陶銘

（東莞理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣東 東莞)

一 引言

2010年3月，在我國(guó)政府工作報(bào)告所附的注釋中，將物聯(lián)網(wǎng)定義為通過(guò)信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展，也可稱之為“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。普通對(duì)象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化以及普適服務(wù)智能化是物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)重要特征。當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用的廣泛深入，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)成為國(guó)內(nèi)各高校新開(kāi)熱門專業(yè)。該專業(yè)旨在為推進(jìn)未來(lái)信息社會(huì)可持續(xù)發(fā)展而培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的工程型與應(yīng)用型人才，主要訓(xùn)練學(xué)生在獲得良好的科學(xué)與人文素養(yǎng)基礎(chǔ)之上，充分理解物理世界的信息感知、數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)及傳輸、分析、處理等各階段原理、技術(shù)與方法，重點(diǎn)掌握廣泛領(lǐng)域內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的知識(shí)與技能，以此為未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、地方經(jīng)濟(jì)及信息化建設(shè)服務(wù)。作為一門新興專業(yè)，知識(shí)面涵蓋了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息處理技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，因此，在專業(yè)課程（理論課程及實(shí)踐課程）體系以及知識(shí)體系等各方面均需進(jìn)行適用、合理、有效及科學(xué)的探索，據(jù)此制定并完善切實(shí)可行的教學(xué)方案、培養(yǎng)計(jì)劃以及人才培養(yǎng)方案等[2,3]。

二 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)模型

物聯(lián)網(wǎng)作為一種系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，與其他網(wǎng)絡(luò)一樣，也有其內(nèi)部特有的架構(gòu)。目前廣泛接受的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)可劃分為四個(gè)層次，可根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的四個(gè)功能部分：信息生成、傳輸、處理和應(yīng)用，對(duì)應(yīng)地將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)劃分為感知識(shí)別層、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層、管理服務(wù)層和綜合應(yīng)用層，具體如圖1所示[4]。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)模型

其中，感知識(shí)別層位于物聯(lián)網(wǎng)四層系統(tǒng)架構(gòu)模型的最底端，是上層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，具體可利用 RFID、傳感器、條碼識(shí)別以及多媒體信息采集等設(shè)備或裝置隨時(shí)隨地采集物理世界的信息。網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層主要起紐帶的作用，在物聯(lián)網(wǎng)四層系統(tǒng)架構(gòu)模型中連接感知識(shí)別層和管理服務(wù)層，高效、穩(wěn)定、及時(shí)、安全地在上下層之間傳遞數(shù)據(jù)。管理服務(wù)層在物聯(lián)網(wǎng)四層系統(tǒng)架構(gòu)模型中位于感知識(shí)別層和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層之上，綜合應(yīng)用層之下，是物聯(lián)網(wǎng)智慧的源泉，主要解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)使用以及數(shù)據(jù)不被濫用等問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)豐富的內(nèi)涵催生出更加豐富的外延應(yīng)用，相關(guān)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可在綜合應(yīng)用層中定義。目前，物聯(lián)網(wǎng)作為我國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的方向和技術(shù)之一，已被廣泛應(yīng)用于智能家居、智能安防監(jiān)控、智能樓宇、智能冷鏈物流、智慧醫(yī)療、國(guó)防軍事等諸多領(lǐng)域。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)前也有相關(guān)研究將四層系統(tǒng)架構(gòu)模型中的相關(guān)功能進(jìn)行了重新規(guī)劃，并劃分成了三層系統(tǒng)架構(gòu)模型，如圖1所示。按照物聯(lián)網(wǎng)三層系統(tǒng)架構(gòu)模型，物聯(lián)網(wǎng)的通信系統(tǒng)可大體分為兩大類：感知控制層通信和網(wǎng)絡(luò)層傳輸通信，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]。在感知控制層通信系統(tǒng)中，主要是使用感知控制設(shè)備所具有的通信能力，將所感知的信息在較短的通信距離內(nèi)采用短距離有線通信系統(tǒng)或短距離無(wú)線通信系統(tǒng)傳送到信息匯聚系統(tǒng)，并由該系統(tǒng)傳送（或互聯(lián)）到網(wǎng)絡(luò)傳輸層。一般情況下，若干個(gè)感知控制設(shè)備負(fù)責(zé)某一區(qū)域，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)可劃分為眾多個(gè)感知控制區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都通過(guò)一個(gè)匯聚設(shè)備接入到互聯(lián)網(wǎng)中，即接入到網(wǎng)絡(luò)傳輸層。其通信的特點(diǎn)是傳輸距離近，傳輸方式靈活、多樣。感知控制層中的短距離有線通信系統(tǒng)主要是由各種串行數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)成的，目前使用較為廣泛的技術(shù)有RS-232/485、USB、CAN工業(yè)總線及各種串行數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。感知控制層中的短距離無(wú)線通信系統(tǒng)主要由各種低功率、中高頻無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成，目前使用較為廣泛的技術(shù)包括藍(lán)牙、紅外、超寬帶、WiFile、GSM、3G4G5G等。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)層傳輸通信系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)通信主機(jī)（或服務(wù)器）、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器等構(gòu)成的，在數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)支撐下的計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)，一般由公眾通信網(wǎng)絡(luò)及專用通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，主要是支持感知信息的大范圍遠(yuǎn)距離傳輸。

三 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)相關(guān)課程設(shè)置

目前，大部分高校一般按照物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)所劃分的三個(gè)層次來(lái)設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心課程，如表1所示。比如，對(duì)應(yīng)感知層，開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)感知、識(shí)別與控制技術(shù)，傳感器原理及應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)智能感知技術(shù)等課程，要求學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)信息標(biāo)識(shí)、采集感知等方面的知識(shí)；對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層，開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等課程，要求學(xué)生掌握主流的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)等；對(duì)應(yīng)應(yīng)用層，開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與融合，云計(jì)算與大數(shù)據(jù)等課程，要求學(xué)生掌握處理、識(shí)別和控制相關(guān)的技術(shù)[6]。

值得一提的是，網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)課程所講授的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，知識(shí)涵蓋了離散數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信原理等多個(gè)方面，因此這些課程組成了理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的專業(yè)課程群。作為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類理論課程，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，通常會(huì)比較偏向于理論知識(shí)的講授，內(nèi)容相對(duì)抽象空洞，不利于學(xué)生了解和掌握各種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的具體工作原理及運(yùn)行方式。并且針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的課程實(shí)驗(yàn)需要不同的硬件環(huán)境，而課程實(shí)驗(yàn)相關(guān)的硬件平臺(tái)通常價(jià)格不菲。因此，在這類課程的實(shí)踐教學(xué)中，充分采用適用的開(kāi)源網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，不僅可以節(jié)省采購(gòu)硬件平臺(tái)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，還可以集教學(xué)、學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)及創(chuàng)新于一體，拓展教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的深度和廣度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的興趣，改善教學(xué)效果。

表1 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)（三層）系統(tǒng)架構(gòu)的專業(yè)核心課程設(shè)置

四 NS-3與OMNet++對(duì)比分析

NS-3和OMNet++均是基于離散事件仿真（DES, Discrete Event Simulation）的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。離散事件仿真器原理如圖3所示。作為一種基于組件的、模塊化的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，OMNeT++近年來(lái)在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域逐漸流行。其具備強(qiáng)大完善的圖形界面接口，可以運(yùn)行在Unix和Windows 環(huán)境中[7]。然而OMNeT++并不是一款真正意義上的網(wǎng)絡(luò)仿真器，而只是一個(gè)通用的離散仿真框架。通過(guò)INET包，OMNeT++提供了對(duì)網(wǎng)絡(luò)建模的能力。另外，MF和Castalia模塊提供了對(duì)移動(dòng)Adhoc和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真功能。OMNeT++在簡(jiǎn)單模塊中實(shí)現(xiàn)基本的協(xié)議行為，然后通過(guò)組合這些簡(jiǎn)單模塊成復(fù)合模塊而成為仿真節(jié)點(diǎn)，OMNeT++中的網(wǎng)絡(luò)仿真就是這些復(fù)合模塊的組合。OMNeT++也是采用C++來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是使用了一種網(wǎng)絡(luò)描述語(yǔ)言NED來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)框架。通過(guò)更改NED描述文件即可改變OMNeT++的仿真行為，例如可以更改網(wǎng)路中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)模塊是在仿真執(zhí)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)生成的。

在現(xiàn)有主流的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，如：OPNET、NS-2、GTNetS和yans等的基礎(chǔ)上，總結(jié)它們的優(yōu)缺點(diǎn)， NS-3應(yīng)運(yùn)而生[8]。NS-3仍然采用C++語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真節(jié)點(diǎn)（和NS-2一樣），然而仿真過(guò)程卻不再采用oTcl來(lái)控制，換作通過(guò)純C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，部分還可以使用Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。此外，NS-3還集成了GTNetS的架構(gòu)設(shè)計(jì)概念和代碼，在可擴(kuò)展性方面進(jìn)一步提升。但是，這些設(shè)計(jì)方面的改動(dòng)也帶來(lái)了兼容性方面的問(wèn)題，比如：NS-2的模塊移植到NS-3上都需要手工的移植過(guò)程。當(dāng)然，除了性能方面的改進(jìn)之外，NS-3還支持和物理實(shí)現(xiàn)（如：BSD Socket或者POSIX線程等）的集成。

圖3 離散事件仿真器原理

五 NS-3在課程教學(xué)中的應(yīng)用

（一） NS-3原理與構(gòu)成

基于NS-3的仿真過(guò)程接近于真實(shí)系統(tǒng)。相關(guān)物理實(shí)體概念在NS-3中被抽象成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件，比如：仿真節(jié)點(diǎn)如同一個(gè)計(jì)算機(jī)外殼，可以配置網(wǎng)卡、協(xié)議棧、IP地址和應(yīng)用程序等。圖4按照TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，自頂向下從應(yīng)用層到物理層羅列了NS-3中實(shí)現(xiàn)的功能。由于NS-3是一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目且具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，使用人員可以根據(jù)自己的需要自定義開(kāi)發(fā)新的模塊，如：網(wǎng)絡(luò)模塊（如：Mesh、WiMax、LTE、UAN等）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模塊（如：Click、Openflow等）和并行分布式計(jì)算模塊（如：MPI等）等。此外，emu模塊還可以將NS-3在試驗(yàn)床或虛擬機(jī)環(huán)境下進(jìn)行集成。

圖4 NS-3組織結(jié)構(gòu)圖

在NS-3中定義的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件可以分為四類。（1）計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)設(shè)備（Node）：可以添加應(yīng)用、協(xié)議以及外部接口等；（2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（NetDevice）：安裝在節(jié)點(diǎn)內(nèi)使節(jié)點(diǎn)可以通信的網(wǎng)卡及其驅(qū)動(dòng)，目前，有NS-3中可以配置各種不同類型的網(wǎng)卡，如：CsmaNetDevice、PointToPointNetDevice以及WifiNetDevice等；（3） 信 道（Channel）： 處理傳輸媒介的抽象，目前有以下幾種類型：CsmaChannel、PointToPointChannel、WifiChannel；（4）應(yīng)用程序（Application）：借助應(yīng)用程序可以產(chǎn)生和消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)流量，驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模擬器，包括Udp EchoClientApplication、Udp Server Application等；（5）Topology 生成器：對(duì)應(yīng)每種拓?fù)溥B接有不同的Helper，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備安裝、連接、屬性設(shè)置等。此外，在NS-3中還實(shí)現(xiàn)了三個(gè)支持系統(tǒng)。具體地，Attribute屬性系統(tǒng)可以用來(lái)設(shè)置對(duì)象屬性等信息，Logging 日志系統(tǒng)可以用來(lái)記錄用戶程序或系統(tǒng)的運(yùn)行情況，以及Tracing 跟蹤系統(tǒng)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化的輸出。

在使用NS-3實(shí)現(xiàn)具體的網(wǎng)絡(luò)仿真過(guò)程中，搭建NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景與在物理世界中安裝主機(jī)和連接網(wǎng)絡(luò)類似[9,10]。首先，生成網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)，并為網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)配置好網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、協(xié)議棧、應(yīng)用程序，以及分配端口號(hào)和IP地址等。然后，與TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)包流動(dòng)一樣，應(yīng)用程序產(chǎn)生數(shù)據(jù)，并自頂向下逐層封裝，將數(shù)據(jù)封裝成報(bào)文，由報(bào)文封裝成報(bào)文段，由報(bào)文段封裝成IP數(shù)據(jù)報(bào)，由IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝成數(shù)據(jù)幀，再形成二進(jìn)制的比特流，最終變成信號(hào)通過(guò)傳輸媒介傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后再自低向上逐層解封裝并轉(zhuǎn)交，最后經(jīng)由傳輸層的端口號(hào)轉(zhuǎn)交給相應(yīng)的應(yīng)用程序。至此，在NS-3中完成一次和真實(shí)網(wǎng)絡(luò)極其相近的完整的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。

當(dāng)仿真結(jié)束后，為便于更好地理解網(wǎng)絡(luò)原理，可以采用多種手段收集、整理、分析以及再現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。在NS-3中，可以通過(guò)可視化界面（如：PyViz或NetAnim）直觀地觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過(guò)程，包括仿真節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、移動(dòng)和數(shù)據(jù)包的流動(dòng)等。除此之外，可以利用NS-3的追蹤系統(tǒng)捕獲仿真過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的格式進(jìn)行驗(yàn)證，以及對(duì)數(shù)據(jù)包的遲延、網(wǎng)絡(luò)流量、丟包率和節(jié)點(diǎn)消息緩存隊(duì)列等進(jìn)行測(cè)試及分析。

（二） NS-3在課程教學(xué)中的應(yīng)用模式

NS-3在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類相關(guān)課程教學(xué)中的運(yùn)用包括兩方面。一方面主要體現(xiàn)在理論講授過(guò)程中的運(yùn)用，另一方面主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程中的運(yùn)用。在日常理論教學(xué)過(guò)程中，可以使用NS-3仿真實(shí)現(xiàn)一些抽象的原理和算法，在具體講授過(guò)程中可以結(jié)合NS-3中仿真過(guò)程的動(dòng)態(tài)效果，將抽象變?yōu)樾蜗螅梢詭椭瑢W(xué)們更加直觀地觀察到相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)理論是如何實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還可以讓同學(xué)們接觸到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)科學(xué)研究的相關(guān)內(nèi)容，開(kāi)闊視野，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣，使枯燥乏味的課堂氛圍變得更加具有吸引力和更加活躍。在日常實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程中，由于NS-3已集成了多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，同時(shí)，還可以根據(jù)需要，將理論教學(xué)過(guò)程中講授的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議編寫基于NS-3的仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，包括驗(yàn)證性試驗(yàn)和設(shè)計(jì)性試驗(yàn)，可以對(duì)大規(guī)模的固定網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行仿真。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，提高動(dòng)手能力，加深對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)原理的理解和掌握，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

六 結(jié)束語(yǔ)

將NS-3運(yùn)用于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類相關(guān)課程教學(xué)，可以仿真實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)課程中的大部分原理及協(xié)議。同時(shí)，借助NS-3，還可以結(jié)合這些原理、協(xié)議設(shè)計(jì)新的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，模擬網(wǎng)絡(luò)流量在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中傳輸及交換等過(guò)程。在日常理論及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)表明，將NS-3引入物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類相關(guān)課程教學(xué)，一方面極大地增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生網(wǎng)絡(luò)分析與設(shè)計(jì)的能力以及實(shí)踐動(dòng)手能力；另一方面開(kāi)闊了學(xué)生的視野以及激發(fā)了學(xué)生探索的興趣，同時(shí)，也有助于提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。