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1系統設計方案

1.1Socket套接字通信工作原理Socket(套接字)接口是TCP/IP網絡中最為通用的API，技術也最為成熟、穩定。VisualStu-dio2010(C#)提供了很好的Socket編程支持，運用C#編程設計可以很方便在計算機中創建一個通信端口。通過這個端口，可以將局域網內計算機可以與任何一臺具有Socket接口的計算機通信;而且Socket接口也是Internet上進行應用開發最為通用的API［7，8］。目前高校校園網絡及實驗室組網，基本都是使用TCP/IP協議網絡，Socket編程可以實現基于TCP/IP協議的網絡通信功能，通過Socket接口通信技術實現客戶端和服務器之間數據流發送和接收功能［6］，其工作原理如圖1所示。

1.2系統網絡架構實驗實訓中心一般設在教務處中，或獨立為部門。根據高校實驗室網絡管理，實驗實訓中心和教務處相關實驗教學管理人員的辦公場所與實驗室屬于半分離狀態;各個實驗室內部是都一個獨立網段的局域網，學校各個辦公場所和實驗室又組成一個大的局域網即校園網，因此各級網絡之間除財務處等個別科室外，一般都可以進行相互通信。系統整體包括教務監管服務端、教師端、學生端三大部分，教師端設計為兩個角色既面向實驗室學生又接受教務處管理;在實驗室內由教師機承擔主控Socket服務端，與實驗室內所有學生機進行通信，獲得學生上課行為并根據系統智能處理相關行為;同時在教務監理總服務端監聽下，實驗室教師機定時將學生上課行為匯總到教務端，對于異常行為的信息則立即發送到教務端，教務端根據該學生在不同實驗室的學習行為進行統計分析，如異常行為次數過多則從教務處下達處罰通知至教師端，教師端再轉發到學生端，其系統網絡架構見圖2。如圖2所示，本系統采用分層模塊化結構設計，可以減輕教務服務器的負荷，減少網絡擁塞，有利于系統的實施。

1.3實驗室教師機與學生機的通信設計Socket在不同主機的相關進程之間的進行數據交換，其構造函數有兩個參數，第一個參數是IP地址即依照TCP/IP協議要連接的目標服務端計算機的IP地址;第二個參數是端口號即服務端計算機上提供通訊服務的端口號且該端口號在通訊前必須要分配一個沒有被訪問的;只有滿足這兩個參數才可能進行連接，建立兩個進程間的通訊鏈路［3］。同一實驗室內教師機和學生機的網絡布局都會設計為同一網段的局域網，教師機IP地址一般都是固定的，作為服務端進行監控學生計算機，而學生機的IP地址相對比較不固定，作為客戶端連接沒有影響。教師機與學生機的Socket通信設計如圖3所示。實驗室上課時，教師機作為Socket通信的服務端，首先建立Socket()把IP地址和端口號進行綁定并啟動監聽，同時根據實驗室教師規模設置本實驗室服務端的請求隊列長度和實驗室網段規則，用于限制其它實驗室學生機不正常的連接。學生機和教師機建立連接后，學生機就可以將本機上課操作行為發送到教師機，教師機接受學生信息后系統根據異常行為判斷，如學生存在不正常行為將給予警告，并記錄學生的異常行為，嚴重者教務處介入監管。實驗室下課時，關閉計算機時自動關閉Socket所有連接。

2系統軟件設計

本系統是基于VisualStudio2010開發平臺，采用C#編程語言，實現Socket三級管理;將實驗室教師和教務監管人員聯合管理學生上課行為，糾正不良學風，通過異常行為檢測和智能消息提醒輔助提升學習質量，采用進程偽裝技術防止學生逃離監控范圍。

2.1異常行為處理系統對異常行為進行分類，并預設了各種行為表現和相應的處理機制，學生在實驗室上課過程中系統會實時登記學生上課行為，并根據學生行為進行相關處理。計算機當前各種操作都會記錄到系統進程中，每個進程都對應某一種應用［7］，通過監視系統進程可以獲取學生當前操作的應用程序。其中打開網頁操作所對應的系統進程比較特殊，在系統進程中只能獲取其是否打開網頁的進程，而瀏覽的網址是否合法還需要在網頁進程中挖掘，獲得網址步驟為。

2.2智能處理教師機接受到學生的上課行為信息，系統根據行為庫將學生上課行為按不同等級進行劃分，進行相關處理，如警告信息提示、遠程強制關閉、上報教務處等，具體行為庫維護如圖4所示。行為庫的健全直接影響本系統的智能程度，當計算機出現進程在行為庫中不匹配時，系統會智能檢測學生機CPU、內存使用率。當該學生機的CPU、內存使用率連續比較長時間處于較高狀態，系統會將該進程列為C類警告，并發送消息提示學生注意上課。系統管理員定期檢查C類警告進程，根據該進程對上課影響程度調整警告等級和設置相關處理辦法。學生在上課過程中可能需要通過網頁查詢資料，在行為庫中只能檢測到學生是否打開網頁而具體打開網址是否符合上課要求，則需要在行為庫中對網址合法化進行維護。互聯網的網站很多，維護比較麻煩，系統提供智能的處理方式，通過網站打開次數和時長判定該網站是否介入審查，當教師或教務管理人員審查后對該網站進行評定行為等級。學生在上課過程中發現計算機被監控，可能會玩手機或進行其它與計算機無關的操作等，此時系統會智能判定學生機是否出現不作為的情況。當CPU、內存使用率在一定時間段處于基本不變或較長時間網絡處于監測之外則視為學生上課不作為，系統登記后自動發送消息對學生機。當系統檢測到學生的異常行為，系統會自動調用警告函數sendWarning(″10.2.22.18″，“警告:林興杰同學上課玩游戲已被登記，請立即關閉游戲!”);學生機彈出如圖5提示框。如果系統警告3次及以上仍不改正，系統將調用函數kill-Process(“10.2.7.33”，pID，pHandle，“關閉:陳超同學已經警告三次仍然繼續玩游戲，系統將強制關閉!”);進行遠程關閉學生機。

2.3智能偽裝實驗室智能控制系統可以減少學生玩游戲、看電影等現象，但有些學生就會嘗試擺脫監控，在上課時斷開網絡或結束實驗室智能控制系統的進程。當正常網絡斷開3分鐘以上，教師機會出現未正常連接的提示信息，同時系統會調用網絡ping命令，如網絡連接正常則表示學生結束了系統控制進程，此時通過教師機遠程啟動該控制系統。為了使保護控制系統的進程不被發現，可采用進程偽裝為操作系統內部進程，如:svchost，system，rundll32等［8］。經過偽裝的進程，看起來就像正常的系統進程，不易被察覺，但在系統更新時要分別進行。進程保護不允許計算機用戶強制結束任務或關閉進程，以達到應用程序或服務穩定運行。進程偽裝方法結合進程保護技術，其保護效果將會更好，一方面可以保護自身不被惡意軟件破壞，另一方面系統安全防護軟件不易檢測出來［9］。

2.4智能監管為了加強教務管理，教務部門會定期抽查或巡視課堂，但教室、學生數多且巡視會影響課堂教學，這給教務監管帶來不少麻煩，基于Socket的實驗室智能控制系統可以輔助教務部門監管教學，實現智能管理。系統從各實驗室教師機接收學生上課行為，每個月統計各個實驗室上課情況，對學生行為進行綜合分析，將學生上課情況定期生成實驗教學質量檢查報告，并分發至輔導員，對經常玩游戲、看電影、曠課等現象的學生進行批評處理。經教務智能監管后，學生上課異常行為明顯減少，尤其是玩游戲、看電影等明顯減少，但曠課改進比較小，如圖6所示(數據以出現警告信息人次進行統計)。系統按學期統計出各個學生上課各種行為，一方面為批評和指正學生提供依據，另一方面也能警示教師維護好上課課堂秩序。優差學生上課行為的對比如圖7所示，教師實驗教學課堂行為控制區別如圖8所示。

3結論

基于Socket的實驗室智能控制系統一方面能及時提示學生上課避免出現異常行為，并進行糾正;另一方面也能督促教師提高實驗教學課堂控制。同時對于位置固定的計算機經常出現網絡不能正常連接，則能提示實驗室管理人員進行檢測和維修，保證網絡正常工作。從兩個學期實驗上課行為觀察，學生異常行為有一定的改善。但系統智能控制主要基于行為庫，而行為庫的完善程度直接影響系統的智能程度。這也加大了系統維護的工作量，且需進一步提升系統的自我維護的智能程度。另外，游戲應用層出不窮尤其是網頁游戲，難以有效監控。運行基于Socket的實驗室智能控制系統后，確實能明顯降低學生玩游戲、看電影等現象，有效提升實驗教學質量，從技術上為教務部門監控實驗教學提供新的手段，該方案具有一定的推廣價值。

作者：盧民榮單位：江夏學院