基于网络的虚拟实验平台—电路管理模块的设计与实现

摘? 要 虚拟实验平台是一个能很好地提升教学效果的平台。在这个平台当中，完全通过软件模拟的方式来仿真实现接口实验的各个步骤及实验效果。本平台主要功能已在单机上基本完成，但在网络化越来越重要的今天，一个平台仅仅能够在单机上使用是远远不够的，进行网络化的增强改进就显得十分重要。在网络化改进时要解决很多新的问题，如电路图文件的的定义，NAT转换的处理，传输途径的选择，传输协议的选择等问题。在本毕业设计当中，主要是设计一个与虚拟实验台相配套的电路图文件格式，在此格式当中需要描述的信息除一般电路包括的器件信息、器件管脚信息、连线信息外，还包括仿真实现器件功能的软件模块信息，所有这些信息通过自定义的文本文件格式来描述。在虚拟实现平台运行时，可以通过选择不同的电路图文件做不同的实验。在实验进行当中，有可能要修改连线，要求本模块能实现对这些操作实施记录、保存。电路图文件可以通过网络传输、更新，是基于网络的虚拟实验平台的重要的基本功能。 关键词：虚拟实验平台；网络化改进；电路管理；P2P；NAT转换 1?? 引言 1.1? 课题研究意义 虚拟实验平台是一个很好的提升教学质量的平台，实验作为教学中相当重要的一个环节在实际教学当中是必不可少的，对于现有的教学环节当中可能存在部分实验室紧张的情况，这样每个学生就不能都接受到实验这个重要环节当中的知识，因此在这样的情况下，我们就想到了自己做一个虚拟的实验平台来改进这一情况，而且在计算机上做硬件接口的实验还能达到比如修改实验过程更容易等直接在硬件上做实验达不到的效果，在最后做出来的虚拟实验平台当中，我们可以能够自己选择器械，进行连线工作，在完成连线以后还能载入预先写好的汇编指令，对模拟的芯片进行相对应的指令操作，能够将图形信息编译为数字信息进行记录。保证各个管脚能够连接，连接后信号能够正常传送。在网络化越来越重要的今天，一个不能和外界通信的软件平台正在逐渐失去其本身的意义，用一个形象的比喻来讲，网络化改进好比是对一个原本能力很强，但是其本身却不能说话的人进行改造，改造以后的这个人，不仅能说，同样也能听，在一定程度上具备了沟通的能力，对虚拟实验平台的网络化改进也是如此，我们可以在网络化的基础上实现其他的很多功能，如动态升级该平台，教师实现其实验管理，教师远程协助学生完成实验等功能，在设计当中，我们涉及了两个问题，NAT转换，UDP传输，版本的判断等问题，在整个网络化改进组完成该项目的改进以后，该平台将是一个在实际的教学实验环节当中非常实用，功能非常强大的一个平台。 1.2? 课题研究方法 考虑到学生的使用方便和设计的方便，我们网络化改进小组进行了分工，考虑到把电路图文件写到平台当中不方便后期的网络化升级，一但想要做新的实验都需要修改平台代码，再加上因为平台实验众多的原因，学生在实验的时候也需要通过自己实际的动脑来设计新的实验电路图，提高学生的设计能力，因此，在网络化升级的时候需要有一个单独电路图文件来辅助虚拟实验平台的升级，而我负责的就是电路图部分，因此首先需要能够把这些电路图信息写到一个文件，再把这个文件保存起来，初期考虑到使用数据库，但是因为数据库存储文件的不方便和消耗的资源太多等原因，因此我们直接采用文件的方式来保存这些信息，而所有的这些文件信息都是写到一个文本文档当中的，因此，文本文件（txt文件）的内容格式定义就成了本课题的重点研究对象。 在网络化越来越重要的今天，一个不能和外界通信的软件平台正在逐渐失去其本身的意义，用一个形象的比喻来讲，网络化改进好比是对一个原本能力很强，但是其本身却不能说话的人进行改造，改造以后的这个人，不仅能说，同样也能听，在一定程度上具备了沟通的能力，对虚拟实验平台的网络化改进也是如此，我们可以在网络化的基础上实现其他的很多功能，如动态升级该平台，教师实现其实验管理，教师远程协助学生完成实验等功能，在设计当中，我们涉及了两个问题，NAT转换，UDP传输，版本的判断等问题，在整个网络化改进组完成该项目的改进以后，该平台将是一个在实际的教学实验环节当中非常实用，功能非常强大的一个平台。 2?? 涉及到的技术 2.1? 电路管理 当然，有了网络通信就可以用到网络升级，有了网络升级就需要用到版本的划分，而在我们小组的网络化改进当中，我们是把版本划分的标识放在我们的电路图当中的，这样不仅能够很好的区分我们的平台的版本，还能够通过平台版本来区别我们电路图的版本，所以对服务器造成的负担减小了，节约了资源，方便了更多用户对服务器进行访问。 2.2? 电路图的传输--P2P技术 所谓P2P技术指的就是消费者和生产者之间为达到一定的目的而进行的直接的、双向的信息或服务的交换。在这里P2P即是英文Peer to Peer的简称，其中Peer是“同等的人、伙伴”的意思。国内的媒体一般将P2P翻译成“端对端”或者“点对点”，P2P的实质即代表了信息和服务在一个个人或对等设备与另一个个人与对等设备间的流动。P2P定义如下：系统由若干互联协作的计算机构成，且至少具有如下特征之一：系统依存于边缘化（非中央式服务器）设备的主动协作，每个成员直接从其他成员而不是从服务器的参与中受益；系统中成员同时扮演服务器与客户端的角色；系统应用的用户能够意识到彼此的存在，构成一个虚拟或实际的群体。P2P网络是互联网整体架构的基础，互联网最基本的 TCP/IP协议并没有客户端和服务器的概念，在通讯过程中，所有的设备都是平等的一端。广义的P2P 网络将 P2P网络划分为纯分散式 P2P网络(如gnutella模型)、超级结点式网络和混合式 P2P网络等大类。 2.3? P2P要解决的重要问题－NAT转换 最先提出的是基本的NAT，它的产生基于如下事实：一个私有网络（域）中的节点中只有很少的节点需要与外网连接。那么这个子网中其实只有少数的节点需要全球唯一的IP地址，其他的节点的IP地址应该是可以重用的。 在Ipv4版本当中IP地址是采用32bit的2进值数据来划分的，当然，在当初构建IP协议的时候，我们的创始者并没有考虑到internet在未来的发展是这么的迅速，时至今日，IP地址已经出现的枯竭的状况，在这种情况下，我们就想到了采用NAT转换来进行改进，所谓NAT转换就是，在一个局域网当中，我们只用一采用一台主机使用公网，即外网的IP地址，其他主机的IP地址都采用我们的内网地址，在子网内使用一个保留的IP子网段，这些IP对外是不可见的。如192.168.0.0网络和127.0.0.0网络和10.0.0.0网络，在外部网络访问内部网络的时候都提供一个进行网络地址转换的平台，那么基本NAT就负责将这个节点的子网内IP转化为一个全球唯一的IP然后发送出去。（关于基本的NAT可以参看RFC 1631）当然，该平台可以是软件，也可以是硬件。