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。

陈红松，北京科技大学计算机系教授，博士生导师，中国计算机学会高级会员，美国IEEE会员。主要从事网络空间安全领域的创新研究与工程应用。在大规模关键信息基础设施安全态势感知、物联网跨域安全、网络安全漏洞检测、人工智能攻防理论与方法等方面取得创新性研究成果，获得北京市科学技术二等奖1项（网络空间大规模关键信息基础设施安全态势感知关键技术研究与应用），发表高水平学术论文60余篇，获得授权发明专利12项、转让4项，出版网络空间安全领域教材及专著6部，担任多本国际著名SCI期刊编委及审稿专家。

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