摘 要 随着信息化和网络化在高校的迅速发展，无纸化考试逐步代替传统的纸质化考试。本文主要阐述了我校安全在线考试系统的设计与实现的过程，对该系统的设计原则、需求分析、功能和模块设计、关键技术，安全策略进行了全面的分析，对该系统的安全性和可靠性进行了论证。希望在深入地探讨和交流中，系统能够得到进一步改进和完善，功能得到提升。
【关键词】安全 在线考试 系统 设计 实现
随着信息化和网络化在高校的迅速发展，也随着高校IT基础建设的不断加强，无纸化考试成为一种最新趋势，逐步代替传统的纸质化考试。考试是高校的一项重要工作，公平地评价学生掌握知识的情况，也是提高高校教育质量的重要方式，环保化、智能化和网络化的在线考试受到老师和学生的一致青睐，它在提高工作效率，优化教学管理，提高教育质量，降低考试成本等方面作出了重要贡献。开发一套适合我校实际情况，系统设计更加完善和稳定，使用方便快捷，安全性较高的在线考试系统也是我们计算机工程人员的一项艰巨而重要的工作。本文主要阐述并分析了为我校设计的在线考试系统的过程，从设计原则、需求分析、系统功能和模块设计、关键技术、安全策略等方面进行了全面和详细的分析，具体设计方案如下所述。
1 考试系统设计的原则
在线考试系统的主要服务对象是学生，用户包括系统管理员、任课教师和学生等。高效、快速、智能化地完成每一次考试是我们的目标，在线考试系统一定要保证在公平和规范基础上，适应现代化教学的需要，本系统需要满足以下设计原则。
1.1 稳定性
在线考试系统具有稳定的性能是衡量系统好坏的重要标准，好的在线考试系统要求系统运行效率高，可以承担较大规模、各种类型的考试，避免在系统运行的过程中，因正常操作而产生系统错误。
1.2 安全性
安全是指系统能够保护数据或基础结构，避免受恶意攻击或者盗用。安全性是通过为信息的机密性、完整性和可靠性提供充分的保护来预防风险。保障系统安全是任何系统成功的基本要素。对于在线考试系统来说，除了病毒的防范，把好权限关，作好身份验证，题库、试卷、成绩等数据的安全性也是必须加以考虑的因素。
1.3 公平性
检查学生撑握知识的情况是考试的目标，科学组卷，规范地设定题型、分值、难度、试题数量、试题顺序等参数，生成相对科学、公正的试卷，是体现公平性的重要手段。为了保证考试的权威性，防止作弊行为的发生，监考老师和管理员还可以随时在考试过程中通过系统核查学生信息，避免代考等作弊行为的发生。
1.4 可扩展性
可扩展性是指系统能保证可持续增长以满足用户的需求和业务复杂性要求。对于考试系统而言，这种扩展性就显得尤为重要，因为考试系统功能的完善是一个循序渐进的过程，在系统设计上一定要为将来的升级和扩展留有余地。
2 考试系统的需求分析
在线考试系统要求所有操作基本上都能在线完成，即通过网络实现对考试结果的保存以及系统的维护更新和运行管理。教师通过系统把试题上传到题库，计算机的网络平台把试题分发给学生，学生选择不一样的试题在规定的时间内进行答题，考试完成后将学生的试卷传送至服务器自动评分，体现了考试的客观和公正，也防止了考试过程中的作弊行为和老师的误判。教师还可以通过系统得到最准确的分析数据，对教学工作加以改进，提高了工作效率和教学质量。根据学生考试、老师出题评卷和系统管理的需要，系统的主要需求分为在线考试和后台管理两个大的方面。
在线考试的系统开发、设计必须涉及以下最关键的内容：
（1）学生通过身份验证成功登录考试系统后进入相对应的考场以及考试界面。
（2）通过选择考试科目，系统随机生成试卷。
（3）开始在线答题。
（4）手动交卷或时间结束后自动退出考试。
（5）考试结束后试题自动评分并存档。
后台管理方面，系统管理人员或教师可以通过身份验证，进入相对应的管理员界面，完成对信息的全面掌管，轻松实现学生信息的修改，题库的更新，成绩的管理、密码修改等重要操作。
3 考试系统的功能和模块设计
根据以上需求，系统的总体功能模块设计分为在线考试模块和后台系统管理两大模块。将这两大模块进行进一步细分，整个系统共分为8个功能子模块。其中，将在线考试划分为考生登录、密码修改、在线答题和成绩查询4个子模块；将后台系统管理划分为4个子模块，它们分别是：用户管理、试卷管理、题库管理、成绩管理。以下是8个模块各自的功能介绍：
3.1 考生登录模块
通过该模块，确认考生的考试资格，具有考试资格的学生可以成功登录考试，其他人员无法进入考场。
3.2 密码修改模块
考生登录后可以按照对密码设置的要求进行相应的修改，如果考生忘记了密码，可以由系统管理员对其进行密码的重新设置。
3.3 在线答题模块
考生登录考试界面后，打开相对应的试卷开始答题，答题结束后可以手动提交试卷，考试时间到，也会自动收卷。学生交卷后，自动生成考试成绩。
3.4 成绩查询模块
在提交完试卷后，具有考试资格的考生输入正确的个人信息和密码，可以查询所考课程的成绩。
3.5 用户管理模块
用户管理主要包括系统管理员用户、教师用户、学生用户，对他们权限进行了严格地分配。用户管理模块中，系统管理员具有最高权限，可以对系统的其他所有用户作修改等全部操作。教师用户可以对参加考试的学生进行添加、修改和查询等操作。学生用户，就只能登录考试系统，参加在线考试和查询所考课程成绩。
3.6 试卷管理模块
只有系统管理员才能进入，根据学校总体的教学计划，对各课程所属试卷进行删减、修改等操作.
3.7 题库管理模块
系统管理员和课程任课教师可以进入相关课程的试题库，进行修改试卷记录、自动生成试卷、发布考试要求、更新试题和标准答案等所需操作。
3.8 成绩管理模块
该模块只有相关任课教师才能进入并操作，主要用于对该门课程学生的成绩的管理，除了对学生成绩的查询、修改外，还可以通过所生成的成绩产生详细的分析数据，给任课教师提供最准确的依据，为将来的教学提供参考。
4 考试系统的关键技术
4.1 开发模式采用B/S模式
现有的网络考试系统大多采用两种模式：浏览器/服务器模式（简称B/S）和客户机/服务器模式（简称C/S模式）。C/S模式是一种比较成熟的技术，能充分发挥客户端PC的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器，客户端响应速度快。但C/S更适用于局域网，远程访问需要专门的技术，客户端需要安装专用的软件，工作量大，安装、维护和升级成本比较高。而随着互联网的飞速发展，这需要我们的系统具有扩展性，于是我们在开发模式上选择B/S模式。B/S是Brower/Server的缩写，客户机上只要安装一个浏览器（Browser），如Internet Explorer，服务器上安装SQL Server等数据库，浏览器通过Web Server 同数据库进行数据交互。B/S模式不需要另外安装客户端软件，客户端机器维护和升级简单，用户使用十分方便，系统的扩展非常容易。
4.2 考试系统的结构采用三层网络结构
该考试系统选择基于B/S的三层网络结构，将复杂的网络设计分成几个层次，使一个复杂的大问题变成许多简单的小问题，利用分层的思路来组织成一个系统，每个层完成相应的功能。可以将考试系统分解为用户界面，管理逻辑和数据库三层，层与层之间的关联性不会太大，这样就有助于系统功能的实现。使用分层的思路构建Web的软件体系结构适用于较大规模和复杂的应用需要，特别适合考试系统，能有效地提升系统并发处理的能力，适应不停变化的教学要求。在实际应用中，三层网络结构的优势还在于最大限度地节省了建设和维护的成本，提高了使用率，简化了相应的管理，确保系统更加合理、安全、有效。
4.3 考试系统应用程序选择VB.NET作为开发工具
一个稳定、安全、实用的考试系统需要选择一个较好的开发工具，该系统采用的是VB.NET应用程序。模块化是VB.NET面向对象编程中的一个显著特征，实体被表示为类和同一名字空间中具有相同功能的类，我们可以在名字空间中添加一个类而不会影响该名字空间的其他成员。面向对象编程从本质上支持扩充性，如果有一个具有某种功能的类，就可以很快地扩充这个类，创建一个具有扩充的功能的类。由于功能是被封装在类中的，并且类是作为一个独立实体而存在的，提供一个类库就非常简单了，.NET Framework类库提供了很多的功能，也为我们提供各种符合需求的类。VB.NET开发的数据库的应用程序代码操作数据库效率高，具有组件丰富、语言简单、功能强大等优点，使我们能在最短时间内完成系统开发的前期工作。另外，还利用ADO.NET提供的支持，在VB.NET中自由访问和操作数据库，方便、快捷地实现对数据库的操作。
4.4 自动组卷策略和遗传算法的使用
组卷是设计在线考试的核心任务之一，自动组卷就是按照一定的算法自动从试题库中抽取试题，组成试卷。在抽取试卷的过程中需要通过组卷策略和生成算法来控制，算法是依据题库、分值、难易的情况进行分类、聚合的组织方法，算法的好坏直接影响抽取试题的质量。我们采用的组卷策略是：首先量化用户需求形成试题；然后构建算法模型，根据教师预先设置的题型数量、试卷总分、试卷难度等指标和参数在试题库中进行抽取，并对结果进行检查和优化，最后匹配试题库，找到合适的试题，完成组卷工作，供考生在考试时间随机抽取试卷进行答题。该系统采用的是遗传算法，是一种通过模拟自然进行过程搜索最优解的方法，非常适合考试系统中有多种组卷条件的情况。数值方法求解这一问题的主要手段是迭代运算。一般迭代方法容易陷入局部极小的陷阱而出现“死循环”现象，使迭代无法进行。遗传算法克服了这个缺点，初始种群通过试题题型、试题难度等参数产生，加快遗传算法的收敛并减少了迭代次数，是一种全局优化算法。
5 考试系统的安全策略
在线考试系统具有特殊性质，对安全性有着较高的要求，系统试卷数据应该受到相应的安全防护的处理。考虑到网络上和实际应用中存在着诸多不安全因素，本系统在安全性和可靠性方面进行了较周密的考虑，以防病毒的侵入和人为的破坏，我们在安全策略上采取了以下措施，形成一个强大的安全防护网。
5.1 防火墙的设置
防火墙是一种访问控制策略的系统，在内部网络与外部网络之间形成一道安全屏障，实施安全防范，从逻辑上讲，防火墙是一个分离器、限制器和分析器，它可以实施比较广泛的安全策略来控制信息流，防止外部网络对内部网络的攻击。防火墙是考试系统安全运行的保障，用Proxy Server来设置防火墙，实现了包过滤等多种功能，通过包过滤技术控制进出网络的信息流向和信息包，分析流经防火墙的数据包内有威胁的信息，有则阻止，无则放过，起到保护考试系统的作用
5.2 数据加密采用MD5加密算法
为了保证考试系统中的数据在传输过程中不被窃取，系统需要对所传输的所有重要数据进行加密，如系统管理员的登录密码，考试系统中的重要数据，试题库中的试题、考试结果都需要加密的方式进行存储，以免被他人盗取并泄露。该系统中所有数据的加密均采用的是MD5加密算法。Message Digest Algorithm MD5（中文名为消息摘要算法第五版）为计算机安全领域广泛使用的一种散列函数，用以提供消息的完整性保护。MD5具有容易计算、抗修改性等特点，让大容量信息在用数字签名软件签署私人密钥前被压缩成一种保密的格式（就是把一个任意长度的字节串变换成一定长的十六进制数字串）。
5.3 对管理用户实行IP地址绑定
为防止非法用户的入侵，在系统的设计中，严格控制非法用户进入，对系统的管理用户采取了计算机IP地址绑定措施。在添加管理员信息时，把将要行使管理权限时所用的计算机的IP地址同时存储在管理员信息列表中。当管理员登录时，系统会自动获取用户当前的外网IP地址，并与管理员信息列表中显示的IP地址进行比较，如果存在，则允许登录，否则将被视为非法用户，禁止访问。
以上是为我校开发设计的在线考试系统的详细阐述和分析，根据我校的实际情况和教学的需要，我们考虑得还是比较周全，从安全性和稳定性上下了不少功夫，经过测试和试运用，运转状况良好，可靠性和安全性总体令人满意。但是许多地方值得进一步修改和完善，希望在使用的过程中不断改进，通过系统的扩展和升级，功能变得更加强大，更能适应现代化考试的需要。
参考文献
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作者简介
向青，女，学士学位。现为四川管理职业学院工程师。研究方向为计算机工程技术、网络与通信技术、计算机安全技术、计算机教育。
作者单位
四川管理职业学院 四川省成都市 610073