IOT環境下網絡實驗課程群及實驗綜合平臺建設

李 紅， 賀章擎， 歐陽勇

(湖北工業大學 a.計算機科學與技術學院； b.電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430068)

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IOT環境下網絡實驗課程群及實驗綜合平臺建設

李 紅a， 賀章擎b， 歐陽勇a

(湖北工業大學 a.計算機科學與技術學院； b.電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430068)

物聯網(IOT)是下一代信息技術的核心，互聯網是物聯網的基礎，在這種新形式下，承擔網絡知識模塊的計算機網絡課程群成為了高校信息類專業中最重要的專業課程群之一，但傳統的實驗教學模式與體系已經無法適應物聯網環境下網絡課程群建設的需要。本文通過對計算機網絡課程群實驗教學內容和特點的分析,針對目前課程群實驗教學中存在的不足,根據“創新優先，能力主導，課程協同，項目驅動”的實驗課程群教學模式，研究并提出一種分層次的網絡實驗課程群體系結構，構建了一套新的符合人才培養需求的綜合實驗平臺，可以為師生提供一個高水平和高效率的教學科研平臺。

IOT; 計算機網絡； 課程群； 綜合實驗平臺

0 引 言

作為互聯網的延伸和擴展，物聯網以其迅猛的發展勢頭和所帶來的巨大經濟效益，成為了下一個推動世界高速發展的重要生產力，同時也給高校帶來了新的發展契機與挑戰[1]。社會對網絡技術人才數量和質量需求的不斷增長，使得計算機網絡課程群成為了高校信息類專業最重要的專業課程群之一。該課程群的研究對象主要包括網絡的體系結構、網絡設計與實現、網絡應用與管理以及網絡安全與防護等，既包含了一些偏重于理論課程，也包含一些偏重于實踐的課程，具有知識覆蓋范圍廣、內容豐富、理論抽象以及實踐性強等特征[1]。

網絡課程群中包含的互聯網知識模塊是物聯網的基礎和核心，在以物聯網技術為發展趨勢的信息時代，如何在網絡課程群教學過程中體現物聯網技術最重要的特色——能力與創新，是值得思考的問題。筆者依托湖北省級教研項目的支持和資助，以教學團隊的形式對網絡課程群的建設進行了一系列的研究和探索。提出了“創新優先，能力主導，課程協同，項目驅動”的網絡課程群教學模式[2-4]。特別針對實驗教學環節和實驗室建設部分，探尋了在IOT環境下如何進行網絡實驗課程群建設與課程群綜合實驗平臺的設計與搭建問題。旨在為教學和師生服務，提供一個高水平、高效率和高質量的教學科研平臺。

1 網絡課程群綜合實驗平臺建設目標

1.1 傳統課程群實驗教學和實驗室建設弊端

實驗教學是提高學生動手能力和鞏固理論知識最為有效的途徑，也是綜合能力培養和創新意識培養的重要環節，實驗室為實驗教學環節提供主要的場所和資源,同時也是學生和教師重要的學習與科研場所，實驗室建設的水平是衡量學校科研水平和實踐教學的重要標志[3]。然而，目前許多高校課程群的建設重點仍然偏重于理論部分，對實踐部分的課程群體系建設未給予充分的重視，仍然采用了傳統的實驗教學方法與管理模式，導致出現了如下一些問題：

(1) 實驗課程設置不合理。每門課雖然都有配套的實驗環節，但是有些課程的實驗學時設置并不能突出本課程的特點，有的課程偏重于實踐，但是實驗學時只占總學時的四分之一，一部分原因是在早期設置教學大綱過程中沒有充分考慮課程的特點，一部分原因是受實驗室設備的限制，一些應該開設的實驗因為沒有實驗條件支持從而無法開設。

(2) 課程相互獨立，沒有形成課程群的體系。在實驗內容的設置上沒有提前進行規劃，每門課程的指定負責老師只負責本門課程的實驗教學大綱，和其他老師交流甚少，導致在教學內容上有密切關聯的課程之間出現實驗內容重疊的現象，各課程之間的實驗內容既不協調也不連貫。

(3) 實驗室建設規劃零散，缺乏全局性的建設目標。專業實驗室的建設主要是根據課程的需要來一個一個的建立，一方面是受到資金的限制，一方面是缺乏整體的建設規劃，導致實驗室設備零散無法統一管理與使用。

(4) 缺乏統一完善的實驗教學平臺。主要表現在傳統實驗教學場所分配并不固定，每個學期排實驗課程都是按照“填空”的規則，軟件在不同的實驗室之間重復安裝，硬件資源共享利用率也并不充分；實驗室管理欠缺，實驗內容和時間必須固定，授課教師不能自由安排學生,無法滿足開放實驗的需求；實驗設備管理混亂，缺乏友好的交互界面和快捷方便的切換方式，也沒有完善的實驗教學系統和技術支持[5-7]。

綜上所述，傳統的實驗室建設情況和實驗教學情況并不符合能力培養和創新思維培養的要求。

1.2 網絡課程群綜合實驗平臺建設目標

針對上述傳統實驗教學和實驗室建設中的弊端和不足，近年來，我們經過廣泛調研并結合專業培養目標、課程特點、課程群課程之間內在聯系進行了研究、梳理和整合，明確了課程群 中的主干課程和各課程的實驗內容，并將課程群中課程的實驗環境進行總體規劃和整合，提出了“創新優先，能力主導，課程協同，項目驅動”的網絡課程群教學模式，以期達到以下建設目標：

(1) 以“課程協同，項目驅動”為推動力，搭建層次化網絡課程群實驗體系結構。在實驗教學中引入課程群建設理念，充分考慮課程群內諸課程在結構、內容上的相互關系，對各門課程實驗內容進行梳理和整合，探索層次化結構的實驗課程群體系，從全局的角度來考慮實驗內容的安排和規劃，從而減少課程內容重復并保證內容連貫性與完整性。通過項目驅動的實驗任務推動模式，使學生明確實驗的應用情境和實驗目的，圍繞項目的要求展開學習，從而使學生主動建構探究、實踐、思考、運用、解決的學習能力。

(2) 以“創新優先，能力主導”為培養目標，建立完善統一的綜合實驗教學平臺。將零散的課程實驗環境進行規劃和部署，網絡課程群集中在一個實驗環境中，增加設備集約化和共享性，有利于實現各種應用場景的需求；把每個實踐知識點模塊化和規范化，各門課程實驗可采取“項目+模塊”的方式自由組合，打破課程之間的壁壘和約束，增加實驗的靈活性[2]。同時，該平臺還可以作為教師和學生的自主創新科研平臺，同時為教學和科研服務。

2 網絡課程群的課程實驗體系

2.1 課程內容分析與設置

結合本校特點以及人才培養需求，目前我院的網絡課程群包含的課程主要有“計算機網絡”“網絡互連技術”“TCP/IP協議原理”“網絡編程與系統開發”以及“網絡管理與安全”。每門課程都由理論學時和實驗學時兩部分組成，根據課程特點的不同，理論學時和實驗學時的分配比例會有一定的差異，每門課程的實驗內容經過梳理和整合，在實驗內容上也各有側重點，避免了出現重疊的情況，具體的設置情況如表1所示。

表1 網絡課程群中的課程設置

我們希望通過上述一系列課程的理論和實踐學習，培養學生對網絡知識體系的理解、設計、實現、維護和應用等方面的能力，依據課程特點和知識體系提煉出各門課程的實驗項目和實驗側重點，旨在形成一個以網絡協議理解為基礎，以網絡規劃與建設、網絡編程與應用、網絡安全與維護為提高，以能力培養和創新意識培養為目標的網絡課程實驗群體系。

2.2 分層次的網絡課程群實驗體系結構

網絡課程群包含的課程內容豐富、知識覆蓋面廣，涉及眾多的概念、原理、協議和技術，這些內容相互聯系錯綜復雜的貫穿于每門課程之中，使得學生理解起來比較困難，學生也普遍反映在實驗過程中難于上手。為了應對網絡課程群的廣度和復雜度，在對網絡課程群實驗內容統一規劃和全局考慮基礎上，借鑒分層次的計算機網絡體系結構研究思路，我們提出了分層次的網絡課程群實驗體系結構教學思路，依據從簡單到復雜、從理論到實踐、從抽象到具體的原理，設計了針對課程知識點的層次模塊化實驗項目，從基礎實驗模塊和進階實驗模塊到專項實驗模塊和創新實驗模塊，滿足了課程群實驗覆蓋面廣、知識點多、難度大的教學需求，具體的分層次網絡課程群實驗體系結構如圖1所示。

圖1 分層次的網絡課程群實驗體系結構

從上圖的層次結構中可看到，網絡課程群實驗體系分為4個層次，從下往上依次推進和深入，各層之間相互依賴又相對獨立，下層是上層學習的基礎，通過從下往上四個學習階段的不斷推進，學生的動手能力逐步提高，達到創新人才培養的目標[8-10]。

基礎實驗模塊位于整個課程群實驗體系結構的最底層，是其他各層次實驗模塊的基礎部分，學生通過完成此層次的實驗，能夠理解互聯網的工作原理和基本的網絡互連知識，對主要的IPV4協議具備基本的分析能力，能通過交換機和路由器搭建小型網絡，并學習信息安全中的密碼學基礎內容。此模塊知識內容是學生必須熟練掌握的基本技能，相對于其他實驗模塊難度也是最小的。

進階實驗模塊在基礎實驗模塊的基礎上無論從廣度或深度上都有所提高，在IPV4協議分析基礎上加入了IPV6協議的分析，在小型園區網搭建的基礎上加入了園區網的安全策略配置，在有線網絡的基礎上加入了無線網絡的內容，學生通多此層次實驗項目的訓練，能夠擴展對互聯網的認識，增強對園區網綜合設計以及完整搭建的意識，并增加無線網絡的知識。此模塊內容是學生需要掌握的網絡知識，有一定的難度。

通過基礎模塊和進階模塊的學習，學生在協議理解、網絡搭建、信息安全以及無線網絡方面已經具備了一定的分析問題和解決問題的能力，專項實驗模塊則從專業技術層面上來細分，實驗內容更有針對性，體現專業方向的差異性，主要的子方向有網絡編程、網絡工程和網絡管理與安全。此模塊內容可以根據學生所選方向不同而靈活設置，偏重點可以根據需要有所不同[11-13]。

創新實驗模塊是在底下三層實驗模塊基礎上的提升與綜合應用，希望通過一些綜合性的實驗項目來啟發學生的思維，培養他們綜合應用和創新思維能力，每個綜合項目的設計中都融合了課程群中的多門課程內容，也是對前面實驗模塊實踐效果的檢驗。

3 多平臺融合的綜合實驗室建設

從早期的離散式網絡實驗室到中期的集中式網絡實驗室，再到現在的綜合型網絡實驗室，高校網絡實驗室的發展建設過程一直伴隨著教學改革的步伐，遵循著為教學科研服務的宗旨[13]。2014年下半學期，為了提高實踐教學質量，并配合網絡課程群省級教學研究項目的建設需求，我院投入大量資金開始籌備規劃建設綜合型網絡實驗平臺，經過征集課程群老師們的意見和廣泛調研，依托銳捷網絡、中軟吉大等知名高校合作企業的協助，對原計算機網絡實驗室進行升級和改造，于2015年3月建成網絡綜合實驗平臺。

實現了將原有的多個獨立實驗平臺融合在一個實驗室平臺的目標，硬件資源和軟件資源都能實現最大的共享，并能根據課程和實驗項目方便的進行切換，不僅可以支持網絡課程群中課程的的絕大部分實驗內容，而且可以實現實驗室的全面建設與管理。網絡綜

合實驗平臺組成如圖2所示：

圖2 多平臺融合的綜合實驗室

3.1 硬件平臺的設計與部署

3.1.1 實驗室硬件拓撲結構

結合實驗室的面積大小和形狀特點，實驗室的硬件平臺拓撲結構結合了常見的“背靠背”和“一字型”框架形式，中間是8組操作平臺，采用“背靠背”的形式擺放，每組有8臺pc機，靠左右兩側墻邊按照“一字型”安放有8組實驗設備機柜，靠實驗室后方有兩個綜合機柜，分別是網絡協議、信息安全與網絡編程數據交換中心以及網絡工程實驗系統交換中心。

我院實驗室采用的設備主要是銳捷和中軟吉大的產品，其中網絡工程實驗設備主要由銳捷網絡提供，協議分析、網絡編程、信息安全等實驗設備主要由中軟吉大提供，雖然兩套設備體系在組織架構、硬件配置和軟件配置上不盡相同，但是在實驗室管理平臺的服務層面上，我們經過合理的規劃和設計將兩套體系通過機架和中控設備融合起來，能方便的實現不同實驗平臺之間的切換，硬件資源和軟件資源都可以實現最大程度的共享。實驗室的硬件拓撲結構圖如圖3所示。

圖3 硬件拓撲結構圖

3.1.2 各個子平臺的硬件架構與部署

網絡工程實驗平臺分為5個部分，教師機區域、學生機區域、網絡設備區域、數據交換區域以及Limp實驗室服務器管理系統，他們由數據交換區域連接起來，見圖4所示。實驗臺區域由8組機架(RACK)構成，每組至少包括一臺RCMS設備、4臺交換機(二層交換機和三層交換機)和4臺路由器，具備完成最基本的園區網搭建功能，為了進階實驗和創新實驗需求，在一些機架中有增加了一些特別的功能設備，能完成如網絡存儲、融合通信、無線通信、萬兆核心交換、防火墻、VPN等高級實驗。

網絡協議分析實驗平臺、網絡程序設計實驗平臺以及信息安全實驗平臺的硬件架構都融合在一個系統中，主要由主控中心平臺、組控設備、智能網絡設備、綜合接入網關、無線組控設備、網絡設備控制器等組成，依據實驗項目不同可形成多種硬件設備組合方式，實驗拓撲結構可以根據實驗內容需求靈活改變，達到在滿足產品實驗需求的基礎上充分實現硬件設備的共享的要求。在此綜合平臺中，為了能真實的模擬數據包發送與分析、攻擊與防范的應用場景，我們采用的是兩人一小組的實驗方式，具體的小組硬件架構如圖5所示[14]：

圖4 網絡工程實驗平臺硬件架構

圖5 協議分析、程序設計以及信息安全實驗平臺的小組硬件架構

從上面的硬件平臺架構分析來看，實驗室學生PC機是全面共享的，因此其網絡配置是比較復雜的。每臺學生機都裝有3塊網卡，分別用于和各個實驗平臺環境的連通、銳捷網絡工程實驗的測試以及中軟吉大網絡協議分析、網絡編程與信息安全實驗的測試。

3.2 軟件平臺的設計與部署

在硬件平臺搭建的基礎上，為不同的實驗子平臺設置了服務器并安裝了相應的服務器端和學生機端軟件，在軟件平臺在部署中引入了“形象思維”的教學理念，通過改進實驗指導書的表達形式將抽象的知識直觀化、過程可視化，并采用虛擬與現實相結合的網絡實踐教學環境[14]。

以網絡程序設計實驗子平臺為例，當教師配置好服務器軟件環境并切換到相應的硬件環境后，學生在終端打開相應的實驗模塊軟件時，系統能提供良好的實驗交互界面，學生可以瀏覽整個實驗目錄進行項目選擇，系統提供實驗前的預習知識和詳細的實驗步驟，并配備相應的實驗思考題和實驗小結，使得較難上手的實驗內容變得簡單直觀，提高了學生動手的信心和學習興趣。網絡程序設計實驗軟件平臺如圖6所示：

圖6 網絡程序設計實驗軟件平臺

4 結 語

在物聯網環境中，計算機網絡課程群作為IOT的基礎和核心，在信息類專業中具有特別的地位。由于計算機網絡課程群具有內容覆蓋面廣和理論概念繁多抽象等特征,因此實驗教學是學生理解網絡知識的關鍵環節，我們提出的一種分層次網絡實驗課程群體系結構和規劃部署的一套網絡實驗綜合平臺，實現了從教學理念到具體教學實施過程的轉化，基于此實驗綜合平臺開展實驗教學工作，不僅可以使實驗教學過程變的靈活方便，更重要的是能夠提高學生的綜合素質和創新能力。

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The Construction and Implementation of Network Experiment Curriculum Group and Integrated Experimental Platform under IOT

LIHonga，HEZhang-qingb,OUYang-yonga

(a. College of Computer Science and Technology; b. College of Electrical and Electronic Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Internet of things (IOT) is the core of the next generation of information technology, and the Internet is the foundation of IOT, therefore the computer network curriculum group has become the most important professional course of the information engineering specialty which undertakes the task of teaching knowledge of the network module. However, the traditional teaching model of experimental system could not keep the pace with the construction of the network curriculum group under IOT. This paper proposes a hierarchical architecture for network experiment curriculum group and builds an integrated experimental platform simultaneously according to the teaching conception of innovation priority, capability-driven, curriculum coordination and project-driven to meet the needs of talents cultivation through analyzing the contents and characteristics of the experimental teaching in computer network curriculum group, aiming at solving the problems which exist in the experiment teaching.

IOT; computer network; curriculum group; integrated experimental platform

2015-10-12

湖北省教育廳教學研究與改革項目(2013282，2014277，2014287)；2015湖北省教育科學規劃重點課題(2015GA018)

李 紅(1981-)，女，湖北孝感人，博士在讀，講師，計算機協會會員,研究方向為計算機網絡、數據庫與實時系統。

Tel.：13407113025；E-mail：lilyhong420@126.com

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1006-7167(2016)09-0191-05