基于場地與設備時空耦合理念的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室網(wǎng)絡建設

摘 要：為落實以“項目式學習”“成果導向教育”為抓手的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)新工科建設，為以學生與設備和場地的“時空耦合”方式復用實驗室場地和設備，提升物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室場地與設備的利用率。以安徽建筑大學物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室局域網(wǎng)建設為例，介紹了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室網(wǎng)絡的邏輯網(wǎng)絡設計過程。本文在需求與功能、邏輯網(wǎng)絡結構、地址分配與轉換需求分析的基礎上，設計了“結構分層、邏輯扁平”的網(wǎng)絡建設方案。“結構分層、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)實驗室場地復用、提升專業(yè)設備利用率的同時，有助于基于“項目式學習”“成果導向教育”理念教學改革的落實，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室建設水平具有一定的參考價值。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)工程；實驗室；局域網(wǎng)；時空耦合；項目式學習；成果導向教育；建設方案

中圖分類號：TP39；G64 文獻標識碼：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)、移動通信網(wǎng)等通信網(wǎng)絡的基礎上，針對不同應用領域的需求，利用具有感知、通信與計算能力的智能物體自動獲取物理世界的各種信息，將所有能夠獨立尋址的物理對象互聯(lián)起來，實現(xiàn)全面感知、可靠傳輸、智能處理，構建人與物、物與物互聯(lián)的智能信息服務系統(tǒng)[1]。而物聯(lián)網(wǎng)工程實踐則將無處不在的末端設備和設施（包括具備“內在智能”的傳感器、移動終端、工業(yè)系統(tǒng)、智能建筑系統(tǒng)、家庭智能設施、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等和“外在使能”的如：貼上RFID的各種資產、攜帶無線終端的個人與車輛等“智能化物件或動物”“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)絡實現(xiàn)互聯(lián)互通應用大集成，在內網(wǎng)、專網(wǎng)和/或互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，采用適當?shù)男畔踩Ｕ蠙C制，提供安全可控乃至個性化的實時在線監(jiān)測、定位追溯、報警聯(lián)動、調度指揮、預案管理、遠程控制、安全防范、遠程維保、在線升級、統(tǒng)計報表、決策支持、領導桌面集中展示等管理和服務功能，實現(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、設計、實施與管理的工程科學，要求專業(yè)技術人員根據(jù)既定的目標，依據(jù)國家、行業(yè)或者企業(yè)規(guī)范制定物聯(lián)網(wǎng)建設方案，協(xié)助工程招投標，開展設計、實施、管理與維護等工程活動[3]。物聯(lián)網(wǎng)工程涉及計算機信息工程、通信工程、控制工程等多個領域，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用的最終途徑[2-3]。

近年來，隨著以云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等相關領域為特征的新經(jīng)濟、新產業(yè)快速發(fā)展，迫切需要加快高等教育轉型發(fā)展，提高工程教育效率和教學效果，培養(yǎng)適應新業(yè)態(tài)的創(chuàng)新型工程科技人才。新工科建設以培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才為導向，核心要素包括培養(yǎng)學生工程實踐、創(chuàng)新應用、團隊合作能力等。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)響應新工科建設時，將“項目式學習”（PBL）“成果導向教育”（OBE）等[4-9]先進工程教育理念融入物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學過程，有助于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)主動應對科技革命與產業(yè)變革的行動要求，培養(yǎng)具有實踐能力強、創(chuàng)新能力強的高素質復合型專業(yè)人才。實驗室建設是PBL、OBE理念指導下物聯(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)實驗室建設思路

開設“感知實驗”“無線通信實驗”“數(shù)據(jù)處理實驗”“信息安全實驗”以及“綜合應用實驗”是專業(yè)規(guī)范對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)辦學實驗室體系的基本要求，規(guī)范同時要求實驗設備至少滿足兩人一臺（套）。但是，僅僅滿足規(guī)范對實驗室體系的基本要求，在場地與設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。可以在現(xiàn)有實驗室建設條件下，以學生與設備和場地的“時空耦合”方式實現(xiàn)實驗室場地和設備的復用，通過提升場地與設備的利用率，落實PBL、OBE理念的教學過程。

學生與設備和場地的“時空耦合”關鍵是現(xiàn)有專業(yè)實驗室通過網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)互通。以安徽建筑大學物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)辦學為例：專業(yè)辦學規(guī)劃建設物聯(lián)網(wǎng)感知實驗室、物聯(lián)網(wǎng)通信實驗室、物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗室、物聯(lián)網(wǎng)應用實驗室、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)創(chuàng)新實驗室等5個專業(yè)實驗室，囿于場地，物聯(lián)網(wǎng)應用實驗室、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)創(chuàng)新實驗室一直未落實。由于已建成的物聯(lián)網(wǎng)感知實驗室、物聯(lián)網(wǎng)通信實驗室、物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗室等3個實驗室的計算機以及其他諸如無線傳感器網(wǎng)絡、RFID讀寫裝置等設備均可以為物聯(lián)網(wǎng)應用實驗室、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)創(chuàng)新實驗室直接使用，這意味著只要添加必要的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與計算服務系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)應用實驗室、物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗室就可與已建成的各物聯(lián)網(wǎng)實驗室復用場地。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)處理以及高性能計算）場地的基礎上，我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室構建了連通物聯(lián)網(wǎng)感知實驗室、物聯(lián)網(wǎng)通信實驗室、物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗室的局域網(wǎng)環(huán)境。基于所建設局域網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)感知實驗室、物聯(lián)網(wǎng)通信實驗室、物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗室不僅實現(xiàn)了互聯(lián)互通，而且還以較低的投入完成了物聯(lián)網(wǎng)應用實驗室、物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗室的建設。在改善物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)本科實驗教學環(huán)境軟件、硬件條件的同時，提高了物聯(lián)網(wǎng)各專業(yè)實驗室場地、設備的利用率，也使得秉持PBL、OBE理念的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)新工科建設得以實施。

2 物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室網(wǎng)絡局域網(wǎng)邏輯網(wǎng)絡

為落實PBL、OBE理念，響應學生與設備和場地的“時空耦合”需求，基于局域網(wǎng)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室與私有云的互聯(lián)互通是我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室建設的基本思路。局域網(wǎng)建設是實驗室建設的核心，而局域網(wǎng)的邏輯網(wǎng)絡設計是局域網(wǎng)構建的關鍵[10-12]。

2.1 需求與功能

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室局域網(wǎng)絡需要連通物聯(lián)網(wǎng)工程私有云、物聯(lián)網(wǎng)感知實驗室、物聯(lián)網(wǎng)通信實驗室、物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗室的場地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臺學生用計算機接入局域網(wǎng)，而這45臺學生用計算機依據(jù)彼此的位置劃分為10組；場地A放置了由10臺高性能服務器以及附屬網(wǎng)關、交換機、UPS組成的物聯(lián)網(wǎng)私有云系統(tǒng)。

為基于局域網(wǎng)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用實驗室、物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗室與物聯(lián)網(wǎng)感知實驗室、物聯(lián)網(wǎng)通信實驗室、物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗室場地與設備的復用，功能上要求：

（1）場地B、C、D內的學生用計算機能夠訪問場地A內的私有云；

（2）場地B、C、D內的學生用計算機能夠彼此相互訪問；

（3）場地B、C、D臨時性部署的物聯(lián)網(wǎng)感知子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)能夠在需要時接入局域網(wǎng)并被部署在場地A、B、C、D內學生用計算機以及物聯(lián)網(wǎng)應用所訪問；

（4）場地A內需要設置一臺服務器充當局域網(wǎng)的網(wǎng)關，該網(wǎng)關一方面用于控制局域網(wǎng)內的設備對外網(wǎng)的訪問，另一方面也是外網(wǎng)訪問局域網(wǎng)內資源的唯一通道。

2.2 邏輯網(wǎng)絡結構

基于PBL和OBE理念，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實驗、課程設計乃至綜合實驗的網(wǎng)絡環(huán)境支持依次需要滿足實驗小組的網(wǎng)絡接入、實驗小組內部的協(xié)同工作、課內實驗的局域網(wǎng)內組織、跨實驗室實驗時實驗室間的互聯(lián)等需求。例如：在組織“物聯(lián)網(wǎng)軟件設計基礎”課程實驗時，各實驗小組為使用私有云上的存儲、計算服務時，需要通過網(wǎng)絡訪問位于區(qū)域A內的私有云；在進行“物聯(lián)網(wǎng)應用”課程設計時，分布在各個實驗室的實驗小組可能需要通過所在實驗室的網(wǎng)絡使用私有云上的存儲、計算服務，也可能需要通過所在實驗室的網(wǎng)絡訪問部署在其他實驗室的物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)或者控制系統(tǒng)。顯然，“實驗小組接入→實驗室局域網(wǎng)→實驗室局域網(wǎng)互聯(lián)”順序對實驗室網(wǎng)絡的層次需求也意味著可以使用層次結構模型設計實驗室的網(wǎng)絡結構，即先設計實驗小組的接入，然后設計各實驗室的局域網(wǎng)，最后進行各實驗室局域網(wǎng)的互聯(lián)。

圖1給出了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室局域網(wǎng)的拓撲結構。由于只需要描述網(wǎng)絡結構，圖1示意的網(wǎng)絡拓撲結構只描述了網(wǎng)絡中交換機/路由器的連接情況，其他通過連接交換機接入網(wǎng)絡，諸如客戶端計算機、存儲設備、高性能計算機、服務器等類型的資源不需要在圖1中描述。圖1示意的網(wǎng)絡拓撲結構中，I層標記了A的圓圈符號表示部署在A區(qū)域的交換機，II層標記了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，而III層標記了Bk、Ck、Dk的圓圈符號表示區(qū)域B或C或D的第k個交換機或集線器。如圖1示意，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室中的各實驗小組的學生用機通過I層中的交換機或集線器接入網(wǎng)絡，II層中的B、C、D區(qū)域的交換機通過下行端口與各自區(qū)域內的位于III層內的交換機或集線器的上行端口連接形成各自區(qū)域內的局域網(wǎng)；各區(qū)域的局域網(wǎng)通過II層中示意交換機的上行端口與III層中交換機的下行端口連接，實現(xiàn)B、C、D區(qū)域內局域網(wǎng)的互聯(lián)，形成物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室的局域網(wǎng)；最后，為實現(xiàn)局域網(wǎng)內設備對外網(wǎng)的訪問，III中A區(qū)域的交換機通過上行端口與部署在A區(qū)域內的網(wǎng)關內網(wǎng)網(wǎng)口連接，而網(wǎng)關通過外網(wǎng)網(wǎng)口接入外網(wǎng)，使得局域網(wǎng)內的設備訪問外網(wǎng)成為可能。圖1標記了III層中n的取值，依據(jù)實驗小組的規(guī)模可能的取值為2、3、4、5、6。

基于圖1描述的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室網(wǎng)絡拓撲結構，圖2描述了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室的網(wǎng)絡結構。由于專業(yè)的私有云僅通過其根交換機的上行端口與III層中示意、部署在場地A且與網(wǎng)關直接相連的局域網(wǎng)核心交換機的一個下行端口連接，從而接入實驗室的局域網(wǎng)，故私有云的內部網(wǎng)絡結構無關實驗室局域網(wǎng)的結構，故在圖2中，私有云僅僅作為一個節(jié)點做了標記。圖2中，最下部學生使用的計算機按照各自的分組通過接入交換機的下行端口接入專業(yè)實驗室局域網(wǎng)，而專業(yè)實驗室局域網(wǎng)通過網(wǎng)關訪問外網(wǎng)。從圖2可以直觀地看出，實驗室局域網(wǎng)中，III層分布在各實驗室場地內接入學生用計算機交換機的主要任務是為學生用計算機提供接入局域網(wǎng)的服務，學生進行實驗以及在對學生用計算機進行維護時，一臺學生用計算機對局域網(wǎng)流量的要求不高。因此，考慮到各實驗室場地內接入學生用計算機的交換機數(shù)量比較大，可以選擇價格較低的低速交換機以提升性價比。雖然，這里的接入交換機可以使用更廉價的集線器，但是考慮到網(wǎng)絡的安全以及便于同一實驗組的學生拓展計算機網(wǎng)絡相關實驗，因此使用了接入交換機而非集線器。通過接入交換機，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，實驗室局域網(wǎng)中，II層示意的部署在各區(qū)域的交換機是每個場地局域網(wǎng)的核心。根據(jù)網(wǎng)絡的功能需求，II層示意的每部交換機需要至少匯聚各自場地45臺

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

從圖2還可以看出，實驗室局域網(wǎng)中，I層示意的交換機是局域網(wǎng)的核心，其不但要匯聚局域網(wǎng)內各設備的流量，還要支持私有云接入。因此，在選擇交換機時，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)交換機或者全光口萬兆交換機。

圖2中，I層示意的網(wǎng)關是局域網(wǎng)對外網(wǎng)訪問的門戶，也是外網(wǎng)訪問局域網(wǎng)內部資源的唯一通道。由于實驗教學的特殊性，不建議直接使用網(wǎng)關設備，建議使用一臺性能較好、具有雙千兆網(wǎng)絡的服務器，該服務器只要配置并運行網(wǎng)關服務即可實現(xiàn)內網(wǎng)、外網(wǎng)的受控訪問。

2.3 地址分配與轉換

由于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)很多課程實驗時需要訪問部署在其他場地的系統(tǒng)和資源，出于便于運維的考慮，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室的網(wǎng)絡被設計為不含有子網(wǎng)結構的局域網(wǎng)。考慮到學生用計算機的網(wǎng)絡配置，使用IPv4地址為每一臺學生用計算機、私有云的連網(wǎng)資源編址。考慮到網(wǎng)絡系統(tǒng)內需要編制資源的數(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)絡掩碼為255.255.248.0，即網(wǎng)絡掩碼長度為21，故網(wǎng)絡的地址為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)關上安裝DHCP服務并將配置好的DHCP服務設置為守護進程，對任一接入局域網(wǎng)、需要IPv4地址的設備自動分配IP地址。實踐中，可以在配置DHCP服務時，將每臺需要分配IPv4地址的設備分配的IP地址與其MAC地址綁定，這樣可以在網(wǎng)關上運行特定的管理軟件對網(wǎng)絡的使用者進行定位。同時，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)的學生依托實驗室自主進行創(chuàng)新型實驗提供了可靠、可解釋的數(shù)據(jù)。iptables配置實例如圖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的服務器作為實驗室網(wǎng)關，使用其內核集成的IP信息包過濾系統(tǒng)iptables。專業(yè)實驗室允許從局域網(wǎng)內訪問外網(wǎng)，使用iptables的nat功能實現(xiàn)網(wǎng)絡地址轉換，即源和目的IP地址與port的轉換。同時，由于該網(wǎng)關是局域網(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)關服務器的數(shù)據(jù)包。圖3給出了網(wǎng)關上iptables服務配置的實例。圖3中，eth1是網(wǎng)關中與外網(wǎng)連接網(wǎng)卡的名稱，而172.16.0.0/21表示的是內網(wǎng)的網(wǎng)址；該實例中網(wǎng)關上的iptables服務直接對內外網(wǎng)的地址進行轉換，并沒有對轉發(fā)的數(shù)據(jù)包進行任何過濾。顯然，使用圖3的配置文件，內網(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 語

實踐能力、動手能力是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的重要目標，而對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)而言，實驗是培養(yǎng)學生實踐能力、動手能力的重要環(huán)節(jié)。安徽建筑大學物聯(lián)網(wǎng)工程的培養(yǎng)計劃中，無論是課內實驗還是單獨開課的課程設計、綜合實驗，甚至學生自主創(chuàng)新的開放性實驗，面向物聯(lián)網(wǎng)應用設計、物聯(lián)網(wǎng)工程實現(xiàn)的網(wǎng)絡環(huán)境是培養(yǎng)計劃落實、人才培養(yǎng)目標達成的基礎。結合安徽建筑大學物聯(lián)網(wǎng)工程實驗場地的實際以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實驗裝置的配備，我們設計了“結構分層、邏輯扁平”的網(wǎng)絡環(huán)境。一方面，基于該網(wǎng)絡環(huán)境，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學生不僅可以完成課內實驗、課程設計以及綜合實驗；另一方面，該網(wǎng)絡環(huán)境構造過程的規(guī)范性也為物聯(lián)網(wǎng)工程設計與實施等課程提供了典范，為認知實習、生產實習提供了平臺。同時，物理網(wǎng)絡分層結構的設計與部署也為學生對計算機網(wǎng)絡進行探索性實驗提供了平臺。

“結構分層、邏輯扁平”的局域網(wǎng)環(huán)境不僅可以同時為135臺學生用計算機同時提供網(wǎng)絡接入服務，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、高性能計算、大數(shù)據(jù)處理服務的專業(yè)私有云平臺提供一致性接入。實際使用過程中，該平臺不僅能支撐物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)計劃設定的實驗環(huán)節(jié)，專業(yè)教師還利用該平臺，基于“項目式學習”“成果導向教育”理念，指導本科生開展創(chuàng)新活動，促進了我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)新工科背景下的課程改革，切實提高了教學效果。

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收稿日期：2023-04-04 修回日期：2023-05-09

基金項目：安徽省省級質量工程項目（2021jyxm0261）；安徽省省級質量工程項目（2021jxms042）；安徽建筑大學質量工程項目（2021jy14）；安徽建筑大學質量工程項目（2021jy19）；安徽建筑大學質量工程項目（2021jy47）；安徽建筑大學質量工程項目（2021ms01）；安徽省高校學科（專業(yè)）拔尖人才學術資助項目（gxbjZD2021067）；安徽省高校自然科學研究重點項目（KJ2020A0470）

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