分布式组建的虚拟教学实验室ActiveX应用研究.pdf

2 0 0 9年第 5期 科技管理研究 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Ma n a g e me n t Re s e a r c h 2 0 0 9 N o 5 文章编号 ：1 0 0 0 7 6 9 5 ( 2 0 0 9 )0 50 4 9 8 0 3 分布式组建的虚拟教学实验室 A c t i v e X应用研究 王喜媛，张平平 ，王会斌 ( 西安电子科技大学， 陕西西安7 1 0 0 7 1 ) 摘要：研究利用 D C O M技术实现将虚拟实验室制作成相关网页并通过 I n t e r n e t 向外发布，将模拟计算部分作为 服务器，界面输入 输出作为客户端，让用户通过浏览器向We b 服务器提交命令和参数，实现远程控制仪器设 备和 实时观察结果。此外还研 究在 多用户的情 况下利 用调度对 象来平衡 负载 ，以及 网络安全保障措施 。 关键词 ：虚拟 实验室 ；分 布式组建 ；浏览 We b服务器 ；数 字签名 中图分类号：T N 9 2 文献标识码：A 现代计算机技术和网络技术为远程教育的发展提供了强 有力的技术保障，尤其是 w w w浏览器技术和数据库技术的发 展使得师生之间不受地域和时间的限制，利用 I n t e r n e t 就能进 行实时或非实时的教与学，从而实现了跨时问、跨空间的学 习，这是传统教育无可比拟的。然而在远程教育中，由于学 生不能在学校实验室里做实验，理工科技术类课程的实验课 的网上学习将会非常困难，如何在网络课件中解决好这个问 题对于进一步办好远程教育具有重要现实意义。本文研究利 用 D C O M ( D i s t r i b u t e d C o m p o n e n t O b j e c t Mo d u l e )技术 ，将单 机版的虚拟电路实验室系统升级为网络版的虚拟电路实验室 系统 。 1 虚拟实验室 以电子线路实验虚拟实验室为例。用户通过界面在计算 机屏幕上选用各种元器件搭建电路、测试波形 ，并得到实验 数据，用模拟真实实验的方式使用户掌握电路方面的知识。 从功能上讲 ，虚拟实验室系统分为两个模块：一个是仿真计 算部分，它是整个系统的核心部分，负责输入数据的处理、 大量的模拟计算 ，并向输出界面部分传送结果 ；另一个则包 括输入界面和输出界面两部分，输入部分完成用户电路搭建 时的界面处理，从某种角度来讲它完成了数据的采集，同样， 输出界面完成结果的输出，如波形输出、数据输出等。 为满足远程教学的需要，必须将单机虚拟实验室系统改 造为可在网络上运行的系统。从通信的成本来讲，S o c k e t 是 最合适的；但是 S o c k e t 本身是面向通信的，有复杂的通信细 节需要处理 ，而且 S o c k e t 服务器对于客户来说很难提供稳定 的应用程序接口，一旦服务器发生了变化，客户必须相应地 变化，不利于客户和服务器单独开发和维护。另外一种方法 则是本文采用的基于 D C O M技术的 A c t i v e X控件实现的网络 虚拟实验室。 2 D C O M技术在网络虚拟实验室中的应用 从程序设计的角度看 ，D C O M 的结构是：对象是构建组 件的基本元素，而服务器为组件提供进程内 外的服务，提供 了组件工作的场所。对象是一个自包含的结构 ，提供一定的 功能，它不能直接被客户使用，客户必须通过接 口访问它； 对象必须通过接 口来表现 自己的功能，甚至对象的创建都不 能由客户直接完成，必须借助一个特殊的对象即类厂来完成。 对于客户，D C O M可以是一个组件对象，也可以是一个 收稿 日期：2 0 0 8 0 8 2 5 ，修 回日期 ：2 0 0 81 03 0 支持 C O M的普通程序，它通过 C O M A P I 来调用类厂和创建 对象，并增加引用计数来决定对象的生存期，这样 C O M库和 C O M服务器会在适当的时候卸载。虽然 C+对象和 C O M 对象有本质的区别 ，但是它们在二进制一级的构造上有一定 的相似性 ，都使用 V T a b l e ；而且，C+的对象描述能力使 它很容易创建 C O M，因此 C+是实现 C O M的最佳选择。 V i s u a l C+ 在 C O M编程方面提供了两种方式 ：一种是 M F C (Mi c r o s o f t F o u n d a t i o n C l a s s ) ；一种 是 A T L ( A c t i v e T e mp l a t e L i b r a r y ) 。MF C是以嵌套类的方式来实现 C O M的；A r r L则大 量地使用了模板，采用多重继承的方式来实现 C O M。但不论 是 MF C还是 A T L ，都为开发软件提供了极大的方便，很多处 理都由MF C和 A T L共同完成。本文将介绍以 M F C为基础设 计的网络虚拟实验室。 2 1 A c t i v e X对 浏览器 We b 服 务器功能的扩充 A c t i v e X技术在 B W构架上的应用是以 A c t i v e X控件的形 式出现的。A c t i v e X控件是一个非常快的小型 A c t i v e X A u t o ma t i o n S e r v e ，分为客户端控件和服务器端控件。 客户端控件是面向用户的，以可视化的图形视频、文字 界面或者音频形式在浏览器上出现，但它可能并不是浏览器 的组成部分，这些控件原先是放在服务器上的。当浏览器发 出请求时，We b服务器回传页面，由浏览器负责解释。在解 释过程中，若发现页面中要求调用 A c t i v e X控件时，则用该 控件在页面中注明的 l D值先在本地的注册表内进行查询，若 已经存在 ，则 说明该控 件 已经在本地安装 ，然后 通过注册表 中的相关信息直接调用该控件；否则就要根据页面中所提示 的该控件所在服务器上的路径到服务器上去下载并且 自动完 成在本地的安装注册，使该控件成为本地资源供今后使用， 这就是所谓的 “ 一次下载，永久使用” 。客户端控件一旦在 本地安装完毕，就等价于一个可执行的应用程序，它能访问 使用本地的系统资源，甚至进行远程访问，由此带来了安全 性 问题 。 服务器端控件是位于 We b服务器上与 A p p l i c a t i o n S e r v e r 进行交互的控件。它是面向服务器的，在这种控件上运行的 操作对于浏览器端是透明的。它始终位于服务器上，不会像 客户端控件那样被下载，也不能以可视或可听方式让服务器 管理者监控，只能完全在服务器上运行。该控件是 We b服务 器与 A p p l i c a t i o n S e r v e r 的接 口，We b服务器可以作为客户端 通过它便捷地访问和使用 A p p l i c a t i o n S e r v e r 上的资源和服务， 又由于控件对浏览器透明，因此对于最终用户是安全的。具 王喜媛等 ：分布式组建的虚拟教学实验室 A c t i v e X应用研究 4 9 9 体分析情况如 图 I 所示 。 客户 机端 服务器 端 图 1 客户机端与服务器端架构示意图 2 2 用 A c t i v e X构建虚拟仪 器 事实上，A c t i v e X控件即由原来 的 O L E控件或 O C X控件 发展而成为现在能够运行在 We b页面上的软件组件 ，这也就 是说把 A c t i v e X控件嵌入到 We b页中，利用 V B S e r i p t( 一种 微软 I E的脚本语言)等脚本语言编写程序代码，使得创建的 应用程序能够供客户端下载运行，实现 I n t e me t 逐步从信息平 台向应用平台的转变。 软件是虚拟仪器的核心，基于上述软件组件的概念，可 将仪器按功能划分成若干模块：采集模块 、分析模块、显示 模块；如果对仪器软面板进行划分的话，可将其视作一系列 开关、旋钮和波形显示面板等的集合。如果将各个实现不同 功能的模块创建成 A c t i v e X控件，那么构造虚拟仪器的工作 便是通过一种 “ 粘合剂”将各种 A c t i v e X控件按照工程要求 “ 粘合”在一起，当工程要求改变时，只需添加某些控件并 加以重组，从而充分体现了虚拟仪器不同于传统仪器的一些 优点 ：用户 自定义，可重复利用，大大节省开发和维护费用， 等等。 如前所述 ，A c t i v e X技术 支持 应用 程序 在 网络环 境 下 的 运行 ，那么通过 A c t i v e X控 件 以及 We b页 面的开发 工具( 如 微软的 A c t i v e X C o n t r o l P a d )可创建以网页形式通过 I n t e me t I n t r a n e t 发布的虚拟仪器。在 w e b服务器上开发一个基于 w e b 页的虚拟实验室程序 ，其 中在客户端包括了两个主要的 A c t i v e X控件，一个用于完成用户电路搭建时的界面处理，另一 个用于显示数据，在客户端只需配备 w e b浏览器 ( 如 I n t e me t E x p l o r e r ) 。当浏览器接收到有关嵌 入在 We b页面 中的 A c t i v e X 的组件信息，它首先要使用 C l a s s i d 属性 ，并调用 C o G e t C l a s s O b j e c t A P I 函数来查询 Wi n d o w s 注册表，如果浏览器已经被 安装并注册 ，它会使用 C l a s s i d属性启动 A c t i v e X组件的一个 例程；只有当这个属性不与 Wi n d o w s注册表中的 G U I D相应 时，才使用 i n t e me t d o w n l o a d s e r v i c e进行下载、检验并安装该 控件。在服务器端放置核心控件即运算控制器，它的主要功 能是仿真计算。运算控制器是整个系统的核心部分 ，负责输 入数据的处理以及大量的模拟计算 ，并向输出界面传送结果。 将计算部分单独做成一个控件并放置在服务器端的优点是 ： 提高了安全性 ，即可在处理前检查用户身份，可对有效期和 权限进行有效的设置；提高了可维护性 ，即易于升级，用户 可以不必关心它的内部处理 ；加强了与数据库的交互。 2 3 网络服 务 器负载 平衡 的构 建 在多用户的情况下 ，当用户的数量达到一定程度的时候 ， 多个用户在主机上创建的对象实例会使服务器的压力增大 ， 从而造成服务器性能下降，影响服务质量。当然 ，可以使用 多个服务器来提供服务，人工地平衡多个服务器上的负载 ， 但这将给维护带来极大的困难，一旦用户群动态地变化 ，服 务器的负载平衡将被打破。显然，仅用这种没有任何分布式 策略的分布式 C O M D C O M是不足以平衡负载的。虽然D C O M 提供了位置透明性，但是没有提供分布式的策略，分布式策 略需要软件开发者来提供 ，因此，提供负载平衡是 D C O M组 件开发的一个重要任务。为了平衡负载，建立了如图2所示 的系统结构 。 图 2 基于 D C O M的系统结构 模拟计算 C O M对象时为了避免多次重复地创建和释放， 本文采用服务对象，即已创建的 C O M对象实例。该系统中还 引入了简单的调度对象。调度对象是一个中间对象，它以 S T A ( 单线程 A p a r t me n t )方式工作 ，负责建立服务对象 S i m u l a t o r ，并维护主机列表 C O S E R V E R I N F O S e r v e r N 、对象 列表 I S i mu l a t e女 p l S i m u l a t e N和对象状态列表 I n t S t a t e N 。主机列表保存主机名字 ，对象列表存放对象接 13指针， 状态列表是一个对象的状态值。对于对象来讲，它有三种状 态 ：( 1 )未创建或创建失败；( 2 )忙；( 3 )闲。三个列表都 以全局变量的形式出现。由于使用了 S T A，可以不必考虑对 象的同步问题，但是多个同类对象访问全局变量仍然可能造 成对象在线程上的安全问题。因此，本文使用临界区 ( C r i t i c a l S e c t i o n )来同步。此外 ，调度对象是一个可连接对象，它 必须与服务对象通信井获得服务对象的状态。 调度对象负责在主机列表指定的主机上创建服务对象并 初始化，所有的客户在需要服务的时候应向调度对象发出请 求。当有客户向调度对象请求服务时，调度对象检索主机列 表、对象列表和状态列表，在选定主机上查询并检查对象的 有效性，获取服务对象接口指针并返回给客户 ，然后客户与 服务对象通信。根据 C O M的特性，此时客户和服务对象之间 的通信是直接进行的，不经过调度对象。调度对象根据什么 原则来获取某个主机上的对象是一个策略上的问题 ，实际应 用中必须考虑主机的负载平衡。对于复杂的系统，这种策略 相当的复杂 ，为简单起见 ，本文采用以执行任务的对象在主 机上的数量多少作为平衡负载的标准，在客户使用完毕对象 后，对象激发一个调度对象事件，调度对象负责将对象状态 复位。因此，调度对象是一个可连接对象，实现了通过一个 接收器接收来自服务对象的事件。 此外 ，调度对象还负责将服务对象卸载。应该看到调度 对象的引入增加了网络通信量，但对于采用分布式策略的系 统来说是必要的。实际上调度对象在很大程度上起到了目录 服务的作用，如果必要的话，调度对象加上适当的模块可以 作为一个简单的中间管理模块，比如控制用户登录、限制用 户数量等。 3 系统的安全性讨论 虚拟实验系统 中要有大量的数据交互 ，同时 A c t i v e X控 件可以不受限制地访问本地资源。由于对本地资源的操作和 网络数据传输有潜在危险，网络的安全性已成为人们关注的 焦点。在 I n t e m e t 上若不采用安全措施 ， 进行信息传输时，计 算机和服务器之间进行传输是很可能延伸到其它计算机上的， 而其它计算机就有可能访问在该计算机和服务器之间传送的 信息。为了保证网络的正常运行 ，需要对传送的信息采取安 5 0 0 王喜媛等：分布式组建的虚拟教学实验室 A c t i v e X应用研究 全保障措施 。 对网络数据传输一般采取公用密钥体制、数字签名和数 字认汪等方法来保护数据的安全。公用密钥方式用一个公用 密钥和一个只有用户自己知道的私有密钥进行信息加密和解 密，即使用一对相关的密钥 ( 即密钥对)来进行信息的加密 和解密：使用密钥对中的公钥进行加密的消息只能用该密钥 对中的另一个密钥 ( 私钥)来解密；相反使用密钥对中的私 钥加密的消息只能通过与之相对应的公钥才能解密。该机制 的主要优点在于不存在任何双方共享密钥。实际上，谁手中 拥有公钥的问题已并不重要，重要的是只有相应的私钥才可 以解开密文。另外，还可利用密钥对中私钥与公钥的对应关 系来认证发送方用户身份的真伪。 数字签名是证明文件作者的身份和在文件从发送者到接 收者的传输中没有被破坏的唯一数值。数字签名是由特殊的 标识软件通过 h a s h数学操作遍历来标识文件。h a s h操作将计 算这一数值，该数值不能通过 h a s h数值直接推导出。创建这 一 数值后，标识软件将用文件加密者 ( 即用户)的个人密钥 加密 h a s h为核实签名；文件的接收者首先运行软件 ，并用发 送者的公用密钥来解密签名的h a s h值，解密h a s h值之后，如 果数值与以前的相同，接受者的软件会通知用户这一签名是 正确的 。 4 总结 基于 D C O M技术的网络虚拟实验室与传统的单机版相比 有以下不同：在 B W 构架中，客户端只有一个浏览器，因此 其应用程 序界 面是 高度 统 一 的；客户 端 与服 务器 之 间基于 T C P I P协议通信，B r o w s e r 与 We b之问按标准的 H 1 T r P传输 数据；B r o w s e r 对用户需求的响应是 以页面为单位进行 的； B r o w s e r 只提出请求服务所要求的参数，而具体的请求命令在 We b S e r v e r 或 A p p l i c a t i o n S e r v e r 上解 释 、生成并运行。网络虚 拟实验室由于在技术上有明显的优势 ，易于升级和更新，彻 底改变了传统的实验教学模式，实现了教育资源共享，提高 了设备的利用率 ，具有广阔的前景。 参考文献 ： 1 C O M M R C ，C A D M A N J C O M D C O M p ri m e r p l u g M 1 n d i - a n a p o l ig： S a mg P u b l i c b i n g，2 0 0 4：3 4 73 8 0 2T E L G A N A L A p u b l i c k e y c r y p l o s y s t e m a n d a s i n g a t u r eh e m e b a s e d o r d i s c r e te l o g a ri th m s J I E E E ，T r a n s I n f o r m T h e o r y ， 2 0 0 5 ( 1 0 ) ： 2 5 9 2 6 4 3P A N A I MI N C O M p ri n c i p l e a n d a p p l i c a t i o n M B e r i n g ：Q i n g Hu a Un i v e r s i t y ，2 0 0 3：52 15 4 3 ， 4 朱晓华，冯玉田，章玉签基于组建技术的虚拟仪器开发方法 的研究 J 上海大学学报，1 9 9 9 ， 5( 4 ) ： 4 5 4 9 5周浩峰 ，方方 ，朱扬勇 A c t i v e X技术对浏览器 We b服务器构架 的功能扩充 J 计算机工程 ，1 9 9 9，2 5 ( 1 2 ) ：2 9 3 3 作者简介 ：王喜媛 ( 1 9 7 9一) ，女 ，陕西西安人 ，硕 士，主要研究方 向为基于 I n t e rac t 的 E D A虚拟实验室系统研究及基于集成电路 的 E D A 优化研究 。 ( 本 文责编 ：陈夏 ) ( 上接第 4 7 4页) 产业集群创新文化的发展。要大力宣传 ，使全社会形成尊重 知识产权、崇尚知识产权的新风商，对知识产权入股和报酬 所得给以税收优惠，并建立知识产权保护制度。 ( 8 )加强重点企业的建设，提升创新文化 科技园区产业集群的重点企业要充分认识创新文化建设 对企业技术创新的重要作用，应尽快制定本企业的创新文化 建设规划，将创新文化规划与企业发展战略、企业的技术创 新结合起来：为科技人员提供优良的创业环境，通过创新文 化建设形成科技 园区产业集群企业的科研人员的创新意识 ， 将创新意识与企业的发展战略、目标和核心价值观结合起来 大力宣传创新文化，全面落实创新制度建设，要注意将创新 文化 的理念体系 、规 章制度 、行 为规范 和推进系统转化 为企 业员工的日常管理和行为模式。培育企业的科研人员的创新 精神，合作精神 ，与大学、科研院所开展创新合作 ，提升创 新 能力 ( 9 )促进企业集 团化 ，加强项 目研发 ，发展创新 文化 集团化发展有助于企业节省成本 ，共享企业资源，通过 各中小企业的集团化组合，或是龙头企业带领中小企业整合 发展模式等形式，这样更有利于创新文化广泛地发展与传播。 在科技园区产业集群内可以适当允许一些企业进行联盟或是 展开龙头企业带领中小企业的发展模式，适应相关的运行准 则，给予一定程度上的政策扶持，使科技园区产业集群企业 的资源得以充分利用与发挥，扬长避短。进而提升整个科技 园区产业集群压的技术创新水