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摘要：屏幕广播、文件分发、批量运行程序是计算机实验室中实验教学与设备管理的基本功能需求,文章围绕该需求设计并实现了基于UDP广播的实验室机房教学管理系统。系统利用了UDP广播在资源占用、报头开销、传输延迟等方面的诸多优点,同时设计了一套数据发送、接收的算法机制避免了其不能自动对数据进行分组、排序、组装等缺点,并通过极端模拟试验验证了该算法机制的有效性。此外,系统还设计了对传递的数据进行加密的机制以免遭恶意扰乱、攻击；提供了各种参数设置以使系统能适应不同机房性能参差不齐的电脑配置；系统实现采用了可以跨平台运行的Java SE以适应不同的操作系统。实际运用表明,该系统能显著提升实验教学的效果,能有效提升计算机设备的管理效率。
关键词：教学管理系统；机房管理系统；计算机实验室；UDP广播；屏幕广播；文件分发；批量运行程序
Research and Implementation of the Computer Lab Teaching and Management System Based on UDP Broadcast
LU Fangrui
(Experiment Center,Shanxi University of Finance and Economics,Taiyuan Shanxi 030006)
【Abstract】：Screen broadcasting,file distribution,running program in batch are the fundamental function requirements for improving the teaching effectiveness and management efficiency in computer lab.The paper designs and implements a computer lab teaching and management system based on UDP broadcast according to these requirements.The system uses the UDP broadcast's several advantage of low resources cost,small datagram head and low latency and designs a mechanism to avoid its shortage of inability of dividing,sorting and resembling of data.The paper also does an extreme situation simulation experiment which demonstrates the mechanism's effectiveness.The system designs encryption mechanism to avoid malicious disturbance and attack,provides parameter settings to better adapter different computer lab's configuration and performance and is implemented by Java SE that can run on different operation systems.The practical application of the system shows that it can significantly improve the effect of experimental teaching,the management efficiency of computer equipment and that it can substantially improve the teaching effect and equipment management efficiency.
【Key words】：teaching management system;computer lab management system;computer laboratory;UDP broadcast;screen broadcast;file distribution;run program in batch
机房或计算机实验室,是高等教育实验教学的重要场所,也是高校教学科研资源服务社会的重要场所。针对性的开发各种机房信息系统[1-3]提升实验教学质量、提高机房管理效率是很多机房管理员及相关学者长期关注的焦点。
1机房教学管理系统的基本需求
机房类实验室在高校的实验室中数量多、占比高,尤其是在地方财经类院校中。机房是计算机基础课以及计算机相关课程的教学场所,是很多非计算机专业的课程进行虚拟仿真教学的场所,是很多专业软件课程教学的场所,也是高校服务社会(社会考试、教育培训等)的重要场所。当前虽有各种商业的机房教学管理软件,但通常费用较高。通过对机房日常教学、管理的需求进行分析,文章总结出以下的必备功能需求[4-6]。
1.1屏幕广播
在计算机机房进行的实验教学过程中,通常有教师讲解一些基础知识的时间段、或者有教师向学生演示操作某些软件的时间段,这时需要学生能清晰看到教师电脑屏幕的内容,如果只是教师口头描述、学生耳听思索,学习效果将大打折扣,目前虽大多实验室机房都配备了投影仪或者其他大屏显示设备,但受限于教室光照、座位位置等因素所限,时常还是有部分位置学生不能清晰的看到屏幕内容而影响教学效果。
1.2文件分发
实验教学过程中,教师经常也需要将一些预习文档、实验手册、作业要求等文件分发给每一位同学,如果采用每位学生用优盘手动拷贝效率将非常低下,实验室的网络通常无法访问外网也导致无法采用互联网公司提供的免费网盘。一种有效的文件分发方式是教师将文件分发到实验室机房的每台学生电脑上,学生即时查看,需要时自己复制保存。
1.3批量运行程序
计算机机房的每台计算机还应该具有执行管理软件下发的程序(命令)的功能[7,8]。目前很多课程软件采用软件即服务的形式进行,师生使用浏览器访问使用软件。这种模式下教师可以在课前的准备环节,下发打开某一网址的命令,这样开始上课后学生省去了打开浏览器输入网址等环节,增加了课程的有效时间。下课后,计算机机房的管理员可以下发命令,全部计算机自动关机,避免了直接断电可能对设备造成的损坏以及逐台关机浪费时间。此外,计算机机房还通常还不时承担一些服务社会的工作,需要提前把整个机房打开某些特定软件(如考试端软件等),逐台打开将非常浪费时间。
2系统设计
2.1系统架构
机房教学管理系统分控制端和接收端,控制端的用户是在机房上课的老师以及实验室管理员,由于上课的教师大多是非计算机专业,因此系统在开发的过程中坚持极简的原则,控制端与接收端单工通讯,只提供最基本的屏幕广播、文件分发、批量执行命令等高频刚需功能,使得使用门槛很低。其他如学生提问、呼叫帮助等功能可以在课堂上学生举手示意,不需要在系统中开发相应功能增加系统复杂性[9,10]。
为了将屏幕广播、文件分发、批量执行命令的数据包分开,一种方式是通过在UDP包的数据区的起始字节增加一个自定义的数据包类型进行区分,另一种方式是采用不同的端口侦听不同类型的数据包。前者的优势是只占用一个端口,缺点是对数据包的处理稍复杂、计算开销大；后者的优点是处理简单,缺点是占用了三个端口。综合考虑,我们采用了第二种方式,即占用三个端口的方式。
2.2数据发送、接收算法设计
UDP协议中数据包的长度最大约为64K,当数据长度超出该限度时,需要用户自行分割发送,并在接收端自行组合。同时,UDP协议的不保证送达性及不保证数据包的发收顺序性,也需要用户自行处理。考虑到系统只是在各个具体计算机实验室机房使用,网络环境较为简单,不涉及复杂的网络路由,因此采用发送端分割数据后,每发送一个数据包,短暂暂停,再发送下一个数据包,循环往复直至将全部数据发送完毕。接收端采用接收指定端口的数据包,直至收到的数据包的有效长度小于设定的最大数据包长度,表示一个完整数据段接收完毕,返回数据,随后接收端重新进入端口侦听等待状态,等待接收一下个完整数据段。发送端、接收端的数据发送、接收的算法如表1、表2所示[11-13]。
2.3数据包发收准确率试验
屏幕广播只是每隔一定时间间隔将屏幕截图进行发送,日常讲课无论幻灯片播放还是演示软件操作,电脑屏幕的变动能够在极短时间响应(比如小于0.5s)即不影响功能使用,所以屏幕广播的数据量较小。并且屏幕广播间隔的时间极短就再次广播当前屏幕,即便某次数据接收失败也能很快再次收到下一次的最新数据。批量运行程序下发的命令数据量也很小,考验系统性能的主要是文件分发,对于较大的文件如分发错误重新发送也较费时。
综合以上考虑,我们设计进行了以下实验：实验选取了两个机房(计算机配置分别是最好和最差)进行文件分发测试,发送随机生成的100M文件10次,随机选取5台电脑进行接收,然后通过比对收发文件的md5值判断文件分发是否正确。具体实验情况如表3所示。
2.4实验结果分析
通过以上实验,我们可以得出以下结论：(1)通过设置合适的UDP数据包包间间隔,两个机房都可以实现UDP数据包100%发收正确,这验证了我们的假设,在网络环境较为简单的局域网中,UDP也可以可靠的发送接收；(2)保证UDP数据100%正确发收而设置的UDP包间间隔时间与电脑配置密切相关。在机房1中,即便UDP间间隔设置为0ms,接收端依然可以100%准确接收。在机房2中,虽然电脑配置更高,但UDP包间间隔设置为15ms时接收端才100%准确接收。原因应该是机房1中的硬盘为机械硬盘,读写速度差异较机房2中的固态硬盘要小得多；(3)证明了基于UDP广播的机房教学管理系统的技术基础可靠。试验进行的100M文件连续发送10次100%正确,该模拟场景较为严苛,通常机房教学管理软件使用场景中的UDP广播数据量远远达不到这样的大数据量发收。
2.5系统参数设置
由于不同的机房电脑配置、网络性能各异,同时不同的课程及使用场景也对系统有不同的要求,为此系统设置了专门的配置文件,软件在启动的时候根据先读取配置文件的参数设置对软件的各性能参数进行设置。配置文件中#号开始的表示注释,配置示例如图1所示。
3关键技术
3.1 UDP介绍
UDP即用户数据报协议(User Datagram Protocol),属于网络连接协议簇中传输层的协议,其不需要建立连接即可发送数据报,具有资源占用小、数据处理快、报头开销小、传输延迟小的优点。与此对应,UDP也具有不能对数据进行分组、组装和排序,对数据包不保证送达等缺点,这些环节需要用户在应用层进行处理。系统在充分利用UDP协议优点的基础上,在应用层针对对其缺点进行了针对性的机制设计,保证了利用UDP协议也能做到发送端数据分组发送,接收端能按顺序对数据进行拼接。
3.2广播地址
网络协议(Internet Protocal)地址,即IP地址,由网络标志和主机标志两个标志组成,其中主机标志为0的网络地址标识整个网络,用于网络路由,主机标志全为1的地址标识网络中的全体主机。例如：地址为192.168.151.127,子网掩码为25位的地址即标识地址范围为192.168.151.1-192.168.151.126的全部主机。系统正是利用了广播地址,通过发送一条目的地址为广播地址的数据包即可送达实验室机房的每一台电脑。
3.3 Java SE
Java是当前被广泛采用的编程语言之一,其具有简洁、面向对象、支持多线程、支持分布式、自动内存回收、安全性高、可跨平台运行等特性。其根据不同的应用场景有企业版(Java EE)、标准版(Java SE)、微型版(Java ME),其中Java SE主要用于桌面应用程序的开发与部署。实验室计算机由于购置时期及部分课程对系统的特殊需求,存在Windows 7、Windows10及Linux系统,因此选择了可以跨平台运行的Java SE作为系统的实现语言。
3.4非对称加密技术
加密技术分为对称式加密技术和非对称式加密技术。非对称加密技术是指数据的加密和解密需要两个不同的但配对的密钥进行加密解密的技术,RSA是其代表性算法。为了提高系统的安全性,避免系统被恶意扰乱、攻击,系统在数据传递中采用了RSA算法进行加密解密。
4结语
信息管理系统是提升机房实验教学效果、提高机房管理效率的重要手段,良好的设备加上良好的管理才能发挥出机房的最大功效。
参考文献
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