物联网技术在《IP通信基础》实验教学中的应用

林盛鑫　韩涛　徐永钊

(东莞理工学院　电子工程学院，广东东莞　523808)



物联网技术在《IP通信基础》实验教学中的应用

林盛鑫韩涛徐永钊

(东莞理工学院电子工程学院，广东东莞523808)

针对目前实验室网络设备的不足情况，采用物联网技术，通过串口服务器进行端口转换配置。实现路由器、三层交换机与计算机三者互联的组网方案，以TELNET方式实现对网络设备的CONSOLE端口进行远程配置操作，优化了实验教学环境，同时缓解实验设备数量不足等情况，提高了学生的积极性以及互动性。

物联网技术；串口服务器；实验教学；IP通信技术

“物联网”的概念是在1999年提出的[1]。物联网的定义是“通过射频识别(FRID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络”。随着物联网技术的迅速发展，IP网络技术得到越来越广泛的应用。《IP通信基础》课程作为通信专业及相关专业的基础课程，通信工程专业强调综合和系统集成能力的培养，不仅要讲授网络基本理论，介绍各层次协议的工作原理，还要培养学生具备规划设计、运行维护、分析管理IP网络、配置部署应用系统的能力[2]。要求学生掌握IP网络的基本概念、体系结构和架构，掌握以太网交换机和路由器的基本原理、作用及相关技术配置；以及掌握VLAN技术、RIP协议、OSPF协议等的网络功能，以培养分析问题和解决问题的综合能力，是掌握IP网络技术的重要基础，各高校陆续开设了这门课程，如何让学生更好地掌握该门课程，实验教学环节是重中之重，为解决目前实验室普遍存在的问题，通过物联网技术，采用串口服务器，使得网络设备其控制端(CONSOLE端口)能够网络化控制，同时接入计算机局域网络，便于对网络实验设备的管理，同时为学生们提供更好的实验教学环境，更好地掌握该门课程。

1　《IP通信基础》课程在实验教学环节中存在的不足情况

1.1网络实验设备不足

《IP通信基础》课程的实验教学内容主要是通过配置网络设备，通过不同的拓扑结构实现不同的网络功能，如VLAN技术、RIP协议、OSPF协议、ACL、NAT等。因此需要多种不同类型的网络实验设备进行组网，如多台三层交换机或路由器组合，以实现不同的拓扑结构及不同的网络功能，由于网络设备价格比较昂贵，普遍存在网络设备不足的情况[3]。

1.2网络实验设备控制单一化

目前的网络设备大多数采用CONSOLE端口的方式进行设备配置，只能用串口接口一对一的方式与计算机进行连接，当需要控制多台设备时，需要人为进行设备的搬移和接线变更，容易引起接口的接触不良和实验设备分配不均等现象，既限制了设备配置的灵活性，又制约了实验教学质量。

1.3干扰原来计算机管理网络

由于大部分实验内容所形成的拓扑结构需要计算机参与通信，但计算机往往只有一张网卡，形成网络端口不足，影响了对原来计算机的网络管理，需要重复变更网络连接，容易产生接口接触不良等情况，增加维护成本。

2　基于物联网技术的网络设备组网的设计方案

网络实验设备控制端的网络化主要采用串口服务器[4]提供串口转网络功能，能够将RS-232/485/422串口转换成TCP/IP网络接口，实现RS-232/485/422串口与TCP/IP网络接口的数据双向透明传输，使得串口设备能够立即具备TCP/IP网络接口功能，连接网络进行数据通信，极大的扩展串口设备的通信距离。串口服务器的系统架构如图1所示。

图1　串口服务器系统架构图

但部分网络实验室采用多端口串口服务器网组方式，即采用一台服务器作为串口服务器，嵌入多端口串口转换卡，进行串口端口与网络端口之间的转换，以实现控制端口网络化，该方案中多端口转换卡随着端口的增加，成本也同时增加，但稳定性却不断下降。当服务器出现故障，即影响整个控制网络[5]。

本设计方案采用单端口的串口服务器实现单一网络设备控制端口网络化，再进行组网，形成网络设备控制网络(物联网)，同时计算机采用双网卡结构，保证原来的计算机网络管理不受影响，最终实现所有设备互联。由于单一的串口服务器采用ARM芯片即可完成串口与网络端口之间的协议转换，成本低，容易控制，即使部分出现故障也不会影响其它网络设备的控制。实验室组网拓扑方案如图2所示，其中虚线部分根据具体的实验拓扑要求按组数进行分配连接。

图2　实验室组网拓扑图

3　基于物联网技术的网络设备组网的实现方法

该方案主要设计核心在于串口服务器上的配置，针对网络设备不足的情况，采用分组的方式，四人共同完成一个网络拓扑结构，同时增强学生的相互协助和检测的精神，要求小组能够同时登录同一台网络设备。

3.1串口服务器配置

为每台串口服务器进行tcp/ip设置，串口服务器需采用TCP Server 模式[6]，首先与网关尝试通讯，然后监听设置的本机端口，有连接请求时响应并创建连接，当串口收到数据后将同时发送给所有与网络模块建立链接的设备。其中SERVER端为网络设备，CLIENT端为计算机。当SERVER端同时向4个CLIENT发送数据，由于SERVER接收CLIENT端数据时不能区分数据来源，所以采用Index功能实现发送与接收数据源的选择。

3.2计算机系统配置

本配置在windows操作系统下进行，采用超级终端进行telnet操作[7]，连接时采用tcp/ip(winsock)方式进行连接，通过输入指定的网络通信设备所对应的串口服务器IP地址，即可通过TLENET的方式远程控制该网络实验设备。

4　结语

通过物联网技术，对网络设备进行自由配置，通过TELNET方式完成对远程CONSOLE端口的配置，实现网络实验设备控制端组网，再接入原来的计算机网络，既不影响原来的网络，又缓解当前设备数量不足问题，同时还提高网络实验设备的利用率，有利于设备间的管理。

[1]沈苏彬，范曲立，宗平，等．物联网的体系结构与相关技术研究[J]．南京邮电大学学报：自然科学版，2009，29(6)：1-10．

[2]郭娟, 范九伦. 通信工程专业“IP网络技术”实践课程体系的构建[C]// Asia-Pacific Conference on Information Network and Digital Content Security，2010:441-444.

[3]林盛鑫，黄丁香，钟惠球，等. 基于“卓越计划”的计算机网络实验教学改革研究[J]. 东莞理工学院学报，2012，19(3)：118-120.

[4]张从鹏，赵康康. 基于STM32的串口服务器系统开发[J]. 仪表技术与传感器，2016(1)：73-75.

[5]张俊鹏，任颖，李华伟，等. 物联网技术在高校实验室中的应用[J]. 中国电子商务，2014(14)：34-34.

[6]范永刚，刘绍方，董晶，等. 基于ARM的高性能串口服务器的研究与实现[J]. 计算机工程与设计，2012，33(4)：1378-1384.

[7]卢爱卿，张会勇，赵征. Telnet协议的实现原理及应用[J]. 计算机工程，2002，28(11)：268-269.

Application of Internet of Things in Experimental Teaching of IP Communication Foundation

LIN ShengxinHAN TaoXU Yongzhao

(College of Electronic Engineering , Dongguan University of Technology,Dongguan 523808, China)

In view of the shortcoming of current network equipment in the laboratory, the project configures port transformation through the serial port server, realizing the networking scheme of router, three-layer switches and compute network by Internet of Things, conducting remote configuration of the CONSOLE port of the network device by TELNET method, optimizing the experiment teaching environment and alleviating the shortage of experimental equipment, so as to improve the students’ enthusiasm and interactivity.

internet of things; serial server; experimental teaching; IP communication technology

2016-03-10

广东省省自然科学基金资助项目(2015A030313654);广东省科技计划项目(2014A05050368)。

林盛鑫(1979—)，男，广东潮阳人，工程师，主要从事机器视觉与工业自动化研究。

G434

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1009-0312(2016)03-0115-03