（系统工程专业论文）远程实训平台管理系统的设计与开发.pdf

摘要 摘要 “远程实训平台管理系统的设计与开发”是基于教育部“面向职业教育的远 程共享实训平台的研究与开发”课题进行的。论文旨在研究将当前发达的计算 机与网络通讯技术、远程访问技术等用于工程教育与实践教学环节，利用可扩 展标记语言x m l 的强大数据表达能力，实现相关资源( 如课件资源、实验结果 等) 的高效存储、检索与传输。最后，依据当前主流的软件设计和开发规范进 行整个系统的规划、设计与实现。 论文从研究当前的远程教育的发展现状与主要内容开始，分析国内外远程 教育与远程实训的发展现状，远程实训的支撑技术等。接着，对远程实训平台 管理系统与传统的远程教育管理系统进行比较，分析整个实训平台管理系统的 功能需求、模块划分；考虑到实训平台中实训资源种类繁多、格式多样，传统 远程教育管理系统不能满足实际使用过程中高效存储、检索与传输的需求，也 不利于实现跨平台共享，研究以x m l 及相关技术实现异构资源的高效存储、传 输、检索与解析。最后，以j a v a 、j s p 及o r a c l e 数据库为基础技术实现整个平台 管理系统的设计与开发，开发过程中，采用了基于m v c 模式的j s f 框架，在数 据持久化方面采用了h i b e r n a t e 技术，从而真正实现了面向对象的开发。 在相关理论分析与技术准备的基础上，本文给出了整个管理系统的总体功 能框架，介绍了各个模块的具体功能并给出了整个系统的实现。针对传统关系 型数据库在存储大量异构数据方面的缺陷，给出了基于x m l 实现异构数据的存 储、共享、检索与解析的方法。最后，论文给出了如何通过该系统实现远程实 训并对远程实训的发展自订景做出了展望。 关键词：远程实训j s f 框架h i b e r n a t e 技术x m l 存储 a b s t r a c t a b s t r a c t “d e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h er e m o t et r a i n i n gm a n a g e m e n ts y s t e m i sb a s e d o nt h em i n s t r yo fe d u c a t i o n sr e s e a r c hp r o j e c tc a l l e d “r e s e a r c h & d e v e l o p m e n to f r e m o t et r a i n i n gp l a t f o r mf o r v a c a t i o n a le d u c a t i o n t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c hh o w t om a k ef u l lu s eo ft h ea d v a n c e dc o m p u t e r & c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 、r e m o t e a c c e s st e c h n o l o g yi n t oe n g i n e e r i n ge d u c a t i o na n dp r a c t i c et e a c h i n g ，m a k ef u l lu s eo f t h es t r o n gf u n c t i o no fx m lt os t o r e 、s e a r c ha n dt r a n s m i tr e l e v a n tt e a c h i n gr e s o u r c e s u c ha sc o u r s e w a r e 、e x p e r i m e n tr e s u l t sa n ds oo ne f f i c i e n t l y f i n a l l y , p r o c e e dw i t h t h e p l a n n i n g 、d e s i n ga n di m p l e m e n t a t i o na c c o r d i n gt h ec u r r e n tm a i n s t r e a mn o r m so f s o f t w a r ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t t h i st h e s i sb e g i n sw i t hs t u d yo ft h ec u r r e n ts t a t u sa n dc o n t e n to fr e m o t ee d u c a t i o n ， a n a l y s t i n gt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fr e m o t ee d u c a t i o nb o t hi nd o m e s t i ca n df o r e i g n ， t h es u p p o r t i n gt e c h n o l o g i e so fr e m o t et r a i n i n ga n ds oo n a f t e rt h a t ，c o m p a r et h e m a n a g e m e n ts y s t e mo f t h et r a d i t i o n a lr e m o t et e a c h i n ga n dr e m o t et r a i n i n g ，a n a l y s t i n g t h ef u n c t i o n sa n dm o d u l e sn e c e s s a r yt oa c h i e v ei n t h em a n a g e m e n ts y s t e m ； c o n s i d e r i n gt h a tw i d ev a r i e t i e sa n dd i f f e r e n tf o r m a t sn o to n l ym a k et h er e m o t e t r a i n i n gm a n a g e m e n tc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t si ne f f i c e n t l ys t o r e 、 a n a l y z ea n d t r a n s i m i t , b u ta l s or e s u l ti ng r e a td i f f i c u l t i e si nr e s o u r c es h a r i n g ，s t u d yh o w t or e a l i z e e f f i c i e n t l ys t o r e 、a n a l y z ea n dt r a n s i m i tt h eh e t e r o g e n e o u sr e s o u r c et h r o u g hu s i n g x m la n do t h e rr e l e v a n tt e c h n o l o g i e s f i n a l l y , i m p l e m e n t t h ew h o l ed e s i g na n d d e v e l o p m e n tb a s e do nj a v a 、j s p 、o r a c l ea n ds oo n a d o p t i n gj s ff r a m e w o r kt o r e a l i z em v ca r c h i t e c t u r e ，h i b e r n a t ea sd a t ap e r s i s t e n tt e c h n o l o g yd u r i n gt h e d e v e l o p m e n t ，u s i n gh i b e r n a t em a k e s t h ed e v e l o p m e n tr e a l l yo o ( o b j e c to r i e n t e d ) t h et h e s i sg i v et h ew h o l ef u n c t i o nf r a m e w o r ko ft h em a n a g e m e n ta f t e rr e v e l a n t t h e o r ya n a l y s i sa n dt e c h n o l o g yp r e p a r e ，i n t r o d u c et h e d e t a i lf u n c t i o no fe v e r ym o d u l e a n dg i v et h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ew h o l es y s t e m c o n s i d e r i n gt h ed e f i c i e n c i e so f t h e r e l a t i o n a ld a t a b a s ei ns t o r i n gh e t e r o g e n e o u sd a t a ，d i s p l a yh o w t or e a l i z ee f f i c i e n t l y a b s t r a c t s t o r e 、s h a r e 、s e a r c ha n da n a l y z eu s i n gx m l 。f i n a l l y , t h i st h e s i ss h o w sh o wt o i m p l e m e n tt h es y s t e ma n dg i v et h ep e r s p e c t i v eo fr e m o t et r a i n i n g k e yw o r d s ：r e m o t et r a i n i n gj s fh i b e r n a t et e c h n o l o g i e sx m ls t o r e i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：爿稳渗办瓜 1 年乃月厂y 日 ， l 。t _ ，j ，vh 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已为：史中以明确方式标明。本学位论文原刨性声明的法律责任 由本人承手h 。 签名：朋潲 砷1 年乃月 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 社会的进步和科技的日新月异已经使得终身教育成为人自身适应经济社会 发展的必然选择。然而，由于我国是一个人口众多、幅员广阔的发展中大国， 人口分布范围极其广泛，这一特殊的国情使得开展实践教育与技能培养必须投 入巨额的经费用于购买实验设备并培训一大批合格的实验指导员，并将这些实 验设备与实验指导员分配给处于异地的各类培训学校、高职高专院校等。这些 被分布到异地的实验设备与其它实训资源将只为这一区域的少部分学员使用， 这些学员与实验指导老师也基本上是与其它区域的学员处于相互隔绝状态，不 能实现有效交流并充分挖掘这些实验资源的潜力。因此，采用传统模式的培训 与教育方法，将不可避免地存在投资巨大、资源利用率极低等严重缺陷。另外， 传统的实践教育与技能培养方式还存在实验操作不规范、实验结果难以进行科 学评价、实验过程中的异常难以有效杜绝、危险性高或精度要求很高的实验难 以有效开展等诸多缺附。 为了减少重复投资，提高各种教学实验资源特别是优质资源的共享与利用 率，走资源共享、内外开放、集约发展的创新发展模式，最大限度地为广大学 员特别是西部边远地区的学员创建学习与实训的条件，应该实施开发一个集公 益性、社会化、产学研一体化的远程共享实训中心。当前的基础设施与各种软、 硬件环境也已经使得远程实训成为可能，光纤通讯已经使网络传输速度大大加 快，这一自订提条件使得异地用户远程操控实验设备，进行数据采集、图像观察、 交互操作等成为可能，大量的远程控制实验和虚拟实验室也已经出现。比如美 国t e n n e s s e ea tc h a t t a n o o g a 大学开发的压力控制、液面控制、温度控制等实验， 新加坡国立大学( n u s ) 的允许用户通过远程访问的虚拟实验室都已经开发成功； 国内的中国科技大学物理系也研制了一套基于i n t e m e t 的扫描探针显微镜( s p m ) 远程控制系统，大连理工机械工程学院研制的远程控制快速成型加工系统也已 经成功，等等【2 】。这一现实情况使得开发远程实训系统不仅具有重大的理论与实 际意义，也有可靠的技术保障。 第1 章绪论 远程共享实训平台是一个软硬件结合的平台，不仅克服了学员学习过程中 依靠纯粹的软件模拟所带来的与真实的现场环境严重脱离，从而导致感受不深 理解肤浅，而且也能成功避免让所有学员直接使用现场真实设备与其它优质教 学资源而带来的包括师资、设备等的严重浪费或者由于学员的不正当操作而带 来的设备异常甚至损坏，从而影响正常的教学计划。基于远程共享的实训平台 能够通过软件与数学模型等对学员的实验过程进行一些先期的判断与处理，及 时发现实验过程中的错误操作和其它方面的错误，并尽早将错误的提示与警告 信息返回给学员，避免由于实验过程中操作与处理逻辑的错误从而产生异常实 验结果而带来的艰难检查与重复调试。基于远程共享的实训平台采用现代技术 与当前流行的网络设备开展教学活动，可以充分利用计算机技术、网络技术与 多媒体技术来增强教学的生动性与逼真性，提高广大学员的学习效率，同时， 它所提供的在线课件制作、在线课件资料存取与检索以及在线播放、在线交流 技术可以让学员快速掌握现代信息技术与软件系统的使用。 要使实训系统高效、健壮地运行，一个结构合理、设计规范、功能强大的 管理系统是必不可少。管理系统主要有三大主要功能：( 1 ) 实现权限管理，保护 系统各种资源的安全并使之高效运行；( 2 ) 确保各种共享资源的安全、高效存储， 实现实训过程中的各种实际操作过程和数据的模型化表示，以及对这些实验过 程的解析、处理：( 3 ) 执行系统流程管理，指导用户完成各项任务的顺序。 目前，与远程共享实训平台相配套的管理系统还很少，大部分系统只能实现 传统的针对理论教学的远程教育。针对远程实训的特殊需求的管理系统目前仍 是远程共享实训平台真正发挥作用的一个瓶颈因素，特别是实验过程与实验数 据的高效存储、检索、解析更是挑战。 1 2 理论意义与实用价值 现在，计算机的应用已经深入人们生活的方方面面，开发基于远程共享的 实训平台的管理系统有利于充分利用发达的网络技术建立一个现代化的教学实 训平台，充分利用现有的计算机网络与通信资源实现教育教学的创新与变革。 具体体现在如下两点：( 1 ) 功能完善的远程实训平台将使工程教育、职业教育的 实践环节得到更有效的落实与开展，进而培养出既有理论知识，又有动手能力 的高技能型人才：( 2 ) 系统提供的远程访问接口将改善我国教育资源分布不均衡 第1 章绪论 的现实状况，提高各种教育资源的共享率与利用率，改变边远特别是不发达地 区的教育落后现状：( 3 ) 远程实训平台是一个复杂的系统，涉及到计算机技术、 网络技术、仿真技术、虚拟仪器等方方面面，它的推广利用不仅会提高教育教 学质量，而且对我国科技事业的发展也能直到推波助澜的作用。 建立功能完善、性能稳定、操作便利的远程实训平台不仅可用于实践教学 环节，在将来，各种科研人员也可以利用它来进行协同的科学研究与实验，使 身处异地的各位科研工作者可以方便高效地通过互联网“聚焦”在一起进行科 学实验、监控实验过程并对实验结果进行分析，不仅大大减少了出差而带来的 时问和金钱上的损耗，也可以有效提高昂贵实验设备与资源的利用率，加快科 技进步的步伐。 另外，与传统的实践教育和技术培养模式相比，远程实训还具有以下几个 优点：( 1 ) 有利于学生根据自己的时间，安排、制定合理的学习与实训计划；( 2 ) 有利于简化实验教学管理、方便实验操作，提高资源的利用率，以更少的师资 管理更多的实验设备1 3 j 。 远程共享实训平台采用x m l 来表达与实训相关的数据并研究它的高效存储 与解析，将从理论上进一步拓展x m l 的使用范围，使x m l 的强大功能进一步得 到发挥。另外，实验过程中的各种数据格式并不统一，管理系统中各种资源与 数据的存储将进一步展现如何对各种异构数据进行统一管理与集成。 1 3 论文的项目来源及研究内容 “远程实训平台管理系统的设计与实现”是基于教育部“面向职业教育的远 程共享实训平台的开发与研究”课题进行的。 本文的主要目标是针对远程实训的实际需求，分析影响整个系统成功、高 效、稳定运行的必要条件，依据当前主流的软件工程学思想和面向对象的程序 设计方法，规划、设计并实现整个系统，从理论与实践上分析探讨对大量异构 数据进行高效存储、检索与解析的相关技术。因此，本文的主要研究内容有以 下几点：( 1 ) 如何使整个管理系统结构清晰，提高系统的稳定性与健壮性，增强 系统的可维护性和可扩展性；( 2 ) 如何集成面向不同的实验系统的实训资源；( 3 ) 异构型远程实训课件与实验数据的结构化存取、检索与解析。 第1 章绪论 1 4 论文的组织结构 本论文主要围绕以j a v a 、j s p 和o r a c l e 数据库为基础技术，以j s f 框架实现 m v c 并以h i b e r n a t e 作为数据持久化技术，对整个平台管理系统的规划、设计与 具体实现展开讨论，展示开发过程中使用的关键技术及用法，最后，探讨以x m l 为异构资源及实验数据的表示方式，并对x m l 的结构化存取、检索和解析等相 关技术和具体实现进行分析与探讨。全文分为六个章节，具体结构如下所示： 第一章绪论主要介绍了论文的研究背景、项目来源和主要研究内容、 整个论文的组织结构。 第二章远程实训平台管理系统简述给出管理系统的研发背景，介绍传 统的远程教学管理系统实现的主要功能，分析远程实训平台管理系统与远程教 学管理系统在功能与应用上的异同之处，指出了与传统教学管理系统相比实训 平台管理系统的特殊需求。最后，针对远程实训平台管理系统所管理资源更加 复杂、使用人员也更加多样化的实际特点给出了实训平台的访问控制策略。 第三章对实训平台管理系统开发过程中使用到的j 2 e e 平台、j s f 框架和 h i b e r n a t e 等相关技术进行总体介绍，对这些技术的核心以及开发过程中使用这 些技术的优点进行阐述，最后给出了在j 2 e e 平台上集成j s f 和h i b e r n a t e 的系 统框架与集成模型，并以e c l i p s e 及相关插件为基础给出了开发平台的搭建方法。 第四章以x m l 整合实训平台中的异构资源对x m l 进行简单的介绍， 对以x m l 描述实验结果并应用于远程实训平台管理系统时必须使用到的x m l 存储与解析技术、x m l 数据远距离传输技术、x m l 格式的实验结果的验证和 x m l 资源的高效检索等相关技术进行一个比较全面的探讨与总结。在阐述这些 相关理论的过程中，以实训平台开发过程中的部分模块为例子，对这些相关技 术的具体应用进行简要地讲解。 第五章平台管理系统的设计与部分模块的实现给出了整个远程实训平 台管理系统的总体设计( 包括数据库设计、功能模块划分等) ，讲述了使用 h i b e r n a t e 作为数据持久化技术时的一些相关配置文件的设置并对配置文件中各 种设置的作用进行解释。最后，选择系统实现过程中一些比较有代表性的模块， 给出了具体实现的核心代码。 第六章总结与展望对整个论文及系统规划、设计、开发以及最后的实 际应用进行总结，追踪前沿热点，对整个平台的开发与应用前景进行了展望。 4 第2 章远程实训平台管理系统简述 第2 章远程实训平台管理系统分析 2 1 远程实训平台管理系统的研发背景 随着网络教育的发展和技术的推进，网络教学平台经历着由初始研发到实 际应用而至逐步完善的实质性变化。其功能也从以发布简单信息、简单地共享 文本形式的课件资源发展到了依托当代发达的计算机技术、网络技术与通讯技 术而进行的生动逼真、形式多样的辅助教学。实施多年的网络教学平台不仅成 功地集合了更多的智力资源，更重要的是，它使网络教学的理念深入人心，得 到社会各届人士的广泛理解与支持，同时，它也为我们在将来利用网络进行教 学积累了丰富的经验和教t j l l 4 巧j 。 然而，现行的网络教学平台主要服务于通过网络而进行的远程传统理论教 学，这种形式的教学管理平台与远程实训对管理系统的要求差距甚远，而且这 些早期开发的网络教学平台管理系统的柔性与功能扩展性明显不足，主要体现 在以下几点： ( 1 ) 传统的网络教学平台主要注重对理论教学的支持，工程实践环节几乎无法通 过此平台进行，实训环节的开展及相关管理是传统网络教学平台的薄弱环节； ( 2 ) 传统的网络教学平台的设计与开发不太符合软件工程对敏捷性、平台无关性 及易扩展性方面的需求，对原有管理系统进行升级和功能扩展成本高昂； ( 3 ) 传统的网络教学平台管理系统缺乏对各种教学资源的高效、统一管理，各种 教学资源格式互异，给检索、复用带来巨大障碍【6 】； ( 4 ) 无法通过传统的网络教学平台管理系统访问异地的各种实验设备，也无法进 行包括实验管理、实验报告的在线制作与填写等各种工作； ( 5 ) 传统的网络教学平台管理系统一般无法提供课件、实验报告等的在线制作， 各种课件资源基本上都是在本地制作好后再上传到服务器。 针对传统的网络教学平台管理系统存在的各种缺陷与不足，基于远程实训 的平台管理系统将积极借鉴远程教学管理平台的成功部分，更加注重远程实训 的实际需求，使新开发的系统具有以下几个重要牲：( 1 ) 通过管理系统能方便、 快捷地通过网络使用各种实验资源进行实训操作并完成相关的实验报告的填 第2 章远程实训平台管理系统简述 写；( 2 ) 提供各种课件、实验报告的在线编辑与修改；( 3 ) 实现各种共享资源的统 一管理，基于x m l 的异构资源的高效存取与解析；( 4 ) 以软件工程学为指导，采 用各种先进技术与框架加快整个系统的开发速度并提高系统的柔性、功能扩展 性与稳定性。 2 2 远程实训平台管理系统综述与分析 远程实训主要是利用当前发达的计算机技术、网络技术和远程控制与访问 技术等开展实践教学环节。整个远程实训平台主要包括理论教学与实践教学两 大部分。远程实训平台既包括理论教学又主要面向实践教学的特点决定了远程 实训平台管理系统应该具备传统的远程教学管理系统的各种功能，这些功能上 的相似性使得我们可以借鉴远程教学几十年发展的成功经验并参照远程教学管 理系统的实现方式，采用成熟的技术完成实训平台管理系统中理论教学模块的 开发，但是，主要面向实践教学的实际需求也直接决定了远程实训平台管理系 统必须为远程实验的各个环节提供支持并进行有效管理。 2 2 1 远程实训管理系统理论教学模块 远程实训平台管理系统的理论教学模块与传统的远程教学管理系统在功能 需求、实现方式等方面有着巨大的相似性，因此，可以直接借鉴传统远程教学 管理系统的开发。b s 结构的传统远程教学管理系统如图2 1 所示 图2 1b s 结构远科教学管理系统实现原理 6 第2 章远程实训平台管理系统简述 远程教学中的各种用户( 包括学生、教师和管理员等) 都是通过使用浏览器访 问远程教学管理系统并使用系统提供的各种服务功能。传统远程教学管理系统 实现的功能模块如图2 2 所示 远程教学管理系统 嚣l 卜理 ( 学生、教li 教学管殚 师等)ll 课程管理ii 在线交流 专业管理il 资源管理 制定学习计划 打开、下绒 图2 2 传统的远程教学管理系统实现的功能模块 为了在远程实训管理系统中实现传统的远程理论教学并充分共享和利用各 种资源，远程实训管理系统也应该实现图2 2 所示的各个功能模块。以上各功能 模块在传统的远程教学管理系统中都已经实现且技术也比较成熟，但是，远程 实训平台中由于实现了远程实验的功能，其必然包括大量种类繁多的实训数据 与实训资源，这些资源既包括电子化的资源，也包括一些实体性的资源。这些 资源不可能无限共享，需要进行有效管理，加上其中的实体性资源可能存在访 问冲突，要确保远程实训的顺利推进，传统的远程教学管理系统显然不能满足 实际需求。因此，远程实训平台管理系统开发与设计过程中应该作如下几方面 的改进： ( 1 ) 随着功能的增强与所要管理资源格式和种类的复杂化，管理系统开发难 度将不断加大，个人力量已经力不从心，需要小组成员的分工与合作，同时， 考虑到随着需求的不断变化将来对系统进行扩展的实际需要，采用实现m v c 模 式的主流第三方框架( 如s t r u t s 、j s f 等) 将表示层与业务逻辑层进行分离，将使小 组成员的分工与合作更加便利，也有利于提高系统的稳定性和健壮性。 7 一一一一一一一 |霎一獭一一一一一一一一一一 一一 第2 章远程实训平台管理系统简述 ( 2 ) 在远程实训平台管理系统开发过程中，为了便于课件、视频资料等的管 理并加快检索速度，应该设法直接将这些资源存入数据库中，而不应该像传统 远程教学管理系统那样将所上传的课件、视频资料直接存放到服务器某个目录 之下。采取直接存入数据库的方式在存入的时候可以使用一些诸如课件名称、 所属课程、资源格式等方面的描述信息并与对应的资源一起形成一条记录存入 数据库，既安全也使得查询检索更加灵活。 ( 3 ) 管理系统功能的复杂化将使得对数据库的操作更加频繁，因此，应该采 用数据持久化技术( 如h i b e r n a t e 、j p a 等) 来简化数据库操作，同时又可以利用数 据持久化技术所实现的缓存技术等改善数据库的访问性能。 ( 4 ) 在传统的远程教学管理系统中，课件资料一般是通过在本地客户端采用 相关的软件制作完成后再上传到服务器上。在远程实训平台管理系统中，应该 实现课件、实验报告等的在线编辑、制作等功能，这种在线制作的实验报告将 使学生实验操作过程中实验报告的填写、实验结果的解析等变得更加方便快捷， 另外，教师对实验结果的评估，对学生所填写的实验报告的批改也将更加便捷。 ( 5 ) 在远程实训平台管理系统开发过程中，应该避免将课件、实验报告等资 源进行整体存取，以提高这些资源的共享率并减少带宽消耗。x m l 作为异构数 据的良好表现形式，不仅有利于资源在不同的平台下使用，且解析、检索技术( 如 d o m 、s a x 等) 也已经相当成熟。对资源进行细粒度检索可以减少资源的重复建 设。 2 2 2 远程实训管理系统实践操作模块 实践操作模块主要作为是使学生能方便快捷地通过网络远程地进行实践操 作并对实践操作过程中的各个环节进行有效管理。远程实训平台管理系统中， 实践操作模块的主要功能如图2 3 所示 学生通过远程实训平台管理系统进入实验操作模块时应该能够方便地获得 所要进行的实验的实验操作说明书，阅读完实验操作说明书之后便能进入操作 平台，依据操作说明书一步一步地完成实验操作。在实验操作过程中或实验完 成后，学生可以载入教师已经提前通过使用系统提供的实验报告在线制作模块 制作好的实验报告模板并认真地进行填写，填写完后进行保存，之后实验检验 和评估老师将可以根据每个学生填写的实验报告进行评估，发现实验过程中存 第2 章远稗实训平台管理系统简述 在的问题，检查实验效果。 图2 3 远程实训实践功能模块 实践操作模块及操作过程中各个环节的管理是传统的远程教育管理系统所 不具备的功能，因此，在开发此模块过程中应该以实验操作的各方面实际需求 为出发点，并考虑实验过程中实验结果的高效存储与解析等各方面的要求，完 成该模块的开发。 2 3 远程实训平台的访问控制 远程实训平台的开发是为了解决当前经济社会发展对技能型人才的巨大需 求和当前的教育实践环节依然比较薄弱、实训资源的开发远远不能满足实际需 求这一矛盾而展开的。巨大的社会需求导致参加实训的人员数量众多，既包括 大量的学员，也包括大量的实验管理员、具有丰富实践经验的技术专家，同时 还包括大量的实训资源开发与维护人员。实训平台各种使用人员数量的急剧增 长和人员结构的r 趋复杂化使得整个实训平台的安全保护措施变得异常重要， 合适而又高效的访问控制不仅有利于增强系统的安全、保证系统健康稳定运行， 也有利于合法授权人员方便快捷地使用实训平台中的各种共享资源。因此，在 整个实训平台管理系统的设计与开发过程中，访问控制策略的研究将具有极其 深远的意义。 9 第2 章远程实训平台管理系统简述 2 3 1 访问控制简述 访问控制是通过特定方式控制主体对客体的访问能力和访问范围的一种安 全机制，它的主要任务是保护计算机及网络上的资源不被非法访问和使用。它 是保护系统及资源的安全，最重要的核心策略之一。 访问控制中的主体是指主动的实体，该实体造成了信息的流动和系统状态 的改变，主体通常包括人和设备；访问控制中的对象是指包含或接受了信息的 被动实体，对对象的访问意味着对其所包含的信息的访问，对象通常包括系统 中的文件、目录、记录等资源；访问控制决定了谁能够访问系统、能够访问系 统的何种资源以及能对这些资源进行何种类型的操作。适当的访问控制能够阻 止未经允许的用户有意无意地获取数据或相关资源，也能防止各种数据或资源 遭到异常的损坏。访问控制的手段包括用户识别代码、口令、登录控制、资源 授权、授权核查、审计和f 1 志等。 2 3 2 访问控制策略 在任何一个企业、管理系统的信息安全策略中，访问控制策略起着非常重 要的作用，信息安全中的访问控制是一种保证各种资源不被非授权使用的管理 方法，而访问控制策略中定义了如何对访问信息的行为进行验证、授权和记录。 访问控制策略是具体定义访问控制的一套规则，该策略指明了系统认可的 访问主体以及这些访问主体的具体权限。目前的访问控制策略主要有自主访问 控s j j ( d a c ，d i s c r e t i o n a r y a c c e s sc o n t r 0 1 ) 、强制访问控$ i j ( m a c ，m a n d a t o r y a c c e s s c o n t r 0 1 ) 和基于角色的访问控铮j ( r b a c ，r o l e b a s e d a c c e s sc o n t r 0 1 ) = 种【7 】。 自主访问控制模型d a c 是种最为普通的访问控制策略，它是一种基于主 体及所属的组的身份来约束对客体进行访问的方法，它的实现机制是被授权的 主体可以向其它主体分配自己对资源的访问权。这种控制的自主性体现在具有 某种特定访问权限的主体可以直接地或间接地将其访问权限传授给其它主体( 除 非受到m a c 的限制) 。d a c 技术主要有以下几种实现方法：( 1 ) 访问控制矩阵： 矩阵中的行表示主体集，列表示客体集，矩阵中的元素用于指示主体对客体可 能的访问模式；( 2 ) 访问控制列表：该方法把控制矩阵的每一列表示成一个访问 控制列表，此控制列表描述了某一个客体可以被哪些主体以何种访问模式进行 访问；( 3 ) 授权表：把控制矩阵的每一行表示成一个权限表，描述了某一主体可 1 0 第2 章远程实训平台管理系统简述 以以何种方式访问哪些客体。d a c 是任何一个安全的系统必需具备的访问控制 机制，它基于对主体及主体所属组的识别来限制对客体的访问，并检验主体对 客体的访问是否符合存取控制规定来决定是否执行访问。它的优点是具有很大 的灵活性，客体的创建者不仅拥有所有访问权限，还可以传递给他人，这种传 递性的存在使得一旦权限被传递出去便很难控制，很带来很大的安全隐患。 m a c 是一种不允许主体干涉的访问控制模型，它是基于安全标识和信息分 级等信息敏感性的安全访问控制策略。它是一种多级的访问控制策略，事先给 访问主体和受控对象分配不同的安全属性级别，对访问主体和受控对象实行强 制访问控制。在实施访问控制时，系统通过比较访问主体和受控对象的安全级 别以决定是否允许访问。在m a c 中，主体对客体的访问主要有以下四种方式： ( 1 ) 向下读( r d ，r e a dd o w n ) 一一主体安全级别高于客体安全级别时允许查阅的读操 作；( 2 ) 向上读( m ，r e a du p ) 一一主体安全级别低于客体安全级别时允许的读操作； ( 3 ) 向下写( w d ，w r i t ed o w n ) - - 一主体安全级别高于客体安全级别时允许执行的操 作或是写操作；( 4 ) 向上写( w u ，w r i t eu p ) 一一主体安全级别低于客体安全级别时允 许执行的操作或是写操作。 基于角色的权限管理策略( r b a c ) 通过将用户与角色相关联，角色与指定的 权限相关联，从而实现为用户分配权限，不仅实现了用户与权限的逻辑分享，降 低了用户与权限的耦合度，从而极大地方便了权限管理。在这种权限管理策略 中，同一个用户可以具有不同的角色，某一操作权限可以被分配给不同的用户； 每个角色可执行多种操作，每一种操作也可以由多种角色来承担。基于角色的 权限管理将整个控制分成两个步骤：( 1 ) 访问权限与角色关联；( 2 ) 角色再与用户 关联，从而不仅有效实现系统用户的权限管理，而且实现了用户与访问权限的 逻辑隔离。管理人员授权时是为角色授权，从而影响的是属于该角色的多个用 户，大大方便了系统用户管理并提高了效率。其权限管理模型如下图2 1 所示 如同自主访问控制，r b a c 通过以角色作为桥梁将各种权限聚集起来，大大 减轻了系统权限管理的负担与代价。假设有m 个资源n 个要被授予权限的用户， 如果每个用户都要设定对所有资源的访问权限，则要进行m * n 次授权操作。如 果将有相同访问特性的资源聚集起来，统一进行授权就减少了不必要的授权操 作。然而，基本的r b a c 模型在应用到实际项目中可能会不能完全满足项目的 需求，其实，针对具体的项目，没有种通用授权模型可以完全满足需求，但 是可以以一种授权模型为主，再借鉴其它模型的优势，最终实现目标【8 1 2 1 。 第2 章远程实训平台管理系统简述 图2 1r b a c 权限管理模型 2 3 3 基于r b a c 实现远程实训平台的访问控制 基于r b a c 的用户权限管理是系统安全保护措施的重要一环，通过用户权 限管理不仅可以防止重要资源遭到未被授权用户的非常访问，同时也有利于根 据用户不同权限对操作界面与功能菜单进行个性化定制，以方便用户使用系统。 一个远程实训系统中，涉及的主要角色包括“教师”、“学生”和“管理员” 等，系统用户的各种权限包括修改用户基本信息、制作实验报告模板、填写实 验报告、上传课件等。用户使用注册过并得到管理员批准的帐号登录系统时， 实训平台管理系统将首先判断用户的合法性并根据用户名检查该用户所属的角 色，最后根据用户的角色判断用户对各种资源的访问权限并对实训平台管理系 统的用户界面与菜单进行个性化定制，方便各种角色的用户使用该管理系统。 第3 章在j 2 e e 平台上集成应用j s f 、h i b e r n a t e 等技术 第3 章在j 2 e e 上集成j s f 、h ib e r n a t e 等技术 3 1 系统开发应该遵循的原则、所需满足的需求 3 1 1 系统设计思想 不同的实际需求对软件要求各不相同，本系统针对远程实训的特殊性与实 际需要，充分考虑用户使用的便利性、系统的稳定性、系统的可维护性和易扩 展性等各方面的要求，统一规划，符合远程实训的特殊需要。 任何一个管理系统的开发都应该以用户的实际需求为基本出发点，进行需 求分析、总体设计、详细设计、编码与测试和运行维护等工作。认真做好各个 阶段的工作有利于顺利推进整个系统的开发，忽略任何一个阶段的工作都可能 造成后期的返工，在编码实现的时候应该严格地进行各种测试( 主要是单元测 试) ，完成整个系统的开发并投入运行之前应该进行严格的综合测试( 包括集成 测试、压力测试等) 。 满足用户需求是进行系统开发应遵循的最基本的原则，管理系统应该简单 易用、具备高的稳定性和可靠性，也应该充分考虑将来的可扩展性。因此，采 用敏捷开发方法和主流的框架与中间件技术都有利于加快开发进度、增强稳定 性和可扩展性。 任何一个大型软件的开发都需要小组成员的通力合作与密切配合，为了对 项目进行统一、有效的管理，开发过程中应该积极采用各种软件开发与设计工 具( 如u m l 、e r 模型等) ，并利用诸如c v s 等类型的版本控制工具实现同组各 成员开发过程的版本控制与管理。 在进行总体规划、详细设计与编码实现等各个环节遵循以下几条基本设计 思想： ( 1 ) 先进性 选用当自i 先进主流的计算机技术、网络技术与数据库技术，以具有良好发 展前景的开发平台为支撑，采用j s f ( j a v a s e r v e r f a c e s ) 与h i b e r n a t e 等先进的m v c 框架与数据持久化技术，为应用及开发创造良好的环境，使系统不仅在当前具 第3 章在j 2 e e 平台上集成应用j s f 、h i b e r n a t e 等技术 有先进性，而且容易在将来进行升级，适应实际需求的变化，确保在将来相当 长的一段时间内依然能够保持先进性。 ( 2 ) 易用性 界面的友好性和易用性是任何一套软件赢得用户青睐的必然要求，对系统 的成功实施往往也起决定作用。在设计整个实训平台管理系统过程中，我们充 分考虑系统可能存在的各种不同用户需求，简化操作流程，大部分功能采用全 中文傻瓜型操作，因而易学易用。 ( 3 ) 安全性 系统采用r b a c 权限控制技术，检查用户是否具有合法身份和权限，并采 用j s f 框架提供的s e r v l e t 过滤技术，直接过滤掉非授权用户对资源的非法访问， 以保护数据的安全。另外，不同权限的用户登录后只能看到授权的资源并使用 相应的访问接口，不仅有效地保护了数据的安全性也大大方便了用户的使用。 ( 4 ) 可维护性 系统的设计充分考虑后期维护的需要，包括硬件的维护、软件的维护( 更改、 升级) 以及网络的维护。 ( 5 ) 可扩展性和灵活性 随着技术的不断进步和用户需求的逐步增加，软硬件等各方面要能够方便 快捷地进行扩充，应用系统要能够增加新的模块以满足新的业务需求n 引。 3 1 2 功能模块划分原则 采用模块化划分原则有以下两点好处：( 1 ) 便于功能的划分，实现各模块独 立测试，实现系统的授权管理，保证系统数据的安全；( 2 ) 便于在开发与系统运 行维护期间适应业务需求的变化，在进行升级、维护时只需要修改相关的模块， 而不需要对整个系统做出更改，便于系统的扩充与改进。 根据软件工程基本原理，划分模块时遵循以下两条基本原则：( 1 ) 考虑管理 职能的要求，业务上联系紧密且相对独立，具有高内聚性的一些职能划分为一 个功能模块；( 2 ) 考虑业务处理方法，把方法相近的业务活动归并为一个功能模 块。 1 4 第3 章在j 2 e e 平台上集成应用j s f 、h i b e r n a t e 等技术 3 2 相关技术简介 整个实训平台管理系统以j 2 e e 为支撑，w e b 层采用j s f ( j a v a s e r v e rf a c e s ) 实现m v c ，数据层采用h i b e r n a t e 技术实现数据持久化，底层数据库采用 o r a c l e l0 9 ，w e b 服务器采用t o m c a t 6 0 。 3 2 1 j 2 e e 概览 j 2 e e 是j a v a2 平台的企业级版本( j a v a 2p l a t f o r me n t e r p r i s ee d i t i o n ) ，是由 s u n 公司于1 9 9 7 年提出来的一个构造企业级应用的平台，是一种开放的工业标 准，它提供了一个多层次的分布式应用模型和一系列开发技术规范。 j 2 e e 与传统的i n t e m e t 应用系统相比有着不可比拟的优势，它不仅继承了 j 2 s e 中的许多优点，如方便存取数据库的j d b c a p i 、c o r b a 技术以及能够在 i n t e m e t 应用中保持数据安全性的模式等，还提供了对e j b 、s e r v l e t 、j s p 和x m l 等的全面支持。它的目的是为了推动企业应用的开发和部署，通过提供企业计 算所必需的各种环境使得部署在j 2 e e 上的多层应用可以实现高可用性、安全性、 可扩展性和可靠性。平台支持j a v a 语言，使得基于j 2 e e 标准开发的应用可跨平 台移植，且由于j a v a 语言的安全、严格等特性，使得编出的代码十分可靠【1 4 5 1 。 j 2 e e 使用多层的分布式应用模型，应用逻辑按功能划分为组件，各个组件 根据所在的层次分布在不同的机器上。它的典型的四层结构【1 6 】如图3 1 所示： j 2 e e h j i 用程序1j 2 e e 应用秤序2 客翮 客户端机器 一 图3 1j 2 e e 典型四层结构 1 5 j 2 e e 服务器 数据库服务器 第3 章在j 2 e e 平台上集成麻用j s f 、h i b e r n a t e 等技术 四层结构