遠程實驗分時管理平臺的設計與實現

李丹美 陸曉玨 江浩 張雄

摘要：由于高端儀器數量少，為了能使更多的學生使用高端測量儀器，研發了遠程實驗分時管理平臺。此平臺實現實驗設備在線預約、遠程控制、分時管理等功能，使學生有機會動手使用高端測量設備。該文闡述了遠程實驗管理平臺的特點、系統的架構和功能，介紹了實驗系統的技術實現，給出了實驗系統的應用模式。

關鍵詞：遠程實驗平臺；高端儀器；分時管理

中圖分類號：TP315 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）06-0018-04

大學實驗室中，一般的實驗課上實驗設備比較大眾化，量多，可以滿足許多學生同時完成實驗的要求，學生可以現場進行實際操作。但是有些高端測量儀器價格貴，數量少，無法滿足實驗時每組一臺的要求。這些高端儀器操作相對復雜，維護成本高，因此學生在實驗中較少使用。為了提高大學生的實驗動手能力，熟悉高端儀器的使用，我們以電磁場與電磁波實驗課程為例，建立了遠程實驗平臺。實驗測量現場搭建好后，學生可以在終端的瀏覽器上通過網絡訪問物理位置位于遠程的實驗室，并且完成遠程實驗。由于高端測量儀器的數量有限，考慮到眾多學生的實驗需求，我們探索出了一套基于域身份認證的分時管理平臺，利用Web技術，數據庫技術，Windows域管理技術等等，設計并且實現了平臺的分時管理功能，為遠程實驗儀器的控制和管理方面打開新的思路。

1平臺的總體設計

遠程實驗平臺指在校園網環境下，通過網絡訪問物理位置位于遠程實驗室，根據域認證的身份進入平臺，并且通過相關的應用程序來實現對實驗設備的遠程訪問，完成遠程實驗的測量并提交實驗報告。遠程實驗平臺克服了傳統教學實驗室的弊端，并且在控制學科領域有較為廣泛的應用，對其他學科實驗教學有重要的參考價值。

1.1系統結構

現階段，大多數網站開發采用的是B/S架構進行開發，相比于C/S架構，B/S架構不受限于局域網的特定環境，操作系統和瀏覽器的兼容性也比較強，因此本平臺采用B/S三層架構來搭建平臺的基本框架。由于實驗儀器的物理位置和相應功能不同，本平臺分成用戶端，服務器端和設備控制端，用戶端通過網絡和服務器端進行數據的交互，而服務器端利用局域網來實現對硬件資源的控制，系統的結構如圖1所示。

用戶端是由不同權限的用戶構成，根據權限的大小依次分為管理員用戶，教師用戶和學生用戶，這些用戶使用電腦或者移動設備來訪問遠程實驗平臺，經過身份認證后才能完成在線瀏覽，時間預約，遠程實驗等等一系列的功能。教師用戶擁有對應課程的管理權限，管理員用戶需要對整個平臺進行管理，用戶端是通過瀏覽器來訪問平臺，完成相應地數據請求和信息交換。

數據庫端是由數據庫服務器、DNS服務器、Web服務器、視頻服務器和身份認證服務器構成，在數據庫層主要負責對用戶身份的認證，響應用戶的數據請求，對實驗設備下發命令，完成用戶與平臺之間的請求交互，硬件資源的合理調度，實驗視頻數據的處理和監控等功能。

設備控制端包括防火墻，實驗儀器，網絡設備資源等，本平臺的實驗儀器采用的是ZVL矢量網絡分析儀，網絡設備資源是由交換機、路由器、攝像頭等硬件構成，在設備控制層主要實現對設備資源的調度，執行服務器端的命令請求，對實驗過程進行實時監控，并且采集相應地實驗數據等操作，根據不同的實驗儀器，需要進行相應端口等資源的配置以完成對設備的控制。

1.2功能模塊劃分

根據遠程實驗具體實驗需求，整個平臺被劃分為以下功能模塊，前臺是由個人管理中心、用戶身份認證、實驗設備操作、實驗在線預約模塊構成，后臺是由用戶信息管理模塊、實驗報告管理、實驗設備管理模塊構成，因此整個平臺的模塊劃分圖，如圖2所示。

2核心功能模塊設計

遠程實驗平臺的核心模塊是用戶身份認證模塊、實驗在線預約模塊、實驗設備管理模塊這三大模塊，用戶身份認證模塊實現對登錄平臺的身份進行安全驗證，實驗在線預約模塊實現對設備資源的合理分配，實驗設備管理模塊保障實驗按預約時間有序地完成，這三大功能模塊確保平臺的分時管理功能的最終實現。

2.1用戶身份認證模塊

2.1.1設計思路

用戶身份認證模塊建立用戶層與服務器層之間的訪問機制，校園內的用戶登錄實驗平臺時，需要經過身份的驗證過程，而用戶訪問硬件設備資源時同樣需要進行身份驗證，我們這里將CAS單點登錄系統和Windows域身份認證整合，從而統一地管理需要訪問平臺和硬件設備的用戶。其主要流程是，在校園網內創建一個根域，將需要訪問平臺的PC或者移動設備加入該域，并添加相應用戶的賬號和密碼，至此，完成域身份的配置過程。域終端用戶訪問設備或者Portal時，無需再進行身份認證，非域終端進行訪問時，會自動彈出Windows域身份的認證框，認證失敗后，即沒有權限訪問對應的設備資源。基于域的單點登錄框架圖，如圖3所示。

將CAS單點登錄系統和Windows AD域身份認證整合，Windows AD域負責身份認證，CAS負責單點登錄，而實現的媒介是Portal，起到鏈接認證和AD域整合的作用。域終端訪問資源或者Portal，無需再進行身份認證，身份認證后將單點登錄交給我們模擬CAS認證的服務中心DTSSO進行單點登錄，單點登錄主要是申請票據和兌換票據的過程，訪問資源時需要去服務中心申請票據，服務中心把票據頒發給信任的用戶，用戶憑借票據訪問資源，完成相應地身份驗證。

2.1.2身份驗證模塊的設計與實現

CAS私有域票據是作為域終端用戶實現單點登錄的核心組成，主要負責域用戶的身份驗證。票據的字段包括ID，use-rADnameID，expireTime，exchangeTimes，ticketGenerateTime等基本信息，其中，ID字段是區分票據的唯一標識，userADnameID字段是區分域用戶身份的唯一標識，并且票據具有時效性，一般系統設置的有效時長為30秒，這里用ticketGenerateTime來記錄票據的生成時間，exchangeTimes是記錄兌換票據的次數，因此.票據的這些基本信息，如表1所示。

2.2實驗在線預約模塊

2.2.1設計思路

實驗在線預約模塊是指登錄平臺的用戶，經過身份認證后，實現對硬件設備的分時段資源管理的功能。其核心思想是，用戶在進行遠程實驗操作前，需要對使用設備，使用時間進行預約，即用戶首先在PC端進行統一身份認證后，在瀏覽器欄輸入實驗平臺的IP地址，登錄到平臺的預約界面并且查詢設備的使用情況，根據當前預約的具體情況，選擇設備的預約時間，防止出現設備資源占用導致無法預約的情況。用戶進行預約的內容包括實驗指導教師，實驗類型，實驗課題，實驗時段，點擊“預約”按鈕，提交請求，如果返回“預約成功”的提示，則表示預約成功，用戶在預約時段內登錄平臺進行遠程實驗的操作，如果返回“預約失敗”的提示，則需要進行重新預約。在線預約的基本流程，如圖4所示。

2.2.2后臺數據庫的構建

為保證在線預約功能的順利實現，針對用戶信息、預約時段、預約設備等數據我們需要構建相應地數據庫進行管理，有利于后臺數據的查詢，判斷和調用。平臺采用的是MySQL數據庫系統進行數據的管理，新建數據庫NewRecord，數據表Reser-ration，如表2所示。Reservation表列：id字段記錄數據表自動生成的編號，user_num字段記錄預約用戶的學號，user_content記錄預約的實驗內容，user_device記錄預約的硬件設備，us-er_time1表示預約的起始時間，user_time2表示預約的結束時間，根據兩者的時間差來判斷預約時長。

2.2.3在線預約信息存儲的設計與實現

用戶在平臺預約信息需要存儲到后臺的數據庫中，基本的流程是，將預約的數據定義成data類，利用DoInsert（插入數據）函數把預約的相關數據插入到Reservation的數據表中，主要代碼如下：

首先，我們自定義data類，接著在類中定義字符串connstring連接本地的數據庫，獲取預約的數據，在Do_Insert（）函數中新建連接數據庫的對象order，然后執行Sqlcommand對象的實際用例，代碼執行一次完畢后，利用ExecuteNonQuery（）函數更新數據庫記錄，把下一個記錄寫入到Reservation數據表中，依次類推，完成所有數據的傳輸和存儲。

2.3實驗設備管理模塊的設計

2.3.1設計思路

采用的是用戶在遠程實驗平臺上提交預約申請，域控進行預約設備管理，在規定的時間開放實驗設備的使用權限，保證同時段單個用戶登錄實驗儀器進行實驗，避免出現實驗中用戶掉線的情況。用戶進行遠程實驗的基本框架，如圖5所示：

（1）在線預約

學生需要通過遠程實驗平臺進行個人信息的注冊，具體需要注冊以下的信息：賬號，密碼，姓名，學號，班級，個人郵箱，電話號碼，注冊成功后，個人信息將記錄在后臺的數據庫之中。注冊成功后，學生需在平臺首頁的VR-實驗室-遠程實驗-預約遠程實驗中進行實驗預約，預約申請表中需要填寫任課教師，實驗類型，實驗名稱，實驗時間以及申請理由，預約成功后將在學生端的實驗預約界面進行反饋。

（2）判斷沖突

學生端提交預約申請表后，所有用戶申請的數據將保存在Web管理頁面中，管理界面需要處理所有用戶的申請，判斷是否存在實驗時間的沖突，進行沖突檢測，保證同時段只有一個用戶可以進行遠程實驗。

（3）預約下發域控

管理界面進行沖突檢測后，將預約的賬戶，密碼，預約時間等信息形成一條命令，在域控制器中生成一條某用戶預約信息的策略，包括指定設備，用戶，預約時間等。所有的域控主機通過該策略來限制用戶的登錄。

（4）遠程登錄設備

學生的預約申請成功后，在指定時間內，登錄域中的實驗儀器設備通過遠程桌面連接，進行實驗，實驗結束后數據將保存在設備中。

2.3.2預約沖突檢測的設計與實現

預約沖突檢測模塊是實驗設備管理模塊最核心的功能，為保證遠程實驗預約機制的順利進行，需要對設備資源的使用情況進行查詢，所以，需要檢測后臺預約的記錄并判斷沖突。本平臺是利用多層的嵌套結構來進行邏輯判斷，判斷和檢測的過程，如圖6所示。

在線預約功能實現主要的難點在于預約時間段的選擇，滿足以下規則：

第一，每天的二十二點至五點是實驗室資源最為空閑的時段，再考慮到服務器需要日常的更新與維護，實驗室每天的開放時間為早上八點，關閉時間為下午五點，用戶需要在此時間段進行在線預約；

第二，用戶需要填寫正確的預約時間，即選擇實驗時間的格式必須正確。預約的時間保證在同一天進行，并且結束時間需在開始時間之后，否則無法提交預約信息；

第三，由于資源的數量有限，用戶的需求較多，每人每天最多只能預約一次遠程實驗。

用戶預約時間采用datetimepicker控件來實現，結合網頁制作的iquery技術、實時日歷控件、slider控件，我們每天預約時間按照小時，分鐘和秒鐘來定義，小時所需的滑動格數是24，分鐘所需的滑動格數是60，秒鐘所需的滑動格數也是60，我們這邊定義秒鐘的概念，但是禁用秒鐘的滑動格。當我們選擇相應的格數，就可以進行相應的日期和時間的選擇。在頁面頭部header部分，定義整個頁面的功能和設計的樣式，利用textbox控件，定義該控件對應的初始時間ID為timel和結束時間ID為time2，主要代碼如下所示：

用戶在前端預約界面，填寫好預約信息后，點擊“提交”按鈕，通過daetimepicker控件發送數據請求。預約起止時間timel，time2必須是datatime類型，因此需要預約時間的格式進行判斷，主要代碼如下：

根據這段代碼，我們知道database類有兩種函數可以判斷預約時間的唯一性，分別是iexist（）函數和iexists（）函數，database.iexist（）函數判斷是否預約時間為同一天，database.isexists（）函數判斷預約的日期是否存在重復的情況。

對于iexist（）函數的方法，我們首先連接對象，然后為字符串賦值，接著打開對應的數據連接，執行數據庫語句，目的是讀取用戶的數據，并判斷當天是否存在預約記錄，最后關閉之前的數據庫。用戶的學號用參數c表示，用戶預約的時間用參數d表示，具體的程序是，獲取用戶的預約時間后，通過Session變量得到用戶的學號，利用SQL語句查詢NewRecord數據庫中Reservation表的stime字段，來判斷用戶當天是否有預約實驗的記錄，主要代碼代碼如下：

rs.Close（）；

return false；

3結論

分時管理平臺解決了實驗裝置的可利用數量少與所需實驗的用戶數量多的矛盾，讓實驗不再受限于時間和地域等客觀條件。該實驗平臺具有安全訪問，分時管理的特點，目前實驗平臺已完成基本的測試，運營情況正常，后期對平臺的功能不斷進行改進和拓展，并且將之真正地投入到學校遠程實驗的建設中去。