活日新月异。在现实世界中，与我们紧密相关的信息网络主要有三大类：第一类是传统的互联网（Internet），即“计算机互联网”，它是其他网络类型的根基；第二类是“移动互联网”（Mobile Internet，MI），即把传统互联网的技术、平台、应用与移动通信技术、移动终端相结合的网络类型，其正向应用和安全性已为学术界和产业界所广泛研究，因此本书不进行重复介绍； 第三类是物联网（Internet of Things，IoT），它是在前两类网络基础上延伸发展的网络类型，目前正处于高速发展阶段，各类应用层出不穷，这是本书的主要介绍内容 。此外，工业物联网（Industrial Internet of Things，IIoT）也是一类常见的网络，主要由大量工业设备联网构成，学术界和产业界将其归为另一类网络，因此也不将其列入本书探讨的范畴。
IoT是“信息化时代”的一个重要组成部分。事实上，它由来已久。早在1995年，比尔·盖茨在 The Road Ahead 一书对未来的描述中，就已提及“物联网”的构想：“互联网仅仅实现了计算机的联网而没有实现万事万物的互联。虽然现在看来这些预测不太可能实现，甚至有些荒谬，但是我保证这是本严肃的书，而绝不是戏言，十年后我的观点将会得到证实。”1999年，麻省理工学院Auto-ID中心的Ashton教授在研究射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）时首次提出了“物联网”的概念，但由于当时的技术条件和社会条件都还不成熟，这一概念提出之后未能得到重视。2005年，国际电信联盟（International Telecommunications Union，ITU）发布的《ITU互联网报告2005：物联网》报告中指出“无所不在的物联网通信时代即将来临”，这进一步扩展了物联网的意义和范畴。经过十几年的发展，IoT的技术框架和应用场景已日趋丰富，深刻影响着社会的方方面面。此外，IoT设备数量也在飞速增长，根据高德纳（Gartner）和HIS等机构的预测，2021年至2022年，全球IoT设备数量至少将超过200亿，覆盖传感设备、移动终端、PC主机、网络设备等类型，设备智能化程度也持续提升。可以预见，5G、人工智能（Artificial Intelligence，AI）和区块链（blockchain）等技术推广应用之后，将很快呈现“世上万物凡存在，皆互联；凡互联，皆计算；凡计算，皆智能”的景象。
当然，IoT作为新兴的网络类型，至今依然没有“标准”定义。本书引用一个目前普遍接受的定义： 通过射频识别技术（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器等信息传感设备，按约定协议，把物品与互联网连接起来，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络 。
简言之，IoT就是物物相连的互联网，可以把“物品”理解为IoT设备。这句话有三层含义：一是IoT的核心和基础仍然是互联网，IoT是在互联网基础上延伸和扩展的网络，即IP架构是IoT的基础架构；二是IoT的网络终端范畴延伸到了物与物之间，进行信息交换和通信；三是设备是IoT的必备要素与核心部件。
学术界对IoT的理解是，随着人工智能、边缘计算和5G传输的应用，未来IoT应具有“精确感知、可靠传输、智能处理”3个特点。无人机、网络打印机等都可以纳入广义的IoT设备范畴。
IoT已广泛应用到社会和生活的方方面面，典型的应用场景如图1-1所示。其覆盖大众消费、公共设施等不同领域，主要包括智能家居、智能监控、车联网、智能穿戴和智慧城市等。本书将共享单车（共享经济系列）、智能物流、智能交通、智慧能源以及智能防灾等应用场景均归入智慧城市。
图1-1 IoT典型的应用场景
应用场景简要描述如下。
（1） 智能家居 。智能家居对应的英文名称为smart home或home automation，它以住宅为基础平台，利用综合布线、无线/有线网络通信、安全防护、自动控制以及音视频等技术，有效集成家居生活设施，使家居生活更便利和舒适，打造良好的家居环境。典型的智能家居设备包括门锁、摄像头、家用路由器、电器（如电视、音箱、空调、插座、扫地机器人）等。
（2） 智能监控 。智能监控以网络摄像头设备为中心，用于环境监控与安防告警，通常是指公共环境（如学校、企业、商场、餐厅、地铁站等众多场景）中部署的监控系统，实际上也包括家居网络环境中的视频监控系统。
（3） 车联网 。车联网是以联网汽车（包括普通联网汽车和智能联网汽车两大类型）为信息感知对象的IoT网络，由车载网和外部网络组成，按照既定通信协议和数据交互接口，实现车与X（X代表其他车辆、公路设施、移动互联网）之间的无线通信和信息交换。主流厂商的新车大多具备智能联网特点。
（4） 智能穿戴 。穿戴医疗设备又称智能穿戴设备，能穿在身上或贴身佩戴并采集、发送信息。典型的智能穿戴设备包括智能手表、手环、眼镜等。这些设备本质上是在日常穿戴物品基础上增加了智能化设计，用微型传感器达到与人体无缝接入的目的，采集的人体信息包括心率、步数、体温、睡眠状况、血压和呼吸频率等。智能穿戴设备与云端服务互通，通过云端的计算和分析把结果反馈给用户，帮助用户实现健康管理。
（5） 智慧城市 。智慧城市对应的英文名称为smart city，它是IoT应用的综合范畴，将IoT为代表的新一代信息技术继承到城市系统及服务中，提升城市资源的运用效率，优化城市管理及服务，改善市民的生活质量。其常见场景如共享单车、智能物流、智能交通、智慧能源、无人超市、远程医疗、智能防灾等。部分描述如下。
● 共享单车。共享单车是非常典型的IoT应用，也是城市共享经济的代表，是指在校园、车站、地铁站、居民点、商业区等提供分时租赁的自行车（单车）共享服务，也是近几年“绿色环保共享经济”的典型代表。目前的共享单车品牌包括美团单车、青桔单车、哈啰出行等。
● 智能物流。智能物流是IoT在物流运输领域的应用，其将条形码、射频识别、传感器、全球定位系统（GPS）等IoT设备或技术与信息处理、网络通信平台相结合，应用于物流的仓储、包装、配送、运输、装卸等各个环节，实现货物运输过程的自动化运作和高效率优化管理，提高物流行业的信息化、智能化、系统化运营水平。
● 智能交通。智能交通代表交通管理系统的发展方向，其将IoT关键技术与地面交通系统相结合，推进交通信息的广泛应用与服务，同时提升交通基础设施的运行效率。典型的应用场景包括ETC、智慧路灯等。
● 智慧能源。智慧能源是指通过技术创新和制度变革，将城市生活中的水、电、气等能源开发利用、生成消费全过程与IoT关键技术相融合，呈现更加安全、充足、清洁的能源，使生态环境更加宜居。
● 智能防灾。智能防灾是指将IoT关键技术与城市、山区的自然灾害预防相结合，将大量能够自组网的传感器散播在敏感地域，通过自组网来描述环境状态。一旦环境状态发生变化，该自组网能快速感知，将信息通过网络传输到云端处理平台并发出告警提示。
● 其他IoT应用场景。如消费级无人机、办公打印机等，本书也将其纳入IoT行列。
综合IoT、传统互联网和移动互联网的各自特点，三者的概要对比如表 1-1 所示。为了以统一尺度描述，我们将互联网和IoT的云端统称为“云端”。相比而言，IoT更加注重网络互联和网络控制，它的整个运行机制都是通过网络和协议来实现的，凸显了网络和协议的重要性；传统网络安全更偏重系统和软件，因为其用户的接触面和接触程度更广、更深。
表1-1 IoT与传统互联网、移动互联网之间的概要对比
IoT以IP网络为参考框架。按照数据的采集、传输、处理流程，网络层次主要分为两种模型，一种是IoT三层模型，另一种是IoT四层模型，如图1-2所示。二者的区别是IoT四层模型对网络层进行了进一步拆分。这里给出了两种网络层次模型的含义，但为统一描述，本书将以IoT三层模型的描述为主。
图1-2 两种IoT网络层次模型
（1） IoT三层模型 。IoT三层模型自下而上包括感知层、网络层和应用层。
● 感知层。感知层是IoT数据的最初来源，主要负责采集数据。感知层通过常规传感器获取（如音频、视频、图像等）、二维扫描、GPS定位等多种途径采集数据，并将数据进行转换和一定的预处理后以特定格式传递给网络层。
● 网络层。网络层主要负责设备接入和数据传输。设备接入的目的首先是构建数据传输通道，重点是设备到云端的接入；其次是设备到设备的连接。接入方式包括近场接入（如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、NFC、车内总线等）和基于移动互联网线路（如3G、4G、5G等）的远程接入。数据传输基于接入通道将感知层采集的数据传输到应用层作进一步分析处理。
● 应用层。应用层主要负责对网络层传输来的数据进行分析处理，最终为用户提供丰富的应用服务，如家居管理、健康分析、单车开锁、车辆定位等。依靠感知层提供的数据和网络层的传输，应用层进行相应处理后，数据可能再次通过网络层反馈给感知层。
（2） IoT四层模型。 同IoT三层模型相比，IoT四层模型对网络层做了进一步拆分——把设备接入专门划为一层，即接入层。接入层的主要职能是解决智能设备到云端并发接入的问题，这是因为一些IoT应用场景中智能设备的数量级较大（十万级、百万级甚至更大），如果不处理并发接入问题，那么很可能会影响云端的处理效率。在IoT四层模型中，网络层的功能简化成以数据传输为主，感知层和应用层的功能与IoT三层模型基本一致。
接下来我们介绍IoT的具体组成部件。IoT是以IP架构为参考的多网络叠加开放性网络，信息传输路径会经过各种网络和节点，其基本网络架构以及同IoT三层模型的对应关系如图1-3所示。它具备“端—管—云”三大要素，“端”指的是IoT终端，包括各种智能硬件设备和以手机为主的移动智能终端；“云”是指云端，即为IoT提供各种服务的云平台和服务资源；“管”是指终端之间、终端与云端之间的通信管道，包括网络通信线路和网关传输设备。
图1-3 IoT基本网络架构以及同IoT三层模型的对应关系
我们将在后文详细介绍IoT的组成部件，在这里只做概要描述。
（1） 智能硬件设备（端） 。智能硬件设备理论上分为两类，一是采集外界数据的传感器，二是负责局部计算处理功能的应用终端。随着AI和边缘计算日益普及，二者大多集成在同一IoT设备中，如家用摄像头（摄像拍照+部分计算分析）、智能门锁（锁功能+人脸识别）、智能音响（语音录入+语音识别）等。后文中，智能硬件设备、智能设备、硬件设备、终端设备等称谓均指这类对象。
（2） 移动智能终端（端） 。其主要是指智能手机，是IoT的重要用户接口，用户可以通过移动应用（Application，App）对IoT中的智能设备进行配置管理和状态查询；同时，在某些场景下移动智能终端还起到硬件设备的通信网关（如蓝牙网关等）作用。移动智能终端按操作系统一般可分为安卓（Android）手机和苹果手机。
（3） 通信管道（管） 。IoT通信管道包括“虚”和“实”两部分：“虚”的部分主要是指IoT网络通信协议；“实”的部分主要是指承载通信的信道链路和配套的网关传输设备，前者分为无线信道和有线信道（如光纤、网线等），后者包括路由器、各种IoT网关中控（如ZigBee网关、车载网关等）、防火墙设备等。
（4） 云端（云） 。云端通常部署在互联网中，其主要功能是IoT数据管理和面向行业的计算应用。除数据管理外，云端还作为智能设备和用户（智能手机）之间的通信“汇集区”，承载设备辅助管理和用户管理等功能。
按照最初的IoT设计，应用层数据处理和计算都集中在云端，如早期的家用网络摄像头只具备数据的采集与上传功能，数据分析和业务处理则在云端进行。随着处理性能的提高和应用场景的丰富，部分面向行业应用的计算处理已变为放在智能设备开展。因此，应用层实际上可能分布在智能设备和云端。
IoT通信涉及设备接入和数据传输，各部件之间的通信方式如图1-4所示。IoT通信以IoT智能设备到云端的接入通信为主线，兼顾智能手机的作用，大致包括 设备直连通信 、 Wi-Fi代理通信 、 手机代理通信 （手机作为特殊网关）和USB总线通信4种类型。
图1-4 IoT各部件之间的通信方式
（1） 设备直连通信。 设备直连通信主要涉及可移动类 IoT 设备，是指智能硬件设备通过3G/4G/5G等移动通信线路直接接入云端通信，如图1-5所示。设备直连通信的前提是设备集成了嵌入式用户标志模块（embedded Subscriber Identity Module，eSIM）或者内置用户标志模块（Subscriber Identity Module，SIM），即具备独立的移动上网功能。基于体积、供电和研发成本等综合因素，联网汽车和部分智能穿戴（如手表等）大多支持eSIM，单车一般会内置专用SIM卡。以共享单车的一种早期开锁通信方式为例，起初共享单车通过2G/3G移动通信线路入网，用户进入移动App扫描二维码，然后向云端发送对应单车信息，再由云端通过移动互联网向单车发送开锁指令（现在的单车开锁过程更加安全）。
图1-5 设备直连通信
智能手机在通信过程中主要起到业务配合作用，如二维码扫描激活、蓝牙辅助认证等。此外，设备直接接入云端需要考虑如下问题。
● 独立入网。设备需要SIM卡或eSIM卡，可通过移动运营商专门申请。
● 数据流量。如果有视频数据等，可能会产生较高的流量费用。
● 通信质量。如果设备所处环境没有信号或信号不好，会影响通信质量。
（2）Wi-Fi 代理通信 。Wi-Fi代理通信是指单个或多个智能硬件设备运行在一个局域网环境中，直接或间接通过Wi-Fi无线路由器接入云端通信。智能手机也通过Wi-Fi无线路由器接入云端或管理设备，智能家居是典型的应用场景。按照智能硬件设备对IP的支持情况，Wi-Fi代理通信分为图1-6和图1-7所示的两种方式。
图1-6所示的代理通信方式中，支持IP的智能硬件设备直接通过Wi-Fi入网，常见的家居环境与办公环境中的网络摄像头、智能音箱（或智能闹钟）、部分门锁、网络打印机以及扫地机器人等都采用该代理通信方式。
图1-6 Wi-Fi代理通信方式1
图1-7 Wi-Fi代理通信方式2
图1-7所示的代理通信方式中，某些家居生态系统的智能硬件设备只支持ZigBee组网协议，不支持IP，需要无线路由器和ZigBee两级代理实现云端接入。实际上，部分厂商的无线路由器也集成了ZigBee、蓝牙等协议支持，即提供复合网关，这种情况下通信连接同方式1基本一致。“复合网关”代理通信如图1-8所示，多个智能硬件设备通过复合网关接入云端通信。
图1-8 “复合网关”代理通信
（3） 手机代理通信。 手机代理通信是将智能手机作为蓝牙网关，实现智能硬件设备的云端接入通信，如图1-9所示。
图1-9 手机代理通信
实际上，大多数蓝牙通信场景没有把智能手机作为蓝牙网关使用，而只进行普通配对基础上的数据传输处理，包括车载蓝牙音频同步、移动App+蓝牙开启车门或居家门锁、智能手环与手机数据同步等，这基本符合蓝牙网关作用的场景。智能手机开启“蓝牙共享网络”，如图1-10所示。智能手表中的网络应用软件（如移动微信等）通过共享智能手机的“蓝牙热点”直接访问网络。
（4） USB总线通信。 USB总线通信主要出现在车联网场景中，车载USB总线通信如图1-11所示。
车载USB总线通信是典型的车联网通信方式。其中，车载T-BOX设备通过3G/4G/5G线路接入云端通信，这几乎是车上唯一的上网接口。车载信息娱乐系统（In-Vehicle Infotainment，IVI）和控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线网关通过USB连接T-BOX，其他电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）设备（如车窗、油门、空调等）则通过USB总线连接车联网安全网关。智能手机通过3G/4G/5G访问云端，管理配置车载设备、查询车辆状态或GPS信息。
图1-10 在智能手机中开启“蓝牙共享网络”
图1-11 车载USB总线通信
生态系统是某些IoT行业的一个发展趋势，通常是指该行业中由同一厂商提供面向应用场景的整体解决方案，即该场景下的IoT设备几乎都来自这一厂商。目前，生态系统以智能家居行业为代表，厂商包括小米、苹果、三星、LG、微软、亚马逊等，他们大多以“全家桶”形式提供解决方案，包括门锁、摄像头、音箱、插座、空调、家用路由器以及网关等种类众多的IoT设备，这些设备之间可能出现一些额外的互联互通协议或接口（如果不是“全家桶”形式，则可能没有这样的协议或接口）。