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    基于場地與設(shè)備時(shí)空耦合理念的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

    2024-09-12 00:00:00張振亞王萍張紅艷程紅梅
    物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2024年4期
    關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)方案成果導(dǎo)向教育

    摘 要:為落實(shí)以“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”“成果導(dǎo)向教育”為抓手的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)新工科建設(shè),為以學(xué)生與設(shè)備和場地的“時(shí)空耦合”方式復(fù)用實(shí)驗(yàn)室場地和設(shè)備,提升物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室場地與設(shè)備的利用率。以安徽建筑大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)建設(shè)為例,介紹了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)的邏輯網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程。本文在需求與功能、邏輯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、地址分配與轉(zhuǎn)換需求分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了“結(jié)構(gòu)分層、邏輯扁平”的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案?!敖Y(jié)構(gòu)分層、邏輯扁平”的局域網(wǎng)環(huán)境在使得物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室場地復(fù)用、提升專業(yè)設(shè)備利用率的同時(shí),有助于基于“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”“成果導(dǎo)向教育”理念教學(xué)改革的落實(shí),對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平具有一定的參考價(jià)值。

    關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)工程;實(shí)驗(yàn)室;局域網(wǎng);時(shí)空耦合;項(xiàng)目式學(xué)習(xí);成果導(dǎo)向教育;建設(shè)方案

    中圖分類號:TP39;G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:2095-1302(2024)04-0-04

    DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.043

    0 引 言

    物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,針對不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求,利用具有感知、通信與計(jì)算能力的智能物體自動(dòng)獲取物理世界的各種信息,將所有能夠獨(dú)立尋址的物理對象互聯(lián)起來,實(shí)現(xiàn)全面感知、可靠傳輸、智能處理,構(gòu)建人與物、物與物互聯(lián)的智能信息服務(wù)系統(tǒng)[1]。而物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐則將無處不在的末端設(shè)備和設(shè)施(包括具備“內(nèi)在智能”的傳感器、移動(dòng)終端、工業(yè)系統(tǒng)、智能建筑系統(tǒng)、家庭智能設(shè)施、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等和“外在使能”的如:貼上RFID的各種資產(chǎn)、攜帶無線終端的個(gè)人與車輛等“智能化物件或動(dòng)物”“智能塵埃”)通過無線和/或有線的長距離和/或短距離通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通應(yīng)用大集成,在內(nèi)網(wǎng)、專網(wǎng)和/或互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,采用適當(dāng)?shù)男畔踩U蠙C(jī)制,提供安全可控乃至個(gè)性化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、定位追溯、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、調(diào)度指揮、預(yù)案管理、遠(yuǎn)程控制、安全防范、遠(yuǎn)程維保、在線升級、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、決策支持、領(lǐng)導(dǎo)桌面集中展示等管理和服務(wù)功能,實(shí)現(xiàn)對“萬物”高效、節(jié)能、安全、環(huán)保的“管、控、營”一體化[2]。物聯(lián)網(wǎng)工程是研究物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施與管理的工程科學(xué),要求專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)既定的目標(biāo),依據(jù)國家、行業(yè)或者企業(yè)規(guī)范制定物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案,協(xié)助工程招投標(biāo),開展設(shè)計(jì)、實(shí)施、管理與維護(hù)等工程活動(dòng)[3]。物聯(lián)網(wǎng)工程涉及計(jì)算機(jī)信息工程、通信工程、控制工程等多個(gè)領(lǐng)域,是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的最終途徑[2-3]。

    近年來,隨著以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)領(lǐng)域?yàn)樘卣鞯男陆?jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,迫切需要加快高等教育轉(zhuǎn)型發(fā)展,提高工程教育效率和教學(xué)效果,培養(yǎng)適應(yīng)新業(yè)態(tài)的創(chuàng)新型工程科技人才。新工科建設(shè)以培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才為導(dǎo)向,核心要素包括培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐、創(chuàng)新應(yīng)用、團(tuán)隊(duì)合作能力等。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)響應(yīng)新工科建設(shè)時(shí),將“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”(PBL)“成果導(dǎo)向教育”(OBE)等[4-9]先進(jìn)工程教育理念融入物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)過程,有助于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)主動(dòng)應(yīng)對科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的行動(dòng)要求,培養(yǎng)具有實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的高素質(zhì)復(fù)合型專業(yè)人才。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是PBL、OBE理念指導(dǎo)下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的重要保證。

    1 物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路

    開設(shè)“感知實(shí)驗(yàn)”“無線通信實(shí)驗(yàn)”“數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)”“信息安全實(shí)驗(yàn)”以及“綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”是專業(yè)規(guī)范對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)辦學(xué)實(shí)驗(yàn)室體系的基本要求,規(guī)范同時(shí)要求實(shí)驗(yàn)設(shè)備至少滿足兩人一臺(套)。但是,僅僅滿足規(guī)范對實(shí)驗(yàn)室體系的基本要求,在場地與設(shè)備上不能夠完全保證滿足PBL、OBE理念下對人才的培養(yǎng)要求??梢栽诂F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室建設(shè)條件下,以學(xué)生與設(shè)備和場地的“時(shí)空耦合”方式實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室場地和設(shè)備的復(fù)用,通過提升場地與設(shè)備的利用率,落實(shí)PBL、OBE理念的教學(xué)過程。

    學(xué)生與設(shè)備和場地的“時(shí)空耦合”關(guān)鍵是現(xiàn)有專業(yè)實(shí)驗(yàn)室通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。以安徽建筑大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)辦學(xué)為例:專業(yè)辦學(xué)規(guī)劃建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)感知實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室等5個(gè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,囿于場地,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室一直未落實(shí)。由于已建成的物聯(lián)網(wǎng)感知實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)室等3個(gè)實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)以及其他諸如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID讀寫裝置等設(shè)備均可以為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室直接使用,這意味著只要添加必要的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與計(jì)算服務(wù)系統(tǒng),物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室就可與已建成的各物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室復(fù)用場地。在規(guī)劃了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)私有云(提供數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)處理以及高性能計(jì)算)場地的基礎(chǔ)上,我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了連通物聯(lián)網(wǎng)感知實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)室的局域網(wǎng)環(huán)境?;谒ㄔO(shè)局域網(wǎng),物聯(lián)網(wǎng)感知實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)室不僅實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通,而且還以較低的投入完成了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。在改善物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境軟件、硬件條件的同時(shí),提高了物聯(lián)網(wǎng)各專業(yè)實(shí)驗(yàn)室場地、設(shè)備的利用率,也使得秉持PBL、OBE理念的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)新工科建設(shè)得以實(shí)施。

    2 物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)邏輯網(wǎng)絡(luò)

    為落實(shí)PBL、OBE理念,響應(yīng)學(xué)生與設(shè)備和場地的“時(shí)空耦合”需求,基于局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室與私有云的互聯(lián)互通是我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基本思路。局域網(wǎng)建設(shè)是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的核心,而局域網(wǎng)的邏輯網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是局域網(wǎng)構(gòu)建的關(guān)鍵[10-12]。

    2.1 需求與功能

    物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)絡(luò)需要連通物聯(lián)網(wǎng)工程私有云、物聯(lián)網(wǎng)感知實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)室的場地A、B、C、D。其中,場地A、B、C位于同一樓層且物理上鄰接,場地D位于場地A、B、C的上一樓層,在場地C的正上方。場地B、C、D每處有45臺學(xué)生用計(jì)算機(jī)接入局域網(wǎng),而這45臺學(xué)生用計(jì)算機(jī)依據(jù)彼此的位置劃分為10組;場地A放置了由10臺高性能服務(wù)器以及附屬網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)、UPS組成的物聯(lián)網(wǎng)私有云系統(tǒng)。

    為基于局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室與物聯(lián)網(wǎng)感知實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)室場地與設(shè)備的復(fù)用,功能上要求:

    (1)場地B、C、D內(nèi)的學(xué)生用計(jì)算機(jī)能夠訪問場地A內(nèi)的私有云;

    (2)場地B、C、D內(nèi)的學(xué)生用計(jì)算機(jī)能夠彼此相互訪問;

    (3)場地B、C、D臨時(shí)性部署的物聯(lián)網(wǎng)感知子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)能夠在需要時(shí)接入局域網(wǎng)并被部署在場地A、B、C、D內(nèi)學(xué)生用計(jì)算機(jī)以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所訪問;

    (4)場地A內(nèi)需要設(shè)置一臺服務(wù)器充當(dāng)局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān),該網(wǎng)關(guān)一方面用于控制局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備對外網(wǎng)的訪問,另一方面也是外網(wǎng)訪問局域網(wǎng)內(nèi)資源的唯一通道。

    2.2 邏輯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    基于PBL和OBE理念,物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)乃至綜合實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支持依次需要滿足實(shí)驗(yàn)小組的網(wǎng)絡(luò)接入、實(shí)驗(yàn)小組內(nèi)部的協(xié)同工作、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的局域網(wǎng)內(nèi)組織、跨實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)室間的互聯(lián)等需求。例如:在組織“物聯(lián)網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)時(shí),各實(shí)驗(yàn)小組為使用私有云上的存儲、計(jì)算服務(wù)時(shí),需要通過網(wǎng)絡(luò)訪問位于區(qū)域A內(nèi)的私有云;在進(jìn)行“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”課程設(shè)計(jì)時(shí),分布在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)小組可能需要通過所在實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)使用私有云上的存儲、計(jì)算服務(wù),也可能需要通過所在實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)訪問部署在其他實(shí)驗(yàn)室的物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)或者控制系統(tǒng)。顯然,“實(shí)驗(yàn)小組接入→實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)→實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)互聯(lián)”順序?qū)?shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)的層次需求也意味著可以使用層次結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),即先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)小組的接入,然后設(shè)計(jì)各實(shí)驗(yàn)室的局域網(wǎng),最后進(jìn)行各實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)的互聯(lián)。

    圖1給出了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于只需要描述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),圖1示意的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只描述了網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)/路由器的連接情況,其他通過連接交換機(jī)接入網(wǎng)絡(luò),諸如客戶端計(jì)算機(jī)、存儲設(shè)備、高性能計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等類型的資源不需要在圖1中描述。圖1示意的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,I層標(biāo)記了A的圓圈符號表示部署在A區(qū)域的交換機(jī),II層標(biāo)記了B、C、D的圓圈符號分別表示部署在B、C、D區(qū)域的交換機(jī),而III層標(biāo)記了Bk、Ck、Dk的圓圈符號表示區(qū)域B或C或D的第k個(gè)交換機(jī)或集線器。如圖1示意,物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中的各實(shí)驗(yàn)小組的學(xué)生用機(jī)通過I層中的交換機(jī)或集線器接入網(wǎng)絡(luò),II層中的B、C、D區(qū)域的交換機(jī)通過下行端口與各自區(qū)域內(nèi)的位于III層內(nèi)的交換機(jī)或集線器的上行端口連接形成各自區(qū)域內(nèi)的局域網(wǎng);各區(qū)域的局域網(wǎng)通過II層中示意交換機(jī)的上行端口與III層中交換機(jī)的下行端口連接,實(shí)現(xiàn)B、C、D區(qū)域內(nèi)局域網(wǎng)的互聯(lián),形成物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的局域網(wǎng);最后,為實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備對外網(wǎng)的訪問,III中A區(qū)域的交換機(jī)通過上行端口與部署在A區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)關(guān)內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)口連接,而網(wǎng)關(guān)通過外網(wǎng)網(wǎng)口接入外網(wǎng),使得局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備訪問外網(wǎng)成為可能。圖1標(biāo)記了III層中n的取值,依據(jù)實(shí)驗(yàn)小組的規(guī)??赡艿娜≈禐?、3、4、5、6。

    基于圖1描述的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),圖2描述了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于專業(yè)的私有云僅通過其根交換機(jī)的上行端口與III層中示意、部署在場地A且與網(wǎng)關(guān)直接相連的局域網(wǎng)核心交換機(jī)的一個(gè)下行端口連接,從而接入實(shí)驗(yàn)室的局域網(wǎng),故私有云的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無關(guān)實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu),故在圖2中,私有云僅僅作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)做了標(biāo)記。圖2中,最下部學(xué)生使用的計(jì)算機(jī)按照各自的分組通過接入交換機(jī)的下行端口接入專業(yè)實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng),而專業(yè)實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)訪問外網(wǎng)。從圖2可以直觀地看出,實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)中,III層分布在各實(shí)驗(yàn)室場地內(nèi)接入學(xué)生用計(jì)算機(jī)交換機(jī)的主要任務(wù)是為學(xué)生用計(jì)算機(jī)提供接入局域網(wǎng)的服務(wù),學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以及在對學(xué)生用計(jì)算機(jī)進(jìn)行維護(hù)時(shí),一臺學(xué)生用計(jì)算機(jī)對局域網(wǎng)流量的要求不高。因此,考慮到各實(shí)驗(yàn)室場地內(nèi)接入學(xué)生用計(jì)算機(jī)的交換機(jī)數(shù)量比較大,可以選擇價(jià)格較低的低速交換機(jī)以提升性價(jià)比。雖然,這里的接入交換機(jī)可以使用更廉價(jià)的集線器,但是考慮到網(wǎng)絡(luò)的安全以及便于同一實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生拓展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)實(shí)驗(yàn),因此使用了接入交換機(jī)而非集線器。通過接入交換機(jī),一些低速的物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)以及基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的控制系統(tǒng)可以便捷接入局域網(wǎng)。

    從圖2還可以看出,實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)中,II層示意的部署在各區(qū)域的交換機(jī)是每個(gè)場地局域網(wǎng)的核心。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的功能需求,II層示意的每部交換機(jī)需要至少匯聚各自場地45臺

    學(xué)生用計(jì)算機(jī)的流量,再考慮部署在各場地內(nèi)感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的流量需求,II層示意的匯聚交換機(jī)需要較高的速度和帶寬,千兆下行端口為宜??紤]到實(shí)際業(yè)務(wù)流量,上行端口千兆帶寬基本能夠滿足要求,但要求交換機(jī)具有較大的背板帶寬以提升匯聚性能。

    從圖2還可以看出,實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)中,I層示意的交換機(jī)是局域網(wǎng)的核心,其不但要匯聚局域網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備的流量,還要支持私有云接入。因此,在選擇交換機(jī)時(shí),建議接入私有云的下行端口千兆帶寬或者更高,背板帶寬要大于II層匯聚交換機(jī)背板帶寬4倍以上,若資金充裕可以考慮帶有部分光纖接口萬兆帶寬的以太網(wǎng)交換機(jī)或者全光口萬兆交換機(jī)。

    圖2中,I層示意的網(wǎng)關(guān)是局域網(wǎng)對外網(wǎng)訪問的門戶,也是外網(wǎng)訪問局域網(wǎng)內(nèi)部資源的唯一通道。由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特殊性,不建議直接使用網(wǎng)關(guān)設(shè)備,建議使用一臺性能較好、具有雙千兆網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器,該服務(wù)器只要配置并運(yùn)行網(wǎng)關(guān)服務(wù)即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)的受控訪問。

    2.3 地址分配與轉(zhuǎn)換

    由于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)很多課程實(shí)驗(yàn)時(shí)需要訪問部署在其他場地的系統(tǒng)和資源,出于便于運(yùn)維的考慮,物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)被設(shè)計(jì)為不含有子網(wǎng)結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)??紤]到學(xué)生用計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)配置,使用IPv4地址為每一臺學(xué)生用計(jì)算機(jī)、私有云的連網(wǎng)資源編址??紤]到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)需要編制資源的數(shù)量,局域網(wǎng)使用了B類私有地址172.16.0.0~172.16.7.255,網(wǎng)絡(luò)掩碼為255.255.248.0,即網(wǎng)絡(luò)掩碼長度為21,故網(wǎng)絡(luò)的地址為172.16.0.0/21,廣播地址為172.16.7.255。

    依據(jù)上述局域網(wǎng)地址分配方案,在網(wǎng)關(guān)上安裝DHCP服務(wù)并將配置好的DHCP服務(wù)設(shè)置為守護(hù)進(jìn)程,對任一接入局域網(wǎng)、需要IPv4地址的設(shè)備自動(dòng)分配IP地址。實(shí)踐中,可以在配置DHCP服務(wù)時(shí),將每臺需要分配IPv4地址的設(shè)備分配的IP地址與其MAC地址綁定,這樣可以在網(wǎng)關(guān)上運(yùn)行特定的管理軟件對網(wǎng)絡(luò)的使用者進(jìn)行定位。同時(shí),DHCP方式、MAC地址與IP地址綁定的方式也為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生依托實(shí)驗(yàn)室自主進(jìn)行創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)提供了可靠、可解釋的數(shù)據(jù)。iptables配置實(shí)例如圖3所示。

    使用一臺性能較好、具有雙千兆網(wǎng)口、操作系統(tǒng)為Linux的服務(wù)器作為實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)關(guān),使用其內(nèi)核集成的IP信息包過濾系統(tǒng)iptables。專業(yè)實(shí)驗(yàn)室允許從局域網(wǎng)內(nèi)訪問外網(wǎng),使用iptables的nat功能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換,即源和目的IP地址與port的轉(zhuǎn)換。同時(shí),由于該網(wǎng)關(guān)是局域網(wǎng)對外網(wǎng)訪問的門戶,需要具有防火墻功能,該功能通過使用iptables的filter功能來過濾流入、流出網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的數(shù)據(jù)包。圖3給出了網(wǎng)關(guān)上iptables服務(wù)配置的實(shí)例。圖3中,eth1是網(wǎng)關(guān)中與外網(wǎng)連接網(wǎng)卡的名稱,而172.16.0.0/21表示的是內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)址;該實(shí)例中網(wǎng)關(guān)上的iptables服務(wù)直接對內(nèi)外網(wǎng)的地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并沒有對轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行任何過濾。顯然,使用圖3的配置文件,內(nèi)網(wǎng)中的終端可以無約束直接訪問外網(wǎng)。

    # Firewall configuration written by system-config-firewall

    # Manual customization of this file is not recommended.

    *nat

    :PREROUTING ACCEPT [0:0]

    :POSTROUTING ACCEPT [0:0]

    :OUTPUT ACCEPT [0:0]

    -A POSTROUTING -o eth1 -s 172.16.0.0/21 -j MASQUERADE

    COMMIT

    *filter

    :INPUT ACCEPT [0:0]

    :FORWARD ACCEPT [0:0]

    :OUTPUT ACCEPT [0:0]

    -A FORWARD -s 172.16.0.0/21 -j ACCEPT

    -A FORWARD -i eth1 -m state --state ESTABLISHED,RELATED -j ACCEPT

    COMMIT

    3 結(jié) 語

    實(shí)踐能力、動(dòng)手能力是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的重要目標(biāo),而對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)而言,實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、動(dòng)手能力的重要環(huán)節(jié)。安徽建筑大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程的培養(yǎng)計(jì)劃中,無論是課內(nèi)實(shí)驗(yàn)還是單獨(dú)開課的課程設(shè)計(jì)、綜合實(shí)驗(yàn),甚至學(xué)生自主創(chuàng)新的開放性實(shí)驗(yàn),面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是培養(yǎng)計(jì)劃落實(shí)、人才培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成的基礎(chǔ)。結(jié)合安徽建筑大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)場地的實(shí)際以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的配備,我們設(shè)計(jì)了“結(jié)構(gòu)分層、邏輯扁平”的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。一方面,基于該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生不僅可以完成課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)以及綜合實(shí)驗(yàn);另一方面,該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)造過程的規(guī)范性也為物聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)施等課程提供了典范,為認(rèn)知實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)提供了平臺。同時(shí),物理網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與部署也為學(xué)生對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)提供了平臺。

    “結(jié)構(gòu)分層、邏輯扁平”的局域網(wǎng)環(huán)境不僅可以同時(shí)為135臺學(xué)生用計(jì)算機(jī)同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù),還可以為典型的物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)、控制過程以及提供數(shù)據(jù)存儲、高性能計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理服務(wù)的專業(yè)私有云平臺提供一致性接入。實(shí)際使用過程中,該平臺不僅能支撐物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃設(shè)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),專業(yè)教師還利用該平臺,基于“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”“成果導(dǎo)向教育”理念,指導(dǎo)本科生開展創(chuàng)新活動(dòng),促進(jìn)了我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)新工科背景下的課程改革,切實(shí)提高了教學(xué)效果。

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    收稿日期:2023-04-04 修回日期:2023-05-09

    基金項(xiàng)目:安徽省省級質(zhì)量工程項(xiàng)目(2021jyxm0261);安徽省省級質(zhì)量工程項(xiàng)目(2021jxms042);安徽建筑大學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2021jy14);安徽建筑大學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2021jy19);安徽建筑大學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2021jy47);安徽建筑大學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2021ms01);安徽省高校學(xué)科(專業(yè))拔尖人才學(xué)術(shù)資助項(xiàng)目(gxbjZD2021067);安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2020A0470)

    作者簡介:張振亞(1972—),男,博士,教授,研究方向?yàn)橛?jì)算智能、數(shù)據(jù)挖掘、物聯(lián)網(wǎng)工程、建筑智能化、智能信息處理。

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