本书主要介绍云计算与物联网的系统结构与关键技术，首先介绍云计算的概念与发展、云计算的系统结构、云计算的关键技术、云存储技术及应用、云安全技术及应用、开源云计算系统、云计算应用开发实例，然后介绍物联网的概念与发展、物联网的系统结构、物联网的关键技术、物联网安全、工业互联网标识解析及安全，最后介绍云计算与物联网实验。本书强调云计算与物联网系统与技术的内在联系、科学技术与工程实验的有机结合，包含经过验证的精选程序代码，既保证理论的完整性，又保证实验的可行性。 本书既可作为高等院校计算机科学与技术、物联网工程、信息安全等相关专业的本科生和研究生教材，又可作为云计算与物联网工程技术人员的参考书。

云计算与物联网代表着当今信息技术发展的两大趋势，它们既有区别，又有联系。云计算对物联网采集的大量数据进行智能计算与可信存储，物联网通过各类异质传感器采集物理世界的数据，通过各类网络将数据汇聚到云计算数据中心，进而为云服务吸引大量用户。云计算是物联网发展的基石，物联网为云计算提供丰富的数据来源，二者共同促进新形态信息技术的发展。在大数据时代，二者相辅相成，进一步推动大数据本身潜在价值的发掘与呈现，促进信息技术及产业的爆发式发展。本书紧密结合当前云计算和物联网领域的新发展成果，兼顾实践性和创新性，注重云计算与物联网知识体系的完整性、关联性、系统性与发展性，从系统工程视角阐述了云计算与物联网领域中的国内外关键技术及发展成果，其中很多内容来自作者的科研成果及教学实践。 本书共分13章。第1章介绍了云计算的概念及定义、发展历程、特点、标准化、发展现状及挑战；第2章介绍了云计算的系统结构概念、系统结构模型、服务层次结构、技术层次结构、SOA层次结构、典型的云计算平台及系统结构（如Google云计算平台、Amazon EC2、阿里云计算平台等）；第3章讲授了云计算的关键技术，包括资源池技术、数据中心技术、虚拟化技术、资源管理技术、网络通信技术、编程模型及语言、云存储技术、云安全技术；第4章讲授了云存储的概念、系统结构、关键技术、标准化、安全性及服务系统应用；第5章讲授了云计算的安全问题、安全属性、安全架构、安全标准化、服务保险、安全实施步骤等，并结合阿里云讲授云安全的策略与方法；第6章介绍了开源云计算系统，包括Hadoop、Eucalyptus、OpenStack、CloudStack、云原生及K8s架构等典型开源云计算系统，分别从系统组成、关键技术、开发应用等方面进行阐述；第7章介绍了云计算应用开发实例，包括Microsoft Azure Service、Salesforce、Amazon AWS、Google App Engine的云应用开发，Hadoop云计算编程实例，阿里云自助实验系统及案例；第8章介绍了物联网的概念及定义、发展历程、特征、标准化、发展状况、挑战与建议等；第9章阐明了物联网系统结构的设计原则，从多个不同视角讲授了物联网的系统结构，分析了物联网标准体系框架；第10章讲授了物联网的关键技术，包括现代感知与标识技术、嵌入式系统技术、网络与通信技术、信息融合技术、智能信息处理技术、新型服务计算技术、IV 云计算与物联网 网络安全与管理技术等；第11章首先对物联网安全进行概述，然后讲授了物联网的安全问题、安全需求、安全机制、安全技术、安全标准，以及物联网安全的六大关系；第12章讲授了工业互联网标识解析及安全，包括工业互联网的基本概念与架构、工业互联网标识解析体系与技术、相关安全技术与相关标准等；第13章讲授了云计算与物联网实验，包括RFID实验、ZigBee实验、Wi-Fi实验、蓝牙实验、Hadoop云计算实验、MQTT发布订阅物联网消息实验等。 本书既可作为高等院校计算机科学与技术、物联网工程、信息安全等相关专业的本科生和研究生教材，又可作为云计算与物联网工程技术人员的参考书。 本书由北京科技大学计算机与通信工程学院的陈红松教授编写，得到了北京科技大学教材建设经费（编号JC2020YB016）的资助和北京科技大学教务处的全程支持，在此表示感谢。 由于云计算与物联网技术发展较快，加之作者水平有限，书中不足之处在所难免，殷切希望广大读者批评指正并提出宝贵的意见和建议，以便进一步完善本书内容。作者E mail：chenhs@ustb.edu.cn。

第1章 云计算的概念与发展 ....................................................................................................... 1 1.1 云计算的概念及定义 ........................................................................................................ 1 1.2 云计算的发展历程 ............................................................................................................ 3 1.3 云计算的特点 .................................................................................................................... 6 1.4 云计算的标准化 ................................................................................................................ 6 1.4.1 国际云计算标准化的现状 ..................................................................................... 6 1.4.2 国内云计算标准化的现状 ................................................................................... 12 1.5 云计算的发展现状 .......................................................................................................... 13 1.5.1 国际云计算的发展现状 ....................................................................................... 13 1.5.2 国内云计算的发展现状 ....................................................................................... 15 1.6 云计算的挑战 .................................................................................................................. 17 本章小结 .................................................................................................................................. 19 习题 ......................................................................................................................................... 19 第2章 云计算的系统结构 ......................................................................................................... 20 2.1 云计算的系统结构概念 ................................................................................................... 20 2.2 云计算的系统结构模型 ................................................................................................... 20 2.3 云计算服务层次结构 ...................................................................................................... 21 2.4 云计算技术层次结构 ...................................................................................................... 23 2.5 云计算SOA层次结构 .................................................................................................... 24 2.6 典型的云计算平台及系统结构 ....................................................................................... 25 本章小结 .................................................................................................................................. 33 习题 ......................................................................................................................................... 33 第3章 云计算的关键技术 ......................................................................................................... 35 3.1 资源池技术 ..................................................................................................................... 35 3.2 数据中心技术 .................................................................................................................. 37 3.2.1 数据中心的概念与发展 ....................................................................................... 37 3.2.2 典型的云计算数据中心 ....................................................................................... 38 3.3 虚拟化技术 ..................................................................................................................... 39 3.3.1 虚拟化的基本概念 .............................................................................................. 39 3.3.2 虚拟化的平台架构与部署 ................................................................................... 41 3.3.3 虚拟化的技术优势 .............................................................................................. 43 3.3.4 虚拟化的技术类型与实现形式 ........................................................................... 44 3.3.5 虚拟化技术存在的问题 ....................................................................................... 46 3.4 资源管理技术 .................................................................................................................. 47 3.4.1 资源监测 ............................................................................................................. 48 3.4.2 资源调度 ............................................................................................................. 49 3.4.3 分布式资源管理技术 .......................................................................................... 49 3.4.4 云计算系统管理技术 .......................................................................................... 50 3.4.5 数据管理技术 ...................................................................................................... 50 3.5 网络通信技术 .................................................................................................................. 53 3.6 编程模型及语言 .............................................................................................................. 54 3.6.1 MapReduce编程模型 .......................................................................................... 54 3.6.2 编程语言 ............................................................................................................. 56 3.7 云存储技术 ..................................................................................................................... 56 3.7.1 集群存储技术 ...................................................................................................... 56 3.7.2 分布式文件系统 .................................................................................................. 57 3.7.3 分布式数据库 ...................................................................................................... 58 3.8 云安全技术 ..................................................................................................................... 58 3.8.1 物理环境安全 ...................................................................................................... 59 3.8.2 链路与网络安全 .................................................................................................. 59 3.8.3 数据安全 ............................................................................................................. 60 3.8.4 管理安全 ............................................................................................................. 60 3.8.5 环境考虑 ............................................................................................................. 61 本章小结 .................................................................................................................................. 61 习题 ......................................................................................................................................... 61 第4章 云存储技术及应用 ......................................................................................................... 62 4.1 云存储概述 ..................................................................................................................... 62 4.1.1 云存储的概念 ...................................................................................................... 62 4.1.2 云存储与云计算的关系 ....................................................................................... 63 4.1.3 云存储与传统存储的关系 ................................................................................... 63 4.2 云存储系统结构 .............................................................................................................. 63 4.3 云存储的关键技术 .......................................................................................................... 65 4.3.1 存储虚拟化技术 .................................................................................................. 65 4.3.2 分布式存储技术 .................................................................................................. 66 4.3.3 数据备份技术 ...................................................................................................... 67 4.3.4 数据缩减技术 ...................................................................................................... 67 4.3.5 存储安全技术 ...................................................................................................... 69 4.3.6 容错技术 ............................................................................................................. 70 4.4 云存储的标准化 .............................................................................................................. 71 4.4.1 云存储的国际标准化 .......................................................................................... 71 4.4.2 云存储的国内标准化 .......................................................................................... 74 4.5 云存储的安全性 .............................................................................................................. 74 4.6 云存储服务系统应用 ...................................................................................................... 76 4.6.1 个人级云存储应用 .............................................................................................. 76 4.6.2 企业级云存储应用 .............................................................................................. 76 本章小结 .................................................................................................................................. 77 习题 ......................................................................................................................................... 77 第5章 云安全技术及应用 ......................................................................................................... 78 5.1 云计算的安全问题 .......................................................................................................... 78 5.2 云计算的安全属性 .......................................................................................................... 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 不可抵赖性.......................................................................................................... 81 5.2.6 可控性 ................................................................................................................. 81 5.3 云计算的安全架构 .......................................................................................................... 81 5.3.1 用户认证与授权 .................................................................................................. 82 5.3.2 数据隔离 ............................................................................................................. 84 5.3.3 数据加密及隐私保护 .......................................................................................... 85 5.3.4 网络隔离 ............................................................................................................. 87 5.3.5 灾备恢复 ............................................................................................................. 89 5.4 云计算安全的标准化 ...................................................................................................... 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 全国信息安全标准化技术委员会 ....................................................................... 93 5.4.7 云服务的制度和法律环境建设 ........................................................................... 94 5.5 云计算和服务保险 .......................................................................................................... 95 5.6 云计算安全实施步骤 ...................................................................................................... 95 5.7 阿里云安全策略与方法 ................................................................................................... 99 5.7.1 安全策略 ............................................................................................................. 99 5.7.2 组织安全 ............................................................................................................. 99 5.7.3 合规安全 ............................................................................................................. 99 5.7.4 数据安全 ............................................................................................................. 99 5.7.5 访问控制 ........................................................................................................... 100 5.7.6 人员安全 ........................................................................................................... 100 5.7.7 物理和环境安全 ................................................................................................ 100 5.7.8 基础设施安全 .................................................................................................... 100 5.7.9 系统和软件开发及维护 ..................................................................................... 101 5.7.10 灾难恢复及业务连续性 ................................................................................... 101 本章小结 ................................................................................................................................ 101 习题 ....................................................................................................................................... 101 第6章 开源云计算系统 ........................................................................................................... 102 6.1 开源软件与云计算 ........................................................................................................ 102 6.2 主流开源云计算系统 .................................................................................................... 103 6.2.1 Hadoop .............................................................................................................. 103 6.2.2 Eucalyptus .......................................................................................................... 106 6.2.3 OpenStack .......................................................................................................... 109 6.2.4 CloudStack ......................................................................................................... 110 6.2.5 云原生及K8s架构 ............................................................................................ 115 本章小结 ................................................................................................................................ 116 习题 ....................................................................................................................................... 116 第7章 云计算应用开发实例 ................................................................................................... 117 7.1 Microsoft Azure Service云应用开发 ............................................................................. 117 7.2 Salesforce云应用开发 ................................................................................................... 121 7.3 Amazon AWS云应用开发 ............................................................................................. 122 7.4 Google App Engine云应用开发 .................................................................................... 127 7.4.1 Google App Engine介绍 .................................................................................... 127 7.4.2 Google App Engine的应用与服务 ..................................................................... 127 7.4.3 Google App Engine开发流程 ............................................................................ 129 7.5 Hadoop云计算编程实例 ............................................................................................... 129 7.5.1 Hadoop分布式编程模型 ................................................................................... 129 7.5.2 Hadoop数据排序实例 ....................................................................................... 130 7.6 阿里云自助实验系统及案例 ......................................................................................... 133 7.6.1 阿里云自助实验系统简介 ................................................................................. 133 7.6.2 阿里云自助实验步骤 ........................................................................................ 135 7.6.3 阿里云自助实验案例 ........................................................................................ 135 本章小结 ................................................................................................................................ 141 习题 ....................................................................................................................................... 141 第8章 物联网的概念与发展 ................................................................................................... 142 8.1 物联网的概念及定义 .................................................................................................... 142 8.1.1 物联网的概念 .................................................................................................... 142 8.1.2 物联网的定义 .................................................................................................... 143 8.2 物联网的发展历程 ........................................................................................................ 145 8.3 物联网的特征 ................................................................................................................ 146 8.4 物联网的标准化 ............................................................................................................ 147 8.5 物联网的发展状况 ........................................................................................................ 150 8.5.1 物联网的国际发展状况 ..................................................................................... 150 8.5.2 物联网的国内发展状况 ..................................................................................... 152 8.5.3 物联网的应用案例 ............................................................................................ 153 8.6 物联网发展的挑战与建议 ............................................................................................. 159 8.6.1 物联网发展的挑战 ............................................................................................ 159 8.6.2 物联网发展的建议 ............................................................................................ 160 本章小结 ................................................................................................................................ 161 习题 ....................................................................................................................................... 161 第9章 物联网的系统结构 ....................................................................................................... 162 9.1 物联网系统结构设计原则 ............................................................................................. 162 9.2 物联网的一般体系结构 ................................................................................................. 163 9.2.1 物联网的3层架构 ............................................................................................ 163 9.2.2 物联网的4层架构 ............................................................................................ 164 9.3 物联网的自主体系结构 ................................................................................................. 164 9.4 物联网的EPC体系结构 ............................................................................................... 165 9.5 物联网的CPS体系结构 ............................................................................................... 167 9.6 物联网的SOA体系结构 ............................................................................................... 169 9.7 物联网的标准体系结构 ................................................................................................. 171 9.7.1 物联网标准体系框架 ........................................................................................ 171 9.7.2 物联网国际标准化状况 ..................................................................................... 172 本章小结 ................................................................................................................................ 173 习题 ....................................................................................................................................... 173 第10章 物联网的关键技术 ..................................................................................................... 174 10.1 现代感知与标识技术 .................................................................................................. 174 10.1.1 条码技术 ......................................................................................................... 174 10.1.2 RFID ................................................................................................................ 181 10.1.3 传感器技术 ...................................................................................................... 184 10.2 嵌入式系统技术 .......................................................................................................... 186 10.2.1 嵌入式系统的概念 .......................................................................................... 186 10.2.2 嵌入式系统的组成与分类 ............................................................................... 187 10.2.3 嵌入式系统的特点 .......................................................................................... 188 10.2.4 嵌入式系统开发技术 ...................................................................................... 191 10.2.5 从嵌入式系统视角看物联网 ........................................................................... 191 10.3 网络与通信技术 .......................................................................................................... 192 10.3.1 短距离网络通信 .............................................................................................. 192 10.3.2 广域网通信技术 .............................................................................................. 216 10.4 信息融合技术 .............................................................................................................. 223 10.4.1 信息融合的定义 .............................................................................................. 223 10.4.2 信息融合的分层模型 ...................................................................................... 223 10.4.3 物联网信息融合的新问题 ............................................................................... 224 10.5 智能信息处理技术 ...................................................................................................... 225 10.6 新型服务计算技术 ...................................................................................................... 226 10.6.1 云计算与物联网信息服务 ............................................................................... 226 10.6.2 雾计算与物联网信息服务 ............................................................................... 228 10.6.3 边缘计算与物联网信息服务 ........................................................................... 228 10.6.4 认知计算与物联网信息服务 ........................................................................... 229 10.7 网络安全与管理技术 .................................................................................................. 229 本章小结 ................................................................................................................................ 231 习题 ....................................................................................................................................... 231 第11章 物联网安全 ................................................................................................................. 232 11.1 物联网安全概述 .......................................................................................................... 232 11.2 物联网的安全问题 ...................................................................................................... 233 11.3 物联网的安全需求 ...................................................................................................... 235 11.4 物联网的安全机制 ...................................................................................................... 236 11.5 物联网的安全技术 ...................................................................................................... 237 11.5.1 物联网感知层安全技术 ................................................................................... 237 11.5.2 物联网传输层安全技术 ................................................................................... 239 11.5.3 物联网处理层安全技术 ................................................................................... 239 11.5.4 物联网应用层安全技术 ................................................................................... 239 11.6 物联网的安全标准 ...................................................................................................... 241 11.6.1 物联网安全的国际标准 ................................................................................... 241 11.6.2 物联网安全的国内标准 ................................................................................... 242 11.7 物联网安全的六大关系 ............................................................................................... 243 本章小结 ................................................................................................................................ 244 习题 ....................................................................................................................................... 244 第12章 工业互联网标识解析及安全 ..................................................................................... 245 12.1 工业互联网的基本概念与架构 ................................................................................... 245 12.1.1 工业互联网基本概念及发展历程.................................................................... 245 12.1.2 工业互联网整体架构 ...................................................................................... 246 12.2 工业互联网标识解析体系与技术................................................................................ 246 12.2.1 工业互联网标识解析体系相关概念及架构 .................................................... 246 12.2.2 国内标识解析体系 .......................................................................................... 248 12.2.3 国际标识解析体系 .......................................................................................... 251 12.3 工业互联网标识解析相关安全技术 ............................................................................ 255 12.3.1 工业互联网安全体系框架 ............................................................................... 255 12.3.2 标识解析安全风险分析模型 ........................................................................... 255 12.3.3 标识解析体系风险分析 ................................................................................... 256 12.3.4 标识解析安全框架 .......................................................................................... 257 12.3.5 标识解析安全关键技术 ................................................................................... 258 12.4 工业互联网标识解析相关标准 ................................................................................... 261 12.4.1 标识解析相关标准概述 ................................................................................... 261 12.4.2 工业互联网安全标准体系 ............................................................................... 262 本章小结 ................................................................................................................................ 263 习题 ....................................................................................................................................... 263 第13章 云计算与物联网实验 ................................................................................................. 264 13.1 RFID实验 ................................................................................................................... 264 13.1.1 RFID实验系统介绍 ........................................................................................ 264 13.1.2 RFID 认知实验 ............................................................................................... 265 13.2 ZigBee实验 ................................................................................................................. 269 13.2.1 TI CC2530处理器介绍.................................................................................... 269 13.2.2 ZigBee点对点通信实验 .................................................................................. 270 13.2.3 ZigBee协议分析实验 ...................................................................................... 274 13.3 Wi-Fi实验 ................................................................................................................... 279 13.4 蓝牙实验 ..................................................................................................................... 284 13.5 Hadoop云计算实验 ..................................................................................................... 290 13.5.1 实验目的 ......................................................................................................... 290 13.5.2 实验环境 ......................................................................................................... 290 13.5.3 实验设计说明 .................................................................................................. 290 13.5.4 实验过程 ......................................................................................................... 291 13.5.5 附件 ................................................................................................................. 296 13.6 MQTT发布/订阅物联网消息实验 .............................................................................. 297 13.6.1 实验目的 ......................................................................................................... 297 13.6.2 实验环境 ......................................................................................................... 297 13.6.3 实验原理 ......................................................................................................... 297 13.6.4 实验网络拓扑结构 .......................................................................................... 298 13.6.5 实验环境搭建 .................................................................................................. 298 13.6.6 Python MQTT客户端消息发布/订阅实验 ...................................................... 299 13.6.7 实验结果与思考 .............................................................................................. 304 本章小结 ................................................................................................................................ 304 习题 ....................................................................................................................................... 304 索引 ............................................................................................................................................305 参考文献 ................................................................................................................................... 308