疫情下“云端+終端”線上物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)

張奧晨，胡曦明,2，吳振強(qiáng),2，王 亮,2

（1.陜西師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710119；2.現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710119）

0 引 言

疫情防控期間，我國高教戰(zhàn)線開創(chuàng)了全員線上教學(xué)—“停課不停教、停課不停學(xué)”這一史無前例的中國實(shí)踐。信息技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動教育教學(xué)深度變革既是新冠肺炎疫情下大規(guī)模線上教學(xué)成功實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，同時(shí)也是后疫情時(shí)期教學(xué)改革面向未來的聚焦點(diǎn)。以此視角反思疫情防控期間物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程線上教學(xué)實(shí)施情況，不難發(fā)現(xiàn)線上教學(xué)囿于“不停教、不停學(xué)”層面而鮮有“不停練”，對于高實(shí)踐性內(nèi)在要求突出的物聯(lián)網(wǎng)課程而言，大規(guī)模線上物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)與教學(xué)質(zhì)量成為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)課程線上教學(xué)與線下教學(xué)“實(shí)質(zhì)等效”的關(guān)鍵與難點(diǎn)。

1 線上物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨挑戰(zhàn)

就現(xiàn)階段而言，線上實(shí)驗(yàn)常用兩種傳統(tǒng)教學(xué)方式，一是基于線上資源的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，二是基于線下設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)物實(shí)驗(yàn)。但是從疫情期間教學(xué)實(shí)踐來看，采用現(xiàn)有方式實(shí)施線上物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)卻“寸步難行”，原因在于以下兩方面。

（1）線上實(shí)驗(yàn)資源匱乏

教育部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，抗疫期間教育部先后組織37個(gè)在線平臺，免費(fèi)開放2.4萬余門優(yōu)質(zhì)在線課程資源，國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺（www.ilab-x.com）開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源達(dá)2 000余項(xiàng)，但這其中與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的線上實(shí)驗(yàn)資源僅有2項(xiàng)，并且實(shí)驗(yàn)科目只限于物聯(lián)網(wǎng)在地鐵運(yùn)營、礦井安全方面的某一單項(xiàng)應(yīng)用，這對于整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系所需資源體量來說微不足道。由于線上實(shí)驗(yàn)資源匱乏，疫情期間物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)或是被迫暫?；蚴墙蹈駷榻處熢诰€實(shí)驗(yàn)說課，而學(xué)生則“以看代練”。

反觀計(jì)算機(jī)專業(yè)程序類線上實(shí)驗(yàn)，無論種類、科目與要素都相當(dāng)豐富、完備，以抗疫期間首批開放的EduCoder在線實(shí)踐教學(xué)平臺（www.educoder.net）為例，提供超1 000余種在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，近乎涵蓋所有流行編程語言。疫情期間，以EduCoder平臺資源為支撐，華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院順利實(shí)施線上C語言實(shí)驗(yàn)教學(xué)與線上實(shí)驗(yàn)自動評測、國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院“大學(xué)計(jì)算”課程“停課不停練”，確保線上教學(xué)同樣達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生編程能力與計(jì)算思維的目標(biāo)，“EduCoder+直播”教學(xué)模式生動詮釋了什么是“化危為機(jī)”。通過上述對比不難發(fā)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)線上實(shí)驗(yàn)資源匱乏是導(dǎo)致疫情下線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)“停擺”的關(guān)鍵因素。從2013年開始，教育部認(rèn)定的300家國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，其中僅有吉林大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心1家，這說明物聯(lián)網(wǎng)線上實(shí)驗(yàn)資源匱乏的窘境并非疫情所致的突發(fā)狀況，而是長期存在的短板。

（2）線下實(shí)驗(yàn)設(shè)備鴻溝

遠(yuǎn)程實(shí)物實(shí)驗(yàn)通過將線下硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備上網(wǎng)開放，支持用戶通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登錄設(shè)備并異地實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操控設(shè)備開展實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)過程全部運(yùn)行在真實(shí)設(shè)備上。疫情期間，多所高校硬件類課程采用遠(yuǎn)程實(shí)物實(shí)驗(yàn)的方式實(shí)現(xiàn)了“停課不停練”，例如：東南大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心在“東南在線實(shí)驗(yàn)”實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺上線“數(shù)字邏輯”等3門硬件課程實(shí)驗(yàn)，疫情期間累計(jì)供83所高校共開設(shè)631個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)班；哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院基于可編程邏輯器件FPGA和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建“無處不在”的遠(yuǎn)程硬件課程實(shí)驗(yàn)平臺并推廣應(yīng)用。遠(yuǎn)程實(shí)物實(shí)驗(yàn)之所以能夠?yàn)閷W(xué)生提供“實(shí)而不虛”的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，關(guān)鍵在于具備優(yōu)越的設(shè)備硬件條件以及完備的設(shè)備管理配套，與單基于FPGA搭建硬件課程遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺相比，搭建物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺所需設(shè)備種類繁多，小到聲光電溫等各類傳感器，大到物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器，建設(shè)成本高且集成化管理技術(shù)復(fù)雜。如此之高的經(jīng)費(fèi)投入與技術(shù)門檻事實(shí)上形成的“實(shí)驗(yàn)設(shè)備鴻溝”并非一般高校能夠跨越，例如深圳大學(xué)舉國家級計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及深圳市物聯(lián)網(wǎng)專用集成電路設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)室等3個(gè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之力，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。眾多普通高校特別是高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)只能“望而卻步”或是退而求其次，尋求變通。無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院基于智能家居與樹莓派打造ZigBee網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺就是例證之一。

綜上所述，線上物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的新需求隨著抗疫期間高校在線教學(xué)全面開展而呈井噴式爆增，但由于線上實(shí)驗(yàn)資源匱乏與線下實(shí)驗(yàn)設(shè)備鴻溝，致使在程序類、硬件類等其他專業(yè)課程線上實(shí)驗(yàn)常用并且管用的兩種傳統(tǒng)教學(xué)方式（虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程實(shí)物實(shí)驗(yàn)）并不適用于開展物聯(lián)網(wǎng)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)。面對新需求與傳統(tǒng)教學(xué)方式之間的矛盾與挑戰(zhàn)，基于成本、管理與技術(shù)門檻等現(xiàn)實(shí)約束條件，同時(shí)面向疫情后物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與發(fā)展，探索線上物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)新途徑成為當(dāng)前具有緊迫性和現(xiàn)實(shí)意義的新課題。

2 “云端+終端”線上物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)

以產(chǎn)教融合新思路突破傳統(tǒng)在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)不是基于虛擬仿真就是基于實(shí)物的固化模式，將物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的商用公共云平臺引入高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提出基于“物聯(lián)網(wǎng)公共云平臺+個(gè)人終端”（簡稱“云端+終端”）打造真實(shí)物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)環(huán)境支撐下個(gè)人終端實(shí)訓(xùn)實(shí)操的在線物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

2.1 總體設(shè)計(jì)

“云端+終端”線上物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)總體架構(gòu)由三部分組成，具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 “云端+終端”線上物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)總體架構(gòu)

（1）物聯(lián)網(wǎng)云平臺配置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)科目涉及的應(yīng)用場景與具體內(nèi)容，對應(yīng)引入提供相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)與應(yīng)用的公共云平臺，例如：綜合型實(shí)驗(yàn)可引入中國移動物聯(lián)網(wǎng)云OneNET、行業(yè)細(xì)分型實(shí)驗(yàn)可引入新大陸物聯(lián)網(wǎng)云NLECloud；如實(shí)驗(yàn)只涉及某一項(xiàng)技術(shù)，則可引入對應(yīng)的專用物聯(lián)網(wǎng)云平臺，以降低實(shí)驗(yàn)成本與設(shè)備配置要求，例如，MQTT物聯(lián)網(wǎng)消息傳輸與處理實(shí)驗(yàn)可引入EMQ。

（2）個(gè)人移動端

個(gè)人移動終端借助智能手機(jī)打造，首先通過開發(fā)或安裝物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)用APP，使普通手機(jī)具備開展物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)所需的服務(wù)訂閱、參數(shù)設(shè)置、安全管理等操作功能，隨后個(gè)人即可操作手機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺并運(yùn)行APP，完成構(gòu)造實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)邏輯、調(diào)用云平臺服務(wù)、控制實(shí)驗(yàn)過程等一系列實(shí)驗(yàn)步驟。例如，開展物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議相關(guān)的線上實(shí)驗(yàn)，安卓手機(jī)安裝MyMQTT、蘋果手機(jī)安裝MQTTool，手機(jī)安裝并運(yùn)行APP之后即“變身”為支持MQTT協(xié)議的實(shí)驗(yàn)操作端，可與MQTT云平臺（如EMQ）交互并開展云平臺遠(yuǎn)程操作。

（3）測量與分析端

配置個(gè)人電腦，通過監(jiān)聽手機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺交互的傳輸端口采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由個(gè)人電腦運(yùn)行Wireshark、Tcpdump等協(xié)議，對物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議交互、消息加密、安全漏洞等進(jìn)行可視化分析，還可對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等實(shí)驗(yàn)指標(biāo)開展長時(shí)間監(jiān)測。

2.2 工作過程

“云端+終端”線上物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)工作過程如圖2所示。

圖2 “云端+終端”線上物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)工作過程

（1）物聯(lián)網(wǎng)云平臺配置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)科目要求，在物聯(lián)網(wǎng)公共云控制臺配置相關(guān)參數(shù)，包括服務(wù)器IP、安全等級和消息發(fā)布格式等，完成物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)環(huán)境的配置，進(jìn)而搭建所需的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。

（2）個(gè)人移動端操作

根據(jù)個(gè)人移動端操作系統(tǒng)的不同，安裝對應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)APP等實(shí)驗(yàn)工具，從而將個(gè)人移動端接入物聯(lián)網(wǎng)公共云，使個(gè)人終端成為物聯(lián)網(wǎng)云客戶端?？蛻舳诉B接成功后，測試物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)提供的訂閱主題、發(fā)布和接收消息等業(yè)務(wù)功能。

（3）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

個(gè)人移動端與物聯(lián)網(wǎng)公共云通信過程中產(chǎn)生交互數(shù)據(jù)，采用Wireshark等可視化分析工具進(jìn)行語法、語義和時(shí)序解析。針對不同類型的個(gè)人移動端選擇相應(yīng)的偵聽網(wǎng)卡捕獲數(shù)據(jù)，通過報(bào)文過濾查看目標(biāo)協(xié)議報(bào)文，進(jìn)而開展報(bào)文保密性分析、通信功能分類、服務(wù)質(zhì)量驗(yàn)證等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)綜合實(shí)驗(yàn)提供支撐。

（4）綜合實(shí)驗(yàn)

針對物聯(lián)網(wǎng)攻擊與防御開展綜合性實(shí)驗(yàn)。以中間人攻擊為例，通過修改服務(wù)器訂閱權(quán)限來監(jiān)聽被攻擊端的通信過程，以分析截獲報(bào)文為基礎(chǔ)向被攻擊端進(jìn)行偽造報(bào)文發(fā)送等網(wǎng)絡(luò)攻擊實(shí)驗(yàn)，通過網(wǎng)絡(luò)攻擊開展物聯(lián)網(wǎng)接入控制、安全保密和信息完整性等安全測試實(shí)驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上，針對安全威脅引入網(wǎng)絡(luò)防御工具（如OpenSSL），進(jìn)一步開展報(bào)文加密、身份認(rèn)證、證書簽名等綜合性實(shí)驗(yàn)。

3 “云端+終端”物聯(lián)網(wǎng)在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

MQTT自2013年正式成為OASIS標(biāo)準(zhǔn)化物聯(lián)網(wǎng)消息傳遞協(xié)議以來，憑借在低可靠性、低帶寬的受限網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知層與應(yīng)用層多樣化數(shù)據(jù)交互功能的突出優(yōu)勢，相較受限應(yīng)用協(xié)議（Constrained Application Protocol, CoAP）、可擴(kuò)展通信與表示協(xié)議（eXtensible Messaging and Presence Protocol, XMPP）等同類協(xié)議得到了更為廣泛的應(yīng)用。但實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，目前已公開的大規(guī)模應(yīng)用MQTT服務(wù)安全性不容樂觀，使用未加密端口的MQTT服務(wù)占83.7%，這些服務(wù)器極易造成針對數(shù)據(jù)隱私、數(shù)據(jù)完整性、中間人進(jìn)行攻擊的安全隱患。因此，近年來MQTT的安全性成為關(guān)注的熱點(diǎn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

（1）實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

當(dāng)前，EMQ（杭州映云科技有限公司）是OASIS MQTT技術(shù)委員會中唯一擁有投票權(quán)的中國公司，本實(shí)驗(yàn)采用EMQ提供的開源MQTT云服務(wù)與個(gè)人手機(jī)（h1、h2）交互來模擬物聯(lián)網(wǎng)MQTT業(yè)務(wù)端。配置手機(jī)h3向h1、h2發(fā)起中間人攻擊，采用筆記本電腦作為測量分析模塊實(shí)時(shí)采集、測量并分析被攻擊端h1、h2與攻擊端h3的交互數(shù)據(jù)，具體實(shí)驗(yàn)拓?fù)渑c連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 “云端+終端”物聯(lián)網(wǎng)在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

（2）環(huán)境配置

EMQ服務(wù)器與個(gè)人手機(jī)（h1、h2、h3）的實(shí)驗(yàn)分工與配置參數(shù)見表1列。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備分工和參數(shù)表

3.2 MQTT中間人攻擊

3.2.1 操作與配置

對于MQTT公共業(yè)務(wù)而言，中間人攻擊（MITM）是常見的網(wǎng)絡(luò)攻擊之一。實(shí)驗(yàn)中，攻擊者利用MQTT通配符“#”訂閱所有的消息主題，從而在服務(wù)器與客戶端不知情的情況下獲取雙方通信的主題消息，以此達(dá)到MQTT中間人攻擊效果。其中，關(guān)鍵配置是如何開啟MQTT通配符“#”權(quán)限，EMQ的具體實(shí)現(xiàn)見表2所列。

表2 配置EMQ開啟MQTT通配符“#”權(quán)限

攻擊端從截獲的報(bào)文中獲取被攻擊端的用戶名密碼、消息主題等通信信息后，向被攻擊端發(fā)送虛假消息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攻擊。個(gè)人移動端中間人攻擊實(shí)驗(yàn)配置與操作見表3所列。

表3 個(gè)人移動端中間人攻擊實(shí)驗(yàn)配置與操作

3.2.2 數(shù)據(jù)測量與可視化分析

攻擊端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攻擊的過程可視化如圖4所示。

圖4 中間人攻擊過程可視化

3.3 加密防御

造成中間人攻擊的安全隱患主要是因?yàn)榉?wù)器訂閱“#”通配符的權(quán)限被修改和采用MQTT協(xié)議無數(shù)據(jù)加密保護(hù)機(jī)制的方式通信。針對實(shí)驗(yàn)中設(shè)備暴露的安全威脅，采用SSL/TLS安全加密連接方式展開安全性防御實(shí)驗(yàn)。用TLS建立加密連接時(shí)，通信雙方會互相檢查對方的身份，確保數(shù)據(jù)傳輸信道的安全性。

（1）操作與配置

以SSL/TLS加密的方案展開安全性防御實(shí)驗(yàn)，使用OpenSSL工具生成的自簽名證書模擬數(shù)據(jù)加密通信過程。實(shí)驗(yàn)配置與操作見表4所列。

表4 加密防御實(shí)驗(yàn)配置與操作

（2）數(shù)據(jù)測量與可視化分析

開啟SSL/TLS連接通信方法，并使用生成的證書認(rèn)證連接，實(shí)驗(yàn)過程可視化如圖5所示。

圖5 加密防御實(shí)驗(yàn)過程可視化

由圖5可知，采用SSL/TLS安全加密連接方式通信時(shí)，會話密鑰由通信雙方協(xié)商產(chǎn)生，任何第三方都無法知曉通信內(nèi)容。即使一次會話的密鑰泄露，也并不影響其他會話的安全性。消息傳輸?shù)膬?nèi)容使用密鑰加密，數(shù)據(jù)很難被篡改且不被發(fā)現(xiàn)，確保了消息通信的安全性和完整性。

4 結(jié) 語

疫情防控期間，高校全員線上教學(xué)對物聯(lián)網(wǎng)在線實(shí)驗(yàn)提出新的需求。通過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在程序類、硬件類等其他課程開展線上實(shí)驗(yàn)，如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與遠(yuǎn)程實(shí)物實(shí)驗(yàn)等傳統(tǒng)線上實(shí)驗(yàn)方式并不適用于物聯(lián)網(wǎng)課程，由此造成物聯(lián)網(wǎng)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)停開的短板。本文突破上述兩種傳統(tǒng)線上實(shí)驗(yàn)方式的弊端，提出基于物聯(lián)網(wǎng)公共云與個(gè)人終端的“云端+終端”線上實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上給出物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT中間人攻擊與加密防御的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。實(shí)踐表明，“云端+終端”線上物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)成本低、簡便易行、安全穩(wěn)定，并且針對不同實(shí)驗(yàn)科目可選擇搭配提供相應(yīng)服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)公共云，從而打造可擴(kuò)展的“7×24”物聯(lián)網(wǎng)線上實(shí)驗(yàn)室，為發(fā)展人人、時(shí)時(shí)、處處皆可學(xué)習(xí)的高質(zhì)量物聯(lián)網(wǎng)課程形成有力支撐。