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工业互联网教育：挑战与机遇摘要：为了解决所面临的挑战，满足工业网络教育的需要，本文提出了一种设计方法。该方法利用开放源码资源，关键网络技术，和一个实验框架，致力于在世界各地高等教育机构中彻底改变工业网络教学的方式。在这种方法基础上，设计并开发了一种新型的工业网络课程，其成果显著。关键词：物联网，工业互联网，教育，工业网络，工业通信和协议。一.引言在大学里，由于一些主题的广阔和专业性，以及实验室和设备要求定制且费用昂贵等问题，工业通信的教与学一直具有挑战性。在许多学校，用来教授工业网络知识的方法，是基于传统的计算机网络课程，涉及一些包括工业设备的补充材料，如PLC等。在世界各地的大学和技术学院里，关于工业通信网络的教与学出现过一些问题，现在有希望克服这些难题的一种新方法成熟。因为处于一个新网络技术浪潮的前沿，正在努力改变目前的网络景观，一般来说甚至更具体的说，本文所指的工业部门包括教育和培训方面的。当前，计算机网络领域是非常广泛的，其主题涉及到基本原理，协议，路由，可靠数据传输，因特网，设备，无线，安全，标准，网络管理，性能，多媒体，软件定义网络（SDN），虚拟化，应用程序等等。可从[1-3]选择多个关于这个议题的优秀教材。如果加上相关的工业系统方面的课题，那么就增加了科目的数量和种类，使得工业互联网课程设计变难。为一个课程选择合适的主题和实验的主要标准是什么？到目前为止,这个问题的答案并不简单。本文的第一作者编写了关于工业网络的第一本教科书，但是写这种教科书的方法不再适用于今天[4]。如果课程或材料中包括实验室实验中使用的工业网络，这个问题将会很复杂。这并不是说一个良好的工业网络选择的缺乏，远非如此。事实上，工业网络技术在某些方面相当成熟，并且在世界各地有一些成功的和广泛使用的范例，如Ethernet/IP,Profinet,EtherCAT,Modbus,HART,FoundationFieldbus,Profibus等等。虽然在工业领域这些网络的工作非常好，但是在大学的学习教学环境下，使用它们比较复杂，困难，并且常常费用较高。因此，这些网络在它们的主要目标领域很成功，它们有效地互连其应用领域内的工业设备，并且对它们所做的很专业。当然也有覆盖这些网络的工业训练课程，但它们针对的目标包括操作，安装，调试，维护，和故障排除方面，而不是在一个更基本的水平上[5]学习和了解工业计算机网络。大学是在更基本和通用的水平上进行教学，因此，这些工业网络课程不适合于大学。为什么现在正处在一个有望显著改变教授和学习工业网络环境的新网络技术波的前沿？其原因是重要的范例，关键工作和关键技术正在融合，为网络环境提供了强大的解决问题的方案。初见成效的关键范例是指所谓的物联网（IoT）和工业互联网（II），关键工作包括功能强大的开放源码解决方案（既有硬件也有软件），关键技术包括软件定义无线电(SDR)，认知无线电，新标准（特别是家庭无线电802.11xy），及低成本微控制器和开发环境的广泛普及。值得注意的是，有两个新的范例或框架，形成所谓的物联网和工业互联网[6—11]。虽然这两个重要的范式的概念是相似的，本文认为工业互联网为物联网处理工业应用问题的一个子集。从业者为这些框架及其部件创造了其他类似的术语，如M2M（机器对机器）和制造物联网(MIoT)。全世界人们对这些工作和高水平的动力学都有浓厚的兴趣。物联网是一个非常广泛的概念，它涵盖了互联网所有可能的应用领域，工业互联网包含的领域涉及到工业系统和应用方面。物联网是跨学科的，可以在以下三个范式实现，面向Internet的（中间件），实现定向的（传感器）和面向语义的（知识）。物联网的主要元素包括射频识别（RFID），无线传感器网络（WSN）,寻址方案，数据存储和分析，以及可视化[6]。工业互联网汇集了两阶段转型革命的进步：从工业革命兴起的无数机器，设备，车队和网络，以及最近计算机技术的巨大进步，互联网革命突显了信息和通信系统。本质上，工业互联网汇集了三个相互关联的因素：智能机器，先进分析方法，和人[11]。然而，物联网的基本技术和工业互联网是相似的，包括三个主要领域：嵌入式系统，网络连通性，和应用[9]。网络连通它的意思是包括所有方面的网络，网际互联，及所有可能类型的设备和人员之间的互联，特别是在应用程序域（即，横向连接而不是垂直连接）。物联网和工业互联网的关键连接技术是在互联网的边缘实现的（即，OSI参考模型的81,7，2和1层），而不是核心（OSI层4和3）。核心技术，特别是TCP，UDP，IP，ICMP，它们的建立和工作都非常好，这不是它们使用中的首要问题，唯一的例外是重要的配置（即安装程序）问题。也有对物联网（例如MQTT和MQTT-S等）专门设计的协议[15]。开放源码资源具有悠久的历史，一直持续到今天，重要成分有Linux，gcc（GNUC编译器），Apache，和无数其他免费的等。开源框架的意义在于：它不断发展，并提供重要的平台，开发和工具,这种演变不仅包括软件，而且也包括复杂的硬件。例如，在2013年初，第一个这样的设计出现，Arduino设计，在芯片LMS6002D上的完整开放源码SDR（软件定义无线电），由公司LimeMicrosystems（）提供。这很重要，因为这种复杂的设备和装置的出现是第一次，这种设计打开了开源RF（射频）在无线工业通信领域发展的重要意义的一扇门。虽然工业互联网的前景相当不寻常，Modbus协议也可以被认为是一个开放源代码资源，正如网上解释的那样：最初Modicon（现在的施耐德电气）在1979年开发了其中一个较老的工业协议，，由于其简单性和开放性在今天被广泛使用，目前通过网络通信协议组织维护。许多关键网络技术最近已经出现或不久后将出现，这与工业网络教育相关。虽然很难确切地预测，但认为以下是当前的关键或将很快是关键：软件无线电，认知无线电，WiFi新标准，低成本的微控制器。软件无线电（SDR），认知无线电及其密切相关的领域，正在证明其在解决以下问题的有效性，这些问题包括：重要的无线通信问题和以无线方式有效互连工业设备的问题。随着软件无线电和认知无线电的发展，克服多个通信问题变得可能，如多径传播，低信噪比，隐藏终端问题，信号衰减大，频带的灵活运用等等。正是由于软件无线电和认知无线电的有效性，一部分原则和组件已被纳入最新可用或即将可用的802.11xy种类中的WiFi标准，例如对工业网络有帮助的802.11ac,802.11af,和802.11ah，它们克服了覆盖范围的扩大问题和吞吐量增高的问题。极低成本的微控制器和单板机也至关重要，因为它们可以保证各种小型和微型设备的互联网技术的低成本实现。一系列最新的和现有的低成本微控制器或单板计算机与以太网的接口包括Arduino,RaspberryPiModelB,BeagleBoneBlack,Parallella,Odroid-X2,Hackberry,Udoo,APCRock,Cubieboard,Marsboard,A13-OlinuXino等等，这些设备的可用性是至关重要的，因为它们可以使实验室实验变得简单并且成本廉价，实施有效以及能使工业互联网项目变得有趣起来。之后描述的实验，可以在任何这些极低成本的小型单板机上实现。毫无疑问，我们忽视了其他的关键技术，包括RFID，WSNs（无线传感器网络），WiMax，手机（3G，4G，和5G），LiFi等许多。最终关键技术选择的标准是技术的成熟程度和下一代工业互联网专业人士教育的适用性。二.当前工业网络教育的需要目前已经确定了几项需要，其适用于现在的工业网络教育领域。第一项需要是要有一个合适的互联网话题和适当的工业性质的材料。值得注意的是，网络领域发展迅速，尤其是各专业对应的学术网络课程的某些话题，例如IPv6，路由，无线，安全，网络，多媒体，点对点（P2P）协议，IP语音（VoIP），虚拟化，云网络等。但这些话题对于工业网络课程合适吗？一系列类似的工业主题构成了这个话题，范围从传感器，执行器，控制系统，I/O子系统，电力驱动，PLCs，数控机床，过程自动化，工厂自动化，制造自动化，DCS，CIF（现场控制）到SCADA，M2M设备等。第二项需要是得具备工业设备，组件或其他装备的实验室，并在实验中使用这些设备，进行案例研究，示范，定点项目，论文项目和研究项目等。虽然有些学校已经这样做了，但是如果拥有这些好的资源也是充满挑战性的，这是由于考虑到成本以及在这些协议的应用领域外其不能够通用的问题。事实上，在某些应用领域，例如，本身有安全性的过程自动化和传感器节点，由于成本高，一些学校禁止使用它们。第三个需要是得具有更通用的和简单的工业协议和网络。例如，简单的Modbus（串行和TCP版本）和像以太网/IP和Profinet这样的协议有很多不同之处。后者是复杂的和经过验证的协议，其制造自动化在多厂商环境下解决了许多问题。Modbus是一个简单的，包括数据采集，监控和测量的应用证明协议。然而，Modbus没有Ethernet/IP和Profinet所提供的丰富功能。由此专门针对物联网如MQTT的协议开始出现，但更需要一些简单通用的，并拥有相应功能的协议。第四个需要是要有一系列适当的和良好的开发工具，尤其是在开放源码类。再次，互联网的成功之处是由于强大的工具可用性从一开始就包括Telnet，RPC，ping，tracerouteARP，DNS，DHCP等。工业网络不存在这样通用的（或便宜的）强大的工具。最后一个需要是得有更多不同格式的工业网络教育材料，包括教材，课程笔记，教学大纲，教材，实验室手册等。三、方法由此，如何开始着手解决一些或所有的工业网络教育方面的问题？一般认为，现在使用的物联网和II（工业互联网），开放源代码解决方案（硬件和软件）的势头，和目前正在改变工业通信景观的关键网络技术的势头正开始，这些技术可以解决相关的问题，并满足上面列出的工业网络教育新浪潮的需求。但需要以一个简单,通用和灵活的方式工作，使用早期的互联网协议和相关工具完成了工作。这个方法似乎很简单。物联网和II（工业互联网）蓄势待发。开放源码,定义上是免费的或几乎全部免费,并使用最新的关键网络技术来革新工业网络教育，这些似乎是好的令人难以置信。然而，这种简单的方案是说起来容易但做起来难。首先，物联网和工业互联网范式仍然模糊，没有完全开发，即使在本领域内工作的人也有许多误解和分歧。我们的解决方法是基于以下几个方面：·重点研究当下的课题（工业网络教育）·简单性原则·深度优先和广度次之原理（DFBN）不仅在方法，用途，功能，而且在应用上，选择合适的开源工具和简单的关键技术是非常重要的。利用这个原理，我们选择了以下工具和技术：工具：Mach3，pymodbus，Wireshark，GNUradio，IntegraXor，Linux网络工具低成本的计算：Arduino，RaspberryPi。关键技术：软件无线电，认知无线电，802.11xy，802.15.4，MyriadFamilyofBoards工业协议：Modbus首先，因为我们正在面对的工业互联网目前使用的是众所周知的底层协议，含以太网，IP，TCP，UDP，ICMP，HTTP，SMTP，和DNS，在上述列表中没有明确论及它们。Modbus协议的选择可能会让一些读者惊奇，但它的选择是基于简单性和开放性的原则。Mach3（），虽然不是开源的，但是作为一个商业工具，也经常被选中，这是因为如果不是在与它支持的实际设备相结合情况下使用，它是免费的。无论是RTU或TCP版本，pymodbus是一个完整实现Modbus协议的Linux。Wireshark是一个众所周知的网络嗅探工具，包括对网络协议和无数Modbus进行分析。GNURadio是一个射频通信系统设计和分析工具，含移动电话，802.11xy