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本书探讨了物联网的现状和未来发展趋势，以及所面临的相关安全问题。作者艾哈迈德·巴纳法（ Ahmed Banafa）教授将区块链、人工智能和雾计算等新技术引入物联网安全问题的解决方案当中，向我们展示了这些新技术通过融合解决物联网安全问题的可能性。在本书中，作者就如何保护物联网的安全发展也给出了自己的一些建议， 同时就目前人们对区块链技术的一些误解给出了解释，并提出了合理应用区块链技术的一些建议。
本书适合对物联网、人工智能、区块链及雾计算等新技术感兴趣的读者阅读。
智能物联网
区块链与雾计算融合应用详解
[美] 艾哈迈德·巴纳法（Ahmed Banafa）著
马丹 老白 沈绮虹 译
人 民 邮 电 出 版 社
北 京
图书在版编目（CIP）数据
智能物联网：区块链与雾计算融合应用详解 /（美）艾哈迈德·巴纳法（ Ahmed Banafa）著；马丹，老白，沈绮虹译.--北京：人民邮电出版社，2020.8
ISBN 978-7-115-53833-8
Ⅰ.①智… Ⅱ. ①艾… ②马… ③老… ④沈… Ⅲ ①电子商务一支付方式一应用一互联网络一研究②电子商务一支付方式一应用一智能技术一研究 Ⅳ. ①TP393.4 ②TPl8
中国版本图书馆CIP数据核字（2020）第065672号
版 权 声 明
Secure and Smart Internet of Things （IoT）：Using Blockchain and Artificial Intelligence （AI）
Copyright © River Publishers,2018
All rights reserved.
Simplified Chinese translation copyright © 2020
by POSTS & TELECOM PRESS Co.,LTD.
著 [美]艾哈迈德·巴纳法（Ahmed Banafa）
译 马 丹 老 白 沈绮虹
责任编辑 郎静波
责任印制 陈 犇
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 https：//www.ptpress.com.cn
三河市中晟雅豪印务有限公司印刷
开本：700×1000 1/16
印张：10.25 2020年8月第1版
字数：91千字 2020年8月河北第1次印刷
著作权合同登记号 图字：01-2019-3824号
定价：49.00元
读者服务热线：（010）81055410 印装质量热线：（010）81055316
反盗版热线：（010）81055315
广告经营许可证：京东市监广登字20170147号
本书探讨了物联网的现状和未来发展趋势，以及所面临的相关安全问题。作者艾哈迈德·巴纳法（Ahmed Banafa）教授将区块链、人工智能和雾计算等新技术引入物联网安全问题的解决方案当中，向我们展示了这些新技术通过融合解决物联网安全问题的可能性。在本书中，作者就如何保护物联网的安全发展也给出了自己的一些建议，同时就目前人们对区块链技术的一些误解给出了解释，并提出了合理应用区块链技术的一些建议。
本书适合对物联网、人工智能、区块链及雾计算等新技术感兴趣的读者阅读。
物联网将会把工厂、办公室和家中的一切智能设备都接入互联网，创造出一个万物互联的新世界。想象一下，一个体内有心脏起搏器的司机，正开着自动驾驶状态下的汽车穿过一个装有智能交通信号灯的路口。此时，每个联网的智能设备都可能成为黑客的攻击目标，对司机造成安全威胁。当设备制造商进行设备的远程无线升级时，这些设备也可能会被黑客入侵。
区块链提供的分布式账本技术，依靠加密算法的安全性可以防止信息被篡改，保证人人皆可透明地访问所需的信息。
区块链技术应用于物联网系统，可使跟踪设备的每个接入点成为可能，从而确保系统的安全性。区块链可提高供应链和物流作业流程的透明度，让产品从原产地到终端的运送过程一目了然。你甚至可以知道自己正喝着的咖啡是哪个农场生产的。区块链技术还将成为矿山、医院以及电网等关键基础设施的安全屏障。
在过去的几年里，我亲眼见证了巴纳法教授对物联网的热情。他深入研究物联网的相关技术，在写文章、做讲座和开展教学时尤为关注工业物联网的发展。
巴纳法教授在本书中深入浅出地介绍了如何综合应用区块链和人工智能等新技术来确保物联网的安全。相信本书会对物联网的从业者有很大的指导作用。
——苏达·贾姆（Sudha Jamathe）
斯坦福大学物联网和自动驾驶课程讲师
我们生活在一个激动人心的时代，新技术的出现使我们可以重新界定这个世界。物联网、人工智能、区块链、虚拟现实、雾计算等新兴技术的出现，使当代人能将在过去被认为是天方夜谭的事情变为现实。这种转变将体现在我们生活中的方方面面。未来，新兴技术的融合会对人们的生活方式产生巨大的影响。
伴随着新技术共同产生的网络安全漏洞，迫使人们直面隐私和相关的安全问题。然而，人们不会被这些问题难倒，并总能找到新的解决方法。区块链就不失为一种精妙的解决方法，它能提供一个安全和无须信任的去中心化框架。人们在此基础上有望构建一个固若金汤且透明可见的网络环境。
巴纳法教授所著的《智能物联网：区块链与雾计算融合应用详解》一书中，介绍了多种新技术的融合发展趋势。这些技术的融合驱动了人工智能从云计算走向边缘计算。我与巴纳法教授相识多年，十分钦佩他将学术理论与行业应用结合的能力。巴纳法教授对技术发展的预测也非常准确。在本书中，他分享了宝贵的技术见解，这对于想要了解技术发展趋势，却又不得其法的创业者将大有裨益。
我给各位读者的建议是把书中探讨的新技术与自身的工作相结合，试着去发现它们是如何在新世界的建设进程中起到重要作用的。
——苏迪尔·卡丹（Sudhir Kadam）
硅谷区块链技术专家
巴纳法教授在物联网和网络安全方面有丰富的研究经验。他所著的《智能物联网：区块链与雾计算融合应用详解》一书，探讨了一度被科幻小说家们称为“天网”的物联网技术。目前，物联网技术以极快的速度演进、融合并创造出了一个庞大的智能网络。
据专家估计，2020年，随着物联网革命的到来，全球会有约280亿台物联网设备。无处不在的物联网设备犹如一场寒武纪物种大爆炸：一个前所未有的发展机遇和由此引发的网络问题将同时出现。在这场技术变革中，准确把握网络安全风险及设备制造商面临的形势和任务是至关重要的。
想象一下，若恶意攻击者控制了一辆汽车的自动驾驶系统，会出现怎样的混乱局面。更有甚者会攻击联网的医疗设备以获取患者的隐私信息，这些事情想想就让人不寒而栗。
毫无疑问，令人毛骨悚然的网络犯罪将不再是科幻小说中的情节，而会变为现实生活中可能发生的真实事件。幸运的是，巴纳法教授替我们做了大量的研究，提出了一种有效的方法来应对这一可怕的局面。不论你是谁，《智能物联网：区块链与雾计算融合应用详解》都值得仔细阅读！
——阿布德·库里尼（Abood Quraini）
NVIDIA高级硬件工程师
据专家估计，2020年将有多达280亿台设备接入到互联网。其中只有三分之一是计算机、智能手机、智能手表和平板电脑，剩下的三分之二将是家用电器、汽车、机械设备、城市基础设施中的传感器和许多在过去无法连接到互联网的设备。
早期的互联网实现了计算机到网络的连接，移动互联网实现了人与人、人与网络的连接，现在物联网似乎已经准备实现科幻小说家笔下的情节，将人、传感器、智能设备全部互联起来。
简而言之，物联网带来的是人、物以及数据的融合。它正改变着我们生活和工作的方方面面。本书对物联网进行了多方面的探讨，并用深入浅出的语言解释了物联网的诸多复杂原理以及物联网技术与包括雾计算、人工智能和区块链等新技术融合应用的最新进展。
本书分为6个部分。
第一部分 什么是物联网
第二部分 物联网实施和标准化所面临的挑战
第三部分 保护物联网
第四部分 区块链、人工智能、雾计算与物联网的融合发展趋势
第五部分 物联网的未来
第六部分 深入了解区块链
如果有读者想要深入了解物联网以及它在商业中的应用，那么这本书正是为你们所写的。我所指的“你们”包括企业的管理者、产品经理、市场营销人员、律师和学生。
物联网即“万物相连的互联网”，是在互联网基础上延伸和扩展的网络，可将各种信息传感设备与互联网结合起来形成一个巨大的网络，实现在任何地点、任何时间，人、机、物的互联互通。这些接入网络的设备拥有可以与外部环境交互的嵌入式技术。换句话说，当一个设备能够像智能恒温器一样感知环境的变化并和人类交互时，它就会改变一个决策的发起者作出决策的方式。
物联网的崛起成了互联网发展的第三次浪潮。20世纪90年代的PC互联网浪潮连接了10亿用户，而后21世纪初的移动互联网浪潮又将20亿用户连接了起来。目前，物联网已将从手环到汽车等设备都接入互联网，并有望将互联网的连接数量增加10倍。而连接各种设备的传感器、处理器和带宽成本的降低使得这种无处不在的连接在当下成为可能。高盛发布的全球投资研究报告中指出：智能手表和智能恒温器等智能产品将越来越受到人们的青睐。
物联网具有与传统互联网区别开来的关键特征：感应、高效、网络化、专业化、无处不在。这些特征无疑会改变技术演进的方向，对科技公司产生重大影响，就像从PC互联网（代表企业：英特尔、戴尔等）过渡到移动互联网（代表企业：高通、苹果等）一样。
一系列重大的技术突破汇集在一起，让物联网的兴起成为可能。以下列举其中的一些主要的技术突破。
◆ 廉价的传感器：单个传感器的价格从10年前的约1.3美元降至现今的60美分左右。
◆ 廉价的带宽：带宽成本也急剧下降，在过去10年中下降了近97.5%。
◆ 廉价的处理器：处理器的成本在过去10年中下降了近98.3%，使得更多设备不仅可以被连接，而且也使得这些设备变得更加智能，知道如何处理所有它们正在生成或接收的最新数据。
◆ 智能手机：智能手机正成为人们接入物联网的入口，担任着家庭智能终端、汽车以及越来越多的消费者开始佩戴的健身手环等智能设备的控制装置。
◆ 无处不在的无线Wi-Fi网络：无线Wi-Fi网络覆盖范围不断扩大，且以极低的价格在消费者中间迅速普及。
◆ 大数据：物联网将产生大量的非结构化数据，因此大数据分析的普及也是推动物联网快速发展的关键因素之一。
◆ IPv6协议：大多数网络设备现在都支持IPv6协议。IPv6是旨在取代IPv4的最新版本的互联网基础协议。IPv4支持32位的地址，可生成大约43亿个地址，其中绝大部分的地址已经被全球范围内所有接入互联网的设备占用。相比之下，IPv6支持128位的地址，可生成大约3.4×1038个地址。这几乎是一个无穷大的数字，可以为所有可能接入物联网的设备提供足够多的地址。
许多智能设备，比如笔记本电脑、智能手机和平板电脑，通过Wi-Fi实现相互通信。智能家居技术将这些能力转移到普通家用电器中，如冰箱、洗衣机、微波炉、恒温器、门锁等，让它们也拥有自己的芯片、软件并接入互联网，逐渐变得智能起来。
物联网使小的智能设备开始通过网络相互交互。AllJoyn开源项目是由一个致力于普及物联网的非营利组织开发并维护的。它可确保思科、夏普和松下等公司生产的智能家居产品间能够彼此交互。
这些高度网络化的智能家居产品的优势是可为人们提供高效且高质量的服务。例如，联网的个人健康类智能设备可以很容易地让医生对患者进行健康监测。患者的医生可以监测患者的药物摄入量、血压和血糖，并在患者的身体出现问题前及时提醒他们。
在节能方面，联网的智能电器可以根据用户的使用习惯与实际需求提出最佳的解决方案。例如在业主到家之前空调自动开启使室内达到理想的温度，而每当业主外出度假时室内照明系统会通过自动打开和关闭电灯的方式创造屋内有人的假象，以防止窃贼乘虚而入。
另一方面，智能冰箱可以基于用户的历史购买行为和偏好在食材快要用完前给出新的采购建议。可穿戴设备也是物联网的一部分，它们可以获得人们的睡眠质量、血糖水平以及血压等数据，并将这些数据实时地展现给人们，以便人们制定更加合理的运动计划。
物联网面临的最大问题是用户隐私泄露和自身的安全问题。智能家居设备会记录有关用户的大量数据，而且其中许多是涉及用户隐私的。这些数据包括个人日程安排、购物习惯、药物摄入时间表，甚至用户在任何给定时间的位置。如果这些数据被滥用，可能会对用户构成极大的威胁。
另一个缺点是大多数设备尚未准备好与不同品牌的设备通信。虽然AllJoyn开源项目较好地解决了跨品牌智能设备间的通信问题，但是现在这些智能设备与其“通用遥控器（比如手机）”的磨合仍处于起步阶段。
智慧世界的愿景为带有传感器和本地处理能力的智能设备相互连接以实现信息共享，从而提升各行各业的效率。这些智能设备帮助企业连接全球范围内的用户，并帮助用户作出更明智的决策。智慧世界的构想被赋予了诸多标签，其中最普遍的一个标签是物联网。物联网涵盖了从智能家居、智能移动健身设备，到包含智慧农业、智慧城市、智慧工厂的工业物联网中的所有内容。
工业物联网是由物理设备、系统平台和应用程序组成的网络，可使工厂内的设备能与其他设备、外部环境以及用户之间相互通信并共享数据。工业物联网的发展取决于传感器、处理器和其他技术可用性的提高和工厂内设备性能的改善。这些传感器、处理器和相关技术可以帮助人们实时访问和获取相关的生产信息。
工业物联网可以描述为众多相互连接的工业系统，它们之间互相通信并共享数据分析结果与操作步骤，从而提高工业生产效率并造福整个社会。这些系统与大数据解决方案结合在一起，可以使人们通过数据分析获得更深刻的见解。
不妨想象一下可以根据所处的环境，甚至是自身“健康状况”进行自动调整的工业系统。机器可以提前安排自身的维护，而不是出现故障了再维护，或者更厉害的是动态调整控制算法，以补偿各个零件的磨损，然后将这些数据传送给其他机器以及控制这些机器的相关工作人员。工业物联网通过对生产数据的采集与分析使机器变得更加智能，从而让人们可以用以前无法想象的方式解决生产中的问题。但是，如果这很容易，每个人都会去做。随着创新的深入，系统的复杂性也在快速增加，这使得工业物联网的落地面临着任何一家公司都无法独自应对的巨大挑战。
从根本上讲，工业物联网就是大量相互连接的工业系统，它们可以相互通信和协调其生产数据与操作方法，从而提高产品质量和生产效率，减少或消除停机时间。一个典型的例子是工厂地板上可以检测机器设备运行中的细微变化的智能设备，它可确定机器组件发生故障的可能性，然后在该组件发生故障之前安排人员进行维护，从而规避因计划之外的停机而造成数百万美元的损失。
工业物联网领域的可能性几乎是无限的：更智能、更高效的工厂，可优化能耗的自调节建筑，可智能调整交通以应对拥堵的智慧城市等。当然这些领域中应用的落地都将面临不小的挑战。
消费级物联网与工业物联网的主要区别在于，消费级物联网通常侧重于为单个消费者提供便利的服务，而工业物联网则专注于提高生产的效率和安全性，侧重于投资回报率。机器对机器的通信技术（M2M）是工业物联网的子集，它通常侧重于机器间的通信，而工业物联网则将其扩展到包括机器与人及其他基础设施之间的通信。工业物联网旨在使机器更高效，更易于监控。
工业物联网面临以下挑战（见图2.1）。
◆ 精密度
◆ 适应性和可扩展性
◆ 安全性
◆ 维护和更新
◆ 灵活性
图2.1 工业物联网面临的挑战
工业物联网需具备以下的必要条件（见图2.2）。
◆ 云计算
◆ 随时随地访问
◆ 安全性
◆ 大数据分析
◆ 用户体验
◆ 资产管理
◆ 智能设备
图2.2 工业物联网的必要条件
工业物联网具备如下几个主要优势（见图2.3）。
◆ 预测设备的维护期并可实现设备的远程管理，极大地提高了工厂的运行效率（例如增加了设备的正常运行时间，提高了资产的利用率）。
◆ 由软件驱动的服务推动需求导向型经济的发展，并催生更多的硬件创新。使工业系统的产品生产流程对客户和合作伙伴有更高的透明度。
◆ 新的工业物联网生态系统，可让传统行业通过软件平台进行高效融合。
◆ 人与设备之间的高效协作将带来前所未有的生产力水平和更具吸引力的工作体验。
图2.3 工业物联网的优势
埃森哲估计，至2030年工业物联网可以使全球经济总量增加 10万亿美元以上。如果相关公司采取比现在更加积极的行动，并在创新和技术迭代上进行更多的投资，那么这个数字可能会更高。
好消息是，至少在最有远见的那些公司中，工业物联网已经得到了应用。工业物联网面临的挑战是其他大多数企业还没有准备好下定决心参与其中。根据埃森哲对1400多名商业领袖的调查，虽然有36%的调查对象声称他们完全掌握了工业物联网的应用，但是仅有7%的调查对象制定了综合性的工业物联网发展战略，并进行了相应的投资。
造成以上结果的原因之一是，迄今为止除了提高工厂的生产效率，工业物联网可以做的事情还远远不够，其还无法为所在企业开创全新的增值服务、业务模式和收入来源。
目前，企业在应用工业物联网以减少运营费用，提高生产率，增强工人的人身安全等方面取得了进展。例如，无人机可用于远程监控管道，智能钻探设备可以提高矿井的生产效率。尽管这些应用很有价值，但它们还是使人联想起早期的互联网，当时的新技术也是主要局限于工作流程的加速。未来，通过人工智能的赋能，智能的工业物联网应用还可以为企业带来更多的增长、创新与价值。
设想一下，一家建筑公司根据为建筑物所有者提供的节能方案收取费用，以及飞机引擎供应商因减少性能问题而导致的航班延误得到航空公司的奖励。因为与飞机引擎性能相关的数据会在飞机仍处于飞行状态时传至引擎供应商开发的检测程序中，从而达到自动安排维护并订购备件的效果。有了工业物联网，就不会再有飞机失踪的情况发生，有关飞机的信息将是实时且最新的，对黑匣子的需求也将会减少。以上这些产品与服务均可为客户提供全新的价值。
这种业务转型也将对就业市场产生重大影响。显然，工业物联网将数字化那些迄今为止一直抵制自动化的工作。但是，接受我们调查的绝大多数企业高管认为，工业物联网会是工作机会的创造者。也许更重要的是，随着技术的发展，员工现有的日常工作内容将被未来更具吸引力的工作内容所代替。随着企业的重心从产品转移到客户，将需要知识密集型的员工来处理各种异常情况并进行解决方案的定制。企业各团队中的员工将能够在更加自发且需及时响应的环境中进行协作、创造和试验。
物联网带来的商业模式的转变可以与电力的出现相提并论。从街道照明到建立电网，人们花了数十年的时间。美国首先抓住这一机会，并通过电力的应用推动了整个经济的快速发展。这帮助美国发展并领导了后来的许多行业创新——家用电器、半导体、软件和互联网。
