遠(yuǎn)程實驗分時管理平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

李丹美 陸曉玨 江浩 張雄

摘要：由于高端儀器數(shù)量少，為了能使更多的學(xué)生使用高端測量儀器，研發(fā)了遠(yuǎn)程實驗分時管理平臺。此平臺實現(xiàn)實驗設(shè)備在線預(yù)約、遠(yuǎn)程控制、分時管理等功能，使學(xué)生有機(jī)會動手使用高端測量設(shè)備。該文闡述了遠(yuǎn)程實驗管理平臺的特點(diǎn)、系統(tǒng)的架構(gòu)和功能，介紹了實驗系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)，給出了實驗系統(tǒng)的應(yīng)用模式。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程實驗平臺；高端儀器；分時管理

中圖分類號：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）06-0018-04

大學(xué)實驗室中，一般的實驗課上實驗設(shè)備比較大眾化，量多，可以滿足許多學(xué)生同時完成實驗的要求，學(xué)生可以現(xiàn)場進(jìn)行實際操作。但是有些高端測量儀器價格貴，數(shù)量少，無法滿足實驗時每組一臺的要求。這些高端儀器操作相對復(fù)雜，維護(hù)成本高，因此學(xué)生在實驗中較少使用。為了提高大學(xué)生的實驗動手能力，熟悉高端儀器的使用，我們以電磁場與電磁波實驗課程為例，建立了遠(yuǎn)程實驗平臺。實驗測量現(xiàn)場搭建好后，學(xué)生可以在終端的瀏覽器上通過網(wǎng)絡(luò)訪問物理位置位于遠(yuǎn)程的實驗室，并且完成遠(yuǎn)程實驗。由于高端測量儀器的數(shù)量有限，考慮到眾多學(xué)生的實驗需求，我們探索出了一套基于域身份認(rèn)證的分時管理平臺，利用Web技術(shù)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)，Windows域管理技術(shù)等等，設(shè)計并且實現(xiàn)了平臺的分時管理功能，為遠(yuǎn)程實驗儀器的控制和管理方面打開新的思路。

1平臺的總體設(shè)計

遠(yuǎn)程實驗平臺指在校園網(wǎng)環(huán)境下，通過網(wǎng)絡(luò)訪問物理位置位于遠(yuǎn)程實驗室，根據(jù)域認(rèn)證的身份進(jìn)入平臺，并且通過相關(guān)的應(yīng)用程序來實現(xiàn)對實驗設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問，完成遠(yuǎn)程實驗的測量并提交實驗報告。遠(yuǎn)程實驗平臺克服了傳統(tǒng)教學(xué)實驗室的弊端，并且在控制學(xué)科領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用，對其他學(xué)科實驗教學(xué)有重要的參考價值。

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，大多數(shù)網(wǎng)站開發(fā)采用的是B/S架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，相比于C/S架構(gòu)，B/S架構(gòu)不受限于局域網(wǎng)的特定環(huán)境，操作系統(tǒng)和瀏覽器的兼容性也比較強(qiáng)，因此本平臺采用B/S三層架構(gòu)來搭建平臺的基本框架。由于實驗儀器的物理位置和相應(yīng)功能不同，本平臺分成用戶端，服務(wù)器端和設(shè)備控制端，用戶端通過網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，而服務(wù)器端利用局域網(wǎng)來實現(xiàn)對硬件資源的控制，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

用戶端是由不同權(quán)限的用戶構(gòu)成，根據(jù)權(quán)限的大小依次分為管理員用戶，教師用戶和學(xué)生用戶，這些用戶使用電腦或者移動設(shè)備來訪問遠(yuǎn)程實驗平臺，經(jīng)過身份認(rèn)證后才能完成在線瀏覽，時間預(yù)約，遠(yuǎn)程實驗等等一系列的功能。教師用戶擁有對應(yīng)課程的管理權(quán)限，管理員用戶需要對整個平臺進(jìn)行管理，用戶端是通過瀏覽器來訪問平臺，完成相應(yīng)地數(shù)據(jù)請求和信息交換。

數(shù)據(jù)庫端是由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、DNS服務(wù)器、Web服務(wù)器、視頻服務(wù)器和身份認(rèn)證服務(wù)器構(gòu)成，在數(shù)據(jù)庫層主要負(fù)責(zé)對用戶身份的認(rèn)證，響應(yīng)用戶的數(shù)據(jù)請求，對實驗設(shè)備下發(fā)命令，完成用戶與平臺之間的請求交互，硬件資源的合理調(diào)度，實驗視頻數(shù)據(jù)的處理和監(jiān)控等功能。

設(shè)備控制端包括防火墻，實驗儀器，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源等，本平臺的實驗儀器采用的是ZVL矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源是由交換機(jī)、路由器、攝像頭等硬件構(gòu)成，在設(shè)備控制層主要實現(xiàn)對設(shè)備資源的調(diào)度，執(zhí)行服務(wù)器端的命令請求，對實驗過程進(jìn)行實時監(jiān)控，并且采集相應(yīng)地實驗數(shù)據(jù)等操作，根據(jù)不同的實驗儀器，需要進(jìn)行相應(yīng)端口等資源的配置以完成對設(shè)備的控制。

1.2功能模塊劃分

根據(jù)遠(yuǎn)程實驗具體實驗需求，整個平臺被劃分為以下功能模塊，前臺是由個人管理中心、用戶身份認(rèn)證、實驗設(shè)備操作、實驗在線預(yù)約模塊構(gòu)成，后臺是由用戶信息管理模塊、實驗報告管理、實驗設(shè)備管理模塊構(gòu)成，因此整個平臺的模塊劃分圖，如圖2所示。

2核心功能模塊設(shè)計

遠(yuǎn)程實驗平臺的核心模塊是用戶身份認(rèn)證模塊、實驗在線預(yù)約模塊、實驗設(shè)備管理模塊這三大模塊，用戶身份認(rèn)證模塊實現(xiàn)對登錄平臺的身份進(jìn)行安全驗證，實驗在線預(yù)約模塊實現(xiàn)對設(shè)備資源的合理分配，實驗設(shè)備管理模塊保障實驗按預(yù)約時間有序地完成，這三大功能模塊確保平臺的分時管理功能的最終實現(xiàn)。

2.1用戶身份認(rèn)證模塊

2.1.1設(shè)計思路

用戶身份認(rèn)證模塊建立用戶層與服務(wù)器層之間的訪問機(jī)制，校園內(nèi)的用戶登錄實驗平臺時，需要經(jīng)過身份的驗證過程，而用戶訪問硬件設(shè)備資源時同樣需要進(jìn)行身份驗證，我們這里將CAS單點(diǎn)登錄系統(tǒng)和Windows域身份認(rèn)證整合，從而統(tǒng)一地管理需要訪問平臺和硬件設(shè)備的用戶。其主要流程是，在校園網(wǎng)內(nèi)創(chuàng)建一個根域，將需要訪問平臺的PC或者移動設(shè)備加入該域，并添加相應(yīng)用戶的賬號和密碼，至此，完成域身份的配置過程。域終端用戶訪問設(shè)備或者Portal時，無需再進(jìn)行身份認(rèn)證，非域終端進(jìn)行訪問時，會自動彈出Windows域身份的認(rèn)證框，認(rèn)證失敗后，即沒有權(quán)限訪問對應(yīng)的設(shè)備資源?；谟虻膯吸c(diǎn)登錄框架圖，如圖3所示。

將CAS單點(diǎn)登錄系統(tǒng)和Windows AD域身份認(rèn)證整合，Windows AD域負(fù)責(zé)身份認(rèn)證，CAS負(fù)責(zé)單點(diǎn)登錄，而實現(xiàn)的媒介是Portal，起到鏈接認(rèn)證和AD域整合的作用。域終端訪問資源或者Portal，無需再進(jìn)行身份認(rèn)證，身份認(rèn)證后將單點(diǎn)登錄交給我們模擬CAS認(rèn)證的服務(wù)中心DTSSO進(jìn)行單點(diǎn)登錄，單點(diǎn)登錄主要是申請票據(jù)和兌換票據(jù)的過程，訪問資源時需要去服務(wù)中心申請票據(jù)，服務(wù)中心把票據(jù)頒發(fā)給信任的用戶，用戶憑借票據(jù)訪問資源，完成相應(yīng)地身份驗證。

2.1.2身份驗證模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

CAS私有域票據(jù)是作為域終端用戶實現(xiàn)單點(diǎn)登錄的核心組成，主要負(fù)責(zé)域用戶的身份驗證。票據(jù)的字段包括ID，use-rADnameID，expireTime，exchangeTimes，ticketGenerateTime等基本信息，其中，ID字段是區(qū)分票據(jù)的唯一標(biāo)識，userADnameID字段是區(qū)分域用戶身份的唯一標(biāo)識，并且票據(jù)具有時效性，一般系統(tǒng)設(shè)置的有效時長為30秒，這里用ticketGenerateTime來記錄票據(jù)的生成時間，exchangeTimes是記錄兌換票據(jù)的次數(shù)，因此.票據(jù)的這些基本信息，如表1所示。

2.2實驗在線預(yù)約模塊

2.2.1設(shè)計思路

實驗在線預(yù)約模塊是指登錄平臺的用戶，經(jīng)過身份認(rèn)證后，實現(xiàn)對硬件設(shè)備的分時段資源管理的功能。其核心思想是，用戶在進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗操作前，需要對使用設(shè)備，使用時間進(jìn)行預(yù)約，即用戶首先在PC端進(jìn)行統(tǒng)一身份認(rèn)證后，在瀏覽器欄輸入實驗平臺的IP地址，登錄到平臺的預(yù)約界面并且查詢設(shè)備的使用情況，根據(jù)當(dāng)前預(yù)約的具體情況，選擇設(shè)備的預(yù)約時間，防止出現(xiàn)設(shè)備資源占用導(dǎo)致無法預(yù)約的情況。用戶進(jìn)行預(yù)約的內(nèi)容包括實驗指導(dǎo)教師，實驗類型，實驗課題，實驗時段，點(diǎn)擊“預(yù)約”按鈕，提交請求，如果返回“預(yù)約成功”的提示，則表示預(yù)約成功，用戶在預(yù)約時段內(nèi)登錄平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗的操作，如果返回“預(yù)約失敗”的提示，則需要進(jìn)行重新預(yù)約。在線預(yù)約的基本流程，如圖4所示。

2.2.2后臺數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

為保證在線預(yù)約功能的順利實現(xiàn)，針對用戶信息、預(yù)約時段、預(yù)約設(shè)備等數(shù)據(jù)我們需要構(gòu)建相應(yīng)地數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，有利于后臺數(shù)據(jù)的查詢，判斷和調(diào)用。平臺采用的是MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理，新建數(shù)據(jù)庫NewRecord，數(shù)據(jù)表Reser-ration，如表2所示。Reservation表列：id字段記錄數(shù)據(jù)表自動生成的編號，user_num字段記錄預(yù)約用戶的學(xué)號，user_content記錄預(yù)約的實驗內(nèi)容，user_device記錄預(yù)約的硬件設(shè)備，us-er_time1表示預(yù)約的起始時間，user_time2表示預(yù)約的結(jié)束時間，根據(jù)兩者的時間差來判斷預(yù)約時長。

2.2.3在線預(yù)約信息存儲的設(shè)計與實現(xiàn)

用戶在平臺預(yù)約信息需要存儲到后臺的數(shù)據(jù)庫中，基本的流程是，將預(yù)約的數(shù)據(jù)定義成data類，利用DoInsert（插入數(shù)據(jù)）函數(shù)把預(yù)約的相關(guān)數(shù)據(jù)插入到Reservation的數(shù)據(jù)表中，主要代碼如下：

首先，我們自定義data類，接著在類中定義字符串connstring連接本地的數(shù)據(jù)庫，獲取預(yù)約的數(shù)據(jù)，在Do_Insert（）函數(shù)中新建連接數(shù)據(jù)庫的對象order，然后執(zhí)行Sqlcommand對象的實際用例，代碼執(zhí)行一次完畢后，利用ExecuteNonQuery（）函數(shù)更新數(shù)據(jù)庫記錄，把下一個記錄寫入到Reservation數(shù)據(jù)表中，依次類推，完成所有數(shù)據(jù)的傳輸和存儲。

2.3實驗設(shè)備管理模塊的設(shè)計

2.3.1設(shè)計思路

采用的是用戶在遠(yuǎn)程實驗平臺上提交預(yù)約申請，域控進(jìn)行預(yù)約設(shè)備管理，在規(guī)定的時間開放實驗設(shè)備的使用權(quán)限，保證同時段單個用戶登錄實驗儀器進(jìn)行實驗，避免出現(xiàn)實驗中用戶掉線的情況。用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗的基本框架，如圖5所示：

（1）在線預(yù)約

學(xué)生需要通過遠(yuǎn)程實驗平臺進(jìn)行個人信息的注冊，具體需要注冊以下的信息：賬號，密碼，姓名，學(xué)號，班級，個人郵箱，電話號碼，注冊成功后，個人信息將記錄在后臺的數(shù)據(jù)庫之中。注冊成功后，學(xué)生需在平臺首頁的VR-實驗室-遠(yuǎn)程實驗-預(yù)約遠(yuǎn)程實驗中進(jìn)行實驗預(yù)約，預(yù)約申請表中需要填寫任課教師，實驗類型，實驗名稱，實驗時間以及申請理由，預(yù)約成功后將在學(xué)生端的實驗預(yù)約界面進(jìn)行反饋。

（2）判斷沖突

學(xué)生端提交預(yù)約申請表后，所有用戶申請的數(shù)據(jù)將保存在Web管理頁面中，管理界面需要處理所有用戶的申請，判斷是否存在實驗時間的沖突，進(jìn)行沖突檢測，保證同時段只有一個用戶可以進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗。

（3）預(yù)約下發(fā)域控

管理界面進(jìn)行沖突檢測后，將預(yù)約的賬戶，密碼，預(yù)約時間等信息形成一條命令，在域控制器中生成一條某用戶預(yù)約信息的策略，包括指定設(shè)備，用戶，預(yù)約時間等。所有的域控主機(jī)通過該策略來限制用戶的登錄。

（4）遠(yuǎn)程登錄設(shè)備

學(xué)生的預(yù)約申請成功后，在指定時間內(nèi)，登錄域中的實驗儀器設(shè)備通過遠(yuǎn)程桌面連接，進(jìn)行實驗，實驗結(jié)束后數(shù)據(jù)將保存在設(shè)備中。

2.3.2預(yù)約沖突檢測的設(shè)計與實現(xiàn)

預(yù)約沖突檢測模塊是實驗設(shè)備管理模塊最核心的功能，為保證遠(yuǎn)程實驗預(yù)約機(jī)制的順利進(jìn)行，需要對設(shè)備資源的使用情況進(jìn)行查詢，所以，需要檢測后臺預(yù)約的記錄并判斷沖突。本平臺是利用多層的嵌套結(jié)構(gòu)來進(jìn)行邏輯判斷，判斷和檢測的過程，如圖6所示。

在線預(yù)約功能實現(xiàn)主要的難點(diǎn)在于預(yù)約時間段的選擇，滿足以下規(guī)則：

第一，每天的二十二點(diǎn)至五點(diǎn)是實驗室資源最為空閑的時段，再考慮到服務(wù)器需要日常的更新與維護(hù)，實驗室每天的開放時間為早上八點(diǎn)，關(guān)閉時間為下午五點(diǎn)，用戶需要在此時間段進(jìn)行在線預(yù)約；

第二，用戶需要填寫正確的預(yù)約時間，即選擇實驗時間的格式必須正確。預(yù)約的時間保證在同一天進(jìn)行，并且結(jié)束時間需在開始時間之后，否則無法提交預(yù)約信息；

第三，由于資源的數(shù)量有限，用戶的需求較多，每人每天最多只能預(yù)約一次遠(yuǎn)程實驗。

用戶預(yù)約時間采用datetimepicker控件來實現(xiàn)，結(jié)合網(wǎng)頁制作的iquery技術(shù)、實時日歷控件、slider控件，我們每天預(yù)約時間按照小時，分鐘和秒鐘來定義，小時所需的滑動格數(shù)是24，分鐘所需的滑動格數(shù)是60，秒鐘所需的滑動格數(shù)也是60，我們這邊定義秒鐘的概念，但是禁用秒鐘的滑動格。當(dāng)我們選擇相應(yīng)的格數(shù)，就可以進(jìn)行相應(yīng)的日期和時間的選擇。在頁面頭部header部分，定義整個頁面的功能和設(shè)計的樣式，利用textbox控件，定義該控件對應(yīng)的初始時間ID為timel和結(jié)束時間ID為time2，主要代碼如下所示：

用戶在前端預(yù)約界面，填寫好預(yù)約信息后，點(diǎn)擊“提交”按鈕，通過daetimepicker控件發(fā)送數(shù)據(jù)請求。預(yù)約起止時間timel，time2必須是datatime類型，因此需要預(yù)約時間的格式進(jìn)行判斷，主要代碼如下：

根據(jù)這段代碼，我們知道database類有兩種函數(shù)可以判斷預(yù)約時間的唯一性，分別是iexist（）函數(shù)和iexists（）函數(shù)，database.iexist（）函數(shù)判斷是否預(yù)約時間為同一天，database.isexists（）函數(shù)判斷預(yù)約的日期是否存在重復(fù)的情況。

對于iexist（）函數(shù)的方法，我們首先連接對象，然后為字符串賦值，接著打開對應(yīng)的數(shù)據(jù)連接，執(zhí)行數(shù)據(jù)庫語句，目的是讀取用戶的數(shù)據(jù)，并判斷當(dāng)天是否存在預(yù)約記錄，最后關(guān)閉之前的數(shù)據(jù)庫。用戶的學(xué)號用參數(shù)c表示，用戶預(yù)約的時間用參數(shù)d表示，具體的程序是，獲取用戶的預(yù)約時間后，通過Session變量得到用戶的學(xué)號，利用SQL語句查詢NewRecord數(shù)據(jù)庫中Reservation表的stime字段，來判斷用戶當(dāng)天是否有預(yù)約實驗的記錄，主要代碼代碼如下：

rs.Close（）；

return false；

3結(jié)論

分時管理平臺解決了實驗裝置的可利用數(shù)量少與所需實驗的用戶數(shù)量多的矛盾，讓實驗不再受限于時間和地域等客觀條件。該實驗平臺具有安全訪問，分時管理的特點(diǎn)，目前實驗平臺已完成基本的測試，運(yùn)營情況正常，后期對平臺的功能不斷進(jìn)行改進(jìn)和拓展，并且將之真正地投入到學(xué)校遠(yuǎn)程實驗的建設(shè)中去。