軍隊院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)大數(shù)據(jù)實驗室建設(shè)方案研究

劉國松，萬 平，李先利，吳書金

（陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401331）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的擴展和延伸，是實現(xiàn)萬物互聯(lián)互通的智慧網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展伴隨著傳感器的急速增長，從而帶來了海量低價值密度數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)為從這些數(shù)據(jù)中挖掘出有價值的信息，提供了技術(shù)支撐。因此，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)員必須掌握大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)的理論知識。而作為軍事院校，強調(diào)為戰(zhàn)育人，圍繞實戰(zhàn)搞教學(xué)，大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)課程的教學(xué)不能只停留在理論教學(xué)層面上，應(yīng)增加實踐教學(xué)部分。而傳統(tǒng)的計算機實驗室設(shè)備難以滿足大數(shù)據(jù)實驗環(huán)境配置要求[1]，所以迫切需要建立物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的大數(shù)據(jù)實驗室。

1 大數(shù)據(jù)實驗室建設(shè)需求分析

現(xiàn)有的高校大數(shù)據(jù)實驗室建設(shè)方案大都圍繞大數(shù)據(jù)專業(yè)人才的培養(yǎng)進行建設(shè)[2-12]，以促進學(xué)生的就業(yè)率提升為目標。軍隊院校大數(shù)據(jù)實驗室是為培養(yǎng)新型軍事人才服務(wù)，面向的是部隊的需求，因此軍隊院校大數(shù)據(jù)實驗室建設(shè)具有其特殊性。下面以陸軍某軍校為例，從教學(xué)、科研和人才培養(yǎng)的角度分析實驗室建設(shè)的需求。

1.1 教學(xué)需求

我院大數(shù)據(jù)實驗室的建設(shè)是為了滿足物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)相關(guān)課程的教學(xué)需求，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理、大數(shù)據(jù)概論、數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與方法等課程納入培養(yǎng)體系，為滿足上述課程教學(xué)，需要構(gòu)建大數(shù)據(jù)實驗室，提供相應(yīng)的實驗平臺。

1.2 科研需求

大數(shù)據(jù)實驗室的建設(shè)還應(yīng)滿足教員的科研需求[13]。一方面需要“以研促教”，在教學(xué)和培養(yǎng)人才的過程中，難免會產(chǎn)生新的問題，需要教員進行相關(guān)的科研活動，以促進教學(xué)活動的開展。另外，軍事院校還承擔了為部隊提供科技服務(wù)的任務(wù)，解決部隊大數(shù)據(jù)相關(guān)的問題，也需要依賴大數(shù)據(jù)實驗室進行相關(guān)的科研攻關(guān)。

1.3 人才培養(yǎng)需求

軍事院校教育要面向戰(zhàn)場、面向部隊、面向未來，因此，進行大數(shù)據(jù)技術(shù)的學(xué)習(xí)應(yīng)緊跟部隊實際需求。而現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)資源多為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)，沒有針對軍事領(lǐng)域的數(shù)據(jù)來源，無法滿足部隊實戰(zhàn)化訓(xùn)練需求，應(yīng)增加與軍事緊密結(jié)合的數(shù)據(jù)源，而相關(guān)數(shù)據(jù)源大都存在安全保密的問題，難以獲取也無法在實驗室進行應(yīng)用。因此，考慮軍事數(shù)據(jù)最終都是通過通信技術(shù)完成數(shù)據(jù)的收集工作，應(yīng)增加與大數(shù)據(jù)相關(guān)的通信（數(shù)據(jù)）技術(shù)的學(xué)習(xí)。同時，考慮到未來物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)技術(shù)人才在部隊實際工作中將接觸大量保密數(shù)據(jù)，還應(yīng)掌握基本的物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)。

2 大數(shù)據(jù)實驗室建設(shè)方案

根據(jù)大數(shù)據(jù)實驗室的需求分析，擬建設(shè)以硬件平臺為基礎(chǔ)、軟件平臺為支撐、教員系統(tǒng)集群和學(xué)員系統(tǒng)集群為主體的四層實驗室架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 大數(shù)據(jù)實驗室架構(gòu)

2.1 硬件環(huán)境

大數(shù)據(jù)實驗室硬件平臺是實現(xiàn)教學(xué)和科研活動的基礎(chǔ)，包括基本教學(xué)環(huán)境和實驗教學(xué)環(huán)境兩個部分?；窘虒W(xué)環(huán)境包括滿足基本教學(xué)活動的教室、桌椅、投影儀等基礎(chǔ)設(shè)施，以滿足理論教學(xué)和實驗教學(xué)講授部分的需求；實驗教學(xué)環(huán)境包括實現(xiàn)大數(shù)據(jù)實驗所需要的服務(wù)器、交換機以及終端設(shè)備等實驗設(shè)施。

2.2 軟件平臺

大數(shù)據(jù)軟件平臺為學(xué)員和教員的教學(xué)、科研活動提供技術(shù)支撐，由容器、編排管理系統(tǒng)、虛擬網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用平臺、挖掘算法和交互編程平臺組成，如圖2所示。

圖2 軟件平臺

軟件系統(tǒng)底層采用基于容器的操作系統(tǒng)層級虛擬化技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的虛擬機技術(shù)，具有占用資源少、啟動快、性能開銷小的優(yōu)點。容器架構(gòu)降低了硬件成本，能夠更快速地部署開發(fā)、測試、生產(chǎn)環(huán)境，更簡便地維護開發(fā)、測試、生產(chǎn)環(huán)境，與微服務(wù)架構(gòu)更為契合。教學(xué)過程中，Docker容器技術(shù)能夠一鍵創(chuàng)建集成環(huán)境，快速虛擬大量實驗機供教學(xué)班學(xué)員進行大數(shù)據(jù)實驗。學(xué)員可同時擁有Hadoop、Spark、Python語言、R語言等多套集群進行實驗，能夠支撐實驗項目近400個，滿足日常教學(xué)的需求。

實驗平臺采用基于容器技術(shù)的分布式架構(gòu)方案，使用開放的Kubernetes容器編排工具開發(fā)平臺，解決了通過腳本或插件實現(xiàn)應(yīng)用安裝的傳統(tǒng)應(yīng)用部署不利于應(yīng)用的更新升級以及回滾等操作的問題。Kubernetes平臺可以方便管理云平臺中多個主機上的容器化的應(yīng)用，使部署容器化的應(yīng)用簡單高效。

在服務(wù)器與終端設(shè)備之間采用基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network, SDN）的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network, VPN）技術(shù)方案，以滿足大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)傳輸安全和擴展性問題。瀏覽器和服務(wù)器（B/S）架構(gòu)模式統(tǒng)一了學(xué)員學(xué)習(xí)的終端電腦部分，將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上。

挖掘算法方面，提供Python和R語言兩種語言的算法實現(xiàn)實驗，包括決策樹分類、隨機森林分類、樸素貝葉斯分類、K最近鄰分類、支持向量機分類、K-means聚類、DBSCAN聚類、回歸分析、Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則等實驗。

終端環(huán)境方面，采用基于網(wǎng)頁的交互計算應(yīng)用程序Jupyter Notebook搭建編程環(huán)境。利用Jupyter Notebook，學(xué)員可直接在網(wǎng)頁頁面中編寫和運行代碼，運行結(jié)果可以在網(wǎng)頁中被顯示出來。

2.3 教員系統(tǒng)集群

教員系統(tǒng)集群包括教學(xué)系統(tǒng)、科研系統(tǒng)和教務(wù)系統(tǒng)。

教學(xué)系統(tǒng)用于滿足教員日常教學(xué)需要，包括向?qū)W員提供電子版的課程教材和實驗指導(dǎo)內(nèi)容，進行隨堂檢測，布置、批改作業(yè)，檢測學(xué)生對知識點的掌握程度。

科研系統(tǒng)用于滿足教員科學(xué)研究的需要，提供支撐海量數(shù)據(jù)處理的Hadoop生態(tài)圈及周邊組件，包括HDFS、YARN、MapReduce、Hive、Spark、Zookeeper、HBase、Storm 等 ；提供支撐數(shù)據(jù)挖掘分析的Python和R語言生態(tài)，還可以支持數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)爬蟲、系統(tǒng)運維、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)標注等方面的研究需求。利用以上工具結(jié)合部隊實際需求取得的科研成果，可以形成案例庫，補充到教學(xué)活動中。具體而言可以通過實驗內(nèi)容開發(fā)工具，導(dǎo)入實驗內(nèi)容生成實驗手冊，從基于平臺鏡像庫中的標準鏡像或根據(jù)實驗內(nèi)容構(gòu)建自定義容器鏡像并存入本地鏡像庫，實現(xiàn)自定義實驗+平臺自帶實驗，更新實驗資源庫，從而促進教學(xué)工作的開展。

教務(wù)系統(tǒng)用于滿足課程管理以及考試測評的需求。課程管理系統(tǒng)實現(xiàn)創(chuàng)建課程、指定授課教員、學(xué)員選課管理等功能?？荚嚋y評系統(tǒng)提供分類標準題庫，題庫可自定義分類，可擴展試題；提供輔助評分功能，部分客觀題型可以實現(xiàn)自動評分；提供試卷自動生成功能，可按照設(shè)計難度目標自動生成試卷；提供在線考試功能等。

2.4 學(xué)員系統(tǒng)集群

學(xué)員系統(tǒng)集群包括教學(xué)系統(tǒng)、創(chuàng)新實踐系統(tǒng)、綜合培養(yǎng)系統(tǒng)。

教學(xué)系統(tǒng)針對學(xué)員日常實驗教學(xué)需要，提供標準的實驗流程模式，保證實驗課程的穩(wěn)步有序進行，具體分為4步：

（1）創(chuàng)建環(huán)境。系統(tǒng)按照學(xué)員實驗內(nèi)容自動創(chuàng)建所需實驗環(huán)境。

（2）實驗操作。學(xué)員參照實驗手冊完成實驗，并記錄實驗流程，生成實驗報告。

（3）提交報告。學(xué)員提交報告，教員可根據(jù)實驗報告提交情況，管理掌控實驗進度。

（4）教員評分。教員根據(jù)學(xué)員實驗報告內(nèi)容的正確性、完整性和及時性打分。

創(chuàng)新實踐系統(tǒng)向?qū)W員提供自由探索模式，包括Hadoop、Hbase、Hive、Spark等 集 群 環(huán) 境，Python、Notebook、MySQL、R語言等單機環(huán)境以及Ubuntu圖形環(huán)境等，可根據(jù)需求進行開發(fā)和功能拓展，提升學(xué)員的創(chuàng)新實踐能力。

綜合培養(yǎng)系統(tǒng)針對軍隊院校人才培養(yǎng)的特殊性，增加了通信（數(shù)據(jù)）實驗系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)安全教學(xué)實驗平臺。

通信（數(shù)據(jù)）實驗系統(tǒng)為學(xué)員了解和獲取軍事大數(shù)據(jù)來源提供支持，滿足學(xué)員未來任職的實際需要，同時為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程提供實驗技術(shù)支撐，使大數(shù)據(jù)課程與通信課程形成聯(lián)動效應(yīng)，更好地服務(wù)于軍隊現(xiàn)代化人才培養(yǎng)的目標。通信（數(shù)據(jù)）實驗系統(tǒng)按照軍事通信的重點，圍繞衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、天線測量實訓(xùn)、微波微帶電路、光纖通信、無線電通信電路建設(shè)，具體包括微波微帶電路系統(tǒng)實驗設(shè)計平臺、天線測量實訓(xùn)系統(tǒng)平臺、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)實訓(xùn)平臺、無線電通信電路系統(tǒng)創(chuàng)新平臺、通信原理人機交互實驗教學(xué)平臺、模擬電路試驗箱、數(shù)字電路試驗箱、4G移動通信原理與實訓(xùn)終端系統(tǒng)、光纖通信實驗系統(tǒng)和實時頻譜分析儀等。

大數(shù)據(jù)實驗平臺與互聯(lián)網(wǎng)進行了物理隔絕，保證了平臺運行數(shù)據(jù)的安全，但是學(xué)員在未來軍隊實際應(yīng)用中，仍然會面臨各種安全威脅。為了使學(xué)員能夠掌握基本的物聯(lián)網(wǎng)安全知識，增加了物聯(lián)網(wǎng)安全教學(xué)實驗平臺，貫穿大數(shù)據(jù)實驗平臺始終。物聯(lián)網(wǎng)安全教學(xué)實驗面臨內(nèi)容繁雜、難度大、專用安全實驗設(shè)備昂貴、實驗破壞性強、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置困難和維護費時費力、對學(xué)員動手能力要求高、物聯(lián)網(wǎng)安全暫無統(tǒng)一規(guī)范以及沒有成熟示范課可以借鑒等眾多挑戰(zhàn)。因此，在有限教學(xué)硬件基礎(chǔ)上，定制研發(fā)創(chuàng)新性的物聯(lián)網(wǎng)安全教學(xué)實驗平臺，該平臺依靠專業(yè)的開源軟件和虛擬計算技術(shù)，采用虛實結(jié)合的教學(xué)資源，開展多方位的物聯(lián)網(wǎng)安全實踐教學(xué)，能夠仿真、克隆和部署多樣化的真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和安全實驗環(huán)境，同時解決網(wǎng)絡(luò)安全實驗的獨占性和不可逆性等傳統(tǒng)難題。平臺配套實驗指導(dǎo)書和實驗參考示例代碼，支持以下類型實驗：古典密碼學(xué)實驗、現(xiàn)代密碼學(xué)實驗、網(wǎng)絡(luò)安全與認證協(xié)議實驗、RFID/NFC安全實驗、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全實驗、物聯(lián)網(wǎng)感知層安全實驗、網(wǎng)絡(luò)層認證實驗、應(yīng)用層訪問控制實驗等。

3 預(yù)期效益

3.1 提高人才培養(yǎng)質(zhì)量

大數(shù)據(jù)實驗室面向研究生、本科生和部隊任職培訓(xùn)學(xué)員，可開設(shè)綜合性、設(shè)計性實驗，在培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新思維、科研能力方面將發(fā)揮積極作用，提升創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量和水平。建成后，能支撐物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科專業(yè)教研團隊人才培育。

3.2 支撐學(xué)科特色方向研究

通過大數(shù)據(jù)實驗室的建設(shè)，物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科專業(yè)的實驗條件更加完備，課程體系支撐力更加充足，進一步增強物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科專業(yè)教學(xué)科研硬實力，助推現(xiàn)代信息技術(shù)與創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)項目深度融合。大數(shù)據(jù)實驗室能夠有效支撐物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科專業(yè)在大數(shù)據(jù)理論教學(xué)、實訓(xùn)實驗、大數(shù)據(jù)分析模型、通信平臺系統(tǒng)等相關(guān)特色技術(shù)研究，擴展學(xué)科研究領(lǐng)域和研究方向。

3.3 提高科研學(xué)術(shù)水平

為學(xué)員與教員提供大數(shù)據(jù)科學(xué)研究平臺，滿足對當前大數(shù)據(jù)前沿領(lǐng)域進行跟蹤和研究的需要，實現(xiàn)與部隊需求有機結(jié)合。對大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)展開進一步深入的學(xué)習(xí)和研究，提升科研創(chuàng)新能力，提高本領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究水平，擴大物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科專業(yè)在該領(lǐng)域的國內(nèi)外、軍內(nèi)外的學(xué)術(shù)影響力，吸引更多的人才來部隊進行建設(shè)。

4 結(jié) 語

根據(jù)軍隊院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)對大數(shù)據(jù)實驗室的需求，提出了四層架構(gòu)的大數(shù)據(jù)實驗室的建設(shè)方案，對軍隊院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)大數(shù)據(jù)實驗室建設(shè)具有一定的參考價值。

注：本文通訊作者為萬平。