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硕士学位论文基于中问件的交互式网络教学环境研究 摘要 随着网络技术，特别是i n t e r n e t 技术的发展和普及，网络教学已经成为远程教育的重 要方式和发展方向。网络教学是将计算机和网络通信技术应用到教学领域的产物，这种 新型的教学模式完全是通过网络实现的，并对整个教育结构产生了重大而深远的影响， 是未来教学发展的一种趋势。网络教学系统就是为配合这种教学模式，适应教学需求发 展而构建的。 论文认真分析了国内外网络教学应用的实际情况，现代网络教学的模式、特点及存 在的问题。基于上述认识，论文对网络教学系统建设需求进行了分析，研究了w e b 多层 体系架构和中间件技术，探讨了一个基于中间件技术和b s 与c s 混合结构的网络教学系 统的构建过程。该网络教学系统在j 2 e e 平台上开发，采用了基于m v c 分布式软件设计模 式的w e b 应用框架s t r u t s ，应用该框架，使得系统的开发层次分明，结构清晰。 该网络教学系统功能包括教师备课、课件制作、授课、学生自主学习、在线考试、 师生交流、答疑等教学环节。论文以在线考试为例，详细地描述了整个模块的开发过程， 系统部署，逻辑结构的设计，w e b 表示层的设计与实现，业务逻辑的设计与实现，并论 述了开发过程中的关键技术。 关键词：中间件、网络教学系统、j 2 e e 、s t r u t s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dp o p ula r i t yo fn e t w o r kt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yt h ei n t e r a c t t e c h n o l o g y ，t h en e t w o r kt e a c h i n gh a sb e e nt h em a i nm a n n e ra n dt h et e n d e n c y l o n g - d i s t a n c e t e a c h i n gi st h er e s u l to f t h ea p p l i c a t i o no f t h ec o m p u t e ra n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yt ot h ew h o l e t ot h et e a c h i n ga r e a t h i sn e wm o d eo f t e a c h i n gi sr e a l i z e df u l l yb y n e t w o r k ，a n di m p a c t so nt h ew h o l ee d u c t i o ns t r u c t u r e t h a ti st h et e n d e n c yo ft h ef u t u r e t e a c h i n gd e v e l o p m e n t n e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m i sc o n s t r u c t e df o rt h ep u r p o s eo ft h i sk i n di f t e a c h i n gm o d ea n df o rt h ed e v e l o p m e n to ft e a c h i n gn e e d t h ep a p e rc a r e f u la n a l y z e sd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ln e t w o r kt e a c h i n go ft h ea c t u a l s i t u a t i o n ，t h em o d eo ft e a c h i n gm o d e r nn e t w o r k , c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dp r o b l e m s b a s e do nt h e a b o v eu n d e r s t a n d i n g ，t h ep a p e rr e s e a r c ht h ew e bs y s t e mo fm u l t i - t i e ra r c h i t e c t u r ea n d m i d d l e w a r et e c h n o l o g yr e p r e s e n t i n gt h ec o n s t r u c t i o nc o u r s eo ft h en e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m b a s e do nm i d d l e w a r et e c h n o l o g ya n dt h ec o m p o s i t es t r u c t u r eo f t h eb sa n dc s ，o nt h eb a s e o ft h ea n a l y s i so ft h er e q u i r e m e n tt ot h en e t w o r kt e a c h i n gs y s t e mc o n s t r u c t i o n t h en e t w o r k t e a c h i n gs y s t e mi nt h ej 2 e ep l a t f o r md e v e l o p m e n tu s e ss t r u t sf r a m e w o r kc o m b i n i n gw e b a p p li c a t i o n ，b a s e do nad i s t r i b u t e ds o f t w a r ed e s i g np a r e m m v c b yu s i n go fs t r u t s ，t h e s t r u c t u r eo fd e v e l o p i n gw o r kb e c a m eh i e r a r c h a l n e t w o r kt e a c h i n gs y s t e mf u n c t i o n s ，i n c l u d i n gt e a c h e r sp r e p a r el e s s o n s ， c o u r s e w a r e ， t e a c h i n g 。s t u d e n t ss e l f - l e a r n i n g ，o n l i n ee x a m i n a t i o n s ，t e a c h e r sa n ds t u d e n t se x c h a n g e s ，f a q s a n do t h e rt e a c h i n g t oo n l i n ee x a ma sa ne x a m p l e ，t h ep a p e rd e t a i l e dd e s c r i p tt h ee n t i r e m o d u l eo ft h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，i n c l u d i n gt h el o g i c a ls t r u c t u r eo ft h ed e s i g n ，a r r a n g e m e n t o fs y s t e m ，w e bp r e s e n t a t i o nl a y e rt h a tt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n ，b u s i n e s sl o g i c a ld e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o n ，a n dd i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n to fk e yt e c h n o l o g i e si nt h ep r o c e s s k e y w o r d s ：m i d d l e w a r e 、n e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m 、j 2 e e 、s t r u t s 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生躲繇哆 肿年乡月为日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生躲要薹缚 川年歹月y 日 硕十学位论文基丁中问件的交互式网络教学环境研究 1 绪论 1 1 课题研究背景与意义 随着网络技术的飞速发展，传统的基于行为主义和认知主义学习理论的教学模式已 无法有效地满足网络教学的新要求，而基于建构主义学习理论的网络教学新模式正在成 为人们研究的新热点。网络教学的实施为高等教育带来了必要的教学补充，完成了课堂 理论教学、实践教学的再延伸，同时对改善办学条件、提高教学水平具有很大的促进作 用。 网络教学的本质特征是“教的行为与学的行为在时空上是分离的”【。目前的网络教 学平台大多是支持基于课程讲授型的教学模式，但是作为现代网络教学平台不仅仅是通 过技术的使用来延伸课堂，应更倾向于最大限度地建立学习者之间、学习者和学习资源 之间的联系，这种联系的最有效的方式是实时互动性，即需成为双向交互交流的虚拟学 习社区。所以交互式网络教学作为一种新的教学手段，则充分利用了最新的计算机技术、 网络技术、流媒体技术等，使教学过程能够跨越时间、空间的限制，具有极大的灵活性 和交互性。目前关于如何有效地利用网上的资源，开展交互式网络教学环境的探索与实 践研究有着十分重要的意义。 l 、促进交互式网络教学的发展，提高网络教学的质量f 2 】 由于交互式网络教学可以实现信息资源共享，在网上组织最优秀的教材和教法，使 学习者在网上可以学到最新的知识，因此是教学改革发展的方向。通过本课题的研究与 实践，在为学习者提供一个建构主义的学习环境方面作一个有益的尝试，充分挖掘学生 的创新精神，学生有更多的机会在不同情境下去运用他们所学的知识，而且学生可以根 据自身的行动的反馈来形成对客观事物的认识和解决实际问题的方案，从而提供网络教 学的质量。 2 、寻找利用计算机技术和网络技术实现学生远程交互自主学习的教学设计的技术解决 方案【3 】 3 、教学设计理论与教学实践的探讨 网络环境下的教学与传统教学，不仅是教学环境的不同，在教学内容、教学手段、 教学传播形式上都有本质的区别。通过本课题的研究，解决网络环境下，教学如何进行 教学设计，如何调控教学过程，如何有效实施教学活动以达成教学目标，是对教学设计 理论与教学实践的探讨。 l 绪论硕士学位论文 1 2 网络教学的发展历程 1 2 1网络教学软件的发展及应用 自从1 9 5 9 年美国i b m 公司成功地研制出世界上第一个计算机辅助教学系统( c a i ) 以 来，计算机辅助教学的理论经历了行为主义学习理论( 6 0 年代初至7 0 年代末) 、认知主义 学习理论( 7 0 年代末至8 0 年代末) 、建构主义学习与教学理论( 9 0 年代初至今) 三次大的演 变。 目前比较成熟并占领市场的仍是基于行为主义学习理论的c a i 课件系统。其技术特 点是基于框架，采用小步骤的分支式程序设计，学生作为软件的使用者，被动地接受知 识的灌输。随着教学理念的更新和网络技术的成熟，软件商们为适应教学的需要，相继 推出了智能型的计算机辅助教学i c a i ( i n t e l l i g e n tc o m p u t e ra s s i s t e di n s t m c t i o n ) 并t l 基于网 络的计算机辅助教学n b c a i ( n e t w o r kb a s e dc o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ) 软f 牛 4 。 n b c a i 的实现主要有两种：基于w w w 的c a i 和i 基于c l i e n t s e r v e r 的c a i 。基于w w w 的c a i 是教师将教学内容制成超文本文件或动态网页，发布g f j i n t e m e t 或i n t m n e t 的w w w 服务器上。学生通过使用w w w 浏览器，登录到相应的网站以实现远程教学( d i s t a n c e l e a m i n g ) 内容的学习。它可以不受地域的限制，能够方便地做到资源共享；基于 c l i e n t s e r v e 的c a i 是教师和学生通过各自的客户端软件，组织教学内容和学习课程知识。 1 2 2 现有网络教学的主要形式 l 、虚拟课堂教学 5 】 虚拟课堂教学的方式是我国最早出现的网络教学的形式，它可以在小范围的局域网 上或在大范围的宽带网络上进行的类似于电视大学中实时播放式的教学形式。它比电视 教学更先进的地方是师生之间可以很方便地进行实时交流，由于虚拟课堂教学同传统的 教学模式比较接近，所以在我国这种形式的网络教学目前仍是非常流行，构建它的目的 通常是为了共享师资，它是网络教学发展的初级阶段。 2 、课件方式教学 在我国的课件方式教学主要是在校园网或电脑房的服务器上存放一些c a i 课件，教 师根据教学需要选择课件供学生练习或在讲课时作讲解演示之用。由于目前国内市场上 的c a i 课件不尽如人意，加之传统的教育模式在人们一i i , 目中根深蒂固的地位，现在课件 方式教学通常是穿插在教师的讲课过程中作为一种教学的补充形式。 3 、在线方式教学 在线方式教学主要是指通过校园网或将家里、单位的计算机挂接至l j i n t e m e t 上，学生 硕士学位论文 基于中问件的交互式网络教学环境研究 可以有自由选择时间上网接受教育，教师则定期根据学生的情况及反馈信息进行辅导。 4 、客户化的教学 客户化的教学方式是一种比较先进的教学形式，它采用基于建构主义学习与教学理 论的c a i 系统，客户( 学生或教师) 可以将要求告诉系统，系统则根据客户的需要组织系统 资源自动组合教材，这样可以使网上资源得到充分有效的利用。 1 3 国内外研究现状 1 9 8 8 年，国家教育部与中国电信总局表示将在远程教育方面开展全面合作，共同推 动我国信息产业的网络教学事业的发展。自1 9 8 8 年起，我国教育部先后批准在清华大学 等5 0 多所高校开展现代远程教育试点工作。目前，我国各试点学校初步摸索出一套网上 办学的模式。同时开发出一批网上课程和教学资源，初步形成了校内基于校园网的多媒 体教学与校外远程教学同时进行并相互融合的开放办学格局，但我国的网络教学还存在 着不少问题。 首先是有关网络教学基础设施方面的问题，如计算机普及率偏低，网络传输速度太 慢，宽带多媒体电信网等远程教学信息传输的质量和稳定性有待提高，上网费用过于昂 贵，致使教学双向交互信息严重不对称，交互式技术媒体的交互作用与功能没有得到充 分发挥，严重地制约了网络教学的发展。尤其是我国幅员广大，各地区经济和教育的发 展极不平衡，西部地区、不发达和欠发达地区中的许多地方还不能建设宽带网，或暂时 通不了网络，经济发达地区和欠发达地区之间的“数字鸿沟”使网络教学和高等教育大众 化的关系陷入一种悖论状态：一方面，人们期望通过网络教学使欠发达地区能有更多的机 会接受高等教育，但另一方面，由于欠发达地区的网络基础设施太差，在那里或向那里 开展网络教学面临着空前的困难，从而使网络教学不能真正成为推动高等教育发展的有 效工具。 其次是教学软件制作方面的问题。目前我国有关网络教学的适用课件太少，特别是 适应网络教学本质特点的自主学习型课件几乎还是空白。国内有人提出，要使教师把做 课件作为教学任务，但这有个知识产权问题。传统上，教授们自己编写教案，对自己的 教科书拥有所有权。现在，他们被邀请去帮助设计在线课程，网上大学希望与这些教授 们共同拥有，甚至全部拥有这些课程的所有权。 第三是师资队伍方面的问题。网络教学不是技术越先进越好，而是与教学内容、学 生需求、教师能力相匹配的适用技术最好。网络教学成败的关键在于能否尽快培养出一 批能够理解和适应网络文化，并能参与网络文化创造的优秀教师队伍，并依靠这支队伍 1 绪论硕七学位论文 成功创造出新型的网络教学模式。目前我们的教师对网络课程建设投入的力量很不够。 这主要是由于缺乏相应的激励机制予以引导。1 9 9 8 年美国电信学习会议提出这方面的投 资不能少于2 5 ，即要高于软件方面的投资。我们应该用计算机、网络武装每一位教师、 每一个教研室。 此外还有教学质量监控和管理动作模式等方面的问题。例如，如何进行网上考试， 既要保证质量，又要简化操作，提高效率；普通高校如何与电大合作开展远程教育，发 挥已有更大系统的作用；引入境内外资金如何处理公司的合作与利益分配关系，以及如 何处理校外远程教学与校园内教学的关系等等。 1 4 课题研究的内容和结构 为了能够更好地发挥课堂教学在培养创新人才过程中的作用，科学地利用多媒体和 网络教学的优势，本论文在此基础上，包括了以下几个方面的研究： 1 、网络教学设计理论体系的研究 包括教学目标的设计、建构性学习环境的设计、学习情境的设计、学习资源的设计、 学生自主学习活动的设计、学生协作学习活动的设计、教师指导性活动的设计、学习评 价工具的设计等。 、 2 、网络环境下的教学策略与教学模式的研究 ( 1 ) 网络教学策略的研究，如网络环境下的教学内容组织策略、网络环境下的教学 情景营造策略、网络环境下的教学对话组织策略、网络环境下的课堂管理策略等； ( 2 ) 网络教学的研究，如项目化学习模式、探索性学习模式、研究性学习模式等。 3 、网络教学设计系统软件的开发与应用 4 硕十学位论文 基丁：巾问f l ：的交互j = l ：网络教学环境研究 2 相关技术综述 2 1w e b 技术 2 1 1w e b 技术发展及现状 目前w w w 是因特网上最广泛的一种应用，其应用范围在急剧增长。w w w 的核心 技术就是w e b 技术，w e b 技术是利用浏览嬲a w w w n 务器构成的一种新型计算技术，它 以标准化的网络浏览器替代传统客户应用来作为i n t e r n e t 应用系统的标准客户端，使得客 户程序的维护代价降低到最低点。w e b 是由日内瓦粒子物理实验室发明的。w e b 技术利 用了一种称为超文本( h y p e r t e x t ) 的技术，即它使用了在文件中有着加重色的词句或图形 去链接或指向其他文件、图形、声音等。它可以从一个文件中的任何一点指向另一个文 件的任何一点，从而可以实现快速的信息浏览。同时超文本技术具有良好的图形用户界 面，使得用户能够很容易地浏览因特网中的信息。 w e b 技术主要涉及到两个标准【酬，一个是应用层协议，称为超文本传送协议( h t t p ) ； 另一个是表示层句法，称为超文本标记性语言( h t m l ) 。这两个核心协议的设计所面向的 最基础的应用是文档的表示和传输，w e b 技术是在这两个标准的基础上发展起来的。超 文本传送协议是w e b 技术中的一个最基本的协议，它是一个应用层协议，直接用t c p 层 传递。当客户机向服务器请求一个文件时，首先要建立一条t c p 连接，在t c p 连接好后， 客户机就向服务器发送u r l ，让服务器根据u r l 去寻找相应的文件，找到文件后就从已 建立好的t c p 通道上发给客户机，文件发送完毕即拆除t c p 连接。当要寻找另一个文件 时，需要重复上述过程。而h t m l 是s g m l ( 标准通用标记语言) 的一种简单实现，在以 s g m l 为代表的标记语言中，文档所使用的标记是通过d t d ( 文档类型定义) 定义用到的标 记的语义和功能。标记语言通过d t d 定义的标记的主要作用是描述文档的内容。解释标 记语言的应用程序可以把文档解释成具有结构的数据。任何文档都要通过显示或打印表 现到最终用户面前，同时文档的格式和显示方式也可以通过标记进行描述，这样标记语 言分成了以描述文档数据内容语义结构为中心的标记语言和以描述文档显示打印效果式 样为中心的标记语言。h t m l 是s g m l 的一种简单实现，其设计的目的就是使事情简单 化利直观化。在h t m l 中可以很简单地实现丰富的现实效果和链接，并且可以很容易地 插入图片，这样导致了h t 池的快速发展。 有了h t t p 协议和h t m l 表示层句法，就可以构成客户机n 务器系统的w e b 系统，在 传统上称w e b 的客户机为浏览器，它具有良好的图形界面，用鼠标和键盘作为输入设备 2 榍关技术综述 硕士学位论文 进行输入。w e b 的服务器一般仍称作服务器。用h t m l 语言写成的文本称为丰页 ( h o m e p a g e ) ，一般在主页上有加重色的是超级链接，当鼠标指向超级链接并且按下鼠标 左按钮时，臣u 可通过h t t p 协议将下一个主页传过来。当然仅是h t t p 与h t m l 构建的w e b 系统，其功能过于简单，这大大限制了w e b 的应用场合。为了增强w e b 系统的能力，众 多计算机厂商和标准化组织开发了许多新的技术，它们包括服务器端的c g i 技术、客户 机端i 拘p l u gi n ，j a v a ，j a v as c r i p t 等技术。这些技术使w e b 的应用扩展到更广阔的范围。 2 1 2 下一代w e b 技术 随着w e b 的迅速普及，基于w e b 的应用逐步延伸到一些复杂的应用和计算，一些传 统的分布式计算和面向对象技术也试图迁移到w e b 技术上来，w e b 技术已成为软件工程 开发、网络分布式计算和处理的核心。但是，w e b 技术中h t m l 仅提供了信息在浏览器 中显示的控制方式，而没有表达数据语义的功能，随着新的应用不断加入到w e b 应用中， 导致了基于w e b 的应用标准不兼容、语义定义不严格、有效性和结构化缺乏、难以实现 准确高效的人机交互等一系列问题。h t t p 协议同样随着w e b 应用的延伸而变得越来越臃 肿和庞大，原本简洁的h t t p 协议也因此变得效率低下。 1 9 9 6 年，万维网联盟( w o r l dw i d ew e bc o n s o r t i u m ，w 3 c ) 研究组在对h t m l ，h t t p 以及w e b 中的链接定位等核心技术大量研究的基础上发展了一种新型的标准标记语言， 这种新语言更加易于使用，l i , h t m l 的结构更加严谨，研究组把它命名为扩展标记语言 ( x m l ) p j ，这为下一代的w e b 发展打开了大门。x m l 是作为一种元标记语言被设计出来 的，元标记语言就是用来创建标记语言的语言，在x m l 的基础上可以定义、扩展新的标 记，而且这样的标记是具有语义的，能够表达数据的含义。x m l 文档应满足x m l 应用的 结构性和有效性的要求。文档的有效性是指文档必须符合x m l 语法规则要求，而结构性 是指文档在内容结构上必须满足d t d 所制定的标记规则，如元素名称匹配、元素的顺序 及嵌套规则等。d t d 与x m l 文档的关系就如数据库与其数据模式之间的关系一样，因此 开发x m l 文档的核心就是制定文档相应的d t d 。x m l 允许开发者编写自己的d t d 以仓| j 建所需的任何标记。另外，在x m l 开发过程中使用x m l 名字空间机制防止不同开发者定 义的具有相同标记名称引起的冲突。 x m l 最大的优点是数据交换能力强，它便于在网络中发送半结构化数据，在转递过 程中没有信息丢失。x m l 简化了网络中商家到商家( b 2 b ) i 构交易，通过x m l ，双方都很 容易从对方的系统中得到带有x m l 标记的数据，因此双方均不必了解对方的系统是如何 组织的。合作的双方不必通过编写程序代码来实现数据交换，而仅仅需要遵循在d t d 定义的文档规则。目前x m l 被认为是最适合表示半结构化数据模型的语言【8 1 。与h t m l 6 硕七学位论文基于中问仲的交互式网络教学环境研究 文档比较，x m l 文档描述的语义非常清楚，而且很容易将其与关系数据库中的字段( 属 性) 一一对应起来。由此，以x m l 为基础的新一代w w w 环境不仅可以很好地兼容原有的 w e b 应用，而且可以更好地实现w e b 中的信息共享与信息交换。w 3 c 在综合当前w e b 计 算领域的最新研究成果的基础上，提出了h t t p - n g 具有w e b 开放性和传统分布式对象计 算功能的基于w e b 的分布式对象计算环境。h t t p - n g 项目旨在把当前的w e b 转换成一个 具有传统功能的分布式对象系统，不是在w e b 之上( 即在h t t p 或h t m l 与x m l 之上) 建立 一个分布式对象系统，而是在w e b 之下( 即只在t c p 或u d p 等传输层之上) 建立一个分布式 对象系统。如果将w e b 的应用置于h t t p 协议之上，易于导致不必要的性能损失，使得功 能弱化并且缺乏通用性，而h t t p - n g 作为分布式w e b 应用更长远的解决方法，直接建立 在传输层上，这样可以满足企业复杂的分布式对象计算。h t t p - n g 将现有的w e b 技术中 h t t p 及之上的w e b 数据表示并l l w e b 应用分为三层。h t t p - n g 结构的协议栈模型如图2 1 所示： 特定应用接口 对象系统与w i r e 协议 w e b m u x 与不同的传输层 图2 1h t t p - n g 结构的协议栈模型 图中w e b m u x 与现有的传输层结合在一起构成h 1 v r p n g 传输层。w e b m u x 对底层 传输连接进行复用，建立会话连接，为上层提供面向消息的传输服务。h t t p - n g 对象消 息层支持高层的对象接口，实现具有面向对象功能的传统的c l i e n t s e r v e r 模式下的“请求 应答”技术。h t t p - n g 应用层在h t t p - n g 最高层定义了各种应用，这些应用不仅可以共 存，而且可以很容易加进新的应用进行扩展。h t t p n g 根据一组用i d l 定义的对象接口 描述其应用接口，传统的w e b 应用在h t t p n g 中称之为t c w a ( t h ec l a s s i cw e b a p p l i c a t i o n ) 。此外h t t p - n g 应用层还提供了用于定义方法和类型的系统机制，这样不仅 其他应用可以使用定义的方法，而且还把诸如j a v ar m i ，c o r b a 及d c o m 的类型系统结 合并统一起来，直接将它们的a p i 映射到h t t p - n g 套件中。 7 2 棚哭技术综述 硕士学位论文 如果h t t p n g 能够实现其目标，就意味着将对象技术置入了w e b 系统的核心，这样 的话不仅可以更高效地支持类似f u p c 的对象应用，而且还可以实现w e b 币 1 对象技术更高 层的集成。随着x m l 应用的不断发展、w e b 技术及属于分布式对象技术结合的日益紧密 以及w e b 应用延伸到无线移动环境，w e b 将提供任何时间、任何地点、任何类型的信息 服务。未来的w e b 将是一个开放的、支持移动计算的、对象状态和行为可伸缩耦合的分 布式对象计算环境。 2 2 中间件技术 2 2 1 中间件的概念 早在2 0 世纪8 0 年代，人们就提出在互连的计算机硬件上部署新型的分布式操作系 统，全面彻底地管理整个系统，给用户单一的系统视图。尽管这一努力产生了许多技术 成果和实验系统，但一直没有形成可用的产品，人们直觉地感到在不断扩展的局部自治 异构系统上实现资源的集中管理几乎是不可能的，于是开始采用中间件平台技术，以屏 蔽系统的异构性，支持局部自治系统的信息交互和协同。经过十几年的发展，中间件技 术取得了令人瞩目的发展，出现了远程数据库访问、远程过程调用、消息传递、交易管 理等各类中间件。 2 0 世纪9 0 年代末，面向对象的中间件技术成为中间件平台的主流技术，出现了以 s u n 公司的e j b j 2 e e 、o m g 的c o r b a 、m i c r o s o f t 的d n a2 0 0 0 为代表的三个技术分支。 其研究热点是建立标准化的对象请求代理，屏蔽网络环境下计算平台，操作系统、编程 语言、网络协议的异构性和复杂性，使分布在网络上的应用系统能够协同工作，为网络 应用提供通用的高级网络管理服务以及与应用领域相关的增值服务。 中间件的定义比较多，大多是从一个特殊的角度反映了中间件的一个或几个特性。 比较多的人认为中间件，就是位于操作系统和应用软件之间的一个软件层，它向各种应 用软件提供服务，使不同的应用进程能在屏蔽掉平台差异的情况下，通过网络互相通信 【9 1 。另外，存在一个更加宽泛的定义，认为所谓中间件从本质上讲，就是一个连接应用 程序并允许它们之间互相交换数据的软件层。通常，在实际使用中，把一组中间件集成 在一起构成一个平台( 包括开发平台和运行平台) ，其中必须要有一个通信中间件完成中 间件之间的通信。从这个意义上讲，中间件应该包括平台和通信两个部分。中间件的示 意图如图2 2 所示： 硕士学位论文 基于r f l 问什的交互式网络教学环境研究 分布式应用 分布式应用 、 ，山 中间件a p i 中间件a p i 中间件( 7 p 7 中间件 与 “。专彩 o sa p i o sa p l o si 通信il 处理il 存储 o sl 通信| 倒| 存髓 网络 图2 2 中j 司件刁斥恿图 另外还有人指出所谓中间件，或“粘结”，是网络层和应用层之间的一层软件。该软 件提供了诸如：身份识别服务、鉴权授权服务、目录服务和安全服务等一系列服务。由于 当今因特网应用通常都提供自己特定的上述服务，这往往容易导致标准的不统一和竞争。 中间件通过推进了标准性和可互操作性，就使网络应用更加简单和有效。 2 2 2 中间件的作用 中间件的定义反映了中间件的桥梁特性，同时中间件还有下面一些重要的作用p o l ： 首先，。中间件极大的简化了设计和开发的过程。协同计算要求各个应用之间要进行 数据通信。采用中间件可以使它们之间的接9 得到很大零度上的减少，中间件将原来的 为m 个应用开发1 1 种功能时需要做m 奉l - 1 个接口简化为：为m 个应用做m 个同中间件的接口， 另外将n 个功能做1 1 个同中间件的接口，也就是说总共只需要做m 十1 1 _ 个接1 2 1 。在m 和1 1 都 比较小的时候看不出很大的优势。但是当m 和n 很大时，采用中间件将极大地减化设计， 节约软件开发的时间和成本。 其次，中间件可以从一个应用中获得数据并保存直到该数据没有使用。价值为止。这 就使数据的生存时期得到了保证，并且由于中间件对有用数据的专门处理可以使该数据 发挥最大的功效。 最重要的一点是，中间件帮助不同的软件开发人员集中精力做好有针对性的软件开 9 2 相关技术综述硕士学位论文 发，而不需要让他们更多的考虑到操作系统平台矛u 底层通信设施对应用的影响。 总之，中间件可以使用户透明地应用分布式的计算机、网络、数据等资源；发展了 更有效的协同和交互性的技术，例如：网格( g r i d ) 计算等推动了教育和科研的发展；同时， 中间件还发展了一套可以扩大用户使用网络范围的体系结构。 2 2 3 中间件的分类 中间件的产品种类很多，分类的方式也各不相同，这里根据中间件采用的技术不同， 大致划分为以下几种： 面向消息中间件( m o m ，m e s s a g eo r i e n t e dm i d d l e w a r e ) ：面向消息的中间件能够在客 户和服务器之间提供同步和异步的连接，并且在任何时刻都可以将消息进行传送或者存 储转发。m o m 的这两点都是建立在消息队列( m e s s a g eq u e u e ) 这关键技术的基础上 的。另外消息中间件不会占用大量的网络带宽，可以跟踪事务，并且通过将事务存储到 磁盘上实现网络故障时系统的恢复。消息中间件适用于需要在多个进程之间进行可靠的 数据传送的分布式环境。 事务处理中间件( t p m ，t r a n s a c t i o np r o c e s s i n gm o n i t 0 0 ：与其他的中间件不同，事务处 理中间件更加注重分布式事务的处理。这种中间件广泛地应用于数据管理、银行转账、 定点分发等大型、分布式应用中，这些应用对物理上分散的节点之间的数据一致性有着 很高的要求。t p m 是针对复杂环境下分布式应用的速度和可靠性要求而实现的。它对 外提供了事务处理的a p i ，程序开发人员可以使用这个程序接口编写高速、可靠、基于 事务处理的分布式应用程序。 、， 面向对象的中间件( o o m ，o b j e c to r i e n t e dm i d d l e w a r e ) ：随着面向对象技术的发展，出 现了面向对象的中间件。对象请求代理( o r b ，o b j e c t r e q u e s tb r o k e r ) 就是其中的一个典型 例子，它可以看作具有与位置、协议和平台无关的中间件的特性。从管理和封装的模式 上看，o r b 和r p c 有类似之处，不过o r b 可以包含比i 冲c 和消息中间件更复杂的信息， 并且可以适用于非结构化的或者非关系型的数据。目前有两种对象请求代理的标准，分 别是c o r b a 和d c o m 。 2 2 4 中间件的应用 世界上有很多学校的科学家们通过c e r n 在e u r o p e a nh i g he n e r g yp h y s i c sl a b 一起协 同设计、创造、操作和分析一系列产品。在他们的分析和设计阶段，大量的数据计算和 存储以及网络资源的管理都是通过数据网格( d a t ag r i d ) 来实现的。 中间件还使高等教育机构和生产机构的网络通过一些安全认证服务等直接的无缝 1 0 硕士学位论文基于巾间件的交互式网络教学环境研究 联系起来。 某些企业联盟使用中间件建立了一套高精确度、多领域的飞行器设计仿真环境。这 些多领域的仿真软件设计为不同的组件并且运行在不同环境下进行采集和分析数据等， 通过中间件，这些数据和资源得以被整个联盟中的成员所共享。 e c o m m e r c e e s c i e n c e 实时、嵌入式应用 移动代理系统 对等平台 移动计算应用 u b i c o m p 电信领域应用( 主要是电信网络管理方面) 2 3 主流的面向对象中间件模型 2 3 1s u n 的j 2 e e 为了推动基于j a v a 的服务器端应用开发，s u n 在1 9 9 9 年底推出了j a v a 2 技术及相关的 j 2 e e 规范，j 2 e e 的目标是：提供平台无关的、可移植的、支持并发访问和安全的，完全基 于j a v a 的开发服务器端中间件的标准。 在j 2 e e 中，s u n 给出了完整的基于j a v a 语言开发面向企业分布应用规范，其中，在分 布式互操作协议上，j 2 e e 同时支持r m i 和h o p ，而在服务器端分布式应用的构造形式， 则包括了j a v as e r v l e t ，j s p ( j a v as e r v e rp a g e ) 、e j b 等多种形式，以支持不同的业务需求， 而且j a v a 应用程序具有“w r i t eo n c e ，r u na n y w h e r e ”的特性，使得j 2 e e 技术在发布计算领域 得到了快速发展。 j 2 e e 简化了构件可伸缩的、基于构件服务器端应用的复杂度】，虽然d n a2 0 0 0 也 一样，但最大的区别是d n a2 0 0 0 是一个产品，j 2 e e 是一个规范，不同的厂家可以实现 自己的符合j 2 e e 规范的产品，j 2 e e 规范，是众多厂家参与制定的，它不为s u n 所独有， 而且它支持跨平台的开发，目前许多大的分布计算平台厂商都公开支持与j 2 e e 的兼容技。 术。 e j b 是s u n 推出的基于j a v a 的服务器端构件规范j 2 e e 的一部分，自从j 2 e e 推出之后， 得到了广泛的发展，已经成为应用服务器端的标准技术。s u ne j b 技术是在j a v a b e a n 本地 构件基础上，发展的面向服务器端分布应用构件技术。它基于j a v a 语言，提供了基于j a v a 2 棚关技术综述硕士学位论文 二进制字节代码的重用方式。e j b 给出了系统的服务器端分布构件规范，这包括了构件、 构件容器的接1 ：3 规范以及构件打包、构件配置等的标准规范内容。e j b 技术的推出，使 得用j a v a 基于构件方法开发服务器端分布式应用成为可能。从企业应用多层结构的角度， e j b 是业务逻辑层的中间件技术，与j a v a b e a n s 不同，它提供了事务处理的能力，自从三 层结构提出以后，中间层，也就是业务逻辑层，是处理事务的核心，从数据存储层分离， 取代了存储层的大部分地位。从分布式计算的角度，e j b 像c o r b a - - 样，提供了分布式 技术的基础以及对象之间的通讯予段。 服务器市场的主流还是大型机和u n i x 平台，这意味着以j a v a 开发构件，能够做到 “w r i t eo n c e ，r u na n y w h e r e ”，开发的应用可以配置到包括w i n d o w s 平台在内的任何服务器 端环境中去。 2 3 2o m g 的c o r b a c o r b a 分布计算技术是o m g 组织在基于众多开放系统平台厂商提交的分布对象互 操作内容的基础上制定的公共对象请求代理体系规范。 c o r b a 分布计算技术，是由绝大多数分布计算平台厂商所支持和遵循的系统规范技 术，具有模型完整、先进，独立于系统平台和开发语言，被支持程度广泛的特点，已逐 渐成为分布计算技术的标准。c o b r a 标准主要分为3 个层次：对象请求代理、公共对象服 务和公共设施【1 2 】。最底层是对象请求代n o r b ( 对象请求中介) ，规定了分布对象的定义 ( 接口) 和语言映射，实现对象间的通讯和互操作，是分布对象系统中的“软总线”；在o r b 之上定义了很多公共服务，可以提供诸如并发服务、名字服务、事务( 交易) 服务、安全 服务等各种各样的服务；最上层的公共设施则定义了组件框架，提供可直接为业务对象 使用的服务，规定业务对象有效协作所需的协定规则。 c o r b ac c m ( c o r b a c o m p o n e n tm o d e l ) 技术，是在支持p o a 的c o r b a 规范( 版本 2 3 以后) 基础上，结合e j b 当前规范的基础上发展起来的。c o r b a 构件模型，是o m g 组 织制定的一个用于开发和配置分布式应用的服务器端中间件模型规范，它主要包括如下 三项内容： ( 1 ) 抽象构件模型，用以描述服务器端构件结构及构件间互操作的结构； ( 2 ) 构件容器结构，用以提供通用的构件运行和管理环境，并支持对安全、事务、 持久状态等系统服务的集成； ( 3 ) 构件的配置和打包规范，c c m 使用打包技术来管理构件的二进制、多语言版 本的可执行代码和配置信息，并制定了构件包的具体内容和基于x m l 的文档内容标准。 c o r b a 的特点是大而全，互操作性和开放性非常好。c o r b a 的缺点是庞大而复杂， 1 2 硕十学位论文 基丁巾问件的交互式网络教学环境研究 并且技术和标准的更新相对较慢，c o b r a 规范从1 0 7 1 级到2 0 所花的时间非常短，而再 往上的版本的发布就相对十分缓慢了。在具体的应用中使用不是很多。 2 3 3m i c r o s o f td n a2 0 0 0 m i c r o s o f td n a 2 0 0 0 ( d i s t r i b u t e d i n t e m e ta p p l i c a t i o n s ) 是m i c r o s o f t 在推出 w i n d o w s 2 0 0 0 系列操作系统平台基础上，扩展了分布计算模型，以及改造b a c ko f f i c e 系 列服务器端分布计算产品后发布的新的分布计算体系结构和规范。 在服务器端，d n a2 0 0 0 提供t a s p ，c o m ，c l u s t e r 等的应用支持。目前，d n a 2 0 0 0 在技术结构上有着巨大的优越性。一方面，由于m i c r o s o f t 是操作系统平台厂商，因此d n a 2 0 0 0 技术得到了底层操作系统平台的强大支持；另一方面，由于m i c r o s o f t 的操作系统平 台应用广泛，支持该系统平台的应用开发厂商数目众多，因此在实际应用中，d n a2 0 0 0 得到