劉惠

（中國石油大學(xué)（華東）圖書館 山東 青島266580）

一種嵌入式Web技術(shù)的在線測試研究

劉惠

（中國石油大學(xué)（華東）圖書館 山東 青島266580）

針對(duì)在線測試系統(tǒng)考題生成的保密性問題，本研究設(shè)計(jì)了一種嵌入式Web技術(shù)的在線測試系統(tǒng)，首先根據(jù)TCP/IP協(xié)議并結(jié)合SPI技術(shù)，將所有考生電腦答題轉(zhuǎn)換后的信息通過相應(yīng)的UDP端口發(fā)送到中控電腦（CCS）中，然后結(jié)合ESP8266芯片將接收到的信息發(fā)送到中央指揮中心（CCC）的微處理器LPC2138中，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)考試系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理。該在線測試系統(tǒng)運(yùn)用隨機(jī)抽題和控制考生電腦IP的方式，有效防止了作弊行為。并通過使用HTML技術(shù)解決了考題信息的安全性問題。通過對(duì)微處理器ARM性能測試，結(jié)果表明：考題設(shè)置為80題，在1 000名考生規(guī)模時(shí)，該嵌入式Web技術(shù)的系統(tǒng)隨機(jī)出題響應(yīng)時(shí)間僅為9.7 ms。

嵌入式系統(tǒng)；WEB技術(shù)；TCP/IP協(xié)議；UDP端口；在線測試

隨著技術(shù)的發(fā)展，基于紙質(zhì)的考試逐漸被替換為基于計(jì)算機(jī)的在線測試模式，并且該技術(shù)已得到進(jìn)一步的發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的紙質(zhì)考試方式包括幾個(gè)缺點(diǎn)[2]：等待結(jié)果，資源消耗，監(jiān)考的人力投入和批改答卷過程中發(fā)生錯(cuò)誤等。而在最近幾年，各種基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的在線考試系統(tǒng)被開發(fā)與利用。其中，基于Web的在線測試是大眾教育考試體系的一個(gè)有效的解決方案[3]。在線考試系統(tǒng)是專為大學(xué)和中學(xué)考試測試，甚至為了銀行和政府的招聘而設(shè)計(jì)[4]。該系統(tǒng)利用各種開源軟件框架，易于考試機(jī)構(gòu)的程序開發(fā)與考題信息錄入[5]。然而基于計(jì)算機(jī)的考試制度仍然受到很多的技術(shù)限制，例如一些考試系統(tǒng)不能夠自動(dòng)注銷考生答題的分配時(shí)間以及缺乏對(duì)每個(gè)考生試卷問題生成的隨機(jī)性[6]。因此，本研究采用嵌入式Web技術(shù)改進(jìn)原有在線測試系統(tǒng)，并對(duì)在線測試的考題信息保密性深入探討。

1 嵌入式web技術(shù)

1.1 設(shè)計(jì)問題

整體嵌入式Web服務(wù)器包括5個(gè)部分[7]，其中包括HTTP引擎、API模塊、虛擬文件系統(tǒng)，配置和安全模塊。嵌入式Web服務(wù)器架構(gòu)如圖1所示。

圖1 嵌入式Web服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)

從圖1可見，應(yīng)用模式支持兩種API風(fēng)格[8]：CGI和SSI。在線測試的考題保密性是通過檢測服務(wù)器上安全領(lǐng)域來實(shí)現(xiàn)。在配置模塊，管理員可以設(shè)置從任何標(biāo)準(zhǔn)Web瀏覽器和嵌入式Web服務(wù)器的相匹配[9]。虛擬文件系統(tǒng)提供了一組有限的內(nèi)置考題信息到ROM只讀文件。Web文檔支持任何格式考題信息的呈現(xiàn)后，HTTP引擎就開始一個(gè)新的線程請(qǐng)求。每當(dāng)考生點(diǎn)擊選項(xiàng)確定一個(gè)新的連接時(shí)，HTTP引擎通常作為一個(gè)單獨(dú)運(yùn)行進(jìn)程支持多個(gè)考生同時(shí)使用?？忌娔X的嵌入式Web瀏覽器如圖2所示。

圖2 嵌入式Web瀏覽器的體系結(jié)構(gòu)

從圖2可見，嵌入式Web瀏覽器主要包括微處理器LPC2138，它是接口與網(wǎng)絡(luò)連接的模塊，考題數(shù)據(jù)通過中控電腦服務(wù)器 （CCS）最終發(fā)送給考試電腦。微處理器ARM LPC2138將考試服務(wù)器輸入到數(shù)字輸出。傳送數(shù)據(jù)的整個(gè)過程是通過使用IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的TCP IP協(xié)議完成的?？荚囉?jì)算機(jī)接收，并以報(bào)文的形式發(fā)送數(shù)據(jù)。要訪問物理限制的數(shù)據(jù)，中控電腦必須使用相同的IP地址，如果IP地址是正確的，那么局域網(wǎng)連接建立和服務(wù)器/客戶端開始發(fā)送或ARM7 LPC2138的IP地址接收數(shù)據(jù)包。

1.2 軟件實(shí)施

采用嵌入式C為基本語言上進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行[10]。在Keil 4版本中，創(chuàng)建數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測控制3個(gè)基本模塊。同時(shí)，SPI和ESP8266接收任務(wù)協(xié)調(diào)模塊之間的考題信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與開發(fā)，具體的功能如下：

1）SPI接收任務(wù)：對(duì)于考題信息被發(fā)送到的傳輸模塊的情況下，根據(jù)TCP/IP協(xié)議存儲(chǔ)到SPI發(fā)送數(shù)據(jù)信息緩沖[11]，在SPI端口被到達(dá)的數(shù)據(jù)添加到IP和UDP消息頭，其與SPI接口的考生電腦設(shè)置為從屬模式，即啟用SPI接口。最后，轉(zhuǎn)換后的信息通過相應(yīng)的UDP端口發(fā)送到中控電腦。

2）ESP8266接收任務(wù)：用于接收來自網(wǎng)絡(luò)模塊中的考試服務(wù)器信息系統(tǒng)[12]。首先，中控電腦（CCS）對(duì)考生電腦的IP地址和子網(wǎng)掩碼進(jìn)行設(shè)置，然后打開適當(dāng)?shù)腢DP端口以監(jiān)視是否有在UDP端口的數(shù)據(jù)[13]。若已達(dá)到UDP端口則作為UDP包中的信息，根據(jù)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行分析，然后將其存儲(chǔ)到SPI接收緩沖器。最后，分析數(shù)據(jù)通過SPI接口驅(qū)動(dòng)被發(fā)送至SPI串行設(shè)備[14]。

2 考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 中央指揮中心（CCC）

在線測試的主要部分用于整個(gè)操作過程中的管理和控制進(jìn)行檢查。其中，考試服務(wù)器（RES）提升了系統(tǒng)的可靠性；中控電腦服務(wù)器（CCS）通過Internet連接中央指揮中心（CCC）。中央指揮中心的功能如下：

1）系統(tǒng)信息管理：每個(gè)終端有一個(gè)IP地址和MAC地址，這些信息都存儲(chǔ)在一個(gè)表中用于插入領(lǐng)域，包括智能考試中心代碼、考試中心名稱、終端號(hào)、IP地址和MAC地址，開始考試即發(fā)送時(shí)間與指令：考試詳細(xì)時(shí)間、登錄時(shí)間、注銷時(shí)間、連續(xù)監(jiān)測時(shí)間、登錄/注銷狀態(tài)、考題分配的序號(hào)、考題發(fā)送時(shí)間、接收到應(yīng)答時(shí)間和考試開始時(shí)間。由于整個(gè)考試相關(guān)的信息存儲(chǔ)在CCS中，因此，IP地址無須事先通知CCC對(duì)其進(jìn)行改變[15]。

2）準(zhǔn)備和考試日程管理：中央指揮中心（CCC）維護(hù)中控電腦服務(wù)器（CCS）的詳細(xì)信息，每臺(tái)計(jì)算機(jī)中心擁有各考生的信息，如該中心已分配的考試日期，屆。因此，它需要準(zhǔn)備檢查時(shí)間表和候選的信息管理?？忌膫€(gè)人信息，考試信息，如考試地點(diǎn)，日期和考試的時(shí)間管理與有效維護(hù)管理。那么考生的個(gè)人信息的拷貝上傳到了中控電腦服務(wù)器（CCS）認(rèn)證所需的服務(wù)器。

3）管理考試題庫：保持整個(gè)EES考試題庫的心臟。

4）試卷生成：在線測試系統(tǒng)建議使用相同的考題集與不同的順序。根據(jù)座椅布局規(guī)劃設(shè)定次數(shù)（SET1，SET2，SET3和SET4）分配給每個(gè)考生。

5）安全問題設(shè)置：中央指揮中心（CCC）啟動(dòng)對(duì)問題與CCC設(shè)置請(qǐng)求。根據(jù)要求，考題集被加密并發(fā)送至該設(shè)置，并設(shè)置答題以此檢查命令服務(wù)器。

6）評(píng)估答案：對(duì)于這些考題的答案是在中控電腦服務(wù)器以及在中央服務(wù)器完成評(píng)估。考試服務(wù)器上傳考生答案與登記號(hào)碼，并設(shè)置數(shù)量和中心代號(hào)為評(píng)估中央命令中心。評(píng)估后考生的標(biāo)記在中央指揮中心和地區(qū)服務(wù)器更新。

2.2 在線測試流程

在線測試之前的檢查處理和考試流程，如圖3所示。

圖3 在線測試檢查與考試流程

3 系統(tǒng)測試與實(shí)現(xiàn)

3.1 安全性和EES可靠性

安全性是檢測在線測試系統(tǒng)中一個(gè)最重要的因素，它需要保證考題信息數(shù)據(jù)發(fā)送在數(shù)據(jù)庫中的安全性和可靠性。采取以下措施來實(shí)現(xiàn)測試：

1）數(shù)據(jù)系統(tǒng)的安全：該系統(tǒng)授權(quán)不同中控電腦（CCS）的不同考生使用對(duì)應(yīng)中央指揮中心（CCC）內(nèi)的系統(tǒng)的認(rèn)證和授權(quán)，考生的個(gè)人考題信息被限制到授權(quán)的功能，所以考題數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的安全性可以得到保證。

2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩簲?shù)據(jù)傳輸是在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上，通過TCP協(xié)議能夠確保數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。為了防止在線測試考題數(shù)據(jù)包和應(yīng)答包被窺視和改變，需要對(duì)所有的數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密，利用3DES和一個(gè)時(shí)間標(biāo)簽加到每一個(gè)考題數(shù)據(jù)包中，以限制允許的考試時(shí)間內(nèi)使用的考題數(shù)據(jù)包。

3）數(shù)據(jù)使用的安全：為了防止考生的作弊行為，每個(gè)考題測試包中加入一個(gè)時(shí)間標(biāo)簽。測試包不能被解密以外，即使用戶有足夠的時(shí)間，但由于高強(qiáng)度的加密策略和完善的授權(quán)策略，數(shù)據(jù)的安全性在任何節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)移的過程得到安全保證。在答題工具欄中，每個(gè)考生電腦顯示的考題信息都與顯示順序不同。此時(shí)考生登錄的時(shí)間與其個(gè)人信息連同考生電腦，可選擇改變PC的IP地址。

3.2 微處理器ARM性能

選取80個(gè)考題作為考題數(shù)據(jù)庫，并采用隨機(jī)出題的方式進(jìn)行考試。同時(shí)，分別選取200、400、600、800和1 000名考生的在線測試作為中央指揮中心（CCC）的微處理器ARM[16-17]出題系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)樣本，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間如圖4所示。

圖4 出題響應(yīng)時(shí)間

由圖4可知，中央指揮中心（CCC）的微處理器ARM LPC2138出題系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間隨著考生人數(shù)的變化呈現(xiàn)近似線性增長趨勢，并且當(dāng)考生為1 000人時(shí)，通過微處理器對(duì)80 000題的題庫信息隨機(jī)出題響應(yīng)時(shí)間僅為9.7 ms。這是因?yàn)橹醒胫笓]中心（CCC）僅對(duì)每個(gè)考場的中控電腦（CCS）直接進(jìn)行考生答題信息管理，增加了CCS在考生答題信息轉(zhuǎn)換后的預(yù)處理功能。

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

從上述1 000名考生中抽取7名考生的在線測試信息，利用中控電腦（CCS）對(duì)其進(jìn)行考試監(jiān)控，并在中央控制中心（CCC）對(duì)這7名考生的最終考試進(jìn)行綜合管理，分別如表1、表2所示。

4 結(jié) 論

本研究提出了一種嵌入式Web技術(shù)的無紙化在線考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。提出了在不同的考點(diǎn)利用中控電腦（CCS）對(duì)考生答題信息進(jìn)行收集，通過在中央指揮中心（CCC）內(nèi)部署高效微處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)考試系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理同時(shí)通過隨機(jī)抽題和中控電腦控制考生電腦IP的方式，解決了考題信息的安全性問題和在線考試作弊行為。該系統(tǒng)實(shí)際了在線測試環(huán)境中的科學(xué)化管理。因此，該設(shè)計(jì)方案是一個(gè)基于嵌入式Web架構(gòu)下的高效、強(qiáng)大和安全的在線測試系統(tǒng)。本研究未來的工作是增加額外的安全性功能，例如指紋識(shí)別或面部識(shí)別登錄模塊。

表1 考試監(jiān)控系統(tǒng)

表2 考試結(jié)果

[1]鄧煉毅，巫立華，許錦標(biāo).基于ASP與SQL Server 2000的在線考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（24）:62-64.

[2]申田靜，陳俊.國內(nèi)在線考試系統(tǒng)研究綜述[J].中國教育技術(shù)裝備，2015（14）:19-22.

[3]張靜.基于Web技術(shù)下在線考試系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)[J].電子測試，2013（5）:202-203.

[4]楊露.MIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)實(shí)驗(yàn)綜述——以在線考試系統(tǒng)為例[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2015（3）:51-53.

[5]劉洪江.在線考試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012，8（3）:508-511.

[6]周思軼.在線考試系統(tǒng)中的組卷方法的研究[J].科技信息，2014（2）:278-278.

[7]潘琢金，王秋實(shí).嵌入式Web服務(wù)器中動(dòng)態(tài)Web技術(shù)的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31（18）:3975-3978.

[8]黃小冬，陳薇.教育教學(xué)數(shù)據(jù)Open API設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2015（5）:115-118.

[9]王俊，郭書軍.嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)及其CGI應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（21）:152-154.

[10]榮國平，劉天宇，謝明娟，等.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中敏捷方法的應(yīng)用研究綜述[J].軟件學(xué)報(bào)，2014，25（2）:267-283.

[11]李開國，康志亮，丁武偉，等.基于TCP/IP協(xié)議的家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù)，2011，30（7）:41-45.

[12]張玉杰，楊小偉.基于DALI協(xié)議的多傳感器控制設(shè)備設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（7）:19-22.

[13]曹欲曉，韓磊.uIP中UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010，29（21）:52-54.

[14]趙驍，周斌，趙華.基于LabVIEW的SPI串行總線接口的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（14）:138-141.

[15]胡雪蓮，宋國順.基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的多媒體集中管理與維護(hù)[J].軟件工程師，2011，14（3）:42-45.

[16]徐景濤，葛娟，張濤，等.基于ARM和Linux的計(jì)量終端平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].電力信息與通信技術(shù)，2015（6）：92-96.

[17]馬蓉，李云紅，王晨昊，等.基于ARM的遠(yuǎn)程智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（3）：346-350.

Online testing based on embedded Web technology

LIU Hui
（Library，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

Online Testing System exam generated confidentiality issues，this study design an embedded Web technology，online testing system，the first based on TCP/IP protocol in conjunction with SPI technology，the information on all the candidates to answer computer after conversion through the corresponding the UDP port sent to the central computer（CCS），and then combined with ESP8266 chip transmits the received information to a central command center（CCC）microprocessor LPC2138，the ultimate realization of the examination system for integrated management.The online testing system using random question and control computer IP candidates way to effectively prevent cheating.And by using HTML technology to solve the security problems exam information.Through the ARM microprocessor performance test results showed that:80 questions to the title in 1 000 when the scale of the candidates，the embedded Web technology systems random topic and response time is only 9.7 ms.

embedded systems；WEB technology；TCP/IP protocol；UDP port；online test

TN919.3

：A

：1674－6236（2017）05-0138-04

2016-05-24稿件編號(hào)：201605214

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（60974039）

劉 惠（1972—），女，四川大竹人，碩士，副研究館員。研究方向：計(jì)算機(jī)、信息檢索教學(xué)、情報(bào)分析。