物聯(lián)網技術應用——智慧校園劉修文主編安婷、李彥副主編第2章 智慧校園網絡建設與升級?熟悉校園網絡的建設目標?了解校園網絡定義，熟悉校園網絡的功能?掌握光纖寬帶網絡相關技術?熟悉校園無線局域網的主要設備?熟悉網絡管理與網絡安全的含義及功能本章要點目錄校園網絡的建設目標光纖寬帶網校園無線局域網無線傳感器網絡物聯(lián)網概述實訓2調查本校校園網絡現(xiàn)狀思考題目錄2.12.22.32.42.52.72.82.6網絡管理與網絡安全校園網絡的建設目標2.1校園網絡一般分為有線網絡和無線網絡。校園有線網絡采用先進的建筑綜合布線，構成的安全、可靠、便捷的覆蓋全校的計算機信息傳輸網絡，將學校的各種PC機工作站、終端設備和局域網連接起來，并與有關廣域網相連。校園無線網絡就是通過無線局域網技術建立的無縫無線通訊網絡，使校園的每個角落都處在無線網絡中，形成全覆蓋的校園網絡。2.1.1什么是校園網絡

有線網絡拓撲圖無線網絡拓撲圖校園網絡除了必備的硬件設備和操作系統(tǒng)平臺外，還可以利用全面的校園網絡管理軟件、網絡教學軟件，實現(xiàn)學校多媒體教學資源、教師備課系統(tǒng)、電子圖書閱覽檢索、多媒體教學軟件開發(fā)平臺、校園網站和教學資源網站建設等功能，是為學校提供教學、管理和決策三個不同層次所需要的數(shù)據、信息和知識的一個覆蓋全校管理機構和教學機構的基于物聯(lián)網技術的大型網絡系統(tǒng)。2.1.2校園網絡的功能

校園網絡的功能所有計算機互聯(lián)豐富的網絡服務形聲并茂的教學校園網絡建設宜采用先進成熟的技術和設計思想，運用先進的集成技術路線，以先進、實用、開放、安全、使用方便和易于操作為原則，突出系統(tǒng)功能的實用性。2.1.3校園網絡的建設原則校園網絡的建設原則開放性及可擴充性高性價比可擴展性先進性實用性可靠性安全性校園網絡建設宜采用先進成熟的技術和設計思想，運用先進的集成技術路線，以先進、實用、開放、安全、使用方便和易于操作為原則，突出系統(tǒng)功能的實用性。2.1.3校園網絡的建設原則校園網絡的功能開放性及可擴充性高性價比可擴展性先進性實用性可靠性安全性光纖寬帶網2.2光纖是寬帶網絡中多種傳輸媒介中最理想的一種，它的特點是傳輸容量大，傳輸質量好，損耗小，中繼距離長等。光纖傳輸使用的是波分復用，即是把小區(qū)里的多個用戶的數(shù)據利用PON技術匯接成為高速信號，然后調制到不同波長的光信號在一根光纖里傳輸。光纖寬帶網是先把要傳送的數(shù)據信息由電信號轉換為光信號在光纖上傳送，然后在用戶終端裝有“光貓”進行信號轉換。校園網絡的拓撲結構應采用星形拓撲結構，根據網絡用戶規(guī)?？梢圆捎枚蛹軜嫞ê诵膶?、接入層）或三層架構（核心層、匯聚層、接入層）建設，三層架構示意圖如圖2-1所示。校園網絡應提供有線網絡和無線網絡兩種接入方式，使用邊界路由設備或其他具有集成功能設備實現(xiàn)對外連接，例如，圖2-2所示的某高校的校園網絡拓撲結構。2.2.1網絡拓撲結構圖2-1校園網絡三層架構示意圖2.2.1網絡拓撲結構圖2-2某高校的校園網絡拓撲結構2.2.1網絡拓撲結構三層架構網絡結構核心層核心層是網絡的高速交換主干，對整個網絡的連通起到至關重要的作用。核心層應該具有如下幾個特性：可靠性、高效性、冗余性、容錯性、可管理性、適應性、低延時性等。在核心層中，應該采用高帶寬的千兆以上交換機。接入層接入層向本地網段提供工作站接入。在接入層中，減少同一網段的工作站數(shù)量，能夠向工作組提供高速帶寬。接入層利用VLAN劃分等技術隔離網絡廣播風暴，提高網絡效率，為所有的終端用戶提供一個接入點。匯聚層匯聚層是網絡接入層和核心層的“中介”，就是在工作站接入核心層前先做匯聚，以減輕核心層設備的負荷。匯聚層具有實施策略、安全、工作組接入、虛擬局域網（VLAN）之間的路由、源地址或目的地址過濾等多種功能。2.2.2以太網無源光網絡以太無源光網絡（EthernetPassiveOpticalNetwork，簡稱EPON），是基于以太網的PON技術。它采用點到多點結構、無源光纖傳輸，在以太網之上提供多種業(yè)務。EPON技術由IEEE802.3EFM工作組進行標準化。圖2-3所示是EPON結構示意圖。圖2-3EPON網絡結構示意圖2.2.2以太網無源光網絡EPON在物理層，IEEE802.3-2005規(guī)定采用單纖波分復用技術(下行1490nm，上行1310nm)實現(xiàn)單纖雙向傳輸，同時定義了1000BASE-PX-10U/D和1000BASE-PX-20U/D兩種PON光接口，分別支持10km和20km的最大距離傳輸。按照OND在光接入網中所處的具體位置不同，可將EPON光接入網分為FTTB、FTTC、FTTH/FTTO3種不同的應用類型，如圖2-4所示。圖2-4EPON光接入網的應用類型2.2.2以太網無源光網絡以太網無源光網絡設備OLT設備OLT既是一個交換機或路由器，又是一個多業(yè)務提供平臺，它提供面向無源光纖網絡的光纖接口(PON接口)。OND設備

ONU設備一般安裝在用戶家中或樓道位置，俗稱“光貓”。OND系列器件

ODN系列器件包括光總配線架(MODF)、光分路器、免跳接光纜交接箱、光纜接頭盒、光纜分纖盒、光纜分光分纖盒、光纖光纜、光纖信息面板及適配器和綜合信息箱。其中光分路器是用于實現(xiàn)特定波段光信號的功率集合及再分配功能的光無源器件，光分路器可以是均勻分光的，也可以是不均勻分光的。2.2.2以太網無源光網絡以太網無源光網絡設備圖2-5華為MA5680TOLT設備外形(a)盒式光分路器(b)機架式光分路器圖2-6部分光分路器的外形圖2-7XDK-E8031U-B型ONU2.2.2以太網無源光網絡均勻分光光分路器的光學性能指標見表2-1。2.2.3無源光纖局域網無源光纖局域網(POL)采用PON方案架構，OLT為匯聚網元，部署在核心機房，從核心機房到用戶，中間層采用無源分光器，無需獨立機房部署，無需供電。而且，光纖網絡可滿足未來帶寬不斷增長的需求，并支持平滑演進，通過一芯光纖，可實現(xiàn)包括語音、數(shù)據、視頻等多種業(yè)務。如圖2-8所示為傳統(tǒng)園區(qū)與POL全光園區(qū)方案對比示意圖。圖2-8傳統(tǒng)園區(qū)與POL全光園區(qū)方案對比示意圖2.2.3無源光纖局域網如圖2-9所示為華為POL全光接入校園網絡解決方案圖2-9華為POL全光接入校園網絡解決方案示意圖2.2.3無源光纖局域網圖2-10所示是中興通訊把PON組網架構和局域網通信網絡的各類需求結合起來，推出的一種全新的POL校園局域網解決方案組網圖。2.2.3無源光纖局域網可靠性高特點按需帶寬容量大節(jié)能省地，維護管理方便施工方便安裝易安全防護機制多一網多業(yè)務，減少工程量2.2.4綜合布線技術綜合布線技術是一種信息傳輸技術，它將所有電話、數(shù)據、圖文、圖像及多媒體設備的布線綜合（或組合）在一套標準的布線系統(tǒng)上，實現(xiàn)了多種信息系統(tǒng)的兼容、共用和互換互調性能。綜合布線技術是信息傳輸技術的一種特殊傳輸技術。即它是在建筑和建筑群環(huán)境下的一種信息有線傳輸技術；它在建筑物內或建筑群間傳輸語音、數(shù)據、圖像等信息滿足人們在建筑物內的各種信息要求。1綜合布線系統(tǒng)的設計校園網絡綜合布線系統(tǒng)的設計應按《職業(yè)院校數(shù)字校園建設規(guī)范》中“6.2.3校園網絡設計與實施”的要求進行。2.2.4綜合布線技術2樓宇綜合布線技術要求1)信息點的分類要求及數(shù)量確定。2)布線產品的選用。3)所有線纜應按設計圖紙一次敷設到位，除非設計的分支配線，中間不得有任何形式的接續(xù)。4))敷設多條線纜的位置應用扎線帶綁扎，扎線帶應保持相應間距。5)在交換機和電纜配架之間應采用銅纜跳線完成弱電端口和交換機端口的連接。6)所有線纜在進入設備機柜前必須放置于線槽、線管內，應排列整齊。7)所有線纜必須設置標簽。(8)弱電橋架系統(tǒng)包括水平橋架、垂直橋架。9)在垂直橋架內留出綁線位置，綁扎點間距2m。校園無線局域網2.3校園無線局域網的通信范圍不受環(huán)境條件的限制，網絡連接比較靈活，隨著無線設備和智能手機的迅速普及，越來越多的校園網絡建設對無線覆蓋提出了要求。校園無線覆蓋網示意圖無線局域網(WLAN)是利用無線通信技術在一定的局部范圍內建立的網絡，是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物，它以無線多址信道作為傳輸媒介，提供傳統(tǒng)有線局域網(LAN)的功能，能夠使用戶真正實現(xiàn)隨時、隨地、隨意地接入寬帶網絡。目前WLAN主要采用IEEE802.11系列技術標準，標準化進程如表2-2所示。2.3.1無線局域網概述2.3.2電磁波傳輸?shù)幕A知識基礎知識1信號強度電磁波向空間傳播時，它的能量向四面八方傳送。如某設備標稱功率為100mW，是該設備通過天線可以每秒輻射出100mW的能量。4信號衰減信號強度隨著傳輸距離變遠而衰減，或者說傳輸距離越遠的地方信號強度越弱；信號穿透障礙物時強度會衰減。3接收靈敏度接收靈敏度就是接收機能夠正確地把有用信號解調出來的最小信號接收功率。2信號的傳送方式無線信號傳遞主要通過兩種方式，即：輻射和傳導。校園無線局域網絡的設計應按《職業(yè)院校數(shù)字校園建設規(guī)范》中“6.2.4校園無線網絡設計與實施”的要求，做到以下幾點。2.3.3校園無線局域網絡的設計要點1)校園無線局域網絡應在校園有線網絡基礎上建設，

采用最新成熟無線技術的產品。2)校園無線局域網絡應采用基于無線控制器的FITAP系統(tǒng)架構，實現(xiàn)可管理、安全、QoS、漫游等功能。3)AP數(shù)量應根據場地面積、可能并發(fā)的無線終端數(shù)進行合理設置。4)AP布線標準應采用超五類或六類線系統(tǒng)標準。AP部署點布放雙絞線長度超過100m時，應采用光纖方式為AP提供接入。5)校園無線局網絡應部署用戶管理系統(tǒng)實現(xiàn)用戶認證和管理，可以共用有線網絡的用戶管理系統(tǒng)。校園無線局域網絡的拓撲結構一般分成3個層次，即核心－匯聚－接入的模式。每臺計算機或數(shù)字終端分別通過二層接入交換機或者通過無線AP接入網絡。數(shù)臺二層接入交換機最終連接到大樓匯聚交換機上，通過匯聚交換機上行的高速光纖接口和核心交換機互連，如圖2-11所示。圖2-12所示為某高校的校園無線局域網絡拓撲結構圖。2.3.4校園無線局域網絡的拓撲結構圖2-11校園無線局域網絡的拓撲結構示意圖2.3.4校園無線局域網絡的拓撲結構圖2-12某高校的校園無線局域網絡拓撲結構圖當前國內一些高校和高職院校的無線局域網采用銳捷網絡的“智分+”多級分布式架構?！爸欠?”新一代無線網絡由AP主機和微AP兩部分組成，AP主機部署在弱電間或樓道中，微AP部署在房間內，采用標準網線連接，最長可達100m(供電最遠網線距離為100m，但推薦不超過75m)。銳捷網絡“智分+”新一代無線網絡示意圖如圖2-13所示。2.3.4校園無線局域網絡的拓撲結構圖2-13銳捷網絡“智分+”新一代無線網絡示意圖1)無線局域網不可能完全取代有線局域網，只能作為有線網絡的補充和完善。2)為適應網絡以后的擴展和升級，應慎重考慮選擇網絡所使用的協(xié)議標準和設備。3)采用專業(yè)的設施，聘請專業(yè)的隊伍。2.3.5校園無線局域網建設的注意事項4)妥善考慮無線網絡的支撐系統(tǒng)（包括無線網管、無線安全，無線計費等）。5)無線電波傳播時會受障礙物影響而衰弱，在校園網內要做到有線和無線的合理布局。6)無線電波是開放性的傳播媒介，因此，要加強數(shù)據的安全性。7)要建立可靠的網絡安全機制和提供完善的支持服務。校園無線局域網的主要設備包括AP、AC、POE交換機等。2.3.6校園無線局域網的主要設備

1AP(無線接入點)AP是校園無線局域網使用最多的設備，它的品牌、種類、型號繁多，按安裝地點不同，一般分為室外AP系列、墻面AP系列、放裝AP系列(包括低密度、中型、高密度型)等；還可分主AP與微AP。

圖2-14RG-AM5528/5528(ES)的外形圖2-15RG-MAP552外形(a)正面(b)側面2.3.6校園無線局域網的主要設備

2AC(無線接入控制器)AC是一種無線局域網接入控制設備，負責將來自不同AP的數(shù)據進行匯聚并接入Interne，同時完成AP設備的配置管理和無線用戶的認證、管理，以及帶寬、訪問、切換、安全等控制功能。依托AC強大的管理和控制功能，能夠構建出個性化、專業(yè)化的WLAN解決方案。如華為的AC6605接入控制器采用一體化設計，既可以作為有線的接入或匯聚設備，也可以作為無線接入的管理設備。華為AC6605外形如圖2-16所示。圖2-16華為AC6605接入控制器的外形2.3.6校園無線局域網的主要設備

3POE交換機POE(PowerOverEthernet)交換機是指在現(xiàn)有的以太網五類綜合布線的基礎架構上，不作任何改動為一些基于IP的終端（如IP電話機、無線局域網接入點AP、網絡攝像機等）傳輸數(shù)據信號的同時，還能為此類設備提供直流供電的交換機。POE交換機能在確?，F(xiàn)有結構化布線安全的同時保證現(xiàn)有網絡的正常運作，最大限度地降低成本。

H3CS5500-EI-D系列交換機的外形如圖2-17所示。圖2-17H3CS5500-28C-EI-D型交換機外形2.3.6校園無線局域網的主要設備H3CS5500-EI-D系列交換機的部分技術參數(shù)見表2-3無線傳感器網絡2.4無線傳感器網絡(WSN)最早由美國軍方提出，起源于1978年美國國防部高級研究所計劃署(DARPA)資助的卡耐基-梅隆大學進行分布式傳感器網絡的研究項目。當時沒有考慮互聯(lián)網及智能計算等技術的支持，強調無線傳感器網絡是由節(jié)點組成的小規(guī)模自組織網絡，主要應用在軍事領域。無線傳感器網絡技術的發(fā)展大致可分為4個階段，如表2-4所示。2.4.1無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡是由大量體積小、成本低、具有無線通信和數(shù)據處理能力的傳感器節(jié)點組成的。傳感器節(jié)點一般由傳感器、微處理器、無線收發(fā)器和電源組成，有的還包括定位裝置和移動裝置，其組成框圖如圖2-18所示。2.4.2無線傳感器網絡的組成與網絡結構圖2-18無線傳感器網絡的組成示意圖無線傳感器網絡中傳感器節(jié)點的功能都是相同的，它們通過無線通信的方式自適應地組成一個無線網絡。各個傳感器節(jié)點將自己所探測到的有用信息，通過多跳中轉的方式向指揮中心(主機)報告。傳感器節(jié)點配備有滿足不同應用需求的傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、紅外線感應器、位移傳感器、壓力傳感器等。傳感器節(jié)點由傳感單元、處理單元、無線收發(fā)單元和電源單元等幾部分組成，如圖2-19所示。2.4.2無線傳感器網絡的組成與網絡結構圖2-19無線傳感器網絡節(jié)點結構傳感單元由傳感器和A/D轉換模塊組成，用于感知、獲取監(jiān)測區(qū)域內的信息，并將其轉換為數(shù)字信號；處理單元由嵌入式系統(tǒng)構成，包括處理器、存儲器等，負責控制和協(xié)調節(jié)點各部分的工作，存儲和處理自身采集的數(shù)據以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據；無線收發(fā)單元由無線通信模塊組成，負責與其他傳感器節(jié)點進行通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據；電源單元能夠為傳感器節(jié)點提供正常工作所必需的能源，通常采用微型電池。典型無線傳感器網絡結構如圖2-20所示。2.4.2無線傳感器網絡的組成與網絡結構圖2-20典型無線傳感器網絡結構無線傳感器網絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量傳感器節(jié)點相互通信形成的多跳自組織網絡系統(tǒng)，是物聯(lián)網底層網絡的重要技術形式。隨著無線通信、傳感器技術、嵌入式應用和微電子技術的日趨成熟，無線傳感器網絡可以在任何時間、任何地點、任何環(huán)境條件下獲取人們所需信息，為物聯(lián)網的發(fā)展奠定基礎。無線傳感器網絡的體系結構由分層的網絡通信協(xié)議、網絡管理平臺以及應用支撐平臺三個部分組成，如圖2-21所示。2.4.3無線傳感器網絡的體系結構圖2-21無線傳感器網絡的體系結構2.4.3無線傳感器網絡的體系結構網絡通信協(xié)議網絡管理平臺體系結構應用支撐平臺網絡通信協(xié)議類似于傳統(tǒng)Internet網絡中的TCP/IP協(xié)議體系，由物理層、數(shù)據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成。網絡管理平臺主要是對傳感器節(jié)點自身的管理以及用戶對傳感器網絡的管理，它包括了拓撲控制、服務質量管理、能量管理、安全管理、移動管理、網絡管理等。應用支撐平臺是建立在分層網絡通信協(xié)議和網絡管理技術的基礎之上，它包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件，通過應用服務接口和網絡管理接口來為終端用戶提供各種具體應用的支持。2.4.4無線傳感器網絡的特點

1節(jié)點的能量、計算能力和存儲容量有限2節(jié)點數(shù)量大，密度高無線傳感器網絡的特點3拓撲結構易變化，具有自組織能力傳感器節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。電池的容量一般不是很大。受價格、體積和功耗的限制，其計算能力、程序空間和內存空間也有限。傳感器網絡中的節(jié)點分布密集，數(shù)量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多。傳感器節(jié)點分布非常密集，利用節(jié)點之間高度連接性來保證系統(tǒng)的容錯性和抗毀性。在傳感器網絡應用中，節(jié)點通常被放置在沒有基礎結構的地方。傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不知道，而是通過隨機布撒的方式。2.4.4無線傳感器網絡的特點

4數(shù)據為中心無線傳感器網絡的特點5多跳路由，采用空間位置尋址方式

無線傳感器網是以數(shù)據為中心的網絡。傳感器網絡的核心是感知數(shù)據，而不是網絡硬件。觀察者感興趣的是傳感器產生的數(shù)據，而不是傳感器本身。在傳感器網絡中，傳感器節(jié)點不需要地址之類的標識。6節(jié)點出現(xiàn)故障的可能性較大網絡中節(jié)點通信距離有限，一般在幾百米范圍內，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。由于無線傳感器網中的節(jié)點數(shù)目龐大，分布密度超過如點對點網絡那樣的普通網絡，而且所處環(huán)境可能會十分惡劣，所以出現(xiàn)故障的可能性會很大。物聯(lián)網概述2.5“物聯(lián)網概念”是在“互聯(lián)網概念”的基礎上，將其用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間，進行信息交換和通信的一種網絡概念。目前人們對于物聯(lián)網的定義有以下幾種。2.5.1物聯(lián)網的定義物聯(lián)網的定義定義1定義2定義3把所有物品通過射頻識別(RFID)和條碼等信息傳感設備與互聯(lián)網連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。任何時刻、任何地點、任意物體之間的互聯(lián)，無所不在的網絡和無所不在計算的發(fā)展愿景，除RFID技術外，傳感器技術、納米技術、智能終端等技術都將得到更加廣泛的應用。物聯(lián)網是未來因特網(Internet)的一個組成部分，可以被定義為基于標準的和可互操作的通信協(xié)議且具有自配置能力的動態(tài)的全球網絡基礎架構。物聯(lián)網的突出特征是通過各種感知方式來獲取物理世界的各種信息，結合互聯(lián)網、有線網、無線移動通信網等進行信息的傳遞與交互，再采用智能計算技術對信息進行分析處理，從而提升人們對物質世界的感知能力，實現(xiàn)智能化的決策和控制。物聯(lián)網的體系結構通常被認為有3個層次，從下到上依次是感知層、網絡層和應用層。如圖2-22所示。2.5.2物聯(lián)網的體系結構圖2-22物聯(lián)網的體系結構物聯(lián)網是一種復雜、多樣的系統(tǒng)技術，它將“感知、傳輸、應用”3項技術結合在一起，是一種全新的信息獲取和處理技術。因此，從物聯(lián)網技術體系結構角度解讀物聯(lián)網，可以將支持物聯(lián)網的技術分為感知技術、傳輸技術、支撐技術、應用技術4個層次。2.5.3物聯(lián)網的關鍵技術物聯(lián)網技術感知技術傳輸技術應用技術支撐技術網絡管理與網絡安全2.6網絡管理是通過相應的管理系統(tǒng)對網絡及其用戶進行管理，以保障網絡及其信息服務系統(tǒng)的正常運行。網絡管理是保障網絡可靠運行的最重要手段，網絡管理系統(tǒng)則可根據用戶需要提供豐富、專業(yè)、定制化的網絡管理功能。網絡管理是監(jiān)督、組織和控制網絡通信服務以及信息處理所必需的各種活動的總稱。網絡管理的主要內容包括故障管理、配置管理、性能管理、計費管理和安全管理。2.6.1網絡管理的含義與主要內容故障管理、配置管理安全管理網