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[摘要]随着高等教育的不断普及以及学生规模的不断扩大，为了完善实验教学条件，提供远程教育、继续教育等模式的远程实验应用而生。介绍的是一个以提供理工科电类实验为目标的远程综合实验室，所有实验都基于真实的物理对象，它允许多个用户同时登录、多个实验同时进行，用户无论在何时何地都可以进行同步模式或者异步模式实验。
[关键词]虚拟实验室 网络 Java小应用程序
中图分类号：TP3 文献标识码：A文章编号：1671－7597 (2008) 0210015-02
一、网络实验室的物理拓扑结构
网络实验室的物理拓扑结构它由客户端、服务器端和控制器端三部分组成。用户无论在何时何地只要使自己的计算机联入Internet，就可以通过浏览器访问网络实验室服务器。和用户直接打交道的是客户端，多个客户端可以同时登录到服务器上，同时进行不同的实验。服务器和所有的实验控制端同处于实验室的高速局域网中，每一个实验控制端在正常情况下登录到服务器上，即可随时进行实验，如果控制器端需要维护、修改或更换时，可以随时从服务器上注销。因此，控制器端的地位对于服务器而言，也就是一种客户端，所以，可以把网络实验室系统的物理拓扑结构称之为双C/S（Client/Server，即客户端/服务器）结构。
二、网络实验室的具体实现
图1 是网络实验室的整体功能模块架构，它展示了网络实验室各部分功能模块的运行机理。其中：1代表浏览器与Web服务器之间采用HTTP协议的通信；2代表Web服务器下载Applet到浏览器；3和4分别代表客户端应用程序与服务器端应用程序、服务器端应用程序与控制器端应用程序采用基于TCP/IP协议的自定义协议的通信。
（一）网络实验室客户端的实现
网络实验室的客户端应用程序是用Java编写的Applet，客户端采用了目前虚拟实验室最为通用的Web发布方式，这可使用户不必安装任何其它的附加软件，即可轻松使用网络实验室的客户端应用程序。图3是网络实验室客户端的功能模块结构图。实验运行操作模块是客户端的主模块，它负责每个具体实验的数据传输、运行控制和过程管理等。它为用户提供了同步实验模式和异步实验模式，使得实验设备的利用率最大化，又使用户的使用更加灵活。在客户端中有并列的多个实验模块，它们分别对应于具体实验，由于不同实验的内容和操作各不相同，所以这些实验模块的内部机理也不尽相同。为了把这些不同的实验模块统一集成到客户端框架中，实现与框架的协调工作，在这些实验模块和实验运行操作模块之间有一个实验模块接口，它定义了各实验模块的统一要求。在程序中，实验模块接口的实现是利用了Java中的interface（接口）和abstract class（抽象类）机制。数据通信模块是客户端、服务器端和控制器端都具有的，其内部细节虽有所不同，但都是负责数据的收发，即把要发送的数据封装成预定义的协议包，以及把收到的协议包按照相反的过程解析处理。网络通信必须按照一定的协议规则，客户端和服务器端之间、服务器端和控制端之间的通信均采用了基于TCP/IP协议族上的自定义协议，该协议是利用了传输层上的Socket（网络套接字）构建的TCP协议，它编程灵活，能保证数据传输的正确性。客户端的数据通信模块除了一般的数据收发以外，还负责主动连接服务器端的特定端口，建立网络连接。
（二）网络实验室服务器端的实现
服务器端是网络实验室整个系统架构的核心，为了随时响应客户端的连接，必须确保服务器端满足24 h/d正常运行，时刻监听客户端的请求，因此它运行的稳定性和高效性至关重要。服务器端使用的计算机是高性能的Dell品牌的专业服务器计算机POWEREDGETM6600，内含两颗服务器专用处理器Intel Xeon 2G，4G内存，6个72G的SCSI硬盘。在该计算机上安装的操作系统为Linux，该系统运行稳定，性能可靠，适合作为服务器端的操作系统。在Linux操作系统上装有3个服务器应用程序。
（1）Web服务器Apache：Apache是一个非常稳定的Web服务器，功能强大，响应速度快，是目前使用最多的Web服务器之一。使用该服务器是为了响应用户浏览器的请求，把请求的网页文件和客户端Applet类文件下载到用户计算机中。
（2）用Java编写的网络实验室应用服务器：该服务器软件是网络实验室的中心环节。它由具有面向对象、面向网络、跨平台、多线程，安全等优良特点的Java语言编写，处于网络实验室的枢纽地位它的基本功能是连接客户端、控制器端和数据库按照一定的规则安排用户实验，并将实验数据保存到数据库中。客户端监听模块和控制端监听模块是服务器软件特有的模块，它体现了服务器的固有“身份”，用于时刻监听特定的端口，随时响应客户端和控制器端的连接请求，为不同用户和实验建立独立的Socket连接。
服务器端一个尤其重要的基本特征就是多响应，快速、高效的多响应是服务器端乃至整个网络实验室系统稳定、高效地运行至关重要的保证有效地实现多响应的方法是充分利用Java固有的多线程机制，Java本身有力地支持多线程，使编写的程序效率更高，性能更好。在服务器应用程序中响应客户端、控制器端和数据库是并列的3个最基本主线程。
（3）数据库服务器Oracle：Oracle数据库是一种基于SQL标准的关系数据库产品，它支持大数据库、多用户和事务处理等，具有非常优秀的性能便于数据处理和维护。该数据库可以用于统一记录、存取和管理网络实验室的所有数据信息，包括每个用户账号的各种信息，每个实验模块的配置信息、实验请求、实验结果和操作记录等等。
（三）网络实验室控制器端的实现
控制器端没有直接连入Internet，直接连入Internet的只有服务器，就某种意义而言，服务器相当于整个系统的防火墙，这种结构获得了极佳的安全特性。控制器端的一个显著特征就是直接实时地控制真实的物理设备；另一个显著特征就是像服务器一样需要24h/d的持续运行，随时进行实验。因此，控制器端稳定、不易出错的持续运行具有毋容置疑的重要性。为了保证控制器端的可靠运行，各控制器端计算机均采用工控机，使用Intel PIII1G的CPU，用Microsoft Windows 2000 Server作为其操作系统。同时，安装在操作系统上的控制器端应用程序是用Visual C++开发的，它一方面保证了控制程序在运行时的高效性和实时性，另一方面C++语言适合编写访问Windows底层的应用程序，便于对物理设备的控制。
由于不同的控制端面向不同的具体实验，控制各自的物理设备，所以每个控制器端应用程序内部结构各异的基本的功能模块结构。控制器端程序中有两个最基本的模块实验控制模块和实时监控模块。实验控制模块按照一定的控制算法控制具体的实验对象，包括对其发送参数指令，读取传感器数据等。实时监控模块是一个相对独立的看门狗程序，它负责实时地监视控制器端主程序的状态，根据网络的连接状况和实验控制程序的运行状况，启动、停止或重启控制器端应用程序，它是在操作系统启动时就自动运行的。看门狗程序的安装，最大限度地提升了控制器端纠错、处理异常的能力。与客户端相似，控制器端的数据通信模块除收发一般的数据以外，同时负责主动与服务器端建立Socket连接。
参考文献：
[1]郭会军，贾惠芹，刘君华.基于ActiveX控件的网络虚拟仪器实验室[J].西安交通大学学报，2003，37（2）：219-220.
[2]彭晖，李仁发，常乐.基于VP的虚拟实验室原型设计与实现[J]，计算机工程与应用，2002，38（2）：244-246.
[关键词]虚拟实验室 网络 Java小应用程序
中图分类号：TP3 文献标识码：A文章编号：1671－7597 (2008) 0210015-02
一、网络实验室的物理拓扑结构
网络实验室的物理拓扑结构它由客户端、服务器端和控制器端三部分组成。用户无论在何时何地只要使自己的计算机联入Internet，就可以通过浏览器访问网络实验室服务器。和用户直接打交道的是客户端，多个客户端可以同时登录到服务器上，同时进行不同的实验。服务器和所有的实验控制端同处于实验室的高速局域网中，每一个实验控制端在正常情况下登录到服务器上，即可随时进行实验，如果控制器端需要维护、修改或更换时，可以随时从服务器上注销。因此，控制器端的地位对于服务器而言，也就是一种客户端，所以，可以把网络实验室系统的物理拓扑结构称之为双C/S（Client/Server，即客户端/服务器）结构。
二、网络实验室的具体实现
图1 是网络实验室的整体功能模块架构，它展示了网络实验室各部分功能模块的运行机理。其中：1代表浏览器与Web服务器之间采用HTTP协议的通信；2代表Web服务器下载Applet到浏览器；3和4分别代表客户端应用程序与服务器端应用程序、服务器端应用程序与控制器端应用程序采用基于TCP/IP协议的自定义协议的通信。
（一）网络实验室客户端的实现
网络实验室的客户端应用程序是用Java编写的Applet，客户端采用了目前虚拟实验室最为通用的Web发布方式，这可使用户不必安装任何其它的附加软件，即可轻松使用网络实验室的客户端应用程序。图3是网络实验室客户端的功能模块结构图。实验运行操作模块是客户端的主模块，它负责每个具体实验的数据传输、运行控制和过程管理等。它为用户提供了同步实验模式和异步实验模式，使得实验设备的利用率最大化，又使用户的使用更加灵活。在客户端中有并列的多个实验模块，它们分别对应于具体实验，由于不同实验的内容和操作各不相同，所以这些实验模块的内部机理也不尽相同。为了把这些不同的实验模块统一集成到客户端框架中，实现与框架的协调工作，在这些实验模块和实验运行操作模块之间有一个实验模块接口，它定义了各实验模块的统一要求。在程序中，实验模块接口的实现是利用了Java中的interface（接口）和abstract class（抽象类）机制。数据通信模块是客户端、服务器端和控制器端都具有的，其内部细节虽有所不同，但都是负责数据的收发，即把要发送的数据封装成预定义的协议包，以及把收到的协议包按照相反的过程解析处理。网络通信必须按照一定的协议规则，客户端和服务器端之间、服务器端和控制端之间的通信均采用了基于TCP/IP协议族上的自定义协议，该协议是利用了传输层上的Socket（网络套接字）构建的TCP协议，它编程灵活，能保证数据传输的正确性。客户端的数据通信模块除了一般的数据收发以外，还负责主动连接服务器端的特定端口，建立网络连接。
（二）网络实验室服务器端的实现
服务器端是网络实验室整个系统架构的核心，为了随时响应客户端的连接，必须确保服务器端满足24 h/d正常运行，时刻监听客户端的请求，因此它运行的稳定性和高效性至关重要。服务器端使用的计算机是高性能的Dell品牌的专业服务器计算机POWEREDGETM6600，内含两颗服务器专用处理器Intel Xeon 2G，4G内存，6个72G的SCSI硬盘。在该计算机上安装的操作系统为Linux，该系统运行稳定，性能可靠，适合作为服务器端的操作系统。在Linux操作系统上装有3个服务器应用程序。
（1）Web服务器Apache：Apache是一个非常稳定的Web服务器，功能强大，响应速度快，是目前使用最多的Web服务器之一。使用该服务器是为了响应用户浏览器的请求，把请求的网页文件和客户端Applet类文件下载到用户计算机中。
（2）用Java编写的网络实验室应用服务器：该服务器软件是网络实验室的中心环节。它由具有面向对象、面向网络、跨平台、多线程，安全等优良特点的Java语言编写，处于网络实验室的枢纽地位它的基本功能是连接客户端、控制器端和数据库按照一定的规则安排用户实验，并将实验数据保存到数据库中。客户端监听模块和控制端监听模块是服务器软件特有的模块，它体现了服务器的固有“身份”，用于时刻监听特定的端口，随时响应客户端和控制器端的连接请求，为不同用户和实验建立独立的Socket连接。
服务器端一个尤其重要的基本特征就是多响应，快速、高效的多响应是服务器端乃至整个网络实验室系统稳定、高效地运行至关重要的保证有效地实现多响应的方法是充分利用Java固有的多线程机制，Java本身有力地支持多线程，使编写的程序效率更高，性能更好。在服务器应用程序中响应客户端、控制器端和数据库是并列的3个最基本主线程。
（3）数据库服务器Oracle：Oracle数据库是一种基于SQL标准的关系数据库产品，它支持大数据库、多用户和事务处理等，具有非常优秀的性能便于数据处理和维护。该数据库可以用于统一记录、存取和管理网络实验室的所有数据信息，包括每个用户账号的各种信息，每个实验模块的配置信息、实验请求、实验结果和操作记录等等。
（三）网络实验室控制器端的实现
控制器端没有直接连入Internet，直接连入Internet的只有服务器，就某种意义而言，服务器相当于整个系统的防火墙，这种结构获得了极佳的安全特性。控制器端的一个显著特征就是直接实时地控制真实的物理设备；另一个显著特征就是像服务器一样需要24h/d的持续运行，随时进行实验。因此，控制器端稳定、不易出错的持续运行具有毋容置疑的重要性。为了保证控制器端的可靠运行，各控制器端计算机均采用工控机，使用Intel PIII1G的CPU，用Microsoft Windows 2000 Server作为其操作系统。同时，安装在操作系统上的控制器端应用程序是用Visual C++开发的，它一方面保证了控制程序在运行时的高效性和实时性，另一方面C++语言适合编写访问Windows底层的应用程序，便于对物理设备的控制。
由于不同的控制端面向不同的具体实验，控制各自的物理设备，所以每个控制器端应用程序内部结构各异的基本的功能模块结构。控制器端程序中有两个最基本的模块实验控制模块和实时监控模块。实验控制模块按照一定的控制算法控制具体的实验对象，包括对其发送参数指令，读取传感器数据等。实时监控模块是一个相对独立的看门狗程序，它负责实时地监视控制器端主程序的状态，根据网络的连接状况和实验控制程序的运行状况，启动、停止或重启控制器端应用程序，它是在操作系统启动时就自动运行的。看门狗程序的安装，最大限度地提升了控制器端纠错、处理异常的能力。与客户端相似，控制器端的数据通信模块除收发一般的数据以外，同时负责主动与服务器端建立Socket连接。
参考文献：
[1]郭会军，贾惠芹，刘君华.基于ActiveX控件的网络虚拟仪器实验室[J].西安交通大学学报，2003，37（2）：219-220.
[2]彭晖，李仁发，常乐.基于VP的虚拟实验室原型设计与实现[J]，计算机工程与应用，2002，38（2）：244-246.