基于WEB的在线实验室的实现.docx
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基于WEB的在线实验室的实现
北京信息科技大学
毕业设计（论文）
题目：
基于Web的远程实验系统的设计和实现
学院：
信息管理学院
专业：
信息安全
学生姓名：
李继文班级/学号信安1002/2010012713
指导老师/督导老师：
任俊玲
起止时间：
2014年2月25日至2014年6月21日
摘要
进入21世纪后，各个高校中的计算机类专业的实验教学得到了更多的重视，已经成为了高校教育中不可或缺的一部分。
但是，高校也面临着学生人数不断的增多这样一个难题，传统的实验教学模式为了适应人数的增加和实验量的增加，将会对实验室场地、实验仪器设备、指导教师的数量提出了更为严格的要求，尤其是实验资源的最优化利用更是无法解决。
这一系列的问题也使得远程实验系统的出现了成为了一种必要，且日益蓬勃。
当前，国内外的实验系统多事面向实验室流程的管理，例如实验报告提交、设备管理、实验批改、成绩导出等，而对于在线实验部分缺少研究。
本文设计和实现了基于Web的实验系统，不但用于常见的实验管理，并可以进行在线实验。
经过后期的测试，本系统可在实际中进行使用。
本文在起始章节阐述了研究的背景和意义，对于国内外研究现状及相关关键技术。
其中对于VMwareworkstation自动化处理、MySQL数据库、远程控制技术进行了重点介绍；然后设计了系统的整体实施方案。
对于整个系统的三大模块：
学生端、教师端、管理员端，进行了详尽的分析，实现了各模块的界面设计；然后介绍了三大模块在Yii框架下的具体实现方法、MySQL数据库的设计，同时也介绍了VMwareworkstation和VNC实现在线实验、swftools和flexpaper实现在线文档阅读；最后，对其进行测试，结果表明该系统可以应用于实际的教学实践并发挥一定的优势。
关键词：
远程实验系统；VMwareworkstation；VNC；flexpaper；Yii
Abstract
Afterenteringthe21stcentury,allkindofprofessionalexperimentalteachingofcomputerincollegesanduniversitiestogetmoreattention,hasbecomeanimportantpartofcollegeeducation.Collegesarealsofacingthenumberofstudents,however,increaseinthenumberofsuchaproblem,thetraditionalexperimentteachingmodeinordertoadapttotheincreaseofthenumberandtheincreasedamountofexperiment,laboratoryspace,experimentalinstrumentsandequipment,willbethenumberofteachersputforwardthemorestrictrequirements,especiallytheexperimentalresourcesoptimizationusingisunabletosolve.Thatisaseriesofquestionstomaketheremoteexperimentsystemappearedanecessity,andgrowing.Atpresent,thedomesticandforeignexperimentalsystemmuchgearedtotheneedsofthemanagementofthelaboratoryprocess,suchasexperimentreport,equipmentmanagement,grade,gradeexport,partofthelackofresearchfortheonlineexperiment.
Inthispaper,thedesignandimplementationofweb-basedexperimentsystem,notonlyforcommonlabmanagement,andcanbeonlineexperiments.Thelateafterthetest,thissystemcanbeusedinpractice.
Inthispaper,inthebeginningchapterexpoundstheresearchbackgroundandsignificance,fordomesticandforeignresearchpresentsituationandtherelatedkeytechnologies.OneforVMwareworkstationautomatedprocessing,MySQLdatabase,remotecontroltechnologywereintroduced;Thendesigntheoverallschemeofthesystem.Forthewholesystemofthreemodules:
side,teachersandstudents,administrators,hascarriedonthedetailedanalysis,implementstheinterfacedesignofeachmodule.ThenintroducesthethreemodulesintheconcreterealizationmethodoftheYiiframework,thedesignoftheMySQLdatabase,italsointroducestheVMwareworkstationandVNCtorealizeonlineexperiment,swftoolsandflexpaperrealizeonlinedocumentreading;Finally,totestit,andtheresultsshowthatthesystemcanbeappliedintheactualteachingpracticeandplayacertainadvantage.
Keywords:
Theremoteexperimentsystem;VMwareworkstation;VNC;flexpaper;Yii
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1课题研究背景和意义1
1.2国内外研究现状及趋势2
1.2.1国内研究现状2
1.2.2国外研究现状2
1.3本文研究内容3
1.4本章小结3
第二章远程实验系统开发关键技术4
2.1C/S与B/S架构解析4
2.2MySQL数据库技术5
2.3文档在线展示技术6
2.4Web开发相关技术7
2.4.1JavaScript技术7
2.4.2Ajax数据异步传输8
2.4.3Yii框架8
2.4.4Netbeans开发环境及PHP开发8
2.5VMwareWorkstation自动化处理9
2.6远程控制技术10
2.7本章小结11
第三章远程实验系统总体分析与设计12
3.1系统总体分析12
3.2系统总体设计方案12
3.3学生端整体架构13
3.3.1用户登录界面设计14
3.3.2主界面设计14
3.4教师端整体架构15
3.4.1用户登陆界面设计15
3.4.2管理选课学生界面设计15
3.4.3管理实验课程界面设计16
3.5管理员端整体架构18
3.5.1登录设计18
3.5.2学生管理19
3.5.3教师管理20
3.5.4课程管理20
3.6本章小结20
第四章远程实验系统的具体实现21
4.1学生端功能实现21
4.2教师端功能实现23
4.3管理员端功能实现23
4.4MySQL数据库的设计与应用24
4.5在线实验功能实现27
4.6文档在线展示功能实现28
4.7本章小结30
第五章系统测试31
5.1本章小结32
第六章总结与展望32
6.1总结32
6.2展望32
第一章绪论
1.1课题研究背景和意义
随着时代的不断发展和对应的计算机信息技术的进步，尤其是windows系统的不断发展，使得计算机进入到PC时代。
随之而带来的是对于计算机技术的强大的市场需求，高校对应的计算机类的实验课程不断增加，科研中的实验比例也不断提高。
对于工科学生而言，必要数量的实验是是十分有必要的，这对于学生的创新意识、实践能力、在实践中联系理论的能力是不可或缺的。
同时也是发现、分析问题和提高解决问题能力的重要手段。
21世纪进入了一个信息化的时代，科研发展对于高校人才的综合素质和创新能力要求更高，因此不断提高实验在高校人才教育中的发展使十分重要的，但是与此同时也带来了一些问题
随着高校对于实验课程的增加和学生的增加，使得出现了一系列的问题，在实践过程中可能出现以下问题：
一方面同学对于前沿先进技术的渴望和对实验环境更高的要求，另一方面实验设备陈旧，无法进行前沿先进技术实践的问题；一方面同学们所需实验数量增加，另一方面高校实验室承载量有限，无法进一步提高实验设备利用率的问题；一方面高性能实验设备有限，这就不得不增加实验室开放时间，但是另一方面又不能过度增加实验管理人员的工作量和压力。
针对这个问题，为应对当前出现的挑战和机遇，美国国家自然科学基金会（NSF）和IEEE控制系统协会（CSS）于1998年10月在伊利诺大学Urbana-Champain分校就控制系统教育的未来发展举行了一次讨论会。
会上的提出了总体建议指出：
，即在世界范围内，加强不同控制组织和控制学科间的合作来紧密关注控制系统的教育问题，深化社会对控制系统技术重要性的认识。
此外，为了进一步解释总体建议，会议还补充了9条附加建议：
其中第五条为推动控制系统实验室的发展（尤其是共享实验室），使更多的实验成为包括研究生在内的所有学生的接收控制理论教育的重要组成部分；第六条内容强调控制系统教育和研究在各层次上的有机结合；第九条鼓励将技术信息传播给控制系统工业应用者，同时提倡把实际工作经验带到课堂。
目的是加强控制理论实验室建设、通过因特网连接远程控制系统，釆取的创新方案是在高校、研究所间建立共享实验室。
一方面可有效利用现有实验资源；另一方面加深实验者对控制系统的理解同时方便实验室间的研究交流。
实验是高等教育、远程教育和科学普及中不可缺少的一环。
它对于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力至关重要，传统的实验教学受到很多条件的限制，例如：
设备资源不足，实验场地有限，安全性低等。
发展焦躁的基于录像带、广播、电视的远程实验教学形式，使学生和教学机构存在空间的差距，但学生只能观看演示实验而不能做实验，学生无法实际控制实验仪器和实验条件，时间操作能力、研究能力、创新能力得不到培养，实验教学的质量不高。
这种情况下，基于网络的可远程操作的实验应运而生。
本课题研究的意义在于将实验所需要的环境集成到了远端服务器，同学们通过web浏览器进行访问实验服务器并完成实验，这样有效的提高了高性能环境的利用率，同时对于使用者而言不必自己搭建环境而造成不必要的时间浪费。
进而有效的解决了高校计算机类实验所遇到的无法充分利用高性能资源的问题。
1.2国内外研究现状及趋势
远程实验室和虚拟实验室无疑是实验教育的重点和热点，而结合远程和虚拟是目前的方向。
最早的实验室虚拟思路多，也是为了节省开支，但是这方面取得的进步不大，更多的发展方向是远程实验室的方向。
1.2.1国内研究现状
我国的研究我国的研究与国外相比起步较晚，但在国外成熟技术的借鉴下，国内的远程实验法阵迅速。
从文献看，最早的远程实验开始于2000年，但目前愈多高校和科研中心已陆续建立远程实验系统，但应用领域较国外局限，且研究多基于具体一门课程，与具体学科联系紧密，一些学者将远程控制（真实）实验与远程虚拟实验分开定义，本课题中称两者为远程实验。
国内研究主要有一下几个特点：
●实验室倾向于真实实验对象为基础
Internet的普及、多媒体技术、计算机仿真技术以及虚拟仪器技术的出现和发展使远程变成现实，对于它的研究经历了虚拟实验室、虚拟与真实实验室结合、真实实验室三个阶段。
学生通过虚拟实验室得不到关于仪器操作、真实实验现行的感性认识。
同时，仿真软件也有很多局限性：
无法模拟随即发生的实验，模拟对象的粗糙性造成的与真实对象之间的差距。
这些都将导致一些实验现象和结果无法通过仿真技术来重现，实验者不能观察到实际真实的实验结果。
因此，从以真实实验对象为基础的远程实验室所占的比例中也不难发现，远程实验室的研究以基于真实实验对象的构建为主。
●实验系统控制模式从C/S转向B/S
对比B/S与C/S两种结构，C/S结构下应用程序的安装、修改和升级，均需要在所有的客户机上进行，B/S结构采用标准的浏览器为客户端，结构的网络适应性更好，可实现不同人员在不同地点以不同方式访问和操作，客户端不再需要负责复杂的计算和数据访问，只负责显示部分，所有维护和升级工作都是在服务器上执行，不需要对客户端作任何改变，故而大大降低了开发和维护的成本。
因此，国内远程实验室的控制模式从2006年开始基本采用B/S模式。
综合上述两种结构的优缺点，浙江大学“电子电工网络实验室”采用CSC体系结构和BSC体系结构的两层架构，由用户、服务和实验三部分组成，整个平台具有良好的可扩展性和安全性，允许多用户、多实验同时进行。
1.2.2国外研究现状
1989年，美国弗吉尼亚大学的WilliamWolf教授第一次提出了一个计算机网络化的虚拟实验室环境的历年。
随着基于网络的远程虚拟化仪器技术的不断发展，国外网络实验室的研究已日趋成熟。
1.80年代LIMS（LaboratoryInformationManagementSystems实验室管理信息系统）逐渐应用在各类实验室里。
这个时候的试验管理系统需要专业人员从编写设计到最后的维护。
2.90年代是计算机技术迅速发展的时期，这个阶段个人计算机价格下降但是性能却在日益提高，尤其是MicrosoftWindows（微软视窗操作系统）系列操作系统的普及，基于客户机和服务器结构（C/S架构）的LIMS成为主流，SQL网络数据库被广泛使用，这些都大大增强了LIMS数据处理能力。
由于操作系统由文字界面转向图形界面，使对操作系统的操作更加便捷，一般非专业技术人员也可以进行LIMS的设计编写与维护。
3.90年代后期到现在，Internet互联网和Web技术在LIMS应用中得到进一步发展，LIMS以改变了传统的运行模式，功能更全，更易进行二次开发，操作者不受空间和时间限制，可以实现远程系统登录，访问以及远程信息交换。
1.3本文研究内容
远程实验系统摆脱了传统实验的场地以及实验设备的约束，给高校带来了新的实验实施环境，使得广大师生都获得了便利，不受制与时间和地点的限制，实现了实验资源的共享和师生信息的管理，这一切与传统的试验模式是有很大差别的。
本文主要设计和实现了一种远程实验系统，主要包括一般实验管理系统中所包含的功能（提交实验报告、批改、统计分数、导入学生、修改课程、修改实验等）和实现在远程实验服务器进行实验操作的功能。
实现在线通过Web浏览器登录远程实验服务器，进行实验操作。
本文所进行的主要研究内容
1.确立总体设计方案
2.通过进行调研，对开发使用的环境和工具进行选择。
3.进行系统分析，建立系统所需的数据库。
4.根据数据库和Web服务器尽心搭建系统
5.根据具体实验情况，使用VmwareWorkstation和Vnc搭建可访问的实验服务器。
1.4本章小结
本章主要对于远程实验系统提出的背景根据本国国情进行了阐释，并且对于目前的国内外的发展情况分别进行了介绍和分析，同时对于本文所要进行的研究内容进行了大致的介绍和实现的一般原理。
第二章远程实验系统开发关键技术
2.1C/S与B/S架构解析
从计算机诞生并进入到应用时代开始，其模式发生了由集中式结构到分布式结构的转变（数据和应用程序存在于多个机器上），其中，从上个世纪末开始C/S架构得到了广泛的应用，但是随着网络技术的高速发展，尤其是进入web2.0时代后，网络分布式对象技术的飞速发展，致使计算机网络结构向更加灵活的多级分布结构演变，网络结构进入B/S架构（浏览器/服务器模式）时代，从严格意义上来说，B/S架构也是一种C/S模式，只是它的客户端是浏览器而已。
1）C/S模式介绍
C/S模式，即Client/Server（客户机/服务器）结构。
C/S结构通常采取两层结构，如图1所示，服务器负责数据的管理和处理，客户机完成与用户的交互任务。
图2-1C/S结构简图
通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到client端和server端来实现，降低了系统的通讯开销。
C/S结构可以看着做是胖客户端架构。
客户端实现绝大多数的业务逻辑和处理界面展示，作为客户端的部分要承受很大的压力，充分利用客户端的资源，对客户机的要求比较高。
其实现可以是客户端包含一个或多个在用户的电脑上运行的程序，而服务器端有两种，一种是数据库服务器端，客户端通过数据库连接访问服务器端的数据；另一种是Socket服务器端，服务器端的程序通过Socket与客户端的程序通信。
目前大多数应用软件系统都是Client/Server形式的两层结构，由于现在的软件应用系统正在向分布式的Web应用发展，Web和Client/Server应用都可以进行同样的业务处理，应用不同的模块共享逻辑组件；因此，内部的和外部的用户都可以访问新的和现有的应用系统，通过现有应用系统中的逻辑可以扩展出新的应用系统。
这也就是目前应用系统的发展方向。
传统的C／S体系结构虽然采用的是开放模式，但这只是系统开发一级的开放性，在特定的应用中无论是Client端，还是Server端都还需要特定的软件支持。
由于没能提供用户真正期望的开放环境，C/S结构的软件需要针对不同的操作系统系统开发不同版本的软件，加之产品的更新换代十分快，已经很难适应百台电脑以上局域网用户同时使用。
而且代价高，效率低。
2）B/S模式介绍
B/S结构，即Brower/Server（浏览器/服务器）结构，是基于Internet环境的信息系统，采用标准的TCP/IP协议，以WEB为平台形成的，B/S结构分为三个层次：
客户机、WEB服务器、数据服务器（如图-2所示），这是一种对C/S结构的变化和改进。
图2-2B/S结构简图
B/S结构可以看作是瘦客户端，只是把显示的较少的逻辑交给了Web浏览器，事务逻辑数据处理在放在了Server端，这样就避免了庞大的胖客户端，减少了客户端的压力。
B/S结构的系统无须特别安装，只有Web浏览器即可。
当然AJAX\Flex等等的普遍使用也有富客户端的发展方向。
以目前的技术看，局域网建立B/S结构的网络应用，并通过Internet/Intranet模式下数据库应用，相对易于把握、成本也是较低的。
它是一次性到位的开发，能实现不同的人员，从不同的地点，以不同的接入方式（比如LAN,WAN,Internet/Intranet等）访问和操作共同的数据库；它能有效地保护数据平台和管理访问权限，服务器数据库也很安全。
特别是在JAVA这样的跨平台语言出现之后，B/S架构管理软件更是方便、快捷、高效。
3）C/S和B/S模式的对比
C/S和B/S架构已经成为当今世界的两大主流技术，并且各自拥有不同的领域份额。
相较于C/S而言，B/S最大的优势就是客户端免维护，适用于用户群庞大，或者客户需求经常发生改变的情况；C/S功能请打，可以减轻服务端压力，如果用户需求特别复杂，用C/S。
C/S一般建立在专用的网络上，小范围里的网络换进，局域网之间再通过专门服务器提供连接和数据交换服务，B/S建立在广域网上的，不必是专门的网络硬件环境，例如电话上网，租用设备，信息管理，有着比C/S更强的适应范围，一般只要有操作系统和浏览器就行。
2.2MySQL数据库技术
通常我们所说的数据库一般是包含两重含义：
第一、可以有效的保存数据，使用者可以将数据存储在其中，“用户数据”和“存储库”构成了“数据库”概念；第二、以此同时产生了管理数据的新方法和技术，可以有效地组织、维护、控制和利用数据，其中的数据具有整体性和共享性两个特征。
随着网络的发展、处理数据量的增加，数据库在应用软件系统中扮演着重要的角色。
数据库技术诞生于20世纪中期，由第一代的网状数据库、层次数据库过渡到关系数据库和后来的以面向对象为特征的数据库系统。
20世纪后期，关系数据库的使用逐渐占据了大多数的市场，MySQL数据库也是其中的一种关系型数据库。
但随着发展提升了用户的需求，计算机硬件技术和网络多媒体技术，数据库技术的发展，促进分布式处理，人工智能，并行处理技术，多媒体技术和其他技术渗透相互结合，成为当前数据库的技术发展的特点，一个新的数据库技术的形成。
一个优秀的数据库不但是要满足无错误这一基本要求，而且对于良好的关系模式也是要支持的。
这样才可以避免大量的数据冗余、异常插入、删除等错误的产生。
数据库一般都是满足一下三种范式。
●第一范式：
如果关系模式R的所有属性均不可再分，则满足第一范式。
●第二范式：
如果关系模式R满足第一范式，且所有非主属性都函数依赖于任何一个候选关键字，则满足第二范式。
●第三范式：
如果关系模式R满足第二范式，且所有的非主属性对于任何关键字都不存在传递函数依赖，则满足第三范式。
MySQL数据库是一个关系型数据库管理系统，由瑞典MySQLAB公司开发，目前属于Oracle公司。
MySQL是最流行的关系型数据库管理系统，在WEB应用方面MySQL是最好的RDMS（RelationalDatabaseManagementSystem：
关系数据库管理系统）应用软件之一。
MySQL具有以下优点：
●MySQL的核心程序采用哇怒气难的多线程编程。
线程是轻量级的进程，他可以灵地为用户提供服务，而不过多的占用系统资源。
用多线程和C语言实现的MySQL可以很容易充分利用CPU。
●MySQL可以运行在不同的操作系统上，简单的说MySQL可以支持Windows以及Linux和UNIX等多种操作系统平台。
这就意味着一个操作系统中实现的应用可以很方便的移植到其他的操作系统下。
●MySQL有一个非常灵活而且安全的权限和口令系统。
当客户与MySQL服务器连接时，他们之间所有的口令传送被加密，而且MySQL支持主机认证。
●MySQL支持大型的数据库。
虽然对于PHP编写的网页来说只要存放上百条以上的记录数据就够了，但是MySQL可以
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