物 聯(lián) 網(wǎng) 虛 擬 仿 真 實 驗 教 學(xué) 平 臺
——網(wǎng)絡(luò)和嵌入式網(wǎng)關(guān)層

陳建鋒， 羅家兵， 黃福春

(廣州大學(xué) 華軟軟件學(xué)院，廣州 510990)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是利用局部網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)器、人和物等通過新的方式聯(lián)在一起，實現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)[1]。物聯(lián)網(wǎng)被稱為是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第3次浪潮，它要解決的是人與物、物與物的互聯(lián)問題[2]，國家已將其視為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)?；谖锫?lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，本文研究OPNET、SoftRadio、Qemu、Proteus、Docker等軟件，搭建了綜合物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，貫穿物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，如圖1所示。本文介紹物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)和嵌入式網(wǎng)關(guān)層等課程的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建和運用情況，重點介紹計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、嵌入式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(Cortex-A9、Raspberry Pi)等課程在該平臺上可以開展的基礎(chǔ)性實驗和綜合性實驗的虛擬仿真教學(xué)，相關(guān)課程重點設(shè)計了串口通信編程、網(wǎng)絡(luò)通信編程和數(shù)據(jù)庫編程的綜合性實驗，能幫助學(xué)生更好地解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的“通”(實時通信)、“存”(數(shù)據(jù)存儲)、“用”(數(shù)據(jù)應(yīng)用)等問題。該平臺既方便教師將綜合的物聯(lián)網(wǎng)實驗項目帶進(jìn)課堂，在課堂上利用虛擬實驗平臺進(jìn)行現(xiàn)場操作和演示，使理論知識的教學(xué)更加形象、生動，也解決了實驗學(xué)時不能滿足學(xué)生實驗的難題，使物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)相關(guān)實驗課程的學(xué)習(xí)不再局限于理論課堂和實驗室，在教學(xué)時間和空間上拓展了學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)相關(guān)實驗課程的學(xué)習(xí)范圍[3-4]，為物聯(lián)網(wǎng)工程的網(wǎng)絡(luò)層和嵌入式網(wǎng)關(guān)層課程的實驗教學(xué)的開展提供較好的支持。

1 OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺

OPNET是一個網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包，它能夠準(zhǔn)確地分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為，在網(wǎng)絡(luò)模型中的任意位置都可以插入標(biāo)準(zhǔn)的或用戶指定的探頭，以采集數(shù)據(jù)和進(jìn)行統(tǒng)計。通過探頭得到的仿真輸出可以以圖形化顯示、數(shù)字方式觀察，或者輸出到第3方的軟件包去[5-6]。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，仿真實現(xiàn)了簡單容量規(guī)劃、HTTP性能、采用RIP進(jìn)行路由、采用OSPF進(jìn)行路由、無線通信等基礎(chǔ)性實驗和IP編址和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、傳感器網(wǎng)絡(luò)、ZigBee協(xié)議等綜合性實驗[7-8]。詳細(xì)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真實驗項目的名稱和實驗項目涉及的相關(guān)內(nèi)容，見表1。圖2是傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真綜合性實驗的運行情況。

圖1 綜合物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

表1 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真實驗項目

圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真實驗

2 SoftRadio模擬NB-IOT

SoftRadio是一款PC軟件，在測試場景下，使用者在不需要芯片/模組、NB-IOT基站和核心網(wǎng)的情況下，借助PC端的SoftRadio軟件，任何時候都可通過互聯(lián)網(wǎng)連接到IOT平臺和APP應(yīng)用，用于NB-IOT設(shè)備和APP Server基本功能調(diào)試，提升調(diào)試效率[9]。圖3為SoftRadio模擬NB-IOT的情況。

Device:NB-IOT終端(如智能水表、氣表等)通過空口連接到eNodeB。SoftRadio:在測試場景中模擬NB-IOT芯片與模組、屏蔽無線空口的軟件。eNodeB:主要承擔(dān)空口接入處理和小區(qū)管理等相關(guān)功能，通過S1-lite接口與IOT核心網(wǎng)進(jìn)行連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給高層網(wǎng)元處理。IOT核心網(wǎng):承擔(dān)與終端非接入層交互的功能，將IOT業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IOT平臺進(jìn)行處理。IOT管理平臺:IOT聯(lián)接管理平臺匯聚從各種接入網(wǎng)得到的IOT數(shù)據(jù)，根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行處理[10]。圖4是SoftRadio運行界面，表2為SoftRadio模擬NB-IOT的AT指令。

圖3 SoftRadio 模擬NB-IOT

圖4 SoftRadio運行界面

表2 SoftRadio模擬NB-IOT的AT指令

3 QEMU虛擬仿真平臺

QEMU是一款通用開源模擬器及虛擬機(jī)監(jiān)管器。QEMU主要提供兩種功能給用戶使用。一是作為用戶態(tài)模擬器，利用動態(tài)代碼翻譯機(jī)制來執(zhí)行不同于主機(jī)架構(gòu)的代碼;二是作為虛擬機(jī)監(jiān)管器，模擬全系統(tǒng)，利用其VMM(Xen、KVM)來使用硬件提供的虛擬化支持，創(chuàng)建接近于主機(jī)性能的虛擬機(jī)。

3.1 QEMU實現(xiàn)ARM(Cortex A9)平臺仿真

QEMU可以模擬IA-32(x86)個人電腦，AMD64個人電腦，MIPS R4000，ARM v6,v7(Cortex-A8,A9，A15)等架構(gòu)[10]。Debian完全支持移植到little-endian ARM的3種類型的硬件：ARM EABI(armel)、硬浮點ABI ARM(armhf)、64位ARM(arm 64)。本文的“物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺”借助QEMU和Debian實現(xiàn)Cortex-A9平臺的虛擬仿真實驗教學(xué)，在嵌入式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(Cortex-A9)的教學(xué)中，設(shè)計了文件IO、串口通信、多線程、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信編程等基礎(chǔ)性實驗和數(shù)碼相框?qū)嶒?、串口調(diào)試助手、環(huán)境監(jiān)測綜合系統(tǒng)等綜合性實驗[11-12]。詳細(xì)的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(Cortex-A9)仿真實驗項目的名稱和實驗項目涉及的相關(guān)內(nèi)容，見表3。圖5是串口調(diào)試助手綜合性實驗的仿真運行情況。ARM鏡像下載網(wǎng)站(https://people.debian.org/～aurel32/qemu/)。

表3 嵌入式網(wǎng)關(guān)(Cortex- A9)仿真實驗項目

3.2 QEMU實現(xiàn)樹莓派平臺仿真

樹莓派(Raspberry Pi)是為學(xué)習(xí)計算機(jī)編程教育而設(shè)計，只有信用卡大小的微型電腦[13]。本文的“物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺”，借助QEMU和Debian實現(xiàn)樹莓派平臺的虛擬仿真實驗教學(xué)，在嵌入式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(Raspberry Pi)的教學(xué)中結(jié)合目前比較流行的Python編程語言，設(shè)計了多線程,GUI、串口通信、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信編程等基礎(chǔ)性實驗和串口調(diào)試助手、MQTT協(xié)議測試工具、環(huán)境監(jiān)測綜合系統(tǒng)等綜合性實驗[14-15]。嵌入式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(Raspberry Pi)仿真實驗項目的名稱和實驗項目涉及的相關(guān)內(nèi)容，見表4。圖6是MQTT協(xié)議測試工具綜合性實驗的仿真運行情況。樹莓派鏡像文件下載網(wǎng)站(http://downloads.raspberrypi.org/raspbian/images/)。

圖6 MQTT協(xié)議測試工具實驗

表4 嵌入式網(wǎng)關(guān)(Raspberry Pi)仿真實驗項目

4 結(jié) 語

綜合利用OPNET、SoftRadio、Qemu、Proteus、Docker等軟件，完成搭建物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真綜合實驗教學(xué)平臺，實現(xiàn)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、嵌入式網(wǎng)關(guān)層和應(yīng)用層課程的仿真。介紹了物聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)層和嵌入式網(wǎng)關(guān)層的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、嵌入式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(Cortex-A9、Raspberry Pi)等課程的基礎(chǔ)性和綜合性實驗項目的仿真教學(xué)設(shè)計，虛擬仿真實驗教學(xué)平臺為物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式網(wǎng)關(guān)層的課程實驗教學(xué)的開展提供較好的支持。實踐證明，通過這些實驗項目的虛擬仿真，能讓學(xué)生更好地掌握串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)庫編程等專業(yè)知識，較好地解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的“通、存、用”等問題。