物联网核心概念与技术解析

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1、物联网的简单定义是什么？“更完整的定义”是什么？主要区别是什么？

物联网定义解析

简单定义

物联网可以被认为是互联网、事物和数据的交集。

更完整的定义

物联网应包括“标准”和“流程”，使“事物”通过“互联网”，使用保证互操作性的行业“标准”来交换“数据”，并实现有用且大多自动化的“流程”。

主要区别

更完整的定义增加了“标准”和“流程”，以保证事物连接的互操作性和实现有用的自动化流程。

2、赋能物联网的四个主要组件是什么？请列出每个组件的主要功能。

物联网的四个主要组件

赋能物联网的四个主要组件如下：

传感器

主要功能是收集信息。

标识符

用于识别数据来源。

软件

用于分析数据。

互联网连接

用于通信并实现通知功能。

3、物联网的前景承诺是什么？物联网的最终目标是什么？

物联网的前景与目标

物联网对个人的前景承诺是描绘了一个未来世界，周围环境中的所有事物都连接到互联网，并能相互无缝通信以实现智能运行。

对企业而言，物联网的应用包括：

利用对数千个服务或产品相关参数的自动感知和及时分析，在服务体验或产品运行受影响之前自动采取行动；

从各种内外部来源收集和分析大量结构化和非结构化数据，以提供更好的服务和改进业务流程，从而获得竞争优势。

物联网的最终目标是为人类创造一个更好的环境，让周围的物体无需明确指令就能了解我们的喜好、需求并相应地行动。

4、为什么运营技术（OT）面临与信息技术（IT）集成的压力？

由于前沿企业采用物联网技术的压力，传统IT难以满足物联网解决方案的

引入、运营、监控

及

处理大量监控数据

等需求，IT正快速进入工厂车间，OT被迫接受更高程度的集成，否则传统IT和OT功能若不合并，企业将面临被前沿竞争对手抢占业务的风险。

5、什么是KISS原则？KISS用户体验的五大原则是什么？

KISS原则与用户体验

KISS原则指出，大多数系统保持简单时运行效果最佳。

KISS用户体验的五大原则

简单易用原则

：

最佳的用户体验系统是无用户界面的系统。设计应将简单性作为关键目标，避免不必要的复杂性。尽可能减少用户的认知负担，确保用户界面一致、稳定、直观，并建立清晰的视觉层次结构。

情境原则

：

确保用户能在系统中了解自己所处的情境。

人性化原则

：

确保用户界面提供的是人与人之间的交互，而非机器般的交互。

参与原则

：

确保用户界面能让用户充分参与，提供价值，并传递强烈的信息感。

美观愉悦原则

：

确保用户体验令人愉悦，让用户愿意使用该系统或服务。

6、分析1.0、2.0和3.0在数据分析方面的四个关键区别是什么？

四个关键区别为：收集的数据类型、数据分析位置、数据分析时间和数据量。

收集的数据类型

– 1.0：结构化数据

– 2.0 和 3.0：结构化和非结构化数据

数据分析位置

– 1.0 和 2.0：集中式数据中心

– 3.0：边缘和数据中心

数据分析时间

– 1.0：数天到数小时

– 2.0：数小时到数分钟

– 3.0：数秒到数微秒

数据量

– 1.0：小数据

– 2.0 和 3.0：大数据

7、在虚拟化中，虚拟机和容器的主要区别是什么？请举例说明一种容器技术。你更喜欢哪种方式，为什么？

虚拟机与容器的区别

虚拟机和容器的主要区别在于：

虚拟机

：是硬件抽象层的虚拟化技术，提供计算平台的硬件和软件资源抽象，包含所有驱动、完整操作系统和所需库。

容器

：是操作系统级的虚拟化技术，包含部分操作系统和选定库，是运行应用程序所需的最小部分，多个容器共享同一操作系统和通用库。

与虚拟机相比，容器的优势与局限

优势

：

在内存和处理需求方面更轻量级。

在特定硬件上可支持更多容器并发运行，具有更好的可扩展性。

迁移速度更快。

局限

：

不能用于部署需要不同操作系统环境或版本的应用。

由于共享操作系统存在安全隐患。

虚拟机的优势

每个实例有独立操作系统。

安全威胁相对较小。

容器技术的例子

Linux容器（LXC）

开源的Docker

如何选择？

如果追求

高可扩展性

、

快速迁移

和

轻量级部署

，可选择

容器

。

如果需要

部署不同操作系统环境或版本的应用

，更

注重安全性

，

虚拟机

是更好的选择。

8、列出当今互联网的核心协议——TCP/IP协议的两个主要功能。

提供端到端连接；规定数据的打包、寻址、传输、路由和接收方式。

9、用户体验专家常说“系统的最佳界面是没有用户界面”。这句话是什么意思？它通常在什么情况下适用？请在网络技术领域举一个例子。

这句话意味着最佳的用户体验系统是无需用户界面的系统，设计应追求简单，避免不必要的复杂性，尽可能减少用户的认知负担。

它通常适用于避免过度设计、追求简洁易用的场景。

在网络技术领域，例如一些智能传感器网络，传感器自动收集和传输数据，用户无需通过复杂界面操作，系统就能自动完成任务，这就是“最佳界面是没有用户界面”的体现。

10、(a) 什么是电路交换技术？什么是分组交换技术？(b) 电路交换网络和分组交换网络有什么用途？各举一个使用示例。(c) 为什么我们需要分组交换技术？(d) 以表格形式列出分组交换和电路交换的三个主要区别。(e) 哪种方法更适合互联网，为什么？

(a)

电路交换技术

：传统电话电路采用的技术，每次通话在两个通信站点（可能是电话或计算机）之间分配一条专用的、端到端的电子连接。

分组交换技术

：将数据分割成多个数据包进行传输的技术，数据包单独在网络中传输，不一定遵循相同路径。

(b)

电路交换网络用途

：主要用于传统电话通信。

示例

：普通的语音通话。

分组交换网络用途

：用于计算机通信。

示例

：计算机之间的文件交换。

(d)

比较项	分组交换	电路交换
线路使用	线路非专用，多个数据包可共享网络资源	线路专用，在通信期间其他设备不能使用
传输方式	数据包单独传输，可走不同路径	通信双方占用固定路径
适用场景	适合计算机通信	适合语音通信

(e)

分组交换更适合互联网

。

原因

：互联网中计算机信息交换是“突发式”的，分组交换能更高效地利用网络带宽，避免线路空闲浪费，提高网络资源利用率。

11、一些公司用IoE代替IoT，他们的逻辑是什么？

这些公司认为如今的互联网是“人的互联网”，主要连接人们使用的应用程序，而物联网设想连接“物”，“物”会在需要时通过智能通信采取行动。

IoE结合了“人的互联网”和“物的互联网”，其包含以下四个关键组件：

人

：将人以更相关的方式连接起来

流程

：将数据转化为智能，以做出更好决策

数据

：在正确的时间将正确的信息传递给正确的人或机器

物

：让物理设备和物体相互连接，以进行智能决策

12、以太网和点对点协议（PPP）是数据链路层协议示例。请列举另外两个数据链路层协议。

ARP、MAC

13、A. 路由器的主要组件有哪些？B. 哪个组件被认为是最重要的？C. 为什么？

A. 路由器的主要组件有：

CPU（中央处理器）

RAM（随机存取存储器）

ROM（只读存储器）

闪存（Flash）

NVRAM（非易失性随机访问存储器）

接口/端口

B. CPU被认为是最重要的。

C. 因为CPU是路由器的核心，包含执行路由器程序指令的逻辑电路，负责执行操作系统命令，包括初始化、路由和交换功能。

14、NVRAM的主要功能是什么？为什么该功能对路由器的运行很重要？

NVRAM 的主要功能

NVRAM 的主要功能是存储“启动配置”文件（“startup config”），该文件在系统启动时用于配置软件。

重要性

该功能对路由器运行很重要，因为：

NVRAM 在断电时不会丢失内容；

路由器重新加载时，其配置不会被擦除；

可避免因重启或断电导致配置更改丢失。

15、网络管理员如何确保在路由器重启或断电的情况下，配置更改不会丢失？

将“运行配置”文件从RAM复制到NVRAM，配置更改会作为“启动配置”文件存储在NVRAM中。

16、路由器没有像显示器、键盘或鼠标这样的输入设备。网络管理员如何与路由器通信？列出所有可能的情况。这些接口之间的主要区别是什么？

网络管理员与路由器通信的可能情况及接口区别

控制台（管理）接口

管理员通过带有RJ-45或迷你USB连接器的计算机直接登录路由器（无需使用网络连接），通常用于初始设置，因为初始时缺乏如SSH或HTTPS等网络连接。需要在PC上安装终端仿真应用程序（如HyperTerminal或PuTTy）来连接路由器。

辅助接口

允许从远程位置直接非网络连接到路由器，使用调制解调器可插入的连接器类型，用于在常规连接失败时进行故障排除。与控制台端口不同，辅助端口支持硬件流控制，能处理调制解调器更高的传输速度，也是异步串行端口，使用带DB-25适配器的翻转电缆连接到调制解调器。

USB接口

用于向路由器添加USB闪存驱动器。

串行接口（异步和同步）

配置该接口可使管理员启用广域网（WAN）访问、旧协议传输、控制台服务器和远程网络管理等应用。

以太网接口

以太网是计算机在局域网（LAN）中最常用的连接类型，一些供应商将以太网端口分为标准/经典以太网（通常速度为10 Mbps）等。

17、有多少个可用的IPv4地址？请说明理由。

大约有43亿个可用的IPv4地址。因为IPv4地址由32位组成，2的32次方等于4294967296，约为43亿。

18、地球上每平方米将有多少个 IPv6 地址？

约 667×10²¹（667 sextillion）个

19、内部路由协议和外部路由协议的主要区别是什么？

路由协议分类

内部路由协议

用途

：用于更新自治系统（AS）内路由器的路由表

运行范围

：在自治系统范围内运行

常见协议

：

RIP

EIGRP

OSPF

外部路由协议

用途

：用于更新属于不同自治系统的路由器的路由表

功能

：提供自治系统之间的路由

常见协议

：

EGP

BGP

20、什么是距离矢量协议？为什么叫矢量？它应用于何处？

矢量协议

在距离矢量协议中，矢量包含

距离

和

方向

，使用

跳数

作为度量来确定到远程网络的路径。

所有相邻路由器会向其邻居发送关于自身连接性的信息

信息表明其他路由器与它们的距离

所有路由器仅与邻居交换信息

之所以叫“矢量”，是因为其中的矢量包含

距离

和

方向

两个要素。

应用

距离矢量协议用于

内部网关协议（IGPs）

中

例如：

路由信息协议（RIP）

属于距离矢量协议

在

TCP/IP网络的自治系统内部

发挥作用

21、何时使用静态路由，何时使用动态路由？为什么？


静态路由应限于具有可预测流量行为的简单网络，因为静态路由定义的是两个路由器之间手动配置的特定路径，网络发生变化时必须手动更新。动态路由适用于更复杂、网络状况多变的场景，因为动态路由需要路由设备中的软件来计算路由，动态路由算法能适应网络变化并反复选择最佳路由，基于互联网的路由协议本质上是动态的，路由表会自动更新以捕捉网络变化。

22、大多数 IP 网络使用动态路由在路由器之间进行通信，但可能会有一两条静态路由。为什么要使用静态路由？

静态路由适用于具有可预测流量行为的简单网络，因为静态路由定义了两个路由器之间手动配置的特定路径。当网络发生变化时，需手动更新路由信息，因此使用应限于简单网络。

23、列出物联网中“物”的三大要求是什么？这些要求背后的目的是什么？

三大要求

感知

– 目的：识别和收集关键参数以进行分析。

执行

– 目的：解决传感器无法控制或修复“物”的问题。

唯一标识

– 目的：在互联网上唯一识别“物”。

24、为什么物联网网络中需要执行器？

传感器负责感知周围变化、收集相关数据并提供给监控系统，但仅收集和显示数据无用，除非将数据转化为可用于控制或管理环境的信息，以避免服务受影响。

执行器利用传感器收集和分析的数据以及其他类型的数据智能来控制物联网系统，例如当测量压力低于特定阈值时关闭气流。

25、物联网中传感器的定义是什么？为什么大多数传感器需要模数转换器？

传感器的主要目的是从周围环境收集数据，并将输出提供给相邻设备（如网关、执行器）或应用程序。

传感器通常使用物理接口（输入）来感知环境，然后将输入信号转换为通信和计算设备能理解的电信号（输出）。

由于传感元件本身通常产生模拟输出，所以大多数传感器需要模数转换器。

26、连接事物和收集数据的商业目标是什么？如何实现这一目标？

商业目标与实现方式

连接事物和收集数据的商业目标是从这些对象中获取智能，以丰富产品和服务。

实现方式

通过将事物与云技术相连接并利用移动性

在任何地点和任何时间捕获和共享所需数据

对这些数据进行分析，为企业和消费者提供价值

价值体现

提供服务状态和位置的最新信息

使企业能够实时了解资产、人员和交易的位置、动态和状态

帮助企业做出更明智的决策

创造新的商业模式

改进业务流程

降低成本和风险

27、流量传感器的两个主要用途是什么？

流量传感器用于检测和记录管道或系统中流体的流量，还用于测量由流动介质引起的热量流动/传递。

28、以表格形式列出压力传感器应用的五个行业示例，并在每种情况下列出至少一个主要应用。

行业	主要应用
电子设备	用于触摸屏智能手机、平板电脑和计算机，检测屏幕压力位置
汽车	测量流体液位、应用于安全气囊和防抱死制动系统
生物医学	感知血压
航空	维持飞机大气压力与控制系统之间的平衡
潜艇	估算深度并确保电子系统和其他组件正常运行

29、零售商如何结合Wi – Fi接入点数据和视频跟踪来提高销售额和客户体验？

零售商利用复杂算法分析视频流量，跟踪顾客眼球运动，识别其对产品的关注和扫视动作。收集的数据会根据既定业务规则进行筛选，以确定内部行动（如改变商品位置、增加收银台）或外部行动（如为顾客提供特定折扣）。

对于不愿下载零售商应用程序的顾客，可使用 Wi-Fi 三角测量法生成详细的热力图。

此外，还可通过网络技术（如 Wi-Fi）跟踪顾客购物行为，结合视频跟踪的数据，根据购买模式、在线浏览和搜索趋势等向顾客发送特殊优惠，以增强顾客体验。

30、风速传感器通常包含一个由风驱动的旋转元件。这些传感器会报告该移动元件的旋转频率。接收频率读数的应用程序需要应用一个“传递函数”，将频率转换为实际风速。在温哥华国际机场的气象监测站，安装了两个风速传感器：一个是RM Young 05103风速传感器，另一个是维萨拉WM30风速传感器。第一个传感器的传递函数如下：风速（米/秒） = 0.0980 * 频率。第二个传感器的传递函数为：风速（米/秒） = 0.699 * 频率 – 0.24。(a) 如果RM Young传感器报告的频率为20 Hz，并且假设两个传感器测量的是相同的风速值，那么维萨拉传感器报告的频率是多少？(b) 实际测量的风速是多少？

(a) 首先根据RM Young传感器的传递函数算出风速：

风速 = 0.0980 * 20 = 1.96 m/s

然后将此风速代入维萨拉传感器的传递函数求频率：

1.96 = 0.699 * 频率 – 0.24

解得频率：

频率 = (1.96 + 0.24) / 0.699 ≈ 3.15 Hz

(b) 由前面计算可知，实际测量的风速是 1.96 m/s。

31、什么是“受限”设备？请列举它们的类别和特点。

受限设备概述

受限设备指处理、内存和电源资源有限的小型设备，通常在以下一个或多个维度受限：

最大代码复杂度

（ROM/Flash）

运行时状态和缓冲区大小

（RAM）

特定时间内的计算量

（“处理能力”）

可用电源资源

用户界面管理和部署可访问性

（如设置安全密钥、更新软件等）

分类标准（IETF RFC 7228）

根据前两个维度，IETF RFC 7228定义了受限设备的分类，分为三类：

0类设备

内存和处理能力方面受限最严重

通常无资源直接连接IP网络

需借助代理或网关等辅助设备实现连接

示例：传感器节点

1类设备

代码空间和处理能力上高度受限

只要“节省状态内存、代码空间以及协议和应用使用的电力消耗”，就能直接连接IP网络

运行某些要求高的IP协议（如BGP、OSPF、HTTP或传输层安全协议）存在挑战

使用冗长的数据序列化格式（如XML）交换数据时面临困难

2类设备

与前两类相比受限较小

能够运行与通用计算节点相同的IP栈

使用轻量级高效通信栈可将资源用于应用而非网络

能源约束

受限设备在

电源和/或能源资源方面也存在约束

能源消耗是物联网设备的主要问题

通信的能源消耗比本地处理功能高出三个数量级以上

电源受限设备常采用长时间处于无网络连接的睡眠模式

仅在有数据要发送时连接网络的策略

32、是什么使一个网络成为“确定性网络”？

如果基于网络的合理模型可以确定感兴趣消息的最坏情况通信延迟和抖动，则称该网络支持

确定性

，从而被视为“

确定性网络

”。

当一个模型能充分代表网络系统目标用例的现实情况时，它就被认为是

合理的

。

33、什么是本体？为什么本体适用于物联网？

本体与物联网中的语义互操作性

本体是对存在或现实的本质，以及存在的基本范畴及其关系的哲学研究。

本体工程

是为特定领域开发本体的一系列任务，它为解决语义障碍带来的互操作性问题提供了方向。

在

物联网

中，流畅的机器对机器通信依赖于不同系统将数据映射到共享语义的能力。

语义互操作性

是应用互操作性金字塔的顶部，处理交换消息的内容及其关联意义。

本体可以通过开发普遍且通用的信息模型来捕捉特定垂直领域的知识，从而实现语义互操作性，因此适用于物联网。

34、请列举三个对网络协议有影响的物联网关键要求。

对受限设备的支持、大规模可扩展性、确定性

35、IP协议栈的哪些特性促成了互联网的成功？

IP协议栈的两个关键特性促成了互联网的成功：

标准化层（IP层）

它在容纳众多链路层技术和大量应用协议的同时，保证了系统的互操作性，构成了互联网协议栈的核心。

分层抽象

它将各层的细节对相邻层隐藏，这种抽象定义了契约或“滑动表面”，使一层的创新能独立于相邻层进行。

36、物联网选择互联网作为底层网络这一选择是否一直是既定或公认的事实？

不是。研究人员和技术专家在深入研究物联网领域时，对于是否适合采用互联网协议栈用于物联网，还是需要一个新的协议栈，引发了热烈的讨论。20世纪90年代末和21世纪初，无线传感器网络领域的许多研究人员认为物联网的需求与互联网技术有很大不同，认为互联网技术在很多方面无法满足物联网的需求，主张采用全新的方案而非复用互联网技术。

37、列举物联网设备的各种供电方式。

物联网设备的供电方式包括：从市电获取电力、配备可充电电池、从周围环境收集能量。

38、描述0类受限设备的特征。

0类受限设备

0类受限设备在内存和处理能力方面受到最严重的限制。一般来说，这类设备没有资源直接连接到IP网络，需要借助代理或网关等辅助设备实现连接，例如传感器节点就属于此类。

数据大小

：远小于10KB

代码大小

：远小于100KB

39、什么是“语义互操作性”？为什么它在物联网中很重要？

语义互操作性在物联网中的重要性

语义互操作性保证物联网中的应用实体能够明确地访问和解释数据，处理交换消息的内容及其关联含义，而非仅关注消息格式。

实现方式

开发通用信息模型或本体

提供语义中介或翻译器

重要性

在物联网中，没有语义互操作性，就无法以有用的方式共享数据。它能保证通用词汇，为准确可靠的通信铺平道路，是自动化信息通信和交互的关键推动因素之一。

40、可扩展性如何影响网络控制平面？请解释受影响的各个方面。

随着参与特定协议的节点数量增加，每个节点需要维护的状态量会增加，保持分布式状态表同步所需的消息量也会增长。超过特定限制后，扩展特定控制平面协议通常会对协议的收敛时间、节点资源和整体网络响应产生不利影响。

物联网的可扩展性要求弹性控制平面机制，以适应大量连接设备。

41、随着确定性网络的出现，哪些类型的应用可以迁移到 IP 技术？

确定性网络使目前依赖于专用非基于数据包的（现场总线）技术（如 HDMI、CAN 总线、Profibus 等）的应用能够迁移到互联网协议技术，以在同一物理网络上支持这些新应用以及现有的 IP 网络应用。在工业应用中，这会导致所谓的

“OT/IT”

融合。

42、在功耗方面，通信和本地处理哪个成本更高？这对物联网设备意味着什么？

在功耗方面，通信比本地处理成本更高。研究表明，通信的能耗比执行本地处理功能高出三个数量级，尤其是在使用无线通信时，无线电消耗了设备大部分能量。这意味着能耗是物联网设备的一个主要问题，功率受限的设备通常采用的策略是长时间处于无网络连接的睡眠模式，仅在基于定期计时器或异步触发器（如新数据出现或检测到事件）时连接足够长的时间来发送本地数据。同时，需要在协议栈的所有层采用轻量级、节能且考虑带宽的通信协议来满足受限设备的需求。