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第一章  绪论
 
 
1.1 课题研究的背景与意义
       本课题的研究主要基于虚实互动在线计算机网络实验室建设这一项目,该项目得到了上海市教委以及东华大学教务处的大力支持。项目主要分在线虚拟实验室和远程控制实验室两大内容,本人主要担任远程控制实验室建设的任务。
       如今许多高校开设的计算机网络课都有相应的实验室为支撑,学生还是按照课时安排到实验室现场进行网络实验。然而,这种传统的实验模式存在许多问题,由于设备资源是有限的,网络实验往往会发生只有几个学生在操作设备而其他学生只能观看的情况,最终导致实验教学的效果受到很大的影响。如果在课余时间开放实验室的话,由于网络实验需要对设备端口反复进行插拔,导致设备的寿命受到很大的影响,同时学生在不同时间段频繁出入实验室,导致对实验室秩序的维持变得十分困难。所以,许多学校只安排一部分课余时间开放实验室,但这也导致了在大部分课余时间里设备资源被闲置的结果,设备资源的利用率十分低。
    远程控制是互联网崭新的应用,通过远程实验的方法,学生不用到实验室现场进行实验了,只要和实验室预约好时间,在一个能够接入互联网的地方通过一台PC机上安装的浏览器访问到实验室的服务器再通过服务器就能连接到实验室的资源并使用了。同时,这也极大程度地保护了设备本身,学生不用再到实验室现场进行设备接口的插拔了,而是通过互联网远程连接设备进行操作,用新的方法进行网络拓扑的规划和网络设备的配置。除此之外,实验室的秩序管理也得到了保障,因为学生从此就可以通过自己的PC终端上的浏览器访问实验室服务器再通过服务器调用实验室资源的方法来做实验了,那么一切对学生的管理、对实验的管理以及对设备的管理都可以由服务器管理软件统一实现[1]-[2]
 
1.2 国内外研究现状
       为了实现远程控制实验教学这一新的教育模式,国内外不少大学及科研院所投入了大量的人力、物力进行远程实验技术的研究,并取得了很多有意义的成果。
    中国科技大学物理系研制了一套基于Internet的扫描探针显微镜(SPM)远程控制系统。该系统分为四个部分:客户端、服务器、SPM仪器端、视频监视系统。其客户端分为两种类型,一类是主控操作人员程序端,用户对设备进行远程操作,采用TCP/IP协议的C/S结构对SPM进行操作运行;另一类是观众客户端,这部分程序是基于HTTP协议和CGI的浏览器,提供给普通用户观看实验过程。服务器和SPM仪器端通过自行设计的DSP控制器组成一套完整的SPM反馈系统[3]-[7]
    该系统的优点在于确实实现了远程实验的效果,及用户能在客户端通过互联网远程控制到终端设备,从而实现异地临境的实验方法。然而,其缺点在于系统架构的设计主要是C/S模式,这使得一旦服务系统升级,用户又要重新下载客户端进行同步的更新,这就导致用户的终端负担过重了。
此外还有大连理工大学机械工程学院研制的远程控制快速成型加工系统、上海交通大学电子信息学院研制的一套机器人远程控制系统以及浙江大学研制的依托千兆局域网丛础上的基于C/S模式的远程控制系统等等。采用C/S模式都是他们系统上的缺陷所在[8]-[9]
    在国外,新加坡国立大学(NUS)的远程实验室允许用户通过Internet进行远程实验,使用B/S方式实验,可以实现昂贵的实验设备共享。远程实验室的服务器端使用LabVIEW虚拟仪器软件实现对实验设备的控制,服务器与实验设备之间通过RS-232接口或IEEE488.2 GPIB总线进行连接。为了能让用户直观地观察到实验现象,远程实验室采用视频会议技术向用户反馈视频和音频信息。用户也可以控制摄像头的焦距和视角来获取满意的观察位置。客户端使用Web浏览器作为统一的用户界面,其中嵌入的JavaApplets可以显示各个虚拟仪器的控制面板和数据,并通过Internet与服务器进行通信以传递用户的控制数据和实验结果。到目前为止,这个实验室己经实现了电路、通信和控制领域的五个实验。其中水位控制实验的设备是一个双输入、双输出的连通器,这个连通器具有两个出水口和两个入水口,是一个典型的双输入、双输出控制系统。远程用户在客户端上可以通过选择控制算法和调整参数来控制连通器装置中的水位。系统提供了常规PID、状态反馈、模糊控制等控制方法,允许用户输入参数并观察实验结果,取得了一定的实验效果。
    该系统的优点就在于不仅实现了用户的远程实验,由于采用B/S架构,使得在服务系统升级的时候,对用户而言几乎是透明的,用户不用在客户端进行同步的软件升级,因为他们的客户端只是一个简单的浏览器而已,这就使得用户的负担非常小。而服务器端采用统一的升级不用顾虑客户端的感受,从而也使得系统更新变得非常顺利。此系统的进一步发展方向应该是研究如何实现多用户的协同操作,这样可以是系统的功能得到大大地提升,而不是停留在单一用户上。
此外还有美国UTC大学设计的网上工程实验室、意大利锡耶纳大学开发的自动控制远程实验系统以及美国德克萨斯州立大学建立的远程实验室等等[10]-[11]
从国内外的研究和应用情况可以看出,基于远程控制的各种类型的实验具有广泛的应用前景。但同时,实验的服务模式是基于C/S还是B/S,远程实验所能涉及的领域是否还能进一步拓展等等还有很多问题有待进一步深入研究。尤其是计算机网络远程实验,对开设计算机网络课程的院校而言非常重要,然而目前国内外有实用价值的成果还很少。因此,本论文开发的一套基于Internet的远程控制计算机网络实验系统具有重要的现实意义。
 
1.3 本文的主要工作和研究内容
       本文的目标是开发一套基于Internet的远程控制计算机网络实验系统。主要工作和研究内容如下:
       一、完成远程实验室网络控制子系统的规划与部署。包括SSL/VPN防火墙的规划、部署以及配置;实验室内部核心交换机的规划、部署以及配置;实验室内部实验服务器的配置、开发以及管理;设备管理控制台的规划、部署以及配置;网络摄像头的规划、部署以及配置。从而完成远程实验控制系统的集成工作,为用户进行远程实验奠定了网络基础。
       二、完成教师部署实验子系统的开发。本人通过.NET软件技术基于B/S模式开发了一套教师部署实验系统,服务器操作系统选择Windows2003,系统发布平台采用IIS6.0,数据库采用微软的Sql2005.NET的开发工具选择了VS2008可视化的集成开发平台。开发中实现的关键模块有:教师系统身份认证模块;教师部署实验学生模块;教师部署实验内容模块;教师部署实验设备模块以及教师最终生成实验环境模块。从而支持教师进行远程布置网络实验的强大功能。
       三、完成学生实验子系统的开发。同样采用上述的.NET解决方案(Windows2003+IIS6.0+Sql2005+VS2008/C#)。开发中实现的关键模块有:学生系统身份认证模块;学生远程智能组网及完成网络实验模块;学生智能请求网络拓扑现状模块以及学生请求现场实时状态反馈模块。该子系统是整个远程网络实验室系统的核心部分,通过该子系统的开发,实实在在地实现了学生远程网络实验的需求。
       论文主要创新点如下:
       一、通过vlan技术[12]-[14]实现了用户远程智能组网的功能。对于传统远程网络实验由于用户不能到现场通过插拔线方式进行网络拓扑的规划,一般只能利用事先给定的一张固定拓扑进行实验,这就导致了实验类型的单一,达不到自主实验的教学效果。而本文利用先进的vlan技术解决了这一实际问题,使得用户不但能够进行远程实验,而且还能够通过自由规划网络拓扑而进行自主性的创新实验[15]-[18]
       二、提出并设计了一个“实时拓扑呈现算法”,实现了远程网络实验的网络拓扑及链路状态反馈。传统的现场及远程实验方式均没有解决组网实验的当前网络拓扑及链路状态反馈问题,使得用户在组网过程中无法确定其拓扑设计的正确性,往往由于设计错误而导致实验重新开始。本文通过自创的“实时拓扑呈现算法”以图形的方式实现了根据用户每一步的配置来反馈当前的网络拓扑及链路状态。这对保证远程用户远程实验的正确性起到了关键作用。
       三、通过网络摄像头视频传输功能实现了远程用户现场临境体验的功能。该功能是本系统的特色功能,远程用户因为无法知道现场设备的具体反映(如设备的电源是否开启,设备相应的端口是否亮起等等),通过现场视频的真实反馈,不仅能够使用户实验过程中对设备有了感性认识,而且也能保证实验过程的顺利进行,保证了实验的正确性。
    本文共五章,每章的具体内容安排如下:
    第一章:绪论。主要介绍了课题研究的背景与意义,国内外研究现状以及本文的主要工作和研究内容。
    第二章:远程控制计算机网络实验系统的总体设计。主要概述了整个系统的组成,包括控制网络子系统,该系统主要为用户远程实验提供硬件基础。其次是教师部署实验子系统,该子系统由.NET平台开发而成,主要实现了教师部署实验的一系列功能。同样利用.NET平台开发的学生实验子系统,该子系统是整个系统的核心部分,主要实现了学生具体实验的各个功能。
       第三章:远程实验室控制网络子系统。主要介绍了控制网络子系统硬件组成,首先是基于SSL/VPN的防火墙技术,该设备主要进行远程用户的认证工作,以保证实验室的安全性。其次是基于重定向telnet技术的设备管理控制台,该设备能够集中管理调度路由器、交换机等实验对象,使得所有实验设备的分配十分有条理。最后是基于视频传输功能的网络摄像头,该设备能够使远程用户调用现场视频,从而提高远程实验的现场真实感。
       第四章:教师部署实验子系统。主要介绍了教师身份认证功能的实现,部署学生、内容、设备以及生成实验环境功能的实现。教师在登录部署实验平台前首先需要进行身份认证,只有合法的教师才能分配实验室的资源。教师一旦登陆成功,就可以进行实验的部署了,部署一个实验一般需要三个要素:实验学生、实验内容以及实验设备,在三者都部署完成后,便可以生成最终的实验环境,最终实验环境的生成标志着一次实验的顺利部署完毕。
       第五章:学生实验子系统。该章是整篇论文的核心部分,主要介绍了学生身份认证、智能组网、请求实时拓扑以及请求现场反馈等功能的实现。学生在做远程实验前首先也要进行身份认证,认证通过后便可以进行网络拓扑的规划、设备的配置、实时拓扑的请求以及网络摄像头的应用。其中,远程网络拓扑的智能规划用到了vlan这一关键技术,而在实时拓扑请求功能方面,本人自己设计了相关的算法并实现了这一功能,以上两点都是论文的创新之处。最后,用户能够通过网络摄像头请求实验室现场的状态也是论文的一大亮点。
       最后,对本文所做的工作进行了总结和展望。
 
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