基于 Intemet 的远程虚拟实验室.doc

一种基于 Intemet 的远程虚拟实验室，采 用 LabVIEW 应 用 程 序 开 发 环 境 对 本 地 仪 器 进 行 控 制 ，并 通 过 GPIB 接口将可程控仪器连接 到 计 算 机 上 ，实 现 仪 器 的 本 地 控 制 并 对 模 拟 实 验 平 台 进 行 测 试 ；同 时 运 用 LabVIEW 强 大 的 分 析 和 处 理能力，设计了数据分析和信号处理等一系列仿真实验。 为了实现远程实验，通过 Internet 对实验进行操作，采用网络技术把 所提供的实验放入网站，远程用户只需利用网络浏览器就可以登录到远程实验室的网络服务器上，进行实验操作，远程控制实 验仪器。 【关键词】： 虚拟实验室； LabVIEW ； EDA1 、概述 和虚拟实验，或者远程控制仪器，并且获得实验结果。 公共网关 基于网络的虚拟实验室是通过网络实现资源共享， 利用虚 接 口 CGI 和 传 输 控 制 协 议 TCP 是 客 户 端 与 Web 服 务 器 以 及拟仪器技术和网络技术，使用户能够通过访问互联网或校园网， Web 服务器与实验室服务器之间的主要通讯方法。操 作 和 使 用 实 验 室 的 仪 器 ，同 时 可 实 现 数 据 采 集 、传 输 、处 理 分 2 本地仪器控制子系统析 一 体 化 ，实 现 多 人 协 同 工 作 ，完 成 课 程 实 验 ，为 实 践 教 学 提 供 在本地控制子系统中， 作为控制仪器的 PC 机上装有通用一种更加开放、自由，且便于管理的模式和手段。 文中提出的网 接口总线 GPIB 接 口 和 一 块 网 卡 。 仪 器 控 制 服 务 器 通 过 已 建 立上虚拟实验教学系统， 实质上是通过互联网或校园网将实验系 起的 TCPIIP 通道 上 ， 获 得 来 自 Web 服 务 器 的 控 制 仪 器 的 命 令统的人机界面。 字符串。 进而启动仪器工作，完成测试任务。 因此，本地控制子系2 、远程虚拟电子实验室的系统组成 统是支持 Web 服务器与客户端通信的第二层服务器。 同时也被 采 用 GPIB 仪 器 控 制 技 术 ，将 可 程 控 仪 器 连 接 到 LabVIEW 用作为仪器控者。仪 器 控 制 服 务 器 上 ，完 成 仪 器 的 本 地 控 制 ；组 建 硬 件 实 验 平 台 ， 3 客户端子系统采 用 单 片 机 的 串 行 通 信 技 术 对 实 验 板 上 各 测 试 点 进 行 切 换 ，并 客 户 端 子 系 统 是 嵌 入 在 Web 服 务 器 中 。 当 用 户 登 录 到利用网络技术，把所提供的仪器说明、电子实验题目及实验内容 Web 服务器上后。 用户可以浏览虚拟实验室站点，获得所提供实加入建立的网站上，远程用户只需利用网络浏览器，就可以登录 验的概括介绍以及详细说明。 由于 Java 语言的跨平台可移植性到远程实验室的网络服务器上，进行实验操作。 以及它支持多种网络编程语言， 因此用它来实现客户端和服务2.1 远程虚拟电子实验室总体结构 器端之间的通信。 远程虚拟实验室硬件系统是由 Web 服务器、仪器控制 服 务 4 实现步骤及流程器 、硬 件 实 验 平 台 模 拟 和 数 字 两 部 分 、可 程 控 仪 器 和 视 频 摄 像 在远程实验室的主页上开列出所有可提供的实验题目 ，在头等组成。 相应的题目中显示该实验的有关内容， 并同时提供具体的仪器2.2 系统软件构成 说明以及仪器参数设置选项。 远程用户登录实验室进行远程实 如图 1 所示， 整个远程虚拟电子实验室系统的软件构成可 验的实验步骤：分为以下几个子系统： 1 当用户选择了具体的某个实验后，首先可利用所提供的 实验内容进行实验预习，然后开始实验操作。 2 用户可以根据具体实验的要求详细地设置仪器，使仪器 的状态变为用户所需要的，然后用户提交自己的设置。 3 远程实验室的网络服务器对接受到用户所提交的信息 进行处理，将其转换成对仪器的操作指令，并调用位于网络服务 器 之 后 的 实 验 室 服 务 器 以 及 在 其 上 运 行 的 LabVIEW 虚 拟 仪 器 软件开发平台。 4 由 LabVIEW 应 用 程 序 启 动 相 应 的 仪 器 设 备 ，并 根 据 用 户的要求对仪器进行配置， 然后开始测试用户所选择的实验电 图 1 远程虚拟实验室系统的软件结构框图 路的相关数据 . 5 测 试 完 毕 后 ，将 所 测 得 的 实 验 数 据 先 通 过 GPIB 总 线 传 回实验室服务器， 再传到网络服务器上。 通过服务器相应的处 理，回传给用户，并实时地显示到网页上。 这样就完成了网络虚 拟实验室操作的整个过程。 6 在远程实验室的主页上，还可以加入视频摄像部分 . 由视 频头所采集的图像可通 _ 过视频压缩传输技术传送到网页上， 这样用户就可以看到自己所操纵的精密仪器， 直接从屏幕上看 到实验结果。 而对于虚拟和仿真实验纯粹基于软件，不涉及任何 硬件设备，通过计算机编程来实现，这部分完成了一系列典型的 图 2 远程虚拟实验室系统的双客户端、服务器结构 电路实验、 低频实验和数字实验。 用户可以方便的选择实验题 1 Web 服务器子系统 目，阅读实验目的、实验要求和设置实验参数，然后提交信息，服 Web 服务器是整个系统的核心部分。 通过 Web 服务器，用 务器进行数据处理之后会向用户返回实验结果。 整个系统实现户 可 以 访 问 Web 站 点 ，可 以 选 择 实 验 类 型 ，可 直 接 做 仿 真 实 验 过程的流程图为图 2.4 所示。 （下转第 156 页） 156 福 建 电 脑 2009 年第 11 期上网使用的累计流量进行计费。 学校出口带宽 100M ，平均每秒 表 项 为 动 态 链 表 ，无 冲 突 时 只 有 一 个 项 ，当 发 生 冲 突 时 ，动 态 为通过计费系统的数据包个数约为 100000 个，统计方式为获取每 这个散列值地址对应的表项增加一个子项。个数据包的 IP 地址和包大小， 将 包 大 小 值 累 加 到 该 IP 对 应 的 4. 确定 Hash 函数：为了将 4 个字节的 IP 地址信息 Hash 到数据表项中。 校园内 IP 地址的 范 围 随 机 ， 上 网 的 IP 总 数 量 在 2 个字节的地址空间中， 同时达到 Hash 函数 要 求 的 简 单 易 用 ，10000 个以内。 要求设计一个合理的算法来快速统计流量。 采用折叠法和除留余数法相结合来进行 IP 地址信息的 Hash 运2.2 分析： 算。 每秒通过计费系统的数据包个数为 100000 个， 校园网 IP int Hashu_char key地址数 10000 个，如果使用传统的线性表来存储每个 IP 的 流 量 数 ，在 对 线 性 表 根 据 IP 信 息 进 行 过 排 序 之 后 ，最 佳 情 况 是 使 用 unsigned long h0折半查找，其时间复杂度为 Olog2n ，n10000 时平均每个数据包 h key0key2256key1key3需 要 花 费 13 次 比 较 。 在 实 际 应 用 中 每 秒 钟 平 均 需 要 进 行1300000 次的比较操作才能够将流量信息记录到各个 IP 对应的 return h65536数据结构中。 且每次新增加 IP 地址后，还需要进行重新排序，其 运算量更为巨大。 因此，我们需要对此进行改进和优化。 2.4 优化结果：2.3 优化处理： 根据上述分析及 Hash 算法、 表空间、 冲突处理方式的设 优化的目标： 计 ，能 够 使 得 校 园 网 IP 流 量 统 计 表 实 现 O1 性 能 的 查 询 、统 计 新增 IP 不需要进行排序。 能 力 ，相 对 于 使 用 线 性 表 存 储 的 方 式 ，即 节 约 了 排 序 时 间 ，又 使 达到 O1 的检索性能。 每秒需要进行 1300000 次比对查找才能够完成的计费统计过程 根据优化目标， 我们采用 Hash 表来进行存储， 根据上文 提升到只进行 100000 比对查找就能够完成，实现了系统性能的HASH 查找的性能分析中可知，为了提升查找性能，可以 适 当 增 大幅度提升。加 表 空 间 ，降 低 散 列 表 的 装 填 因 子 ，合 理 设 计 散 列 函 数 ，使 散 列 3. 结束语函数尽可能均匀，并选用合适的冲突处理方法。 Hash 算 法 是 一 种 解 决 大 容 量 数 据 表 快 速 检 索 的 一 种 简 单 1. 确 定 Hash 地 址 空 间 ：IP 地 址 的 显 示 格 式 为 XXX.XXX. 高效的方法，在需要进行大量检索操作的领域，有其非常重要的XXX.XXX ，而在网络数据包中，IP 地址是以一 个 32 位 无 符 号 整 作用和地位。形 数 存 储 的 ，其 共 有 4294967296 种 可 能 ，考 虑 到 校 园 网 内 的 IP数 量 不 超 过 10000 个 ，为 了 快 速 地 进 行 Hash 运 算 ，并 通 过 适 当 参考文献：提高散列值地址范围来减少上列表的装填因子，可以将 Hash 后 1. 汪诗林、 孙晓东等译 . 数据结构的中文全 称 是 数 据 结 构 、 算 法 与 应的散列值定为 16 位，即将 IP 地址进行 Hash 运算后的散列值分 用 -C 语言描述M. 北京：机械工业出版社 2009.布在 065535 之间。 2. 潘金贵 顾铁成 李成法 译算法导论M. 北京：机械工业出版社 2008. 2. 确 定 表 空 间 ：由 于 校 园 网 内 IP 数 在 10000 以 内 ，IP 地 址 3.Donald E.Knuth 著 . The Art of Computer Programming M. 北 京 ：机 械工业出版社 2008散列值为 16 位，则表空间大小为 65536 项。 3. 确定冲突处理方式：使用链地址法进行冲突处理，即每个（上接第 174 页）2.3 远程虚拟电子实验室系统的交互过程 CGI 请求后，从表单中获取相应的实验参数，进而向仪器控 制 服 如图 3 所示， 远程虚拟电子实验室的具体交互过程如下 ： 务 器 提 交 调 用 VI 的 请 求 。 运 行 于 仪 器 控 制 服 务 器 上 的 G Web远程用户 即客户端 通过浏览器访问本实验室，进入远程虚拟电 Server 接收到请求后，建立起与客户端 TCP/IP 连接，调用相应的子实验室系统网站的登录页面。 由浏 览 器 以 表 单 形 式 向 认 乞 b VI 程序：首先调用串口通讯 VI 程 序 ，即 通 过 串 口 向 硬 件 实 验 平服 务 器 提 交 登 录 请 求 ，Web 服 务 器 运 行 AsP 应 用 程 序 ， 并 从 台发送控制指令；然后启动仪器控制 VI 模块，使其通过 GPIB 接Acces 数据库中获取该用户相关信息，检测该用户是否为合法用 口卡调用相关仪器设备，对实验电路进行测试；最后将实验测试户。