0HAL Id：tel-015050640https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-015050640提交日期：2017年4月10日0HAL是一个多学科开放获取的存储库，用于存储和传播科学研究文档，无论它们是否发表。这些文档可以来自法国或国外的教育和研究机构，也可以来自公共或私人研究中心。0HAL是一个多学科开放获取的存储库，用于存储和传播法国或国外的研究和教育机构、公共或私人研究中心的研究级科学文献，无论是否发表。0在互联网规模上实现能源高效的智能物体网络：实验工具、软件平台和信息中心网络协议0Oliver Hahm0引用此版本：0OliverHahm。在互联网规模上实现能源高效的智能物体网络：实验工具、软件平台和信息中心网络协议。网络和互联网架构[cs.NI]。巴黎-萨克莱大学，2016年。英语。�NNT：2016SACLX090�。�tel-01505064�0NNT：2016SACLX0900巴黎-萨克莱大学博士学位论文，由巴黎高等理工学院准备0第580号信息与通信科学与技术博士学位学院 博士专业：计算机科学0M. Oliver Hahm0在互联网规模上实现能源高效的智能物体网络：实验工具、软件平台和信息中心网络协议0于2016年12月1日在柏林提交和答辩。0评审委员会成员：0M. Jochen H. Schiller 教授（评审委员会主席）柏林自由大学 M. Carsten Bormann教授（评审委员）不来梅大学 M. Dirk Kutscher 博士（评审委员）华为德国研究中心 M.Anis Laouiti 副教授（考官）Telecom SudParis M. Emmanuel Baccelli教授（导师）INRIA0这篇论文是一段漫长、令人兴奋、有时繁琐、常常令人惊讶的旅程的结果。它献给了激励和鼓舞我开始这段旅程的祖母Erna。它也献给了我的父母Doris和Dieter，他们的爱和无条件的支持使这段旅程成为可能。最后，它献给了Judith，在这段旅程中，她是我在最黑暗的夜晚的安慰和光明。0ii0致谢0在我完成这篇论文的过程中，我非常幸运地遇到了许多支持和鼓舞我的人。没有他们的帮助，我不可能完成这段旅程。0首先，我要感谢EmmanuelBaccelli在许多方面对我的支持和帮助。他的指导、专业知识和经验，以及他的善良对我来说是无价的。0我也非常感谢我的评审人Carsten Bormann和DirkKutscher，他们愿意阅读和审查这篇论文。他们在IETF和IRTF的出色工作在过去几年中在各个方面都给了我很多启发，我很高兴他们接受了审查这篇论文。0我还要感谢Thomas Schmidt和MatthiasWählisch在计算机科学及其他领域的许多激动人心的讨论。他们在过去几年中提供的详细和建设性的反馈，以及许多好的建议，都受到了高度的赞赏。0这项工作的很大一部分是在物联网和特别是RIOT的实际工作中完成的。因此，我要感谢在RIOT上所做的所有出色工作，更重要的是：感谢这个令人惊叹的社区。特别要感谢KasparSchleiser，他启动了RIOT，并且是我能想象到的最好的办公室伙伴。我还要感谢HaukePetersen在RIOT的许多方面的巨大工作和友谊，MartineLenders对RIOT网络能力的热情工作，CenkGündoğan的奉献精神和好奇心，以及ThomasEichinger在许多低级方面的帮助和支持。在RIOT上做出了杰出工作的一个人，他使得许多伟大的RIOT项目和本论文的大部分成为可能，那就是我亲爱的朋友LudwigKnüpfer。我感激他不仅总是能给出好的建议，而且他也是一个很好的朋友！我还要感谢Peter Kietzmann，Francisco Acosta，Joakim Nohlgård，Lotte Steenbrink，RenéKijewski，Christian Mehlis，Martin Landsmann，Kevin Roussel，JohannFischer，Andreas Pauli，StephanZeisberg和所有其他帮助使RIOT成为一个伟大项目的人！此外，我还要感谢PeterSchmerzl对操作系统的开创性工作，它启发了RIOT最初的设计的许多部分。0我要感谢在柏林自由大学和INRIA与我一起工作的许多友好同事。特别感谢我的朋友FelixShzu-Juraschek鼓励我回到大学，他的欢乐和不断的帮助。非常感谢MichaelFrey的友谊，许多许多好的辩论，以及他的超越思维能力。我也很感激有机会与SebastianTrapp一起工作，他带我走上了另一段（美味的）旅程。我还要感谢MesutGünes在我研究无线多跳网络的初步阶段给予我的建议和指导。我还要感谢JochenSchiller让我在他的团队工作，并在过去四年中担任我的客座教授。我还要特别感谢Stephan Adler、Stefan Pfeiffer、Alexandre Abadie和CédricAdjih，感谢他们的许多好的讨论和出色的团队合作。能与你们一起工作是一种巨大的快乐。我还要感谢我在G-LAB和SAFEST项目、IETF/IRTF以及其他合作中有幸合作的所有优秀人员。我特别要感谢Barbara Staehle在这篇论文的最后阶段给予我的愉快合作和即兴帮助；感谢ThomasWatteyne在OpenWSN和6TiSCH上的帮助和出色工作；感谢Simon Duquennoy和Nicolas Tsiftes对物联网操作系统的有趣交流；感谢AlexanderAring和Stefan Schmidt对开源物联网通信的帮助和奉献。还要特别感谢Gaëtan Harter、Frédéric Saint-Marcel、JulienVandaele和其他在IoT-Lab实验室背后的伟大团队，他们总是乐于帮助。最后，但肯定不是最不重要的，我要感谢所有的朋友，特别是DanielMösinger和Pascal May。我无法表达我对你们的忠诚和支持有多么感激！最后：这个献给全国的狂欢者。iii0Jonathan Safran FoerJonathan Safran Foer0‘为什么美丽的歌曲会让你伤心？’‘因为它们不是真实的。’‘从来没有？’‘没有什么是美丽和真实的。’0目录0术语表 xi01 引言 101.1 从无线传感器网络到物联网 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.2 使用案例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401.3 在互联网规模上实现智能物体网络 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1101.4 贡献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1201.5 结构和概述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150I 物联网通信和软件的现状 1702 物联网通信 1902.1 低功耗和有丢失的网络 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1902.2 物联网网络协议和算法的要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2002.3 LLNs的核心机制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2402.3.1 媒体访问 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2502.3.2 网络 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2902.3.3 路由 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3002.3.4 传输层 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3302.3.5 内容感知 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3502.4 辅助机制和框架用于LLNs . . . . . . . . . . . . . 3802.4.1 安全 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3802.4.2 网络管理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4102.4.3 时钟同步 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4302.4.4 链路层传输调度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4402.4.5 互操作性框架 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4502.5 其他范式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4702.5.1 独立的方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4702.5.2 全新的方法: 信息中心网络 . . . . . . . . . . . . . . . . 5002.6 挑战: 能效权衡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5202.6.1 折衷方案I: 能效 vs. 内容可用性 . . . . . . . . . . . 5202.6.2 折衷方案II: 能效 vs. 延迟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5302.7 总结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540viii 目录03 物联网软件 5503.1 受限节点: 有限资源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5603.2 物联网软件和中间件的要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5703.3 物联网软件的关键设计选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6103.3.1 技术特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6103.3.2 非技术属性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6703.4 物联网候选操作系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6903.4.1 开源操作系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7003.4.2 闭源操作系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7503.4.3 其他软件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7703.5 物联网相关操作系统的分类 . . . . . . . . . . . . . . . . . 7903.5.1 纯实时操作系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7903.5.2 事件驱动操作系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7903.5.3 多线程操作系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7903.5.4 结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8003.6 总结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 800II 用于能效实验研究的软件和工具0物联网 8304 RIOT: 一个物联网操作系统 8504.1 一个可靠的物联网通用操作系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8504.1.1 架构概述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8604.1.2 模块化、可配置性、可扩展性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8804.1.3 低功耗操作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8804.2 实现细节 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8904.2.1 微内核设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8904.2.2 硬件抽象层 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9304.2.3 运行时可配置性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9504.2.4 模拟支持: RIOT作为一个进程 . . . . . . . . . . . . . . . 9704.2.5 第三方库的集成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9704.2.6 与Contiki和TinyOS的内存比较 . . . . . . . . . . . 9904.3 网络堆栈设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.3.1 网络堆栈要求 . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 10004.3.2 网络堆栈架构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10304.3.3 第三方网络堆栈 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10704.4 物联网生态系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.4.1开放标准和互操作性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10904.4.2 开源社区方面 . . . . . . . . . . . . . . . . 1110目录 ix04.5 总结和贡献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11305 用于物联网研究的实验工具 11505.1 用于物联网的实验工具 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11505.2 大规模无线测试平台中的实验 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11605.2.1 DES-TBMS: 一个测试平台的控制和管理框架 . 11805.2.2 基于测试平台的实验的挑战和限制 11905.2.3 经验教训 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12205.3 物联网软件的虚拟化工具 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12305.3.1 物联网硬件和无线网络的虚拟化 . . . . . . . . . . . . . . . 12305.3.2 DES-Virt: 用于物联网的虚拟化框架 . . . . . . . . . . . . . . . 12405.3.3 经验教训 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12605.4 在线、原地能耗分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12705.4.1 能耗评估 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12705.4.2 当前 vs. 耗尽测量 . . . . . . . . . . . . . . . 13005.4.3 DES-eProf: 能耗分析 . . . . . . . . . . . . 13105.4.4 经验教训 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13605.5 总结和贡献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1360III 用于能效和可靠性的网络协议 13906 低功耗和有损链路上的能效和可靠性的信息中心方法 14106.1 为什么选择信息中心网络用于物联网? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14106.2 低功耗和有损链路上的信息中心方法的挑战 . . . . . . . . . . . . . . . . 14206.2.1 链路层考虑 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14206.2.2 自动配置的名称 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14306.2.3 支持推送流量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14406.2.4 非对称和单向链路 . . . . . . . . . . . . . . 14506.3 信息中心网络物联网场景中的路由 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14506.3.1 信息中心物联网的基本路由机制 . . . . 14606.3.2 实验评估 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14706.4 多个消费者和缓存的影响 . . . . . . . . . . . . . . . . 15006.5 与6LoWPAN的比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15206.5.1 定性比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15206.5.2 定量比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15506.6 总结和贡献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1560x 目录07 信息中心合作缓存策略 15907.1 信息中心网络对休眠节点的支持 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15907.2 休眠和缓存策略 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 7.2.1 休眠策略 . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 16107.2.2 基于名称的缓存策略 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16307.2.3 基本实施要求 . . . . . . . . . . . . . . . 16407.3 评估 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 7.3.1 理论模型 . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 16507.3.2 实验评估 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16807.4 进一步增强策略 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 7.4.1 复制策略 . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 17107.4.2 自动配置机制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17307.5 总结和贡献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17608 ICN over TSCH 17708.1 ICN over TSCH的思想 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17808.2 链路层自适应的潜力 . . . . . . . . . . . . . . . . 17908.3 信息中心网络预留机制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 8.3.1 日程安排构建和维护. . . . . . . . . . . . 18008.3.2 评估 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18308.4 总结和贡献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18809 结论18909.1 展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1900法语简历1930图表列表1980表格列表1990缩写词2010作者的出版物2090参考文献2130术语表06LoWPAN边界路由器6LoWPAN边界路由器是连接LoWPAN和互联网的6LoWPAN网络中的路由器。因此，它通常至少具有两个接口，例如IEEE802.15.4无线电和以太网接口。31，38，48，153，2010DES-TestbedDES-Testbed是位于柏林自由大学校园的混合无线网络，由60个节点分散在真实的方式中。所有节点都由配备多个IEEE802.11a/b/g/h收发器和一个MSB-A2传感器节点的无线网状路由器组成。它在2016年之前是一个独立的测试平台，于2016年7月成为FITIoT-LAB的一部分。xii，86，88，115，116，118，121，124，137，1470FIT IoT-LAB FITIoT-LAB是一个用于物联网研究的大规模测试平台。它由分布在法国和德国七个不同地点的2700多个无线节点组成。提供不同的硬件平台。xi，xii，11，14，86，88，100，115，119-121，168，174，1830GitHubGitHub是一个基于Web的Git存储库托管服务，配有几个协作功能。它也是开源开发人员的一种社交网络。46，47，50，86，1120GNRC RIOT的默认网络堆栈（截至2016年8月）支持以太网、IEEE802.15.4、IPv6、UDP和RPL。xii，15，92，96，100，103-108，110，113，1970IEEE 802.15.4 IEEE802.15.4是一种定义物理和链路层技术的规范。最初定义为个人区域网络（PANs），现在在其他用例中也变得相关，例如工业自动化或智能计量。基本配置使用CSMAMAC。帧大小限制为127字节，数据速率最大为250 kbit/s，并且传输在次GHz和2.4GHzISM频段的26个信道上进行。xii，4-6，8，10，11，26，28-30，39，46，48，71，101，154，177，180，1820信息中心网络信息中心网络（ICN）是一种与当前以主机为中心的网络不同的网络范例，它专注于命名信息（或命名数据或内容）。vii，ix-xii，14-16，50，51，107，108，141-143，145，150，152，156，157，159，176-180，182-184，186，188-191，194，195，199，203，210-212，226，2280xii 术语表0IoT-LAB-M3是部署在FIT IoT-LAB测试平台上的硬件平台。它配备了32位ARMCortex-M3微控制器，64kB的RAM，256kB的ROM，IEEE802.15.4无线电收发器和四种不同的传感器（光线、加速度计、陀螺仪、压力）。21,59, 90, 96, 97, 100, 104, 156, 168, 170, 1830MSB-A2ScatterWeb模块化传感器板A2是在柏林自由大学开发并部署在DES-Testbed中的硬件平台。它配备了32位ARM7微控制器，96kB的RAM，512kB的ROM，使用专有的Sub-GHz技术的TICC1100无线电收发器，SHT11温湿度传感器和LTC4150库仑计数器。132-135, 155,156, 1970netapi是GNRC的中央基于IPC的模块间通信API。096, 103-106, 108, 113, 1910待处理兴趣表（PIT）是ICN中存储生成和转发兴趣的数据结构。50, 143-145, 150,159, 164, 179, 181, 2050第1章 引言0通常将直接连接到物理世界的配备有微控制器（MCUs）和收发器的微型设备称为智能对象。新兴的物联网旨在将这些通常资源受限、通常由电池供电的通信设备无缝集成到全球互联网中。智能对象通常通过低功耗和丢包率较高的链路进行连接。因此，互联网中的主机和链路的异构性大大增加。物联网的一端由这些直接与物理世界交互的智能对象组成，例如通过控制引擎或感知温度。另一端由强大的服务器组成，可以作为后端，例如提供管理Web界面或存储传感器值的数据库。在这些设备之间实现端到端的连接，直接与物理世界、服务或互联网用户进行耦合，创造了大量新的应用领域，但也带来了许多新的挑战。智能对象是许多所谓的智能服务的关键。例如，在工厂自动化中，直接访问物理设备可以实现更短的反应时间，并收集关于系统的更精细的信息。这样可以比传统系统更有效地使用资源，传统系统需要将数据由中央实体或离线处理。然而，物联网也对软件架构和网络协议提出了许多新的挑战，这些协议和协议需要在这些智能对象之间和之间运行。一方面，这些设备既不能运行像Linux或BSD这样的知名成熟操作系统，也不能使用传统的Internet协议，如IPv4或HTTP。另一方面，提供标准化的应用程序编程接口（API）和协议对于确保不同供应商之间的互操作性以及与现有Internet系统的兼容性非常重要。01.1 从无线传感器网络到物联网0第一个研究领域专注于由资源受限的设备组成的分布式系统，这些设备通过不可靠的低功耗无线链路连接在一起，被称为无线传感器网络（WSNs）。这个研究领域起源于0第1章 引言0图1.1：典型的无线传感器网络场景，其中专用的接收器连接到互联网或数据库。0智能尘埃研究项目始于1998年，由加州大学伯克利分校发起[Kahn et al.,1999]。近20年来，我们设计、实施和评估了各种协议和网络算法，以解决这些系统的特殊性和限制性。我们发表了大量的文章，分析了理论模型，讨论了模拟结果，并进行了实验室研究[Karl and Willig, 2007, Khan et al.,2016]。与此同时，该领域的研究人员开发了必要的工具和软件组件来研究这些系统。除了实现协议、算法框架、模拟器和仿真器，或者实验库之外，我们还实现了各种适用于典型无线传感器网络用例的操作系统和中间件[Moubarak and Watfa, 2009, Rawat et al.,2014]。0随着时间的推移，专有的协议栈，如ZigBee或WirelessHART，已成为商业场景中的默认解决方案[Gungor和Hancke，2009]。WSN的典型用例包括农业控制、灾害预防系统、野生动物或结构健康监测[Akyildiz和Vuran，2010]。在大多数这些WSN场景中，收敛广播是典型的通信模式，传感器值被转发到单个数据汇聚点，例如连接到Internet或数据库的更强大的网关节点，如图1.1所示。因此，每个WSN部署通常由一个实体通过网关进行控制。该实体还对网络和WSN内部的数据拥有完全的管理权。通常，这些网络只部署一次，只有在替换故障节点或响应任务动态变化时才添加其他节点[Akyildiz等，2002]。01.1.从WSN到IoT 30新的硬件和新的商业模式0与此同时，不仅算法和协议达到了一定的实用水平，而且在这个领域的硬件也已经发展到满足工业和商业部署的要求：0■MCU不仅足够小巧和节能，而且价格非常低廉。0■相对简单的数字无线电收发器，易于编程并提供节能的RX和TX操作。0■大量廉价的传感器，用于测量各种物理属性。0然而，预计在这个领域的新一代硬件不会放松计算或内存约束：预计IoT设备会变得更小、更便宜、更节能[Mirani，2014]。硬件设计和算法的创新使许多新的商业模式出现。除了传统的WSN部署，还发现了多个新的用例，例如智能建筑、智能家居、工业自动化、智能计量和智能电网，可以用于潜在的商业策略。但是，对于具有非常不同要求的运营领域，如医疗保健、航空航天工业或城市政府，这些技术也成为潜在的受益者。0用例的异构性、硬件和通信协议的多样性、众多利益相关者的存在以及IoT的普遍和持久性给人们带来了一系列新的机遇和挑战。0所有这些商业、工业和政府用例也为标准化工作提出了要求。一方面，不同供应商的设备在网络堆栈的各个层面上具有互操作性变得越来越重要。另一方面，软件组件也出现了类似的兼容性需求。逐渐地，人们逐渐意识到需要与全球网络基础设施进行自然、无缝的互连：物联网的愿景出现了[Ko等，2011]。因此，不同的标准化机构，如电气和电子工程师学会（IEEE）、互联网工程任务组（IETF）、开放移动联盟（OMA）或对象管理组（OMG）等，已经着手解决这个任务并发布了相应的协议规范。例如，IETF引入了一套标准：IPv6 over IEEE 802.15.4networks（6LoWPAN）[Montenegro等，2007，Hui和Thubert，2011]（一种适配层，用于0第1章引言0紧凑的长IPv6头使其适应传感器网络的短帧（例如IEEE802.15.4帧），低功耗和丢失网络的路由协议（RPL）[Winter等，2012]（一种路由协议）和受限应用协议（CoAP）[Shelby等，2014]（一种允许低功耗设备作为Web服务器的应用层协议）。这些新兴标准也作为更多商业用例的催化剂。那些不使用这些新技术的公司被标准解决方案的可用性所吸引。在过去的40年中，将Internet协议（IP）作为协议栈的狭窄腰部来实现低端设备与传统Internet服务之间的端到端连接已被证明可以很好地适用于各种用例。因此，使用IP套件协议在一侧连接低端设备和另一侧的传统Internet服务，为一整套新的商业用例提供了可能。与WSN场景相比，IoT部署具有更大的异构性。不仅在硬件和链路层技术方面，而且在网络配置和应用方面也是如此。与部署为针对特定用例定制的单独网络不同，IoT应用由几个组件组成，这些组件应该无缝地协同工作-在这些IoT设备之间以本地的临时方式，通过完整的有线骨干技术相互连接，甚至通过云服务。此外，IoT部署还应该在长时间且通常不确定的时间跨度内部署。WSN部署的规模通常不会发生较大变化[Akyildiz等，2002]，而预计IoT部署将逐渐扩展和更新。因此，对于标准（例如Internet协议套件）的需求是不可避免的。01.2 使用案例0物联网包括各种专业用例[Gubbi et al.,2013]。与无线传感器网络场景相比，这些用例涵盖了许多不同的通信和流量模式[Tschofenig et al.,2015]。因此，重要的是仔细研究一些物联网应用的用例，以了解各种场景的多样性并得出特定的要求。因此，本节介绍了四个非常不同的用例。对于每个用例，本节都会呈现0■ 典型应用0■ 一个示例场景0■ 可以通过部署物联网来克服的传统系统的限制0解决方案和0■ 在该领域部署物联网的主要挑战01.2. 使用案例 50工业自动化0应用领域：钢铁厂、炼油厂、化工行业或发电厂是工业环境中发生复杂监测和管理过程的示例。温度、压力、振动或储罐液位等传感器值被用于控制执行器并协调生产阶段，通常由数千个节点完成。与传统互联网相比，这些应用对工业网络的特殊要求导致了技术、协议和标准的完全解耦开发。互联网的构建是为了连接数十亿个异构设备，在全球范围内传输大量数据，而工业网络通常部署在工厂车间内，通常连接数百或数千个设备。在许多情况下，工业应用中的流量和内容数据量并不是很大，但可靠性、可信赖性和确定性延迟通常是强制性的。0一个示例场景示例场景1是一个使用组合的IEEE802.15.4和电力线通信（PLC）网络的工厂自动化应用。预计将使用大规模网络，最多可达8000个节点，密度高，有许多直线连接（最多三跳）。需要具有≈10字节有效载荷和数据速率>100kbit/s的双向传输。还需要端到端延迟低于100毫秒和误差低于100微秒的时钟同步。所有节点都由电池供电，并且应该可以通过空中重新编程。需要安全通信和自动配置，支持硬件加密。节点具有128 kB ROM和20 kB RAM。0传统系统的局限性：传统上，有线网络被用于满足工业系统的要求[Decotognie andPleinvevaux,1993]。然而，有线解决方案并不总是可行的。在许多情况下，由于规划和安装所造成的布线成本是一个禁止因素。易爆环境和高温表面（例如在炼油厂中）是有线解决方案的其他限制。最后，移动设备根本无法以有线方式连接。因此，无线技术在工业应用中变得越来越有吸引力，大大降低了安装成本。为了提供类似有线的可靠性，并在数年内提供无需维护的运行，最终导致了专门的无线技术，如0此示例来自一家使用RIOT进行业务模型的公司。
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