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伴随着物流行业的不断发展,物流车辆及货物的安全问题也逐渐凸显。如何对物流运输过程中运输车辆和车内货物的状态进行实时监控成了切实存在的问题。同时随着人力成本的增加,亟需对货物装卸货流程的记录进行自动化操作来减少成本、增加效率。以下是读文网小编为大家精心准备的:基于物联网的物流车载终端系统设计与实现研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
物联网( IOT) 是通过信息传感设备、按约定的协议将任何物品与互联网连接起来进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。随着现代社会经济生活的提高,物流作为承载联系的主要纽带发挥的作用越来越大,物流行业已经成为物联网技术的一个重要的应用领域。目前,由于业务量和客户需求的不断提升以及物流产品种类的不断丰富,物流行业也面临着巨大的挑战。在物流运营中爆仓、配送延迟、产品损坏、安全失控等问题频繁发生,而生鲜产品和弹药、火工品等军事物资的运输对物流运送条件提出了更加苛刻要求。因此,实时监控物流运输车相关状态信息,定位跟踪各物流运输车位置以进行快速调度和分配,已经成为现代物流技术发展的新需求。
本文综合利用物联网技术,提出并实现了“基于物联网的智能物流车载终端系统”,由于Zig Bee 技术具有近距离、低功耗、低数据率、低成本的特点,将其应用于物流运输车厢微信息的采集,可大大降低功耗和开发成本,采用全球定位系统( GPS) 实现对移动目标的实时定位跟踪,采用通用分组无线业务( general packet radio service,GPRS) 技术实现物流监控中心和车载终端的互联互通,最终实现对物流车载终端的远程监控和智能调度。
系统主要包括智能物流车载终端和物流监控中心两部分。
从图1 中可以看到智能物流车载终端主要由RAM11主控器、Zig Bee 无线传感器网络( WSNs) 、GPRS 模块和GPS模块等构成,安装在物流运输车上。基于ZigBee 的无线传感器网络结构由多个传感器采集节点构成,用于采集运输车厢微环境信息,如车厢内的温度、湿度、气体烟雾、车厢门打开和货物安全等信息,多个传感器节点信息汇聚到协调器节点后发送给主控器,形成车厢内微环境感知无线网络; 主控器是基于ARM11 的嵌入式网关,由GPS 模块获取运动车辆的经纬度信息,并通过GPRS 模块将接收到的车厢微环境信息与当前位置信息发送到物流监控中心。本文重点介绍物流车载终端系统的软硬件实现。
物流车载终端主要由ARM11 主控制、Zig Bee 无线收发模块、传感器模块、GPRS 模块及相关外围电路组成。
2. 1 主控模块与外围电路
ARM11 主控器采用Samsung 公司RISC 嵌入式微处理器S3C6410。S3C6410 采用64 /32bit 内部总线架构,基于ARM1176JZF—S 核,具有4 通道UART,支持嵌入裁剪后的Linux 操作系统,具有低成本、低功耗、高性能的优良品质,主要面向便携式和高性价比及低功耗设备的应用,可以方便地与Zig Bee 模块和GPRS 模块通信。相关外围电路包括报警模块、电源及复位模块、LCD 触摸屏显示模块等。
2. 2 Zig Bee 无线传感器网络
2. 2. 1 Zig Bee 无线网络
Zig Bee 收发模块采用TI 公司的CC2530 芯片作为主控芯片。CC2530 是片上系统( SOC) 高度集成的芯片解决方案,内部集成了一个增强型8051 单片机,含256 kB 程序存储器,支持2. 4 GHz IEEE 802. 15. 4 射频收发,适应2. 0 ~3. 6 V 直流电源,可由电池供电,实现节点的微型化。ZigBee 协调器模块同样以CC2530 为核心,包含电源转换模块、RS—232 通信模块及少量外围工作电路,主要完成数据的接收和上传功能,其功耗较大且需长时间不间断地运行,因而,协调器节点由主控器USB 端口供电。
系统构建Zig Bee 星型网络拓扑结构,实现基于Z-Stack协议栈带有网络自启动功能的无线网络,包含一个协调器节点和多个终端节点,协调器是整个网络的核心,负责网络的组建、网络节点的管理、寻找节点之间的路由消息等,终端节点是实现具体功能的单元。所有终端节点由协调器节点分配不同的网络地址,通过无线网络将数据汇聚到协调器节点,协调器节点通过RS—232 串口与主控器进行通信,主控器对接收到的数据解析后,根据不同的网络地址判断信息来自于哪个Zig Bee 节点。
2. 2. 2 传感器模块
CC2530 收发模块外扩传感器对运输车厢微环境信息进行采集,并配合控制电路实现车厢内环境的智能化控制。本文主要检测物流运输车上的温度、湿度、车厢门打开以及车厢内货物是否安全等信息。
温湿度传感器采用Sensirion 公司推出的可以同时测量温度和湿度的SHT11 传感器芯片,SHT11 芯片将温度感测、湿度感测、信号变换、加热器和A/D 转换等功能集成到一个芯片上,供电电压2. 4 ~ 5. 5 V,与CC2530 电压相匹配。将Zig Bee 外扩温湿度传感器模块放置于车厢不同位置检测车厢的温度、湿度环境状况。车厢门安防控制主要使用亮度传感器和人体热释红外传感器两个传感器共同来判断是否有人非法进入,使用开关传感器检测车门是否异常打开,使用声音传感器监测易碎品的安全状况,使用烟雾传感器结合车厢温湿度环境判断是否有火灾发生,提前预警以便及时排除险情,保证货物安全。
2. 3 GPRS 模块
GPRS[4]是实现数据远程无线传输、实时数据通信的关键和基础,是在GSM 基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式,在嵌入式系统中应用非常广泛。系统选用SIMCOM 公司的SIM300 GPRS 模块,该模块正常使用时,需配备一张SIM 卡,上电前确保天线正确连接,工作时需要电信网络支持,在网络服务计费方面类似于普通手机。SIM300 GPRS 模块采用AT 指令集通过串口与S3C6410 进行通信,通信速率设定为115 200 bps,短信数据格式采用通用的PDU 数据格式,实现车载终端与物流监控中心的无线通信。
2. 4 GPS 定位模块
GPS 是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。加电后GPS 模块首先开始寻星,并不断向主机端推送自身状态数据,当寻星成功时,持续向主控器发送有效位置信息。系统通过GPS 接收机接收定位卫星的定位数据,计算得到运动车辆的经纬度坐标位置,然后通过GPRS 模块发送给物流监控中心。
车载终端主控器S3C6410 运行Emebedded Linux 2. 6.21 内核操作系统,采用QT 进行嵌入式开发,用交叉编译的方式烧写程序,搭配触摸屏,实现车载终端信息的检测和显示。
车载终端软件设计主要包括: 系统上电初始化、Zig Bee数据采集、GPS 定位信息获取、GPRS 短信收发、数据处理以及LCD 显示等。Zig Bee 协调器、GPRS 模块和GPS 模块通过串口连接到主控器上,系统采用多线程串口监听实现ZigBee 数据、GPRS 短信数据收发以及GPS 数据的接收。系统上电初始化后,首先建立三个串口监听线程,当某线程监听到串口数据后解析并进行相应处理,对于车厢微环境信息、报警信息、GPS 定位等信息需按照通信协议重新组织报文,调用GPRS 发送短信程序与物流监控中心进行通信。
为了检测系统数据传输的可靠性,对运输车辆传感器信息采集节点发送的1000 个数据包( 采集间隔时间为10s)进行了数据包接收性能测试,计算协调器节点接收到并通过GPRS 传输到物流中心的数据包数量与采集模块总发出数据包的数量之比,即数据包接收率,包接收率测试结果。为方便测试,将Zig Bee 无线传感器模块固定在运输车辆车厢内部,采用电池供电,协调器节点和传感器节点之间没有任何金属障碍物,通过RS—232 与主控器相连。实验结果表明: 在通信过程中存在一些丢包情况,总体来看数据包接收率能达到94% 以上,能够满足实际物流运输中监测密度的使用要求,验证了系统的可用性。
实验表明: 由于温度对湿度的影响较大,而实际温度和SHT11 测试参考温度25℃有所不同,需要对采集到的湿度值进行线性补偿和温度补偿才能得到较为准确的湿度值。
本文以无线传感器网络作为信息采集手段,以GPS 技术作为定位基础,以GPRS 网络作为承载网络,充分考虑实际需求,构建了双闭环智能物流车载终端系统。车厢内无线传感器闭环网络对车厢微环境信息进行动态采集和预警,使管理者能够实时了解车辆状况信息变化,及时采取有效措施,保证产品品质; 车载终端与物流中心无线闭环网络,实现对车辆行车过程的全程监控和车辆跟踪定位,提高行车安全,实现优化调度。总之,本系统具有很强的实时性和可靠性,保障了物流运送环节的安全性,同时对军用物资配送的高效化和全程可控等目标具有一定的借鉴意义。
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医药管理系统是集进、销、存、财务以及会员一体化专业药店管理软件,是将药品和中药采用同一操作流程分别管理,操作简单、管理方便的软件。系统采用多层架构分模块开发,性能稳定,运行安全。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅谈基于计算机技术的医院药品管理系统设计研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
从现实角度来看,医院单位的药品信息及其数据管理是比较混乱的,其统计工作费时而且费力,为了做好企业的管理,企业必须进行企业单位信息的有效获取,从而保证统计数据的科学化,方便其查看,以此做好企业数据信息的维护工作。该医院药品管理软件的应用是进行了Visual FoxPro 6.0的设计及其开发应用,从而满足医院药品信息管理的工作需要,这是医院信息系统的重要应用环节,这些都离不开医院药品信息的分类管理及其数据管理,从而保证信息的快速性、准确性及其简单性。当然,这也需要相关的部门给予积极的安排,保证传统式的管理方法的更新,实现医院药品的有效管理。
第一,在医院工作系统中,药品管理系统占据着非常重要的地位,毕竟药品管理系统能够为用户进行充足信息及其快捷数据处理方式的应用,通过对计算机的药品信息管理,更有利于检索的迅速性,保证其查找的方便性,从而有利于其修改,保证其良好的可靠性,实现数据的良好处理,能够进行医院药品流动及其库存管理的协调,实现医院系统管理的科学化。
在医院药品管理过程中,进行系统概念及其特点的分析是必要的,系统是处于一定环境下的相互联系及相互作用的各个分支的集合。也可以这样说,医院信息管理系统是一个人造系统,其涉及到软硬件、数据资源等的应用,其最终的目的是实现信息的有效收集、加工及其储存,从而保证医院组织不同活动的有效管理,进行积极的调节及控制。
第二,医院的管理信息系统的应用是现代管理方法的一种体现。这涉及到计算机技术的应用,计算机是数据处理的有效工具及手段,实现企业的有效管理应用,从而保证管理人员与计算机系统技术的结合,保证其从繁琐的事务中解脱出来,更好地进行应用决策。
第一,医院药品管理软件的系统设计是比较复杂的,该系统具备数据信息处理、控制、预测及其辅助决策等功能,能够进行统一性标准的处理及其进行信息的提供,从而进行前后矛盾不完整数据的排除,提供管理及决策数据。这需要对制定的数据关系进行分析并应用,从而达到日常工作效率的提升。其需要向医院不同管理机构做出详细报告,分析及缩短解释时间,进行最低费用的应用,在最短的时间内提供精确、可靠的信息,从而保证企业经济效益的提升。该系统涉及到两个应用部分,分别是门诊管理系统及库房管理系统。
门诊管理系统应用包括不同的两种方式,即医生信息管理模式、医生工作管理模式,其需要进行药品门诊的监控,明确药品的流出途径。医生信息管理系统能够进行医生工作档案的统计及管理,其需要进行相关统计要素的应用,比如针对医生的编号、姓名、科室、职称等进行分析,从而保证医院的人事管理工作的简便性及快捷性,提升医生的工作部署水平。通过对医生工作管理方案的应用,更有利于进行药品的操作控制,这可以明确医生名字及其工作档案的处方药的详细记录。
第二,库房管理子系统包括两种形式,普药库存管理方式、处方药库存管理模式。在该系统的应用过程中,需要做好库房的药品统计工作,进行查询管理。普药库存管理的关键点是进行库存信息的查询,这里面包括了编号、药品名、有效期等,从而做好统计分析的工作。
在这个流程中,普药库存信息查询模块涉及到两种模式的应用,即流入及流出模块。所谓的流入是进行药品基本信息的进货情况的分析,这涉及到药品的编号、药品名、单价、有效期等,也涉及到进货日期、药品编号、负责人、数量等。流出涉及到药品的基本信息分析,记录医院对该药品的开发情况的分析,涉及到编号、单价、有效期等的应用,涉及到开药日期、普药用量等的方式。一般来说,处方药库库存管理功能与系统结构与普药库存是类似的。
第一,在界面及其功能应用环节中,我们可以得知该软件的操作,其程序的进入首先是登陆界面,需要明确密码才能进入系统,再做好数据录入及其查询统计工作。进行密码的输入保证其操作系统主界面的进入,这个界面是一个过渡形式的界面,单击相关的标识就可以进行相关的子系统,比如进入处方药库存管理子系统,界面会显示出编号,显示出库存的现状。进行编号的输入就可以进行药品信息及其统计结果的出现,比如剩余量、过期时间等。又如单击处方药进货按钮,可以看到处方药的进货记录情况及其流出情况,进行相关按钮的点击也会出现不同部门的报表情况。
又如在门诊管理界面中,锁定搜索按钮时会弹出搜索框,针对其查询的特点可进行单一元素或者多元素的查询,得出查询的结果,就可以进行所查询结果的展现。在添加记录界面,对于那些单一表单的,可以直接添加按钮,实现表单的添加,保证内容的添加再进行保存。
第二,在支持打印界面中,应用打印按钮,进行输出类型的选出,比如导出表、文件、文本文件、打印表列表等,进行打印机类型的分析,进行选择记录的分析,进行来源的选择,进行数据位置的确定,再按照界面操作要求确认按钮,就可以进行打印。
在该系统应用中,其开发系统需要良好的计算机操作环境,这涉及到计算机良好资源条件的满足,操作系统可以是WIN7及以上系统,进行了Visual FoxPro 6.0开发工具的应用。在该软件的应用过程中,其遵循了软件工程的特有设计方法及步骤,能够适应不同对象的开发应用需要,通过对分析技术的应用,更有利于做好系统的细致研究工作,其涉及到的数据量是非常大的,并且准确性也是比较高的,涉及到安全性及保密性的应用,其整体建设成果涉及到医院医务工作人员的工作效率及数据安全性,从而有利于进行记录信息的查找和统计,节约劳动时间,保证工作效率的提升,更有利于审查工作的有效开展。
该软件的设计需要针对不同医院的具体需求,结合药品的商品特殊性进行设计,从而保证对药品的良好监控及控制。做好药品进入医院的各个环节的记录,保证不同环节的紧密性,保证其环环相扣性。这就需要医院做好药品的管理工作,避免医院工作者徇私舞弊的情况,更好地为患者提供服务,保证患者获取更多的利益,从而保证国家节约更多的资源。
通过对基于计算机技术的医院药品管理系统设计方案的优化,更有利于现阶段医院药品管理工作的开展,从而提升其应用效益,满足医院药品管理及工作的需要,这需要引起相关技术操作人员的重视,做好计算机医院药品管理技术的各个细节,实现医院整体系统的和谐,保证医患之间的协调性。
【浅谈基于计算机技术的医院药品管理系统设计研究】相关
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信息抽取技术对于从大量的文档中抽取需要的特定事实来说是非常有用的。互联网上就存在着这么一个文档库。在网上,同一主题的信息通常分散存放在不同网站上,表现的形式也各不相同。若能将这些信息收集在一起,用结构化形式储存,那将是有益的。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:基于XPath的新闻信息抽取系统设计与实现相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
摘 要:随着互联网技术的迅猛发展,因特网成为目前新闻信息最丰富最主要的来源。本文在分析新闻网页的基础上,并分析了目前现有的信息抽取技术和XML技术,提出了一个基于XML技术的Web新闻抽取系统。本文主要是充分运用XML中的XPath技术在数据定位方面的优势,并提出一种基于DOM树的XPath生成算法,使用XSLT语言用于描述抽取规则,并使用路径表达式XPath定位待抽取的信息点。
关键词:数据挖掘;信息抽取;新闻抽取系统;XPath
Abstract:With the rapid development of Internet technology, the Internet is now the main source of the most abundant information. On the basis of the analysis of news Web pages, and analysis of the current existing information extraction technology and XML technology,the paper presents a Web news extraction system based on XML technology. This paper mainly uses the XPath XML technology in data location advantages, and puts forward a DOM tree based XPath generation algorithm, using XSLT language to describe the selection rules, and the path expression XPath to extract information point.
Keywords:Data Mining;Information Extraction;News and Information Extraction System; XPath
随着时代发展,高校信息化建设成为影响学校发展的重要因素。目前高校主要活动由党委宣传部集中报道并及时发布门户网站,其他信息则由宣传部下属各二级单位信息员提供,或是宣传部采集二级网站新闻来进行获取。但网站在为学校教职工提供大量丰富信息的同时,却也为如何获得更加高效实用信息带来了巨大挑战,具体来说主要包括两个方面。一方面,随着学校的发展,各系部处室工作内容的增加,Web信息呈现爆炸式地增长,这就需要耗费信息采集员大量的时间、精力去搜集信息,但该种方式仍然还是会出现信息遗漏或新闻失去时效性等众多问题。另一方面,虽然二级网站存在本站搜索引擎,但是并没能给信息获取带来便捷。针对这一状况,并且随着对于信息获取要求的提高,用户已然趋向于更加精细、便捷的信息抽取方式。
Web信息抽取的主要信息源就是互联网。互联网的Web页上散布着隐含在HTML页面中的信息点,信息抽取的目的就是将用户需要查询和利用的信息从网页上提取出来[1],并转换成具有清晰语义的结构化文档形式,再反馈给用户。
从20世纪80年代开始,信息抽取技术即已成为IT行业的研究热点之一。随着互联网的普及,Web信息抽取方面的研究逐渐兴起,研究人员开发了多种算法和系统。目前在世界上最为著名的“Web挖掘”项目就是卡耐基?梅隆大学的“自动学习和发现中心”[2]。这个项目的主要实现目标就是通过大型数据库存储自动从Web中提取的用户所需信息。国内一些单位对信息抽取方面也已开展了大量研究。例如中科院软件所研究的“基于DOM的信息抽取”[3],其抽取规则主要是通过归纳学习法半自动化算法生成。数据源包装器中的类就是由抽取规则而产生及实现的。
2.1 抽取方法概述
抽取规则生成是信息抽取的核心任务,而抽取规则实际上就是定位用户感兴趣的信息数据。若要定位Web文档中的数据,就必须从头至尾遍历网页。但这一方式却会严重影响信息抽取效率。在此,为了减小信息抽取的搜索空间,本文采用了Xpath的抽取方法。基于XPath规则的信息抽取过程则如图1所示。
基于XPath的抽取方法主要包括如下三步:
(1)首先需进行数据清洗。系统可从互联网下载用户所需的Web文档,将其转化成规范的XML文档。这一步骤的主要工作就是使用规范化的DOM树表示清洗后的网页;
(2)将用户感兴趣的数据项使用节点位置进行标识,并生成XPath表达式。在此步骤中XPath定位信息可由归纳学习各个样本的页面来挖掘和生成[4]。该方法获取用户感兴趣的数据定位信息,同时使用XML文档表示抽取规则;
(3)将归纳学习所得的规则生成抽取规则库。用户进行实际信息抽取时,便能应用该抽取规则。
综上所述,可知其实现过程就是:从一个指定抽取或训练的Web页面开始,清洗该页面数据得到DOM树结构,然后就是生成抽取规则,即通过XPath定位抽取信息的路径,这也是该技术过程的核心所在。最终的抽取结果信息点则可通过XPath执行引擎而相应获得。 2.2 基于XPath的信息抽取模型整体框架
基于XPath信息抽取系统的整体框架如图2所示。
由图2可知,给予信息抽取流程,整个系统可划分为三大部分,具体描述如下:
(1)网页解析
该模块就是将HTML网页转换成规范的XHTML网页,再解析XHTML网页生成DOM树。为了提高用户使用频度,目前浏览器均已具备较高的容错能力,即能自动过滤甚至是忽略HTML文档中的错误。但XPath对于HTML文档的适用性却又很高要求,因而将无法直接应用于该类文档,为此网页解析的重要性则不言而喻。
(2)生成规则
这个模块主要是通过人机交互,系统获取用户感兴趣的信息点,并对信息点与抽取结果之间的映射关系进行定义。在系统内部完成的处理任务是,使用XPath表达式表示获取的对应信息点,并与抽取结果的字段相匹配,也就是完成规则定义的映射,其后即用XML格式文档表示抽取规则,若规则发生错误则可进行人工修改。
(3)规则执行
在这一模块中完成了信息抽取。首先,从规则库中读取已定义的抽取规则,然后抽取得到用户所需的信息点,最后再将结果存入数据库中。
2.3 抽取规则描述
抽取规则主要描述了语义模式和页面中所对应的信息块间的映射关系。以XPath表示的抽取规则,其描述特征的主要依据分别来自于待抽取的HTML文档中的结构、位置、视觉和语义等内容。
以台职院新闻网页中的其中一条XPath的路径规则来看:“/html[1]/body[1]/table[4]/tr[2]/td[3]/div[1]”。
通过对路径规则的特征分析,可以看出在抽取规则中结构特征具有较强的覆盖力,可作为生成抽取规则的主要依据。而位置、视觉、语义这些特征可用来辅助结构特征提高抽取规则的约束与区分能力。因此为设立一个健壮的抽取规则,在注重增加DOM结构性的同时,需尽量减少语义、视觉等特征对结构的依赖性。
2.4 抽取规则优化
2.4.1 基于JTree的DOM树优化
JTree是Java语言中的GUI组件之一。JTree表示节点及其之间关系的方式有些类似目录树。JTree树直观性很强,并可随意折叠或伸展,因此就能清楚地显示XML文档的树型结构数据及数据间的层次关系,让用户能明确标识出感兴趣的信息点[5]。
JTree树显示XML DOM文档树结构的基本方法是:首先解析XML文档转化成XML DOM树;然后获取该DOM树的根节点root,作为JTree树的根节点;接着通过使用深度优先遍历算法遍历DOM树,获取XML文档中所有准确的子节点;最后再将这些节点加载到JTree树的根节点中[5],并将相对应的节点添加到树中。遍历XML DOM树后构造JTree的算法流程图如图3所示。
2.4.2 信息定位优化
网页内容是不断变化的,尤其是高校的二级网站,汇集了教学、科研、学生等各类信息,几乎每天都在变化,在数月内网页模板至少也会变化一次。网页一旦变化就会影响抽取规则的修改甚至需要重新定制。因此,抽取规则的健壮程度是目前最重要的工作。
本文的抽取模型采用了Anchor-Hop模式,同时尽量避免这种树路径的定位缺陷。这种模型的最大优点是选择网页中一些较为固定的文本信息,并能根据网页结合相对路径和文本搜索进行数据定位。Anchor-Hop定位模式如图4所示。
下面则结合实际例子,解释Anchor-Hop定位模式的定位方法及路径表达方法。
通过图5分析,标签
是主要的上级节点。而且https://table[start-with(normalize-space(.),’Computer-Programming Java’)]
其他标签信息作为Hop信息点,XPath表达式为:
千年一叹:https://table[start-with(normalize-space(.),’Computer-Programming Java’)]/tr[2]/td[2]/text()
福尔摩斯探案全集:https://table[start-with(normalize-space(.),’Computer-Programming Java’)] /tr[3]/td[2]/ text()
由于XPath表达式是基于相对路径的,因此网页变化影响不会很大。
2.4.3 编写XSL模板规则
本文信息使用XML作为描述语言,因此抽取规则的描述基于逻辑模型DOM树,并通过XSLT来表示。由于XSL技术易于理解和修改[6],在XML中又能访问任意节点中的数据,并且大部分的开发工具均会支持这种技术,因此在本文使用XSLT描述抽取规则。
在信息抽取过程中,XSLT的作用是首先转换XML文档;其次通过路径表达式XPath和抽取指令生成抽取规则,这种方式生成的规则易于修改和信息抽取;而后又使用XSLT与XPath结合生成xsl格式的规则文件[7]。XSLT的特点是实现XML文档的格式转换。
根据本文提供的抽取规则,为了新闻抽取系统能便于用户的快速使用及日后维护,组成系统的模块力求简洁明了。台职院新闻抽取系统主要由四大模块组成:用户交互接口、抽取规则定制、新闻抽取、新闻信息编辑。除此之外,指定网站的抽取规则、抽取结果及用户信息等数据存入关系型数据库中,模型图如图6所示。
为提高信息抽取的准确率,本系统定制抽取规则采用了人机交互的方式,这种方式的最大优点是系统可以定时批量抽取信息。但是这种方式没有实现完全自动化,需要人工监控与干预,影响了系统的工作效率。随着信息需求的不断增长,信息抽取是目前信息技术处理中研究的热点,因此也设计了大量技术、算法用于解决更多抽取问题,信息抽取的准确率也将更加精确、高效。
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教育信息系统是为改善教育管理功能而建立的信息系统,现在一般均指用电子数据处理和数据库技术为基础建立起来的信息系统,英文缩写EMIS。教育管理信息系统分为宏观和微观二类。一个国家或地区的教育管理信息系统属于宏观的。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:基于校园网的高校教育信息系统的研究与实现相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
基于校园网的高校教育信息系统的研究与实现全文如下:
摘 要:高校的校园网建成以后,需要在校园网上建设一个全校范围的、开放的、分布的、多媒体的管理信息系统。论文介绍了高校教育信息系统的一般构成,论述了校园网络与管理信息系统的关系,采取了B/W,B/W/RDBMS和 C/S三种体系结构并进行了分析。并提出用三种结构相结合的方法构造大型的管理信息系统,以及校园网络与管理信息系统的安全性维护策略。
关键词:办公自动化; 信息服务; WWW; 信息安全
随着计算机技术和网络技术的发展,计算机网络已得到越来越广泛的应用。对于高校而言,建立校园网的作用一般有以下两方面:一是外部网络连接,实现与INTERNET连接,提供本校的信息服务,融入世界信息潮流;了解外面世界,加强学术交流与合作。另一个就是建立本校的管理信息系统,实现管理的科学化、现代化;利用现代化的手段提高教学质量和管理水平。通过网络,使用多媒体和通讯技术实现远程教学,实现师资力量互补。随着管理信息系统的相对完善,网络应用的展开,校园网建设的重要性与效益才能充分体现。因此,采用什么技术开发建设高校的管理信息系统是本文研究的课题。
国内高校由于校园网络发展不平衡,目前在信息系统方面同时并存三种模式。第一种模式是单机管理模式,在一些学校里,计算机网络还没有建立起来,计算机之间不能进行数据交换和信息共享,这些学校仍然停留在面向部门的单项事务处理的水平上,这种状况决定他们的系统经常出现数据不一致,容易发生数据丢失、系统感染病毒等问题;第二种模式是局域网管理模式,可以开展网络上的工作。比如建立局域网上的管理信息系统,数据集中在部门服务器上,为本部门的管理人员提供数据共享,这种方式对于部门内部的管理工作起到了促进作用,解决了部门内部的数据冗余和不一致的问题,但是应用软件都在工作站上完成,工作站负担过重,服务器只是实现文件的存储、数据存储和打印共享,网络利用率较低。校内很多单位都有自己的局域网,各行其事,不能实现不同单位间的数据共享,更不能实现信息资源的合理流动; 第三种模式是校园网上的全校信息系统,这个信息系统以各部门管理系统为基础,各部门管理的数据除了满足部门内部人员的使用之外,还可以为其他部门甚至全校教职员工提供信息服务。
高校教育管理信息系统面临着下列需求: 加强学校与国内外科技信息的往来; 为学校主要信息部门建立部门的事务处理系统,在疏通各部门之间的信息渠道的基础上,建立全校共享数据库; 取代传统的落后手工办公方式,现代化办公的支撑环境,提高办公效率。建立基于Web的在线网络教学系统,利用校园网作为教学媒体,传送教学内容,在校园网上实施教学、管理教学,并进行网上测试和网上交流。
根据对一般高校情况的分析,可得出学校的信息需求有:服务信息、办公信息管理信息和教学信息。这些需求决定了高校的信息系统是一个全校范围的、开放的、分布的、多媒体的信息系统,根据这些信息需求建立学校的信息子系统,即综合信息服务、办公自动化、行政管理信息和网络教学系统。这些子系统面对的用户范围不同,数据的组织方式不同,因此需要采取不同的技术方案解决。对于面向国内外、校内外用户使用的系统,用户使用www浏览器最方便; 在职能管理部门,大多数信息为结构化数据,用户对数据有复杂的操作,应以数据库的管理方式为主,在各办公室之间流通的信息,大多数是非结构化数据,且信息流程复杂,采用Lotus Notes的数据组织方式。
2.1用WWW技术开发综合信息服务系统
Internet/Intranet出现以后,以WWW技术为主流的信息服务系统迅速发展,由于采用WWW技术,打破了原有信息服务的范围,学校的信息除了面向校内服务,还可以面向全国乃至全世界。综合信息服务系统以校园网为物理环境,对外与Internet相连,提供的信息类型是多种多样的。在信息的类型上除了日常使用的文字信息之外,还可以提供以音频、视频形式出现的服务信息,比如学校领导的重要讲话录音,内容广泛的学术报告,可以陶冶学生情操的音乐等,视频的信息内容也很丰富。综合信息服务系统以WWW方式提供各种多媒体信息服务之外,还实现了与部门级的管理信息系统(RDBMS)和学校办公自动化系统(NOTES)的有机结合。使信息服务的类型从文件系统扩展到SQL Server数据库和Notes数据库。
由于信息系统用户的广泛性,决定了客户端必须使用通用的跨平台软件,WWW浏览器为信息服务系统提供了良好条件,该系统采用B/S(Browser/Server)的体系结构,具有易于操作、客户机的软件安装简单以及便于维护等特点。
综合信息服务系统由分布在校园网上的多台信息服务器组成,其中一台是面向众多用户的信息主服务器,其他服务器用户可以用指定的专用端口直接访问,也可以从信息主服务器上建立连接,通过主服务器进行访问。
2.2 采用Notes技术实现校园网办公自动化系统
在高校的管理部门中,办公信息以两种方式的流动,一个是上下级之间的信息流,如校长办公室给系办公室发通知,系办公室再给教师和学生发通知; 另一个是横向信息流,如教务处给人事处信息,人事处给科研处信息等。要提高办公效率,必须改变传统的手工办事方式,应用现代办公技术,建立全校的办公系统。
办公系统是建立在校园网上的面向多类用户的信息系统。它采用Lotus Notes作为系统开发平台,Notes具有先进的文档数据库处理功能,不但能够处理结构化数据,还能够处理一般的文档数据、图形、图像、声音等非结构化数据,可以与用户熟悉的软件如MS Word、MS Excel进行集成,对办公系统的功能进一步扩展留有充分余地。现在已经开发出文档管理、电子邮件、会议管理、办公讨论区、公文运转和信息发布等通用办公功能。由于Notes具有WWW方式的信息发布功能,以Notes技术开发的办公系统不但为学校办公人员使用,而且全校师生可使用WWW浏览器访问办公系统中的内容。
2.3采用数据库技术开发行政管理信息系统
以校园网为物理环境建立各职能部门的管理信息系统,用以支持各行政部门的具体业务工作,学校的基本数据有教师、学生、科研、财务和设备资产信息,这些信息原来都分散在各部门的微机或部门局域网的服务器上,在校园网建立起来以后,为了实现学校基础信息为全校共享,必须将数据集中存放,统一管理。
为了使信息系统面向多层次的用户服务,管理信息系统采用C/S(Client/Server)和B/W/D(Browser/WebServer/DBMS)相结合的体系结构。B/W/D的结构是目前MIS开发中广泛采用的一种形式,使用统一的WWW浏览器作为客户机的平台,为客户机方的软件开发大大减少了工作量; 由于信息系统的应用程序全部存放在服务器端,非常易于系统的维护和升级。因此在学校信息系统的开发中,凡是可以采用B/W/D结构实现的功能尽量采用这种方式。使用B/W/D的结构时,要尽量避免将Web服务与数据库服务器置于同一台信息主服务器上,因为这种做法增加了服务器的负担,当多个用户同时访问时,Web服务容易产生瓶颈,导致系统瘫痪。在教务管理系统中,采用B/W/D的方式开发学生选课系统,由于学生在校园网上任何一台微机上都可以进行选课,同时访问Web服务器的人数无法限制,校园网上至少有几百台计算机同时进入选课服务器站点,一台Web服务器很难处理,因此必须由多台服务器开辟多个服务端口才能解决。
B/W/D的方式尽管有许多优点,但在开发技术上提供的手段还不够丰富,在数据操作复杂的情况下,仍采用C/S的方式,此种方式要求单位内微机在物理位置上比较集中,数量也控制在有限的范围内。采用何种方式需根据用户类型和功能两个方面来确定,地域分散的用户必须使用B/W/D结构,如学生、教师的信息查询,由于他们使用位置分散且不定,使用WWW界面是优选方式; 机关各部处办公室一般以WWW界面为主; 而在教务部门(承担注册、成绩、排课、选课等事务处理)这种以数据处理为主的部门,由于数据处理集中且复杂,考虑采用C/S方式。
校园网络与管理信息系统建成后,任何人都可以通过计算机访问高校的校园网络,其中就可能有“黑客”试图攻击网络,破坏网络、传播计算机病毒,还有的可能窃取保密的技术资料及数据等等,这样安全管理显得尤为重要。网络与管理信息系统的安全主要包括物理安全与逻辑安全;物理安全主要指网络硬件的维护和使用以及管理等;逻辑安全是从软件的角度提出的,主要指数据的保密性、完整性、可用性等等。
由于高校信息系统支持全校各部门的办公活动,采取集中存放、统一管理数据的方式,因此这些信息的安全至关重要。为了保证共享信息的安全,从数据管理安全和系统管理安全两个方面加以保证。在数据管理安全方面,录入数据要进行有效性检验,建立完善的数据备份和归档制度、系统管理员责任制度、关键程序的管理制度和服务器机房的管理制度; 在系统管理安全方面采用多层安全机制,即信息服务器的网络安全,操作系统安全,数据库安全和应用程序安全的4层安全保证。在信息服务器的网络安全方面,为了保护服务器上的信息资源,在信息服务器与校园网的连接处设置了防火墙,使用防火墙用以防止非法用户的频繁登录、猜测系统密码,对服务器的开放端口进行限制,设置允许用户访问端口的时间,限制用户访问端口的IP地址等; 在操作系统安全方面,系统管理员对用户权限严格控制,有些用户必须在指定的机器上进行某种操作; 在数据库安全方面,对用户设定权限控制表,做好数据库审计记录的检查。
校园网与管理信息系统的安全管理是一个大问题,只有很好的重视安全性管理,采取很好的管理措施,才能保证校园网与管理信息系统的正常运行。
利用Internet/Intranet的优势,实现教育管理的电子化、网络化,使系统的实现更加容易,管理维护更加方便,尤其使数据查询更加灵活,对客户机的要求大大降低(只需要运行标准浏览器)。在Intranet环境下,网络安全性有很大提高,通过与Internet连接,网络的访问可以不受地域的限制,使网络的扩展更加容易。因此,在校园网的环境下建立教育管理信息系统已经成为一种行之有效的方法。
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21世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源,水资源问题已不仅仅是资源问题,更是关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。基于此,采用节水、节能的灌溉方法已成为全世界灌溉技术发展的总趋势,推广节水灌溉也已成为世界各国为缓解水资源危机和实现农业现代化的必然选择。以下是读文网小编为大家精心准备的:基于物联网Android平台的远程智能节水灌溉系统设计分析相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
基于物联网Android平台的远程智能节水灌溉系统设计分析全文如下:
【摘要】:针对农业灌溉中的水资源浪费问题和灌溉远程控制问题,对物联网相关技术进行研究,设计了基于物联网Android平台的农业远程智能节水灌溉系统,实现了对多传感器节点(空气温湿度、光照、土壤湿度、电磁阀、变频器等)远程采集和控制,以及对多个控制器节点的远程监测与控制。系统不受时间地域限制,用户可以通过Android移动终端实现对智能节水灌溉系统的监测和控制。系统采用CC2 5 3 0作为无线传感器芯片、OK6 4 1 0作为控制器节点芯片。实测结果验证了该设计的可行性和有效性,可为远程智能节水灌溉提供平台支持,能够满足农业节水灌溉的需要。
【关键词】: 节水灌溉 远程 智能 物联网 Android
我国是一个干旱缺水严重的国家,淡水资源总量为2. 8 万亿m3 ,占全球水资源的6%,仅次于巴西、俄罗斯和加拿大,居世界第4 位; 但人均只有0. 22 万m3 ,仅为世界平均水平的1 /4,是全球13 个人均水资源最贫乏的国家之一。淡水资源中灌溉用水总量约占全国总用水量的1 /2 以上,而且灌溉用水效率相当低,平均灌溉水利用率仅约40%,发展节水灌溉是缓解我国水资源紧缺和促进农业可持续发展的关键所在。农业要发展,水利要先行,我国水资源缺乏,有效合理地利用水资源就必须要大力发展节水灌溉,同时节水灌溉也是农业现代化的一个标志,其增产增效、节约劳动力和提高土地的利用率等诸多的优越性决定了它是未来发展的必然趋势。
物联网就是通过条码与二维码、射频标签( RFID) 、全球定位系统( GPS) 、红外感应器、激光扫描器及传感器网络等自动标识与信息传感设备及系统,按照约定的通信协议,通过各种局域网、接入网、互联网将物与物、人与物、人与人连接起来,进行信息交换与通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络。
随着我国国民经济的迅速发展,农业生产必将采用各种各样先进的技术,以提高农作物产量,节约资源。本研究针对传统灌溉和灌溉控制方式的各种缺点,通过WCDMA 技术和无线传感器网络技术的结合,实现了利用Android 移动终端对灌溉系统的远程控制,并通过基于土壤湿度的控制方式实现对农田进行自动适时适量的灌溉。
智能节水灌溉系统中分布多个环境传感器节点、电磁阀控制节点和变频器控制节点。土壤环境、空气环境参数由环境传感器节点采集,滴灌管道由电磁阀控制节点实施开关控制。为了确保灌溉供水的稳定性和可靠性,达到节水目的,设置一个变频器控制节点来实现全自动变频恒压供水。控制器节点通过Zig-Bee 网络采集环境传感器节点、电磁阀控制节点和变频器控制节点信息,控制电磁阀控制节点和变频器控节点状态; 现场采集的信息通过移动互联网络和Internet互联网由控制器节点负责发送到远程监控中心,Android 移动终端接收远程监控中心传送过来的采集信息,可对智能节水灌溉系统进行实时的监控。远程智能节水灌溉系统的结构组成为: 无线环境传感器节点、无线电磁阀控制节点、无线变频器控制节点、控制器节点、远程监控中心及Android 移动终端。
为了解决智能节水灌溉系统的供电技术问题,系统采用太阳能供电方式对环境传感器节点、电磁阀控制节点、变频器控制节点、控制器节点进行供电。无线传感器模块选用ZigBee 技术的新一代SOC 芯片CC2530。该模块主要负责对空气温度、空气湿度、光照和土壤湿度等环境参数的实时采集,使用ZigBee 协议将采集到的数据发送到控制器节点ZigBee 模块,同时接收来自控制器节点ZigBee 模块的控制命令。土壤湿度传感器采用锦州利诚LC - TS2 型FDR 土壤湿度传感器。控制器节点主要用于收发ZigBee 模块数据并通过Internet 和移动互联网络与远程监控中心进行网络通信。Android 移动终端主要完成同远程监控中心的数据交互及网络通信等功能。
控制器节点作为物联网应用系统网关,功能比较复杂,因此主控芯片采用高性能的ARM11 内核的嵌入式处理器S3C6410。为减低系统设计的复杂性,选用飞凌嵌入式技术有限公司的OK6410 嵌入式模块,该模块已经集成了S3C6410 最小系统以及相应的NOR Flash、NAND Flash、SDRAM、RS232 及USB 接口等常用模块。WCDMA 通信模块选用中兴通讯生产的MG3732 模块,该模块是一款WCDMA/GSM 双模移动互联网通信模块,支持上下行非对称数据传输,MG3732 模块在通信接口上具有比以往无线通信模块更加灵活的特性,可以支持异步串口( UART) 和通用串行总线接口( USB) 两种通信接口,以满足不同主控设备的特性要求。另外,模块内部还集成了标准的TCP / IP 协议栈,支持TCP 协议和UDP 协议传输,可以很方便地连接到Internet 进行网络传输。控制器节点是无线传感器网络的汇聚节点,负责管理节水灌溉系统现场的ZigBee 网络,同时还作为现场的一个主控单元,配有相应的液晶屏和触摸屏,可实时展示节水灌溉系统中的相关信息以及对现场的电磁阀进行控制。
远程监控中心由1 台移动终端可以直接访问的联网微机组成,通过Internet 互联网和移动互联网与现场控制器节点中的WCDMA 模块建立连接进行通信。远程监控中心把现场采集的信息存入数据库中,以便以后分析处理。同时,还能根据需要对现场中的电磁阀进行控制,具有手动和自动两种灌溉控制方式。自动灌溉控制基于土壤湿度,当土壤湿度达到湿度下线自动启动灌溉系统。监控中心软件采用Java语言编写,它是完全面向对象的编程语言。数据库选用MySQL5. 0。远程监控中心的软件包括两部分:WebService 服务器端监控程序和基于Java Web 的智能节水灌溉系统演示网站。
4. 1 Android 客户端功能架构
Android 是美国Google 公司开发的基于Linux 平台的开源嵌入式操作系统,包括操作系统、用户界面和应用程序。该系统采用客户机/ 服务器模式,服务端部分用Java 开发的WebService 和Socket 编程技术来实现,客户端部分是采用基于Socket 通信方式的Android Java 开发技术实现; 编译最终生成在任何Android移动终端都可以运行的APK 文件,直接安装后就可以在Android 移动终端上使用。相比传统的远程节水灌溉系统,该系统不受时间、环境、地理位置等因素限制,在用户移动终端上设计控制界面,操作方便、灵活。
4. 2 Android 客户端界面设计
Android 系统采用XML 可扩展标记语言完成界面设计,本系统主要包含登录界面、主功能界面和主控制界面。在主功能界面中,可以点击进入各级主控制界面。1 号节点的主控制界面如图3 所示。在该控制界面可以实时接收1 号节点的空气温度、湿度、光照、土壤湿度等环境参数并显示,还可以设置自动灌溉和手动灌溉模式。
Fig. 3 1 node main control interface
4. 3 Android 客户端功能设计
Android 客户端系统测试采用联想A750 手机,Android4. 0. 3 版本,内核Linux3. 0. 8 版本; 开发环境为ADT Bundle + Java JDK7,服务器可以同时与多个Android 手机客户端进行通信,为每个客户端分配1个端口号; 用户合法登录进入系统之后首先进入主功能界面,在主功能界面选择某控制节点进入控制节点界面。
本系统主要包含4 个Activity,Activity 与Activity之间通过Intent 进行通信和变量的数据传递,每个文件的属性及权限在全局配置文件manifest. xml 中定义。
4. 3. 1 Socket 网络通信功能
Socket 通信是指双方采用Socket 机制交换数据,常用的通信协议有TCP 和UDP 两种。TCP 协议是可靠的、面向连接的协议; 而UDP 数据报协议是不可靠的、无连接的协议。本文网络编程采用的是UDP 通信协议,通过UDP 协议向远程监控中心发送控制信息。
4. 3. 2 灌溉模式处理模块
主控制界面可以通过按钮设置自动灌溉和手动灌溉模式。自动灌溉控制基于土壤湿度,当土壤湿度达到湿度下线自动启动灌溉系统; 手动灌溉控制由用户通过Android 移动终端进行设置。节水灌溉系统工作模式关键代码如下:
if ( event. getAction( ) = = MotionEvent. ACTION_DOWN) {
if ( v. getId( ) = = ManualButton. getId( ) ) { / /手动灌溉模式
com. riwis. utils. Configuration. isDefend = false; ;
}
if ( v. getId( ) = = AutoButton. getId( ) ) { / / 自动灌溉模式
com. riwis. utils. Configuration. isDefend =
true;}}
为了能有效提高农业灌溉用水的资源利用率、科学实施农业灌溉,开发了基于物联网Android 平台的远程智能节水灌溉系统。同时,介绍了系统总体架构,设计了无线传感器节点、控制器节点的硬件、远程监控中心、Android 客户端。在Android 移动终端上实现了远程智能节水灌溉,具有硬件成本低、性价比高、智能化、低功耗等特点,为精细高效农业信息采集和节水灌溉智能控制提供有效的技术手段。该系统在济源农业科学院进行了原型试验,结果表明: 系统运行效果良好,操作界面人性化,控制方便,实时性好,具有一定的推广价值。
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远程教学不仅打破了传统的时空限制,也能充分利用高质量的教育资源,最大限度地发展教育功效,所以是现在也是未来的重要的教育手段。以下是读文网小编为大家精心准备的:计算机基础课程远程教学系统的设计与实现相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
摘要:本文讨论了基于Web的计算基础课程远程教学系统的设计思想及其实现方法。教师使用该系统可以进行网上授课、布置作业、批改作业、出试卷、评卷等;学生使用该系统在浏览器中观看教师授课视频图象(广播或点播)、在网上做作业、提交作业、考试、答疑或课堂讨论。
随着多媒体技术和网络通信技术的发展,基于Internet的计算机远程教学作为一种全新的教学手段,越来越受到人们的关注。计算机远程教学是指利用多媒体技术和网络通信技术,在网络环境下开展的教学活动。它有着传统教学模式所无可比拟的优点,它创造了一种全新的教学模式,打破了传统教学模式在时间、空间上的限制,采用了先进的教学手段和教学方法,大大提高了教学效率和教学效果,使教学活动上了一个新台阶。
作者所在单位承担我校除计算机系以外的所有系所的计算机基础公共课(包括《计算机应用基础》、《C语言》、《Foxpro》等课程)的教学任务,每学期平均有3000多学生,各教师均负责2~3个班共200~300多人的教学,教学任务繁重。为了使教师能通过先进的教学手段提高教学效率,增强学生应用Internet网络服务的能力,以此来加强和巩固对课程内容的理解和掌握,我们从1999年开始,开发了《计算机基础课程远程教学》系统(以下简称《远程教学系统》)。在Internet/Intranet环境下实现作业、考试、授课、答疑/辅导等功能,使用一年多来,取得了很好的教学效果,以下讨论该系统的设计与实现方法。
《远程教学系统》是在Internet/Intranet环境下实现的,是典型的浏览器/服务器模式。服务器以Windows NT 4/2000 Server为操作系统平台,Microsoft SQL Server 7.0为RDBMS,客户端通过浏览器访问系统提供的服务。系统不允许匿名访问,它要求用户提供帐号/密码,通过验证后才能进入系统主页,以此追踪用户身份。本系统将用户分为三类:系统管理员、教师、学生,他们都有各自的主页,访问系统的权限也不相同。其中权限最高的为管理员,其次为教师,最低为学生。权限高的能访问其下级所能访问的所有资源,反之则不然。例如教师能进入学生主页,而学生则不能访问教师主页所提供的功能(布置作业、批改作业等)。本系统可同时为不同课程的多组教师/学生(上一门课的教师及其学生为一组)提供服务,它们之间既有一定的隔离性(例如某个教师帐号不能批改属于另一个教师的学生的作业等),又有资源的共享性(例如公共作业、试题的共享等),很好地解决了本单位各个教师负责不同班级,课程也有所不同的问题。《远程教学系统》体系结构按用户角色的不同,划分如下:
图1 《远程教学系统》体系结构
2.1 管理员模块
由于《计算机基础课程远程教学》系统可同时为多组教师/学生提供服务,各组间的课程不尽相同,因此教师/学生组间应具有一定的隔离性。例如一门课程的教师对其学生具有管理权,但不能对属于其它教师的学生进行管理、某个学生只能访问其教师的作业等。因此系统主页需要教师或学生均以帐号/密码登录后才能访问,以此追踪用户访问系统资源的身份。而用户帐号的开设与删除、教师与学生的对应关系、课程名称、学生人数等信息,由系统管理员负责管理。这里,我们将系统资源访问帐号作为操作系统帐号开设,由Windows NT和Web服务器IIS负责进行用户验证。这样做的好处,一是可以充分利用操作系统的安全机制,使操作系统与数据库服务器(SQL Server)无缝集成;二是可同时为用户提供其它辅助服务,如:电子邮件、个人主页、FTP服务等。使系统应用与课程内容紧密结合,学生在应用系统的使用过程中可进一步加深对课程内容的理解。
2.2 教师模块
教师模块中包含了教师授课所需的各种功能。如:网上实时授课广播、布置作业、批改作业、出试卷、评卷、考试结果统计分析、网上答疑、课程资料(素材)制作、学生帐号管理(修改学生密码)、设置联机会议等。系统使用组件对象模型(COM)以及Office Automation技术自动批改《计算机应用基础》课程作业并登记成绩。教师可对作业结果进行查询、统计。教师可利用OutLook向系统请求联机会议,以此进行网上答疑、群体或个别辅导。
2.3 学生模块
学生模块包含查看教师布置的作业、(在网上或本地)做作业、测验(考试)、教师授课视频广播收看、点播、网上答疑、课程资源浏览、辅助服务等。学生使用浏览器访问系统主页时,需要提供帐号/密码进行用户验证,通过验证后,在浏览器关闭之前,均以该帐号身份访问系统资源。《计算机应用基础》课程的作业可直接在浏览器中完成并提交,对于《C语言》课程作业,为学生提供Web界面,完成作业程序的编辑、编译、链接、运行,一气呵成。远程考试功能既提供选择题形式的传统笔试试题,也提供实际操作形式的试题。考试通过WWW界面进行,有时间限制。学生在规定时限之前完成考试内容时可通过"交卷"按钮提交试卷;若考试时限到达时学生仍未交卷,则系统自动将考生当前的考试结果提交。
试卷的批改、考试结果的统计均由程序自动完成。自我测验功能则提供测验试卷,不限时间,由学生自主选择进行,测验完毕后系统立即评卷并给出成绩及学生测验时的选项与正确答案的对照表,以便学生查阅。为了更好地提高学生对网络的应用能力,增强学生对教学内容的兴趣,本系统为每位使用《计算机公共课远程教学》系统的学生和教师提供Email、FTP、个人主页、BBS、联机会议(在线聊天Chat、应用程序共享、白板)、等功能。让学生在实际操作中提高对课程内容的理解以及对课程学习的兴趣。另外,本系统还配备资源库,内置与教学内容相关或与网络应用相关的多媒体资料,供学生课外浏览、学习。
《计算机基础课程远程教学》系统功能涵盖了教学活动的各个方面,用户界面完全由浏览器提供,维护方便。其中采用了多项现时多媒体和网络的最新技术,如下所述:
3.1 组件对象模型(COM)技术
组件对象模型(Component Object Model,简称COM)是一个软件规范,它是基于对象的编程模型,只要遵循COM规范,应用程序和组件对象之间就可实现二进制代码级别上的重用,解决了对编程语言和环境的依赖。COM是Microsoft其它许多技术的核心,它允许用某种语言编写的位于二进制代码中的对象,为其它语言所访问(或称二进制兼容)。COM技术已经渗透到Microsoft的各个产品中,如:Windows NT/2000、SQL Server、Visual Studio、Office 97/2000、BackOffice等。《计算机基础课程远程教学》系统使用C++或ASP脚本、Perl脚本作为编程语言,其中大量采用了基于COM的技术,例如:
3.1.1 ADO(ActiveX Data Object)
ADO是数据库访问组件,应用程序通过ADO访问数据库的原理如下:
图2 ADO存取数据示意图
上图中OLEDB是Microsoft 继ODBC后新的数据访问机制,它不但可以访问数据库数据,而且还可以访问其它非数据库类型的数据,如Email、目录服务(LDAP)等。ADO是位于OLEDB上层的应用程序接口,操作较为简单。
《计算机基础课程远程教学》系统中作业、试卷、考试结果等信息都是保存在SQL Server数据库中,系统使用ASP脚本通过ADO对象访问数据库以及电子邮件、进行全文索引,如下图所示:
图 3 《计算机基础课程远程教学》系统数据存取示意图
3.1.2 Office Automation对象
《计算机基础课程远程教学》系统利用Office Automation对象,使教师利用程序自动批改学生提交的《计算机应用基础》课程(Word、Excel)的作业,以此提高教学效率。
3.1.3 ADSI
ADSI(Active Directory Service Interface)是Window NT/2000活动目录接口。利用该接口对象实现操作系统帐号的管理(开帐号、删除帐号、帐号属性设置)以及访问权限设置,简化帐号管理任务。
3.1.4 Developer Studio对象
Microsoft 的Visual Studio相信是广大程序员喜爱的开发工具,但大家都不太注意其中的Developer Studio对象:
Application Debugger
Breakpoint Project
使用他们,可以使程序的开发达到一定程度的自动化。许多在Visual Studio集成环境下通过菜单完成的命令或功能,都可以用Developer Studio组件对象的属性或方法来实现,如程序的语法分析、编译、链接、调试、表达式求值等。而这些都是教师批改C语言作业所要进行的操作。我们使用这些对象辅助教师批改C语言作业,减轻教师负担。
3.2 视频流技术
在Internet/Intranet环境下,文字、静态图像信息的传输是不成问题的。对于视频/音频信息的传送,则由于网络带宽等原因,需要进行特殊处理。而远程教学系统中的授课功能就要求在Internet/Intranet环境下传送大量视频/音频数据,以便实现教师授课的实时广播和视频点播(VOD)。在有限的网络带宽资源的限制下,视频/音频数据必须经压缩处理后才在网络中传输。以往多采用MPEG I等压缩技术,其特点是用户必须等待压缩文件完全下载到客户端后再播放,增加了客户等待的时间。目前,视频/音频数据采用经特殊算法处理的流技术,使视频/音频数据边下载边播放。流技术的典型代表是Microsoft 的Media Technologies(Netshow)和Real Network的Real Video/Audio。
《计算机基础课程远程教学》系统主要采用了Media Technologies压缩技术,使用其Multibit功能在一个流文件中压缩适合多种网络带宽(从28.8Kbps~3Mbps)的视频/音频流(最多6个)。由视频服务器根据客户访问时的实际网络传输能力选择其中一种带宽流向客户传输。另外,还根据Netshow和Real Video/Audio支持多播(Multicast)的特点,在网上对教师授课场景进行直播(广播)。在授课功能中,单是教师的授课图像是远远不够的,还必须配有同步的教师授课演示文稿(Powerpoint或HTML网页),真正将课堂搬到网上。
图4 同步视频点播
3.3 网上实时交互
《计算机基础课程远程教学》系统中的一个重要的特点就是教师与学生之间、学生与学生之间在网络环境下通过文字、视频、音频的实时交互,以此实现课堂讨论、教师操作示范演示、学生个别辅导等功能。教师通过浏览器或Outlook向系统发出联机会议(Online Conference)请求,在联机会议持续时间内,学生可通过浏览器加入会议,并使用系统提供的聊天(文本)、白板(图画)功能与与会者进行讨论;教师可通过应用程序共享功能向全体与会者演示某个程序的操作过程,或(通过语音)要求指定学生完成某个操作(个别辅导)。客户端使用NetMeeting,还可以实现一对一的视频/音频交互、聊天、白板、文件传输等。
《计算机基础课程远程教学》系统使用一年多来,极大地促进了我单位计算机公共课教学,提高了教学效率和教学手段,达到了较为理想的教学效果。
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网络攻防环境难以构建和管理是一个普遍性的难题。目前已经设计出一种使用虚拟机以及Openstack虚拟化的一种管理技术的网络攻防实验平台,它主要是基于云计算技术的。设计这种基于云计算的网络攻防平台的最根本原因是当前等的构建计算机网络攻防对实际网络环境有着较大的影响,而且成本比较高,不能实现高频率的构建,而这种基于云计算的网络攻防平台能够有效的虚拟网络环境,即不对实际的网络环境造成太大的影响;同时,它的实验成本较低,所以各种各样的网络攻防实验的测试都可以实现,真正的方便了需要使用网络攻防实验平台的企业以及各高校。以下是读文网小编为大家精心准备的:浅谈基于Openstack的网络攻防实验平台设计与实现相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
近年来,随着多起安全相关事件在互联网上曝光,网络安全成为当前技术研究热点,网络安全课程和网络安全竞赛也得到了更多的重视。
我们在网络安全课程的学习和网络安全竞赛的训练过程中,做了大量网络攻防方面的实验,比较深切地感受到现有的网络攻防实验手段的不足。
考虑到网络攻防相关实验往往都带有一定的破坏性,在真实网络环境里进行攻防实验还会遇到法律授权方面的麻烦,一般都是通过安装VMware、Virtualbox 等模拟软件构建虚拟网络环境去进行攻防实验。
在自己计算机上架设虚拟机构建网络攻防环境方式的优点是简单、廉价和灵活。但我们在练习过程中也发现,随着学习内容和人数的增多,会出现比较严重的管理问题,例如出现越来越多的虚拟机镜像和快照文件、越来越多的文档资料等,时间一长就容易遗忘,要搜索、准备很长时间才能进行实验操作;另外,人数多了,还牵涉到文档、软件、攻防系统镜像的分发和同步的问题。很多网络攻防实验的关键步骤其实并不多, 却往往要耗费大量的时间和精力做准备和排错工作,大大降低了效率,更不容易进行共享和更新工作。
经考虑,我们准备借助云计算技术来构建网络攻防实验平台。云计算技术可以灵活地按需提供虚拟化、并行计算、网络存储和负载均衡等服务,因此如果能把网络攻防所需的各种工具软件、攻击机和靶机镜像、操作指南等文档资料统一安放到云平台中,则可以极大地改进管理工作。例如,可以省去本地安装配置工作,只要有网络随时能用注册账号登录到云平台上做有操作权限的网络攻防实验;所有的技术文档、操作指南等统一存储在云平台,非常容易检索;在攻防实验平台的存储空间、CPU 性能出现瓶颈时,也非常容易进行扩充升级。
Openstack 是一个美国国家航空航天局和Rack space 合作研发的, 旨在为公共及私有云的建设与管理提供软件的开源项目。
Openstack 正处于高速发展和推广应用过程中, 目前已经是各种公有云和私有云建设的主流方案。
基于Openstack 的云平台部署非常灵活, 既可以只装在单节点服务器上,也可以部署到大规模集群服务器组,经综合考量,我们使用两台服务器去实现网络攻防实验用云平台,其中一台服务器部署为控制节点,另一台部署为计算节点,这也是目前广泛使用的方案,足以应付通常的实验,以后如果有需求,可以再添加计算节点以提高性能。服务器可以只放在私有局域网中,也可以接入校园网提高公开服务,因此每台服务器都装上双网卡,一块连接到外网,另一块连接内网。
设计的云平台服务器使用操作系统CentOS Linux 6.4 版, 下载OpenStack 的Icehouse 版本进行安装配置, 根据Openstack 的官方安装指导,在控制节点先后安装并配置Mysql、RabbitMQ、keystone、Nova、Neutron、Cinder、Glance、Horizon 和Apache 等服务项目,而在计算节点上只需安装配置Nova 和Neutron。
Openstack 安装完成后, 借助Dashboard 服务可以通过Web 界面登录后进行管理。
登录进入云平台管理页面后,即可非常便捷地进行各种虚拟机镜像的创建、上传、配置、运行、删除等配置工作。这些虚拟机镜像运行后,借助VNC 等远程控制工具,可以让多人同时通过网络访问,从而充分发挥云平台的作用。
在基于Openstack 的云平台搭建好了以后, 为实现网络攻防实验功能,主要任务就是创建足够有用的攻击机和靶机的虚拟机镜像。
攻击机的镜像相对比较容易解决,我们首先制作了基于Windows操作系统的攻击机镜像,在系统中事先封装了大量网络安全渗透测试用工具,包括各种扫描工具、嗅探工具、加解密工具、远程渗透攻击测试工具、动态调试工具、静态反编译工具等等。其中最常见最有用的一些工具包括Metasploit 开源安全漏洞测试工具、Nmap 扫描器、Wireshark 嗅探器、burpsuite 集成Web 渗透测试工具集、sqlmap 注入工具、Ollydbg 动态调试器、IDA 反编译工具等。
另外, 我们也制作了基于Kali 和Back Track 5 的攻击机系统镜像,它们都是开源的Linux 系统,已经在系统中事先集成了大量有用的网络安全测试工具,可以免去大量工具收集的繁琐工作。
靶机的制作则相对比较麻烦,因为这不是简单安装好操作系统和软件就行了,还经常需要自己在靶机上挖掘出或人为生成需要的某种安全漏洞以供攻击机做网络攻击实验。我们首先自己制作了一些基于Windows 2000、Windows XP、Windows 2003、Windows 2003、Windows 7等操作系统的镜像,都是没有打足补丁留下系统漏洞用于系统攻击测试, 然后我们还在一些Windows 镜像中创建了各种基于ASP、ASP.NET、PHP 和JSP 技术的有已知漏洞的Web 网站用于Web 渗透测试。另外,我们下载了一些开源免费靶机资源,例如OWASP 组织发布的一些靶机镜像资源。
为了更方便地使用和管理实验平台,我们另外编写并部署了一个管理网站,主要就是将云平台中的各种虚拟机资源及各种网络攻防实验所需的学习资料进行了分类组织显示。
事先获取权限的网络攻防练习者登录到这个网站后,可以非常便利地查看学习资料, 更重要的是可以启动云平台上各种虚拟机镜像,从而实际连接到运行中的攻击机和靶机进行各种攻防操作。
例如,在做通过弱密码安全漏洞远程控制实验时,练习者可以登录到管理网站上,通过阅读详细学习资料理解了这个课题的相关背景知识后,按照操作指南,先连接到攻击机上,打开运行Nmap 扫描器,扫描靶机开放的端口服务,并利用扫描脚本和自定义的字典文件扫描是否存在弱口令。
扫描结果是,发现靶机已经开放了3389 远程桌面服务,而且通过字典扫描出了管理员administrator 的弱密码5i9x。
然后在攻击机上用远程登录客户端去连接靶机的远程桌面服务,输入扫描出的账号和密码, 即可以管理员权限轻松进入靶机系统,完成了本次渗透测试实验任务。
其他网络攻防实验任务都可以用上述类似的方法进行理论学习和实际操作练习。
通过在攻防平台上的检测发现, 在同时练习人数不多的情况下,攻击机和靶机的连接速度和运行速度基本能够满足要求。
用基于Openstack 技术构建的云平台可以显著提高网络安全,尤其是网络攻防操作的学习效率,可以作为课程学习及竞赛培训的有益助手。当然,目前云平台上的网络攻防系统远不够成熟,存在标准不统一、界面不够友好、制作繁琐、很难支持大规模应用等缺点,有待技术的进一步发展和更多的开发工作
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在线教育即e-Learning,或称远程教育、在线学习,现行概念中一般指的是指一种基于网络的学习行为,与网络培训概念相似。是通过应用信息科技和互联网技术进行内容传播和快速学习的方法。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅谈在线教育系统学习路线模块的设计与实现xg 论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
浅谈在线教育系统学习路线模块的设计与实现全文如下:
开放存取是基于自由、开放与共享的理念,依托网络技术的一种全新的学术出版和信息交流模式,其在多个领域掀起了各种形式的开放存取运动。在线学习系统就是在此思想的推动下,伴随网络技术的成熟发展出的新的教学管理形式。并且伴随着现代社会对高层次人才的需求和生存竞争的逐渐加大,提高教育质量将是高等教育发展的核心目标。在线学习系统的建设水平也早已成为衡量现代大学建设的重要指标。
现有的在线学习系统集成了网络共享教学资源、教学资源管理、视频课程和师生交互等多功能功能为一体。在国外已经设计实现了众多虚拟学习环境模型,例如E - learning,并且在实际使用中不断改进。它们应用简便并具有很多教学工具,在很大程度上适应了教师与学生在实际教学中的需求。
如允许发布教学大纲,更新布告栏,进行课程预设,通过搜索引擎对现有资料进行查找,提供丰富的参考教材、传统教材和多媒体资料,并可以进行简单的编辑,内置博客等新兴的展示交流工具,以及在线交流、留言板和论坛等即时交互工具,以方便教师和学生进行及时的交流。另外,还有练习模块,作业模块,下载模块等教学辅助模块的支持。国内著名高校如北京大学、清华大学、上海复旦大学、浙江大学、武汉大学等高校早已相继成立了大学课程中心。通过调查研究和使用实践证明,大学课程中心能够为课程建设提供必要的技术支持。
但是现有这些在线学习系统都忽略一个问题:他们全部既没有预设的学习路线功能,也没有针对特殊使用者的个性化学习路线,可以使使用者按照学习路线中的课程设置进行学习。比如当一名使用者申请某门课程的学习时,现有的在线学习系统不会提示使用者学习这门课程之前必须具备的知识和应具有的能力,导致课程的申请者申请课程之后发现无法继续学习所选的课程。因为现实中申请者必须按照既定的课程顺序进行学习,在前导课程得到及格的成绩时才能学习当前选择的课程。
而在线学习系统预设学习路线并修改学习路线模块可以解决上述问题。首先分析课程与课程之间的关系,例如得到学习某门课程的前导课程和后续课程,将这样的关系写入数据库表中,通过程序生成预设的学习路线,当使用者选择学习某门课程时,使用者会清楚的得到学习这门课程所必需学习过的前导课列表,如果使用者前导课列表全部标记为完成,则可以学习所选课程; 否则将不能学习。其次如果前导课程是多门课程的情况出现则需并行学习多门前导课。
第三如果前导课还存在没有完成的前导课,则一直找到第一门课程从头开始学习。第四为保证系统的灵活性,管理者也可以针对特殊使用者提出的需求修改预设的学习路线。并且上述方法还有另外一项重要的作用,由于在线学习的特殊性,教师无法有效监督网络另外一端使用者的学习情况,而学习路线的预设功能则能为监督学生学习起到很大的作用。
文章以辽东学院课程中心为例主要讲述在线学习系统学习路线预设与修改等技术,并对其中的关键技术的实现做了详细的叙述。预设学习路线功能可以弥补学习者盲目选择课程的缺陷,并且在一定程度上监督学习者的学习进度,在一定程度上完善了在线学习系统。在线学习系统的设计事先做了充足的准备,收集大量专业的人才培养计划,根据人才培养计划进行了课程关系的分析,发现其中存在串行路线、并行路线和混合路线,分别建立数据模型。根据上述数据模型建立了学习路线预设框架模型,将其加入到课程中心,大大提高了学校的教学管理效率。
1. 1 数据表的分析
对于在线学习系统的学习路线预设模块需要以下两个功能: 学习路线预设功能和对预设的学习路线按照特殊用户的要求进行修改的功能。
一般来说在线学习系统的学习路线预设就是设置课程和课程之间的关系,也就是各门课程之间前导和后续的关系,是由授课者( 通常是一个人或者一个部门) 决定的,然后将其写入授课计划以便执行。对于学习路线的预设是,首先根据授课计划将每个学生的学习路线归纳成一个实体,然后通过二维关系描述。其次根据事先的授课计划将课程归纳成一个二维关系。两个二维关系通过关键字约束,某学习者选择学习当前课程,程序会通过约束关键字中所选当前课程的前导课号和完成状态,如果前导课程已经被标记为完成状态则可以学习当前课程,否则先学习前导课。对于修改预设的学习路线功能则可通过管理员强行修改二维关系表实现。
1. 2 课程关系类型的分析
根据学习常识某一门课程一定不是孤立的,一定会存在前导和后续课程。如果某门课程的前导课程只有一门课程的情况出现,那么学习者只需学完这一门前导课程就可以向后学习自己所需的课程;但是大多数情况是某门课程的前导课程是大于一门课程的情况,对于这种情况经过分析会出现三种常见的状态,分别总结为串行学习路线、并行学习路线及混合学习路线。串行学习类型的学习路线链条来说,某一门课程的直接前导课程只有一门,但该前导课还存在自身的直接前导课程,如果学生希望学习课程D,只有先学习课程A,然后学习课程B,然后学习课程C,最终才能学习所选择的课程D。
并行学习类型的学习路线链条来说,某一门课程的直接前导课程不只有一门,学生如果希望学习课程C,但是课程C 具有课程A 和课程B 两门并行的前导课,那么学生只能同时选择学习课程A 和课程B,完成后才能向后进行课程C 的学习。
混合学习路线来说,有时某门课程的前导课在学习链条的某一节点可能是并行学习的情况,有的时候可能是串行学习的情况,对于不同的情况可以分别进行串行学习路线、并行学习路线进行学习。
2. 1 学习路线类型的判断
在所有课程的信息都确定填入前面所述的二维关系中后,当学习着选择某课程时便会进入预先设定好的学习路线,该路线首先判断当前课程的前导课程数量,如果不大于1,则可以学习该课程的唯一门前导课或者直接学习该课程; 如果大于1,则判断该课程的直接前导课程数量,如果不大于1 则进入串行学习路线,如果大于1 则进入并行学习路线,过程如图4 所示:
2. 2 串并行学习路线的设计
在学习着选择课程,并且进行了学习路线类型的判断之后,学习者要按照预设的学习路线进行学习,为了简化串行学习路线和并行学习路线设计流程图。如串行学习所描述的那样,当学习着选择学习课程A 时,必须先学习课程B 和课程C。在学习课程B 和课程C 时需要经过和课程A 相同的判断过程。经过类型判断得到课程A 的前导课程数量大于1,并且又判断出课程A 的直接前导课程为1门即课程B,不是并行学习路线,所以就要先学习课程B。课程B 所经过的判断流程和课程A 一致,发现还有课程C 需要学习,还要进行课程C 的学习。如果系统判断未学习完成,就继续学习课程C,当课程C 学习完成就可以沿着串行学习路线学习课程B,然后是课程A。以此类推即为串行学习路线。
2. 3 修改预设学习路线的设计
如前所述得到预设学习路线的方法和学习路线类型判断及如何在类型判断后按照学习路线学习的方法,但是学习路线的预设又不是死板的、一成不变的,在设计中具有按照学习者的合理意愿进行学习路线修改的功能: 先由希望修改学习路线的学习者通过发送信息的方式发送修改学习路线的申请到任课教师,任课教师不具备修改学习路线的权利,所以任课教师再通过课程中心内信息的方式发送给管理员,管理员审核通过并备案后授权教师修改相关学生的学习路线,以达到因材施教的目的。学习路线预设与修改如图7 所示:
3功能测试
对于预设学习路线和修改学习路线功能的测试是在辽东学院课程中心这个在线学习系统上进行的,辽东学院课程中心是辽东学院自主开发的在线学习系统,其运行基于辽东学院校园网。参与测试的学习者人数达到2 300 人,课程数量5 门。共生成参与测试的学习路线实例11 500 个,其中预设串行学习路线2 300 个,预设并行学习路线2 300个,预设混合学习路线2 300 个,将前导课完成状态标记为完成状态的学习路线2 300 个,修改预设学习路线2 300 个。全部的预设学习路线都能按照设计的要求约束学习者沿路线进行学习,修改学习路线功能也能够按照学习者的要求在管理员的权限下进行合理修改。
预设学习路线和修改预设学习路线模块在辽东学院课程中心和校园网上可以顺畅的运行,但是随着学习者的增多,会产生越来越多的学习路线实例,这将产生大量的数据冗余,要求数据库服务器的数据存储、吞吐能力强,提高了教学成本和管理难度,这些都是今后需要进一步改进的地方。
随着时代的发展,在线学习成为当今重要的学习方式之一,也产生了很多在线学习系统,但是目前的在线学习系统都没有预设学习路线和修改学习路线这个功能,无法监督学习者的学习状态,不方便教学管理。文章以辽东学院课程中心为例主要讲述在线学习系统预设学习路线模块的课程关系的分析、数据库表的建立、学习路线预设与修改等技术,建立串行学习路线预、并行学习路线预设和混合学习路线预设框架模型,并对其中的关键技术的实现做了详细的叙述,希望能为开发者提供一个实用模型,并且希望对其他应用的建设有一定的借鉴作用。
对于大量学习者的学习路线实例产生的数据冗余问题,功能开发者已经找到应对的思路和方法。可以参考目前流行的个性化推荐方法,例如基于关联规则的推荐、基于内容的推荐、协同过滤推荐,根据学习者以往的选课信息,在线学习系统自动的将学习者可以进行学习的课程推荐给学习者实现智能预设。由于现实条件约束在这个版本的学习路线预设中无法体现,但是在接下来的学习路线预设版本中会加入这个功能。
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协议栈是指网络中各层协议的总和,其形象的反映了一个网络中文件传输的过程:由上层协议到底层协议,再由底层协议到上层协议。使用最广泛的是因特网协议栈。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅谈计算机网络协议栈实验平台的设计与实现相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
计算机网络原理课程是计算机专业主干课程之一,在专业教学体系中占有非常重要的地位。计算机网络原理课程中,最重要的是对于协议栈的理解和掌握。目前,计算机网络原理课程均设置有实验环节,实验内容主要包括4 方面:①通过数据嗅探软件——sniffer/winshark/Ethereal 等分析数据链路层、网络层和传输层协议;②利用网络仿真器如NS2 分析网络协议及其性能[1-2];③协议开发,即利用套接字编程进行应用层协议开发;④网络设备配置实验,包括交换机、路由器、服务器等的配置,这些实验都涉及协议。通过前两类分析网络协议的实验,学生可以观察协议的内部原理、数据包的格式等基本理论知识,但是此类实验属于验证性实验,会令学生对于协议的具体应用仍然模糊,无法达到培养和锻炼学生设计新协议和独立设计开发协议能力的目标。通过套接字编程实验,学生可以开发新的应用层协议,但是仍然缺乏对底层协议的认知和运用。网络设备配置实验也有类似的问题。
目前,计算机网络原理实验课程存在的主要问题是实验的片段性和隔离性导致学生对知识点掌握得不完整、不系统,不能形成有机的整体,不能将针对协议的学习成果应用于具体的协议栈设计,缺少对协议栈开发方法的整体理解。
基于上述问题,为了更好地培养学生综合运用理论知识分析问题和解决问题的实践能力,笔者结合华中科技大学文华学院计算机网络实验教学的现状,构建基于MSP430 的计算机网络协议栈实验平台,设计一套实验方案,期望学生通过在实验平台上的操作,加深对协议栈的理解,提高分析协议栈的能力和实践动手能力。
嵌入式实验平台的硬件部分主要由MSP430和CS8900 网络接口芯片组成。平台采用的微控制器是德州仪器公司(TI)的MSP430F149。这是功耗极低的Flash 型16 位RISC指令集单片机,采用Crystal 公司的CS8900 作为太网接口芯片。CS8900 功耗低,控制简单,可以直接和微控制器相连,通过微控制器的I/O 口对CS8900 进行控制。为扩展路由协议验证模块,实验平台的MSP430F149 与两片CS8900 连接。
2.1 实验1 :Ethereal 数据包嗅探
对协议栈的学习和开发都离不开数据包嗅探软件,Ethereal 是目前比较流行的协议分析软件。计算机网络原理课程的第一个实验是要求学生掌握Ethereal 软件的用法,通过包嗅探软件熟悉和掌握数据包的格式,为后续的复杂实验打好基础。这部分实验可以在PC 机上完成。
实验内容包括:①掌握Ethereal 软件的使用方法;②掌握通过数据包嗅探进行协议分析的方法;③截获典型数据包进行协议分析;④掌握一些经典协议(PPP 协议、ARP 协议、ICMP 协议、Telnet 协议、TCP 协议和Smtp 协议)并阅读相应的RFC 文档。
2.2 实验2 : 网络层IP 协议、ARP 协议、ICMP 协议的实现
在网络层实现IP 分组封装,ARP 协议的实现是数据最终能够到达目的地的保证;设计完成部分ICMP 协议;通过在接入段运行Ping 命令验证实验结果的正确性。
2.3 实验3 :传输层TCP 协议的实现
根据TCP 有限状态机实现TCP 协议可不考虑复杂的通信环境,忽略发送窗口、接受窗口、拥塞控制部分的实现。
2.4 Http 和Smtp 协议的实现
用HTML 写一个简单的Web 页面,嵌入到实验平台,在平台上实现Http 协议,以便局域网内其他终端可以通过Http 协议访问实验平台。
在实验平台上实现Smtp 协议,使实验平台在启动时或在某个事件驱动下完成向某个邮箱自动发送邮件的过程。
3.1 简单IPv6 协议
随着嵌入式技术研究的深入发展,许多小型智能电子设备如智能家电、智能仪表等也接入到互联网中,导致IPv4 地址空间明显不足,而IPv6 协议解决了IPv4 公共地址空间耗尽的问题。IPv6 协议使得移动电话、PDA、汽车、仪表甚至个人都可以获得多个公共IP 地址,并且IPv6 具有无状态地址自动配置、内置安全性强、服务质量高等诸多优点,是嵌入式设备进行网络互联的较好选择。实验平台可以实现简单的IPv6协议栈,帮助学生理解IPv6 协议与IPv4 协议的异同。
1)IPv6 协议栈的实现。
IPv6 协议栈的实现主要包括IPv6 模块和ICMPv6 模块。
由于实验平台资源有限,目前不考虑IPv6协议与IPv4 协议的兼容问题,不支持IPv6 扩展报头,不支持分片;测试运行在本地局域网,不涉及路由器;忽略MTU 探测决定路径上的最大传输单元;将报文大小设定为小于以太网最大传输单元,避免报文分片。
ICMPv6 模块具有IPv4 的ICMP 常用功能,可回送请求报文和回送应答报文,可在应用层进行ping6 操作,测试网络的连通性和IPv6 地址解析的正确性。IPv6 中的邻节点发现过程是用一系列的报文和步骤确定邻节点之间关系的过程。邻节点发现取代了IPv4 中使用的ARP 报文、ICMP路由器发现和ICMP 重定向报文。邻节点发现报文使用ICMPv6 的报文结构。
实验平台的邻节点发现模块支持地址解析,省略了重复性探测和路由功能。程序设计在保证实现IPv6 协议栈基本功能的基础上尽量减少代码复杂度,只考虑运行时的一般情况,忽略特殊情况需要的额外开销。实现该协议栈的重要内容之一是正确处理数据流程,实验平台数据处理流程如下。
当网络上有终端(主机)要访问嵌入式设备时,主机在适当的接口上发送多播帧,即IPv6主机发送多播邻节点,请求报文发现链路上IPv6节点的链路层地址。邻节点请求报文的多播地址是从目标IP 地址得到的。
这时必须正确设置网络接口芯片CS8900 地址滤波寄存器的值,以保证主机发送的多播邻节点请求报文可以通过地址滤波器;实验平台收到邻节点请求报文后,根据邻节点请求报文的信息,向报文发送方——主机发送一个单播邻节点公告报文,地址解析完毕;然后,实验平台根据TCP 状态机的状态完成相应处理过程,接收数据时,从网络接口芯片缓冲区读取数据,依次提取:①以太网帧头信息——用于保存发送方MAC 地址;② IPv6 头信息——提取IPv6 报文头中下一个头部的值。如果不是ICMPv6 和TCP 中的任何一个,就发送ICMPv6 目的不可达报文;如果是ICMPv6,就进一步判断;如果是REQUES 报文,就发送REPLY 报文;如果是邻居请求报文,则发送邻居宣告报文。因为实验平台的TCP/IP 连接是由主机发起的,所以嵌入式设备不会接收到邻居宣告报文。
实验平台采用TCP 方式发送数据。嵌入式设备不主动向主机发送数据,而是根据主机的请求传送数据,根据主机发送的请求数据包得到目的地址相关信息,将发送的数据包送入发送缓冲区,添加以太网帧头部、IPv6 数据报报头、TCP报文段首部等信息,更改相关标志位,将数据送入链路层。网络接口芯片负责将数据发送到网络。
2)IPv6 协议栈的测试。
由于HTML 不支持使用文字形式的IPv6 地址格式作为URL(通用地址),因此需要一台运行Windows 2000 Server 的计算机作为DNS 服务器,在DNS 服务器中添加实验平台IPv6 地址的AAAA 记录;同时需要正确配置测试局域网中主机的掩码,网关以及DNS 服务器。
测试在本地局域网进行,除上述DNS 服务器外,其他主机运行Windows XP 或Windows2000 操作系统。每台计算机都配置IPv4 地址、安装IPv6 协议栈并配置IPv6 的链路本地地址。将嵌入式系统连入该网络,启动系统,系统的IPv6 地址通过程序写入其RAM 中,我们就可以通过该局域网内的一个网络终端访问嵌入式系统的主页。例如,在一台计算机输入“ping6 嵌入式设备IPv6 地址”,如果网络没有问题就可以返回信息。在Http 的URL 中输入嵌入式设备对应的域名,就可以看到其主页,这说明上述实验环境可以使IPv6 协议栈得到较好的测试。
3.2 RIP 和OSPF 路由协议的实现
为了在实验平台上验证RIP 和OSPF 路由协议,我们在实验平台上设计2 个网络接口。由于实验平台资源有限且路由协议实现复杂,我们仅搭建规模较小的网络拓扑。实验平台不设置接收缓冲区,不采用随机早期检测,仅实现RIP 路由协议和OSPF 路由协议。
计算机网络协议分析与开发实验一直是计算机网络实验教学中的难点,如何让学生通过实验掌握协议分析与开发的精髓,具备协议分析与开发实践能力,是此类实验应重点关注的内容。基于msp430 的计算机网络协议栈实验平台可以开展专业相关的各种实验,还可扩展进行IPv6 协议和RIP、OSPF 路由协议实验。学生通过实验可以重演TCP/IP 协议栈,也可独立设计并开发类TCP/IP 的网络协议,对学生协议分析、设计和开发能力的提高有很大帮助。
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