（测试计量技术及仪器专业论文）基于web的网络虚拟实验室的研究.pdf

摘要 随着网络技术尤其是i n t e r n e t 的进步，虚拟仪器开始向着网络化方向发展，“网络 就是仪器”的概念确切地概括了虚拟仪器的网络化发展趋势。 本课题的研究目的是根据校学科建设的需要构建网络虚拟实验室，以充分利用实 验室的v x i 和p x i 仪器资源从而实现远程实验教学。本文首先通过对客户机服务器 和浏览器，服务器两种模式的特点进行分析，从而选择构建基于w e b 的网络虚拟实验 室，并介绍了所需的相关技术和软件工具。然后重点针对v x i m i o 6 4 x e - 1 0 模块利 用c o m p o n e n t w o r k s 开发虚拟函数发生器、示波器的服务器端应用程序和客户端 a c t i v e x 控件，并通过d a t a s o c k e t 实现通信：利用l a b v i e w 6 i 开发任意波形发生器 并用远程面板实现远程控制。最后，本文详细介绍了如何通过j a v as e r v i e t 和j s p 技 术实现对客户端的访问控制和管理。 关键词：虚拟仪器网络虚拟实验室浏览器i n 务器a c t i v e x 控件 d a t a s o c k e t c o m p o n e n t w o r k s v x i a b s t r a c t w i t ht h e i m p r o v e m e n t o fn e t w o r k t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y t h e i n t e m e t ，v i r t u a l i n s t r u m e n th a sb e c o m en e t w o r k o r i e n t e d a n d “t h en e t w o r ki st h ei n s t r u m e n t i sa g o o d d e s c r i p t i o no f t h i sn n d t h e g o a lo f t h i sp a p e ri st ob u i l dan e t w o r k b a s e dv i r t u a ll a b o r a t o r yf o rt h es c h o o l s d i s c i p l i n a r yc o n s t r u c t i o nv r o j e c t ，s oa s t om a k et h eb e s tu s eo ft h ev x ia n dp x i i n s t r u m e n t a lr e s o u r c et oi m p l e m e n td i s t a n c e t e a c h i n go ft h ee x p e r i m e n tc l a s s e s f i r s t ，b y a n a l y n n g t h ec h a r a c t e r i s t i co fc l i e n t s e r v e ra n db r o w s e r s e r v e r m o d e s ，t h i sp a p e rd e c i d e s t o a d o p tw e ba st h ep l a t f o r mo ft h ev i r t u a ll a b o r a t o r ) ，i nq u e s t i o na n di n t r o d u c e st h e c o r r e s p o n d i n gt e c h n o l o g i e s a n ds o f t w a r e t o o l s s e c o n d ，f o r t h ev x i m i o 一6 4 x e 一1 0 m o d u l et h e p a p e rd e v e l o p s ，w i t hc o m p o n e n t w o r k s ，t h es e r v e r - e n da p p l i c a t i o n sa n d c l i e n t e n da c t i v e xc o n t r o l so fav i r t u a lf u n c t i o ng e n e r a t o ra n dav i r t u a lo s c i l l o s c o p e a n d r e a l i z e sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es e r v e r - e n da n dt h ec l i e n t e n d b yd a t a s o c k e t t e c h n o l o g y i na d d i t i o n ，t h ep a p e rd e v e l o p s a n a r b i t r a r y w a v e f o r m g e n e r a t o r w i t h l a b v i e wa n dm a k e s p o s s i b l et h er e m o t ec o n t r o lo f i tb yr e m o t ep a n e l a tl a s t ，t h ep a p e r d e s c r i b e si n d e t a i lh o wt o i m p l e m e n tt h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n to ft h ea c c e s s e sb y c l i e n t sw i t hj a v as e r v l e ta n dj s p t e c h n o l o g i e s k e y w o r d ：v i r t u a li n s t r u m e n t n e t w o r kv i r t u a ll a b o r a t o r yb r o w s e r s e r v e r a e t i v e xc o n t r o l c o m p o n e n t w o r k s v x i i j a p i b ，s c c o m c s d a q d c o m d l l d s t p g p i b h t m l h t t p j d b c j s p l a b v i e w m v c n i o d b c o l e p x i s q l u r l v i v 注释表 a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e b r o w s e r s e r v e r c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e c o m p o n e n to b j e c tm o d e l c l i e n t s e r v e r d a t a a c q u i s i t i o n d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l d y n a m i c l i n kl i b r a r y d a t a s o c k e tt r a n s f e rp r o t o c o l g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e h y p e r t e x t t r a n s f e rp r o t o c o l j a v ad a t a b a s ec o n n e c t i v i t y j a v a s e r v e rp a g e s l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g w b r k b e n c h m o d e lv i e wc o n t r o l l e r n a f i o n a li n s t r u m e n t s o p e n d a t a b a s ec o n n e c t i v i t y o b j e c tl i n k i n g a n de m b e d d i n g p c i b n se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e u n i f o r i l lr e s o u r c el o c a t o r v i r t u a li n s t r u m e n t v m e b u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n 应用程序编程接口 浏览器朋醴务器 通用网关接口 组件对象模型 客户机朋务器 数据采集 分布式组件对象模型 动态链接库 d a t a s o c k e t 传输协议 通用接口总线 超文本标记语言 超文本传输协议 j a v a 数据库连接 j a v a 照务器页面 实验室虚拟仪器集成环境 模型视图控制器 美国国家仪器公司 开放数据库连接 对象链接与嵌入 p c i b u s 在仪器领域的扩展 结构化查询语言 统一资源定位符 虚拟仪器 v m e b u s 在仪器领域的扩展 v 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机深层次的结合正引 起测试仪器领域里一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导致新一代仪器一虚拟仪 器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 的出现，它的出现使得人类的测试技术进入一个新 的发展纪元。 在传统概念的测控中所采用的仪器大多数是实物，它们自成体系，具有刻度盘、 旋钮、开关等固定的用户界面特征。传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配 合数据采集及数据处理十分困难，多种数据测量时常常感到捉襟见肘，显然已经不能 够满足现代测试的要求。二十世纪8 0 年代末出现的虚拟仪器，利用p c 机或工作站 强大的的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的虚拟仪器面板，完成仪器的控制、 数据分析和图形化显示功能，突破传统仪器的设计架构，具有良好的人机操作性。 近1 0 年来，以i n t e m e t 为代表的网络技术的出现以及它与其它高新技术的相互结 合，使得仪器和硬件的发展向计算机标准、网络标准靠拢，并且已有产品面世并投放 市场。这就为测量和仪器技术带来了前所未有的发展空间和机遇，网络化虚拟仪器与 具备网络功能的新型仪器应运而生。 1 1 虚拟仪器的特点及其构成 虚拟仪器是利用p c 计算机显示器( c r t ) 的显示功能模拟传统仪器的控制面板， 以多种形式表达输出检测结果，利用p c 计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、 分析、处理由i 0 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能 的一种计算机仪器系统。 与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下几个特点： ( 1 ) 虚拟仪器具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。在一定通用硬 件模块和软件环境的支持下，用户可以根据实际情况构设自己的测试方案，以完成不 同的测试任务。 ( 2 ) 用户自定义性。用户可以自行定义虚拟仪器的功能，通过对其软件模块的扩 充，相当于购买一台新仪器。虚拟仪器使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能， 而不像传统仪器那样，受到仪器厂商的限制。 ( 3 ) 各种测量数据可以由不同的处理模块进行处理，也就相当于把各种测试能力 集于一体，从而提高测试速度和测试效率。 随着软件在虚拟仪器系统中所占的位置越来越大的趋势，虚拟仪器的含义也进一 步得到扩充，“软件就是仅器”这个口号是虚拟仪器带给仪器工业的一场革命。 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分组成。其中，构成虚拟仪器的 硬件平台有两部分： ( 1 ) 计算机：一般为一台p c 机或者工作站，它是硬件平台的核心。 基于w e b 的网络虚拟实验室的研究 ( 2 ) i o 接口设备：主要完成被测信号的采集、放大、模数转换。可根据实际情 况采用不同的i o 接口硬件设备，如数据采集板卡a q ，d a t aa c q u i s i t i o n ) 、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、p x i 总线仪器模块以及串口仪器等。虚拟仪器的构成 方式主要有五种类型，如图1 1 所示。 图1 1 虚拟仪器的构成方式 无论上述哪种v i 系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。 虚拟仪器软件也由两大部分组成： ( 1 ) 应用程序。它包括两个方面的程序：实现虚拟面板功能的前面板软件程序和 定义测试功能的流程图软件程序。 ( 2 ) i ( 3 接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与 通信。 开发虚拟仪器，必须有合适的软件工具。目前已有多种虚拟仪器的软件开发工具： 文本式编程语言：如c 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、l 曲w i n d o w s c v i 等。 图形化编程语言：如l a b v i e w 、h p v e e 等。 这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与 良好的开发环境。在本课题中根据需要将选用美国国家仪器公司( n i 公司) 的 l a b v i e w 和c o m p o n e n t w o r k sf o r v b 两种软件工具，在后面将对它们进行介绍。 1 2 网络化虚拟仪器的概念 至于什么是网络化虚拟仪器( 虚拟仪器网络化) ，现在国内外还没有一个明确的 提法，也没有个被测量界广泛接受的定义。其一般特征是指计算机、昂贵的外部设 备、被测试节点以及数据库、数据等软件资源纳入网络进行资源共享，共同完成测试 任务，实现对现场的基于i n t e m e t 的异地或远程测试、控制、数据获取、故障监测和 现场监视功能。网络化虚拟仪器的出现使人们可以从任何分散的测试节点，在任意时 刻获取到测量信息( 数据) 的愿望成为现实。与虚拟仪器相比，这将是一个质的飞跃! f 2 1 南京航空航天大学硕士学位论文 随着p c 机的迅速发展和仪器硬件( 如i o 、g p i b ) 发展向着网络化标准靠拢， 使得将网络技术引入测试领域成为可能。与以p c 机为核心的虚拟仪器相比，网络化 将使虚拟仪器发生革命，网络化虚拟仪器将是仪器发展的又次革命。【3 】网络化虚拟 仪器把p c 仪器系统的三大功能：数据获取、数据分析及图形化显示分开处理，分别 使用独立基本的硬件模块实现上述的三大功能，并以网线相连接，这不是简单的组合， 测试网络的功能将远远大于系统中各独立个体的功能总和。 网络化虚拟仪器系统的基本框图如图l 2 所示。 网络 。、l 客户机7 i 口厂_ w l 服备器 及计 v b 、v c 、d e l p h i 等 i - 应带 萋蓁 通用软件平台l 用有 堡图 序形 弓卜 界 翟 l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 、l 曲 b r i d g e v i e w 、h p - v e e 等t - 的 用 专用软件平台f 0 数据采集卡g p 狂l 、插一膏 v x l 、p x i 及其它仪器及 及信号条理及仪器仪器设备 0 传感器及被测单元 圈1 2 网络虚拟仪器系统的构成框图 网络本身具有很强的灵活性，其最重要的一个基本特征就是实现信息资源的共 享。传统的测试( 测量) 仪器或系统一旦联网，如虚拟仪器中的计算机接入i n t e m e t ， 即一旦与某种合适的电子化信息载体结合在一起，便组成了网络化虚拟仪器。网络化 虚拟仪器( 虚拟仪器网络化) 的组建形式也是具有多样性。目前，普遍认为有三种基 本的信息共享技术，即远程测试技术、远程发布技术、远程控制与执行技术。 将虚拟仪器网络化的思想应用在高等院校学科建设中去便可构建基于网络的虚 3 基于w e b 的网络虚拟实验室的研究 拟实验室以及实现网络测控。下面将对网络化虚拟实验室的背景和意义进行介绍。 1 3 构建网络虚拟实验室的背景和意义 目前，对于高等院校来讲，实验室既是重要的教学阵地，也是主要的科研基地， 实验室的装备水平通常被当作衡量一所高校教学、科研水平的重要标志。而实验则是 教学活动中一个必不可少的过程，很多学习科目都是以实验课程为基础的，尤其是对 于一些实践性较强的学科，实验对于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力是至 关重要的，学生的大部分实践能力都是通过实验得到的。 但是由于资金的相对短缺使得高等院校的实验室很难购买多套先进但却价格昂 贵的仪器设备。比如，在某些院系开了有关v x i 和p x i 总线设备的课程，但这些设 备一套就需要几十万元人民币，因此在实验室中最多只能配备几套这样的设备。而学 生关于这方面的实验很少，基本上是以小组为单位熟悉具体仪器的方式，但每小组一 台仪器的方式使每个人不能充分利用时间熟悉和掌握仪器的使用与特性。这样对学生 动手能力的培养极其不利的。 网络虚拟实验室正是在这样的需求下而发展起来的。近年来，由于虚拟仪器和网 络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟实验室已经成为可能，网上实验将成为学生 实验和远程教育的重要方面。 与传统实验相比，构建网络虚拟实验室的意义在于： ( 1 ) 打破了传统实验的“动手”概念，实验操作和信号的分析、处理、存储、分 析和其它管理集中交由实验管理机和本地计算机来处理。由于充分利用计算机技术， 完善了数据的传输、交换等性能，使得实验系统变得更加灵活、简单。 ( 2 ) 强调“网络就是实验仪器”的概念，这一概念类似于虚拟仪器中的“软件就 是仪器”。网络( 包括计算机和联网设备) 在实验中充当了以往由操作台和设备实现 的角色。通过建立网络虚拟实验室，远程教育的学习者不必担心缺乏实验条件，也不 必为实验到处奔波，他们通过网络中的基于虚拟仪器的虚拟实验环境，同样能够“身 临其境”地观察实验现象和进行“实际”操作，甚至和异地的学习者合作进行实验。 ( 3 ) 可由用户自己选择时间、上机地点和内容，强调学习的主动性和研究性。远 程实验的出现，彻底打破了传统实验由教师设计、学生操作的模式，给了学生一个充 分发挥自己能力和想象力的空间。 ( 4 ) 鉴于远程实验的开放性和共享性，资源的可重复利用率提高，系统组建时间 缩短，功能易于扩展和管理，使学生的实验操作机会得以增加，实验范围和科目得以 扩大，高新技术在教育领域内的优势可以充分发挥出来。 目前，国内外已有一些大学组建了虚拟实验室，如剑桥大学、斯坦福大学、新加 坡国立大学以及清华大学等都已开展了远程实验室方面的研究，并取得了一定的进 展。但目前还没有大规模的成功应用实例，也未形成国际通用的标准。1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的主要内容 本课题是校学科建设和实验室改造项且中的一部分。在此过程中，先后购买了数 十台p c 机、一套v x i 设备、套p x i 设各以及其它配套设备。其目的是为学生创造 良好的实验条件，使他们掌握比较复杂的v x i 和p x i 仪器设备的使用方法，提高学 生的实践能力。本文的主要工作是研究基于w e b 的网络虚拟实验室的实现方法，并 且根据v x i 。m i o 一6 4 x e 1 0 多功能输入，输出模块开发了基于w e b 的虚拟函数发生器、 虚拟示波器以及任意波形发生器等，根据p x i 多个模块的应用程序开发相应的客户端 a c t i v e x 控件，从而构建一个比较完善的包括v x i 和p x i 多个模块在内的多功能的网 络虚拟实验室。 本课题研究的主要内容包括： 根据网络虚拟实验室的要求，对b r o w s e r s e r v e r 和c l i e n t s e r v e r 两种网络结构 的特点进行比较，选择确定了b r o w s e r s e r v e r 结构。 对实现基于w e b 的网络虚拟实验室所需要的各种技术和软件工具进行研究。 针对v x i - m i o 6 4 x e 一1 0 多功能输入输出模块，应用c o m p o n e n t w o r k s 软件开 发虚拟函数发生器、虚拟示波器的服务器端应用程序和客户端a c f i v e x 控件：应用 l a b v i e w 6 1 开发任意波形发生器并将其远程发布。 针对p x i 设备的数字万用表、任意波形发生器、函数发生器、频谱分析仪和 示波器等五个模块的应用程序开发相应的客户端a c t i v e x 控件并分别与之进行通信。 利用j a v a s e r v l e t 和j s p 技术实现对来自客户端的访问、控制、监视及其它各 种信息进行注册和管理，从而构建一个比较完善的网络虚拟实验室。 基于w e b 的网络虚拟实验室的研究 第二章网络虚拟实验室的相关技术 本章通过对传统的c s 模式和新型的b s 模式两种体系结构的比较，从而确定选 择构建基于b s 模式的网络虚拟实验室，即构建基于w e b 的网络虚拟实验室。另外， 对构建基于b s 模式的网络虚拟实验室所需的技术和软件工具进行了介绍和研究。 2 1b s 模式和c s 模式的比较 8 0 年代末，人们提出了客户机，服务器( c l i e n t s e r v e r ，简称c s ) 结构，由于这 种结构比较适合局域网运行环境，所以逐渐得到了广泛的应用。随着应用系统大型化 及基于i n t e m e t i n t r a n e t 应用的迅速发展和普及，这种二层结构( 2 - t i e r ) 的缺点和不 足越来越明显，于是人们又在二层结构的基础上提出了一种具有三层结构( 3 - t i e r ) 的应用模型一浏览器服务器( b r o w s e r s e r v e r ，简称b s ) 结构。 1 传统c s 系统的二层体系结构 在c s 系统中，将应用程序分为两大部分：一个是由多个用户共享的信息和功能， 这部分称为服务器；另一部分是为每个用户所专有，称为客户部分。客户部分负责执 行前台功能，如管理用户界面、数据处理和发送请求等；而服务器部分执行后台服务， 如控制管理共享仪器设备、控制对共享数据库的操纵、接受并应答客户机的请求等。 这种体系结构由多台计算机分别执行，使它们有机的结合在一起，协同完成整个系统 的应用，从而达到系统中软、硬件最大限度的应用。 2 新型b s 系统的三层体系结构 c s 应用系统基本运行关系体现为“请求响应”的应答模式。每当用户需要访问 服务器时就由客户机发出“请求”，服务器接受“请求”并“响应”，然后执行相应的 服务，把执行结果送回客户机，由它进一步处理后提交给用户。 任何一个应用系统，从简单的单机系统到复杂的网络计算，它都由三部分组成： 显示逻辑部分( 表示层) 、事务处理逻辑部分( 功能层) 和数据处理逻辑部分( 数据 层) 。表示层的功能是实现与用户的交互；功能层的功能是进行具体的运算和数据的 处理；数据层的功能是实现对数据库中的数据进行查询、修改、更新等任务，在这里 还包括数据采集和仪器控制等。由于c s 结构被设计成两层模式，显示逻辑和事务处 理逻辑均放在客户端，数据处理逻辑和数据库( 这里还包括仪器设备) 放在服务器端， 从而造成了一种“胖客户瘦服务器”的模型，大量的应用程序在客户端，而服务器 只起到了一个管理的作用。这样如果应用程序需要更新或者维护，就必须对每一个客 户端进行大量的操作，非常繁琐而且工作量很大，带来的成本相对也很高。两层的基 于c s 模式的虚拟仪器系统的结构如图2 1 所示。注意图中服务器端包括做为服务器 的计算机和与计算机相连的仪器设备。 随着i n t e r n e t 越来越广泛的应用，原来基于局域网的企业网开始采用i n t e m e t 技 术来构筑和改建自己的企业网，即i n t r a n e t 。于是，种新兴的体系结构b s 应运而 南京航空航天大学硕士学位论文 生，并获得飞速发展，成为众多厂家争相采用的新型体系结构。本质上，b s 也是一 种c s 结构，它是一种由传统的二层c s 结构发展而来的三层c s 结构在w e b 上应 用的特例。 客户机服务器 显。厂二一 请求 事务 数据 二霞擎 刀i 处理 采集、 逻仪器 蛆1 竺 响应控制 图2 1 基于c s 模式的虚拟仪器系统结构图 在b s 的系统中，用户可以通过浏览器向分布在网络上的许多服务器发出请求。 b s 结构极大简化了客户机的工作。客户机上只需安装、配置少量的客户端软件即可， 服务器将担负更多的工作，对数据库的访问和应用程序的执行将在服务器上来完成。 在b s 三层体系结构下，表示层( p r e s e n t a t i o n ) 、功能层( b u s i n e s sl o g i c ) 、数据 层( d a t as e r v i c e ) 被分割成相对独立的单元。原来两层的c s 结构转变成三层的b s 结构，这样客户机的压力大大减轻了，把负荷均匀地分配给功能服务器，这种三层的 虚拟仪器系统的结构如图2 2 所示。 浏览器功能服务器仪器服务器 显 k 数据 事务 ， 采集、 ：霞雾 不 处理 逻 逻辑 仪器 蛆 控制 图2 2 基于b s 模式的虚拟仪器系统结构图 这种体系结构不仅把客户机从沉重的负担和不断地提高性能的要求中解放出来， 也把技术维护人员从繁重的维护升级工作中解脱出来。由于客户机把事务处理逻辑部 分分给了功能服务器，不再负责处理计算和数据访问等关键事务，只负责显示部分， 使客户机一下子“苗条”了许多，成为“瘦客户机胖服务器”，所以维护人员不再为 程序的维护工作奔波与各个客户机之间，而把主要精力放在功能服务器的更新工作。 这种三层结构层与层之间相互独立，任何一层的改变不影响其它层的功能。它从根本 上弥补了传统的二层c l i e n t s e r v e r 体系结构的缺陷，是应用系统体系结构中一次深刻 的变革。 3 两种体系结构的对比 基于w e b 的网络虚拟实验室的研究 b s 体系结构与c s 体系结构相比不仅具有c s 体系结构的优点，而且又有c s 体系结构所不具有的独特优势，它紧密结合了i n t e m e l f i n t r a n c t 技术，是技术发展的大 势所趋，它把应用系统带入一个崭新的发展时代。表2 1 对b s 模式与c s 模式进行 了比较。 表2 1b s 与c s 体系结构的功能比较 主要项 c sb ，s 只要在内部统一的标准即可，开放的，非专用的，经过标 标准应用往往是专用性的。准化组织确定的标准，具有 通用性和跨平台性。 必须开发出专用的客户端软只需在客户端装有通用的 件。安装、配置、升级都要在浏览器即可维护和升级都 开发与维护成本所有的客户机上实施。在服务器端进行客户端不 做任何改变，大大降低了开 发和维护成本 用户界面由客户软件决定，使用户界面都统一在浏览器 界面和使用用方法和界面各不相同，每推上，易于使用，界面友好， 广一种c s 系统，客户都要使用其它软件不需要再学 从头学起。习。 客户端具有显示和处理数据客户端不负责数据的操作 客户端的功能，对客户端要求很高，和复杂的计算，只进行显 是一个“胖”客户机示，大大降低了对客户端的 要求，是一个“瘦”客户机。 系统的三部分模块中只要有系统的三部分模块相互独 一部分改变，就要关联到其它立，其中一部分改变不会影 灵活性两部分的变动，使系统升级响其它部分，系统改变容 难。易，可用不同厂家的产品组 成性能更佳的系统。 客户机直接与仪器服务器连系统在客户机和仪器服务 接，用户可以随便来操作仪器器之间增加了一层w e b 服 安全性设各系统的安全性不好保务器，客户无法直接操作仪 证。 器设备，有效地防止了非法 入侵。 2 2d a t a s o c k e t 技术 d a t a s o c k e t ( 简称d s ) 是n i 公司提供的一种编程工具，是一种能够简化应用程 序之间、以及计算机之间进行数据传输的新的网络编程技术。d a t a s o c k e t 建立在 8 南京航空航天大学硕士学位论文 t c p i p 协议之上，但是不用进行复杂的底层t c p 编程，就可以通过计算机网络向多 个远程的终端同时广播现场的测量数据。无论是通过编程的方法还是前面板对象连接 的方法使用d a t a s o c k e t 传输数据，它都可以在程序运行后自动查找网络设备，局域网 上的计算机会通过网卡，做过i n t e r n e t 设置的计算机会通过调制解调器连接到网络服 务器上。 d a t a s o c k e t 包括下列四个组件： d a t a s o c k e t 服务器( s e r v e r ) 一d a t a s o c k e t 服务器在3 0 l5 端口连续侦听来自 客户端的请求。当客户请求到达之后，d a t a s o c k e t 服务器检查客户是否被允许访问服 务器。如果客户被允许访问服务器，那么它就处理客户的读写请求。 d a t a s o c k e t 发布者( p u b l i s h e r ) - - d a t a s o c k e t 发布者向d a t a s o c k e t 服务器写 入数据，这样服务器可以向任何想要预定数据的客户发布数据。 d a t a s o c k e t 订阅者( s u b s c r i b e r ) - - d a t a s o c k e t 订阅者读取d n a s o c k e t 发布者 向d a m s o c k e t 服务器写入的数据。 数据项( d a t ai t e m ) 一数据项用来标识读写的数据。在d a t a s o c k e tu r l 中， 它是一个唯一的名字。其可以代表一种类型的数据，也可以通过打包代表多种类型的 数据。 2 2 。ld a t a s o c k e t 服务器 n i 公司的大多数虚拟仪器软件开发环境，如l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 、 c o m p o n e n t w o r k s 、c o m p o n e n t w o r k s + + 等都支持d a t a s o c k e t 技术，在安装之后都会在 w i n d o w s 的程序菜单中增加n a t i o n a li n s t r u m e n t sd a t a s o c k e t 条目，这里包括 d a t a s o c k e t 的两个组件d a t a s o c k e ts e r v e r 和d a t a s o c k e ts e r v e rm a n a g e r 。 d s 服务器d a t a s o c k e ts e r v e r 是一个小巧、独立运行的应用程序，其面板如图2 3 所示。在这上面显示了主机s o n g 作为d a t a s o c k e ts e r v e r 所连接的的任务数和已经发 圈2 3d a t a s o c k e t 服务器面板 布的数据包数。利用d s 技术传输数据必须先打开d a t a s o c k e ts e r v e r ，它运行在一台 计算机上负责处理客户连接。客户可以向服务器写数据( 此时客户端称为d a t a s o c k e t 发布者) ，或从任一发布者处读数据( 此时读数据的客户端称为d a t a s o c k e t 订阅者) 。 d a t a s o c k e t 服务器则自动处理底层的网络连接及数据包传输，使网络连接对客户端保 持透明。它使我们开发的程序不必担心如何管理t c p i p 连接，或者担心程序性能囡 基于w e b 的网络虚拟实验室的研究 连接的客户数量而受到影响等。 d m a s o c k e t 服务器、发布者和订阅者的分布可以分两种情况。第一种情况为 d a t a s o c k e t 服务器运行在发布或写数据的计算机上，如图2 4 所示。这种情况下，计 算机既运行着d a t a s o c k e t 服务器，又采集数据，并通过d a t a s o c k e t 服务器将数据发 布出去。 图2 4d a t a s o c k e t 服务器和发布者运行在同一主机上 第二种情况为专门使用一台计算机作为服务器，其它的计算机向服务器写入或读 取数据，如图2 5 所示。这种分层的模型可以将测量系统和服务器隔离起来，将 d a t a s o c k e t 服务器置于对外服务器，数据发布者则置于防火墙后，从而提高了安全性， 而且组建的系统具有很大的灵活性，整个系统的性能也提高了。 图2 5d a t a s o c k e t 服务器和发布者运行在不同主机上 由于d m a s o c k e t 服务器是基于a c t i v e x 接口实现的，因此目前只有w i n d o w s 下 的版本，但这并不影响在d a t a s o s k e t 客户端上实现跨平台应用。实际上，采取用j a v a a p p l e t 及j a v a b e a n 等来实现在异手中平台( 如l i n u x ) 下用w e b 浏览器访问w i n d o w s 平台下的d a t a s o c k e t 服务器是一种很有意义的技术方案。 d a t a s o c k e t 客户端则实现用d a t a s o c k e ta p i 同d a t a s o c k e t 服务器进行通信。 d a t a s o c k e t a p i 目前主要有以下几种实现方式：l a b v i e w v i 、l a b ，i n d o w s c v i c 库、 a c t i v e x 控件和j a v a b e a n 等。 2 2 2d a t a s o c k e t 服务器管理器 d s 服务器管理器d a t a s o c k e ts e r v e rm a n a g e r 是一个配置和管理工具，在使用 d a m s o c k e l 技术的过程中经常使用到，其界面如图2 6 所示。通过d s 服务器管理器 可以对d s 服务器进行配置，每次设置改变后，d s 服务器应重新启动阻使新设黄生 效。d s 服务器管理器包括以下功能： 1 服务器配置 服务器配置( s e r v e rs e t t i n g s ) 是与服务器性能有关的设置。m a x c o r m e c t i o n s 参 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 数可设置最多允许多少客户端同时连接到服务器，缺省值是5 0 。m m x l t e m s 参数可设 置服务器允许的最大数据项数量，缺省值是2 0 0 。 幽2 6d a t a s o c k e t 服务器雷理器界面 2 组许可配置 p e r m i s s i o ng r o u p s ( 许可组) 是与安全有关的部分设置。d s 服务器管理器将多 个主机分为不同的组，不同的组具有不同的访问权限，比如说允许向服务器发布数据 项的组，或者允许从服务器读取数据项的组。所谓组( g r o u p s ) 是指用一个组名来代 表一组l p 地址( 主机) 的集合，这对于以组为单位进行设置较方便。 p e r m i s s i o ng r o u p s 通过使用内置的三个组来实现安全性： d e f a u l t r e a d e r s 一可以从d s 服务器读取数据项的主机。默认值是e v e r y h o s t ，表 示每个主机都可以读取数据项。 d e f a u l t w r i t e r ，一可以向d s 服务器写入数据项的主机。默认值是l o c a l h o s t ，表 示只有运行d s 服务器的主机可以写入数据项。当要采用图2 4 所示的模型时，就需 要对此进行改变。 c r e a t o r s 一允许创建数据项的主机。默认值是l o c a l h o s t 。 3 预定义的数据项 p e r m i s s i o ng r o u p s 只定义了哪些主机属于哪个组，而要指定每个组具体的访问权 限则可在数据项预定义中设置。 2 2 3d a t a s o c k e t 支持的通信协议和数据类型 根据不同的需要，d a t a s o c k e t 支持多种通信协议，这些协议使用和w e b 浏览器 相似的统一资源定位符u r l ( u n i f o r mr e s o u r c el o c a t o r ) 来连接数据源和数据目标。 这些协议的不同体现在u r l 的前缀上，称之为u r l 模式，其中主要包括： h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，超文本传输协议) 指的是标准的w e b 基于w e b 的网络虚拟实验室的研究 服务器。 f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c o l ，文件传输协议) 一通过这个协议来指定要读写数 据的文件。 o p c ( o l e f o r p r o c e s s c o n t r 0 1 ) 一专为共享实时数据而设计，如工业自动化操 作所产生的数据。 l o g o s 一一种n i 公司内部的技术，用来在网络和本地计算机之间传输数据。 f i l e 一用来访问本地文件。 d s t p ( d a t a s o c k e tt r a n s f e rp r o t o c o l ，d a t a s o c k e t 传输协议) 一专为d a t a s o c k e t 共享实时数据而设计的协议，是比较常用的协议之一。在本课题中将会用到d s t p 协 议。 d s t pu r l 的填写格式示例为d s t p ：n u a a e d u c r d w a v e f o r m 。d s t p 指d a t a s o c k e t 传 输协议。中间段是宿主机i p 地址或标识，最后一段是数据标签，在d s 服务器上为 特定的数据项定址。所以上述u r l 告诉应用程序( l a b v i e w v i 或a c t i v e x 控件) 从 r l u a a e d u c n 的d s t p 服务器上获取名称为“w a v e f o r m ”的数据项。和h t t p 协议及 f t p 协议不同，d s t p u r l 不是指向一般文档，而是指向数据项。而且，不同的协议 使用不同的端口号，通常h t t p 使用8 0 端口，d s t p 使用3 0 1 5 端口。 不过，d s t pu r l 只能在支持它的应用程序中使用，主要包括：l a b v i e wv i 、 a c t i v e x 控件和j a v aa p p l e t 。尤其是对于w e b 浏览器它本身并不直接支持d s t p ( 因 此不能直接在地址栏中使用“d s t p ：”) ，然而我们可以在浏览器的应用中使用 a c t i v e x 控件和j a v a a p p l e t 来响应d s t p u r l 请求，然后同远端的d a t a s o c k e t 服务器 通信。本课题的相关部分也正是采用了这样的思想。 由于d a t a s o c k e t 基于u r l ，因而可以通过网络连接任何地方的测控数据。而且 它是一种独立于协议、语言和操作系统的a p i ，用来简化二进制数据的发布，因而使 我们能方便地经由网络在不同的软件平台上收发数据。d a t a s o c k e t 能支持多种数据类 型，包括整型、浮点型、字符型、布尔型及它们的数组。 2 3l a b v l e w6 1 的远程面板 2 3 1l a b v i e w 内置的w e b 服务器 在l a b v i e w 中内置了一个功能强大的w e b 服务器。使用w e b 服务器可以生成 h t m l 文档，发布v i 前面板的静态或动态的图象，以及在w e b 页中嵌入v i 。在这 里有必要了解一些有关w e b 服务器的设置，这些设置不仅起到管理的作用，而且起 到安全性的作用。 1 w e b 服务器设置 设置对话框如图2 。7 所示。通过这个对话框可以实现以下功能：启动w e b 服务器； 选择h t m l 文件存放的根目录( r o o td i r e c t o r y ) ；设置h t t p 端口( h t t pp o r t ) ；设 南京航空航天大学硕士学位论文 置w e b 服务器等待请求的时间( t i m e o u t ) ：选择日志文件存放的位置。 图2 7l 曲v i e w 的w e b 服务器设置 2 w c b 浏览器访问设置 设置对话框如图2 8 所示。浏览器访问列表中列出了所有允许或不允许访问w e b 服务器的计算机i p 地址或计算机名。其中计算机的访问权限有三种：a l l o wv i e w i n g a n d c o n t r