虞江鋒，劉蘭英，盛羽，王建新

(1. 浙江廣播電視大學(xué) 信息與工程學(xué)院，浙江 杭州，310030；2.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

虛擬實驗環(huán)境對于節(jié)省教育成本、推進(jìn)實驗教學(xué)改革具有廣泛而重要的應(yīng)用價值，在現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景，因此，虛擬實驗環(huán)境的建立一直是網(wǎng)絡(luò)計算技術(shù)領(lǐng)域的熱點研究課題[1?3]。目前，國內(nèi)外的相關(guān)研究組織和個人對虛擬實驗環(huán)境的建設(shè)展開了大量而深入的研究工作，如：利用Java語言和數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合開發(fā)的仿真系統(tǒng) J-DSP[3]，以組件技術(shù)構(gòu)架并通過 CORBA技術(shù)實現(xiàn) Java 與Matlab 之間的無縫聯(lián)接的基于 Internet 的數(shù)字圖像處理仿真模型系統(tǒng)[2,4]，基于組件的實時入侵檢測虛擬實驗室系統(tǒng)[5]；采用純軟件技術(shù)將各種常見的集成電路芯片封裝成組件；開發(fā)出基于組件的計算機組成原理虛擬實驗室[6]、基于組件的模型機虛擬實驗平臺(CPU_VLAB)[7]等。然而，目前已經(jīng)建成的虛擬實驗室在很多方面仍然存在一定缺陷和不足，無法滿足實驗用戶復(fù)雜多變的應(yīng)用需求。主要體現(xiàn)在：這些虛擬實驗室產(chǎn)品都沒有對用戶的協(xié)同工作提供支持，很少有虛擬實驗平臺能夠提供不同實驗者之間的實驗指導(dǎo)和實驗協(xié)同設(shè)計功能，因此，現(xiàn)有的虛擬實驗平臺對實現(xiàn)人與人之間交互與協(xié)同顯得無能為力。而協(xié)同工作能力已經(jīng)成為當(dāng)代人才必備的能力之一，同時，協(xié)同工作功能在虛擬實驗室中的實現(xiàn)還有利于師生實驗過程的互動以及學(xué)生之間的相互學(xué)習(xí)，因此，在虛擬實驗室中提供協(xié)同工作的支持有著重要的意義。同時，現(xiàn)階段國內(nèi)外科研機構(gòu)在協(xié)同工作、分布計算、決策支持系統(tǒng)等方面進(jìn)行了大量細(xì)致的研究工作，并且借助實際研究背景開發(fā)出了原型系統(tǒng)，如文獻(xiàn)[8?9]針對分布式環(huán)境中的協(xié)同問題進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[10]就協(xié)同設(shè)計中的群體感知等問題提出了解決方案，建立了模型系統(tǒng)，文獻(xiàn)[11]對視頻會議中協(xié)同問題展開了研究，文獻(xiàn)[12]中基于 Applet[13]構(gòu)建了動態(tài)的實時協(xié)作框架，在Applet之間復(fù)雜的通信方面提出了較好的通信策略，為遠(yuǎn)程的虛擬實驗室協(xié)同工作提供了很好的方法。但是，將協(xié)同技術(shù)直接應(yīng)用于真正應(yīng)用中的虛擬實驗環(huán)境中的相關(guān)研究還比較欠缺，而虛擬實驗環(huán)境下的協(xié)同設(shè)計的權(quán)限控制與管理以及協(xié)同機制等方面都有許多問題需要進(jìn)一步研究和深入探索。

針對以上問題，本文作者將協(xié)同技術(shù)與虛擬實驗環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，以虛擬實驗為基礎(chǔ)，建立網(wǎng)上協(xié)同虛擬實驗室，在基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的虛擬實驗環(huán)境中增加支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作的支撐功能，使得多個實驗者之間可以按照一定的規(guī)則實現(xiàn)協(xié)同實驗，提供實時的、真實的虛擬實驗系統(tǒng)。

1 虛擬實驗室中協(xié)同支撐的架構(gòu)設(shè)計

基于虛擬實驗室的協(xié)同支撐環(huán)境的整體架構(gòu)如圖1所示。平臺采用B/S架構(gòu)模式，客戶端用戶只需要安裝瀏覽器，其他的工作都在服務(wù)器部署完成。系統(tǒng)客戶端采用瀏覽器嵌入Applet的方式實現(xiàn)，基于Java Applet的客戶端程序主要提供虛擬實驗組件的搭建平臺和協(xié)同命令的請求及執(zhí)行等服務(wù)。Web服務(wù)器端程序主要提供已經(jīng)開發(fā)好的經(jīng)典實驗文件庫和系統(tǒng)開發(fā)好的實驗組件庫，客戶端可直接通過瀏覽器下載應(yīng)用這些庫資源，應(yīng)用服務(wù)器主要完成整個系統(tǒng)中的應(yīng)用邏輯處理，用戶管理、協(xié)同控制以及其他輔助服務(wù)功能。

系統(tǒng)主要分為Applet客戶端和服務(wù)器端兩部分，客戶端主要包括3個功能模塊：虛擬實驗設(shè)計、協(xié)同工作支持和相關(guān)通信模塊。虛擬實驗設(shè)計模塊中用戶可以自主地進(jìn)行實驗組件的搭建，并通過運行實驗檢驗結(jié)果的正確性。協(xié)同工作支持模塊中完成在協(xié)同實驗?zāi)Ｊ较碌目蛻舳斯ぷ?，如發(fā)送和接收服務(wù)器消息，解析命令，調(diào)用本地方法等，由通信模塊完成實驗設(shè)計平臺與協(xié)同支持平臺的通信，以及客戶端與服務(wù)器之間消息的互通。服務(wù)器端的Web服務(wù)器端通過資源部署支持多用戶同時在線并發(fā)訪問Web服務(wù)器、下載Applet實驗客戶端。應(yīng)用服務(wù)器主要包括3個功能模塊：用戶管理、平臺操作權(quán)管理和實驗同步控制。其中，平臺操作權(quán)管理和同步控制是應(yīng)用服務(wù)器中最主要的兩大功能模塊。操作權(quán)管理模塊結(jié)合用戶管理模塊對實驗室平臺的操作權(quán)限進(jìn)行控制，結(jié)合虛擬實驗室主要用于演示教學(xué)活動的應(yīng)用實際，本系統(tǒng)中通過將共享對象的修改訪問權(quán)加鎖的方法，保證在某一段時間內(nèi)授予系統(tǒng)某個唯一的訪問者，從而保證數(shù)據(jù)的一致性。同步控制模塊主要用于保證協(xié)同中的客戶端實驗數(shù)據(jù)的一致性，針對客戶端在協(xié)同進(jìn)行中途加入?yún)f(xié)同組或者因網(wǎng)絡(luò)原因等情況，在同步控制模塊進(jìn)行檢測，并將最新的同步數(shù)據(jù)反饋至客戶端。應(yīng)用服務(wù)器與客戶端的功能模塊如圖2所示。

圖1 協(xié)同支撐環(huán)境架構(gòu)Fig.1 Collaborative support environment architecture

圖2 主要功能模塊圖Fig.2 Core functional module diagram

2 客戶端協(xié)同設(shè)計與實現(xiàn)

由圖1可以看出，客戶端支持的實驗方式主要有2種：單獨實驗和協(xié)同實驗。單獨實驗?zāi)Ｊ较?，用戶可自主選擇虛擬實驗平臺中組件，將相應(yīng)引腳進(jìn)行連接，完成實驗的設(shè)計搭建，并可以動態(tài)設(shè)置相關(guān)實驗組件狀態(tài)，實驗平臺通過圖形化界面生動顯示運行實驗的結(jié)果，檢驗實驗數(shù)據(jù)的正確性。用戶可以根據(jù)需要進(jìn)入?yún)f(xié)同實驗?zāi)Ｊ剑趨f(xié)同實驗?zāi)Ｊ较?，在線用戶之間可以進(jìn)行協(xié)同實驗、作業(yè)提交及語言交流討論等交互性活動。協(xié)同模式下，有實驗平臺操作權(quán)的用戶在對平臺進(jìn)行操作時，客戶端產(chǎn)生本地操作響應(yīng)，同時將相關(guān)的操作信息生成命令發(fā)送至服務(wù)器，經(jīng)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)至其他用戶，使每個操作都能實時的體現(xiàn)于其他參與者的機器上。對協(xié)同狀態(tài)下沒有操作權(quán)限的用戶，在接到操作命令消息時，通過消息解析調(diào)用平臺相關(guān)方法，執(zhí)行相同的操作，并在本地客戶端顯示執(zhí)行結(jié)果，保證客戶端在協(xié)同狀態(tài)中實驗數(shù)據(jù)的一致性。為實現(xiàn)對用戶協(xié)同工作的支持環(huán)境，在客戶端中加入?yún)f(xié)同信息面板及相關(guān)通信模塊，它記錄用戶連接狀態(tài)，實時顯示出當(dāng)前協(xié)同用戶及用戶交互消息及系統(tǒng)消息，同時負(fù)責(zé)協(xié)同相關(guān)信息的傳送、接受和執(zhí)行處理。協(xié)同信息面板采用Java語言實現(xiàn)，與實驗設(shè)計平臺在層次上平行，在 Java Applet中整合實現(xiàn)，通過嵌入Web網(wǎng)頁的方式整體呈現(xiàn)于用戶面前。因此，在協(xié)同平臺與實驗設(shè)計平臺中的信息通信及交互上實現(xiàn)了無縫連接。其中客戶端的消息通信機制與消息封裝和解析是客戶端在協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)過程中考慮的核心問題：

2.1 消息通信機制

在協(xié)同模式下，客戶端之間的實時的交互及實驗平臺操作描述等協(xié)同信息通過客戶端的消息通信模塊進(jìn)行發(fā)送和接收，客戶端之間通過Socket與服務(wù)器保持雙向并且持續(xù)的連接，方便地實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間信息通信的不斷更新。在信息傳輸協(xié)議上，采用基于 TCP/UDP的傳輸協(xié)議相結(jié)合的方式，既保證客戶端通信質(zhì)量同時實現(xiàn)即時通信的實時性，客戶登錄等信息采用TCP進(jìn)行傳輸，客戶端之間即時通訊信息采用UDP傳輸協(xié)議進(jìn)行發(fā)送和接收，該模塊采用多線程機制，當(dāng)有實驗文件需要傳輸時，建立文件傳輸線程專門用于文件通信，各個線程的控制流彼此獨立，大大提高了消息處理的并發(fā)性和效率。

2.2 消息封裝與解析

合理有效的消息格式設(shè)置是完成客戶端命令生成與解析完成通信的重要組成部分，本系統(tǒng)中用Message類用于描述系統(tǒng)中各種消息，系統(tǒng)將每個消息視為一個二元組對象：。其中：MsgFlag是消息類型標(biāo)志，MsgObj表示消息體。協(xié)同系統(tǒng)中Message的主要類型有 string和 experiment，string類型的消息為字符串信息，進(jìn)一步分為平臺操作命令信息、登錄信息、用戶交互信息等；experiment類型的消息用于保障協(xié)同中實驗數(shù)據(jù)的同步。由于MsgObj的設(shè)置可以是一個Message對象，而且內(nèi)容長度可以靈活設(shè)置，方便地用于將系統(tǒng)消息的進(jìn)一步細(xì)分，因而適應(yīng)系統(tǒng)中消息多樣化需求。

客戶端在接收到消息后，依據(jù)系統(tǒng)自定義規(guī)則進(jìn)行消息解析，并調(diào)用執(zhí)行相應(yīng)方法，完成相同的平臺操作，例如操作用戶在實驗平臺上添加一個實驗組件，主要的實現(xiàn)代碼示例如下：

3 應(yīng)用服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn)

協(xié)同支撐平臺的應(yīng)用服務(wù)器是實現(xiàn)協(xié)同支撐的樞紐。應(yīng)用服務(wù)器采用了多線程并發(fā)處理的方式在服務(wù)器建立一個線程池，當(dāng)有客戶端連接時就在池中開辟一個線程為它服務(wù)，同時服務(wù)器保存客戶端的一些基本的信息，如登錄客戶的名稱、登錄時間等，實現(xiàn)了用戶的登錄控制和管理，并檢測客戶端網(wǎng)絡(luò)連接情況。應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)中消息傳遞的中轉(zhuǎn)，為了避免大量消息到達(dá)時處理不過來而導(dǎo)致丟失的情況，服務(wù)器中使用消息隊列，服務(wù)端接收到消息后，壓入接收緩沖區(qū)，接收緩沖線程分析其中結(jié)構(gòu)，根據(jù)類型實例化出相應(yīng)消息對象，確認(rèn)消息的接收方和發(fā)送方，得到接收方后再將消息封裝好壓入到發(fā)送隊列。

實驗平臺的操作權(quán)限控制和實驗數(shù)據(jù)一致性保證是實驗平臺實現(xiàn)協(xié)同支撐要解決的2個核心問題。在分布式協(xié)同環(huán)境中，由于不同用戶可以在參與協(xié)同工作的不同計算機上同時操作，因此，哪些操作有效，哪些操作無效的選擇與控制就變得非常重要，同時，新成員加入已有的實驗組，新成員的實驗平臺以及實驗平臺操作鎖等相關(guān)狀態(tài)為該實驗組的當(dāng)前狀態(tài)，而不是新建狀態(tài)。系統(tǒng)平臺針對這些問題，采取了相應(yīng)的控制策略。

3.1 實驗平臺操作權(quán)控制策略

系統(tǒng)采用實驗平臺的復(fù)制式應(yīng)用共享策略，參加協(xié)同的每個計算機上都通過瀏覽器打開運行結(jié)構(gòu)相同的虛擬實驗室客戶端，用戶對虛擬實驗平臺的操作(例如鼠標(biāo)、鍵盤輸入消息等)，通過應(yīng)用程序共享技術(shù)被復(fù)制到其他計算機上，在其他計算機上產(chǎn)生同樣的輸出結(jié)果，使協(xié)同中每個用戶能夠感覺到其他人的存在，達(dá)到多用戶應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同。圖3所示為虛擬實驗平臺共享的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。由圖3可以看出，客戶在實際運行的相當(dāng)于多個結(jié)構(gòu)相同的客戶端拷貝，協(xié)同的結(jié)果在本地產(chǎn)生，因而在這種機制中，要選擇當(dāng)前獲得操作權(quán)限的用戶的輸入作為所有用戶節(jié)點實驗平臺的輸入，該功能由操作共享策略和權(quán)限模塊共同完成。對具有操作權(quán)限的用戶，執(zhí)行命令回放模塊不起作用，其本地輸入直接送往實驗平臺處理，同時還要把輸入消息錄制下來，生成命令消息并發(fā)送到?jīng)]有操作權(quán)的用戶節(jié)點。而對沒有操作權(quán)的用戶節(jié)點，其輸入被屏蔽掉，本地執(zhí)行模塊不起作用，實驗平臺不對本地輸入作響應(yīng)，應(yīng)用服務(wù)器把具有操作權(quán)限的節(jié)點發(fā)送過來的消息通過輸入回放模塊送往應(yīng)用程序生成輸出結(jié)果。

圖3 虛擬實驗平臺共享的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.3 Share-structure of virtual lab platform

系統(tǒng)采用粗粒度操作權(quán)加鎖的方法實現(xiàn)虛擬實驗室平臺的權(quán)限控制，將整個實驗平臺作為最小的加鎖對象，在某一段時間內(nèi)只授予某個唯一的操作者對實驗平臺進(jìn)行操作，在客戶端和服務(wù)器端中分別有一個操作權(quán)標(biāo)志變量，它是一個布爾變量，由它來控制誰擁有操作權(quán)。當(dāng)用戶事件送到網(wǎng)絡(luò)上之前，需要檢測該標(biāo)志的狀態(tài)，只有在它使能的狀態(tài)下，事件消息才能分發(fā)給其他參與者。否則，其他參與用戶可以實時感知協(xié)同中操作效果，但是對平臺的操作不會發(fā)送給其他用戶，從而使對虛擬實驗平臺的操作得以串行化，進(jìn)而保證同步數(shù)據(jù)的一致性。

3.2 協(xié)同同步機制

應(yīng)用服務(wù)器中實驗信息同步控制模塊是保證實驗操作及數(shù)據(jù)一致性的重要組成模塊。同步協(xié)同支撐平臺可以為用戶提供在線的、實時的討論和實驗操作的同步，但是，在 Internet網(wǎng)絡(luò)連接條件下，網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸速率成為實現(xiàn)同步協(xié)同的瓶頸，因此，同步控制模塊添加了服務(wù)器定時輪詢機制，保障用戶網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，如果在設(shè)定時間內(nèi)的操作同步都沒有到達(dá)，同步模塊將其視為新用戶，及時完成其本地實驗面板的更新，保證參與協(xié)同用戶實驗操作的流暢。

當(dāng)服務(wù)端有新的用戶參與到協(xié)同組時，同步控制模塊檢測協(xié)同實驗是否正在進(jìn)行，若沒有正在進(jìn)行的協(xié)同實驗，則新用戶實驗平臺保持新建狀態(tài)，否則，由同步控制模塊發(fā)送同步需求命令給當(dāng)前有操作權(quán)的用戶，通知處理它完成新用戶的實驗同步的處理，使得新用戶的實驗平臺與當(dāng)前協(xié)同實驗平臺保持同步。此時具有操作權(quán)的用戶此時需要完成以下工作：暫停下一步將要進(jìn)行的平臺動作，將當(dāng)前最新的實驗狀態(tài)封裝為一個系統(tǒng)消息，即為experiment類型的消息，并指定接收者為新用戶。新用戶接收到相應(yīng)experiment消息并解析消息并更新運行自己實驗平臺面板狀態(tài)，從而與協(xié)同組用戶實驗狀態(tài)達(dá)到同步。在完成新用戶的遲到信息的同步處理之后，新產(chǎn)生的動態(tài)的實驗同步信息將在協(xié)同組中統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)執(zhí)行，使整個協(xié)同組保持同步處理狀態(tài)。應(yīng)用服務(wù)器處理實驗同步的交互序列圖如圖4所示。

圖4 實驗同步處理模型Fig.4 Experimental synchronous process model

4 運行實例

以在組成原理虛擬實驗室中實現(xiàn)協(xié)同工作為例，給出在虛擬實驗環(huán)境中實現(xiàn)協(xié)同工作支撐的實例。計算機組成原理虛擬實驗室將各種常見的集成電路芯片封裝成組件的形式，實驗者通過選取組件、搭建實驗流程、運行并查看實驗結(jié)果的仿真實驗過程，驗證單個芯片的功能或進(jìn)行組合邏輯測試，了解計算機的信息存儲以及邏輯運算的原理。由于組成原理實驗原理復(fù)雜，實驗組件繁多，在組成原理虛擬實驗環(huán)境中實現(xiàn)協(xié)同工作具有一定的代表性。

將經(jīng)過數(shù)字簽名的Applet客戶端應(yīng)用程序和相關(guān)資源程序部署在Tomcat Web服務(wù)器上，同時開始應(yīng)用服務(wù)器等待用戶連接，協(xié)同工作支撐的應(yīng)用服務(wù)器中可以進(jìn)行服務(wù)器端口的設(shè)置，并用表格的形式記錄當(dāng)前連接用戶的信息(包含用戶機IP，用戶名，登錄時間等)，利用可視化功能按鈕方便的實現(xiàn)用戶管理功能。同時實時顯示應(yīng)用服務(wù)器公告信息，標(biāo)記當(dāng)前操作權(quán)用戶等協(xié)同工作相關(guān)信息，并生成登錄日志，以備登錄歷史查詢使用。

客戶端通過打開瀏覽器下載Applet客戶端，進(jìn)入虛擬實驗環(huán)境中，通過客戶端協(xié)作信息面板與應(yīng)用服務(wù)器建立連接，用戶進(jìn)入?yún)f(xié)同實驗?zāi)Ｊ剑瑢嶒炂脚_操作權(quán)閑置時，任何人都可以申請對平臺進(jìn)行操作。取得操作權(quán)限之后，用戶對虛擬實驗平臺的操作將經(jīng)由服務(wù)器以命令的形式轉(zhuǎn)發(fā)至其他協(xié)同用戶，保證協(xié)同成員及時同步操作。圖5所示為在協(xié)同過程中的3個用戶的客戶端顯示狀態(tài)。其中，具有操作權(quán)限的test1用戶通過拖拽的形式將實驗組件添加到實驗面板中，并將組件用導(dǎo)線連接，同時，另外的協(xié)同中的用戶同時執(zhí)行應(yīng)用服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的命令，其用戶界面上出現(xiàn)相同的組件并在實驗系統(tǒng)中建立了相應(yīng)的組件連接關(guān)系。

圖5 虛擬實驗室中協(xié)同工作運行實例Fig.5 An instance of collaboration in Virtual Lab

5 結(jié)論

(1) 協(xié)同支撐環(huán)境與虛擬實驗室平臺實現(xiàn)無縫連接，提高了師生之間以及學(xué)生之間的交互性，增強了虛擬實驗室用戶的參與感和沉浸感。

(2) 協(xié)同支撐環(huán)境模塊化清晰，具有通用性，以此為基礎(chǔ)可以快速應(yīng)用到多個虛擬實驗室，如數(shù)字通信原理、數(shù)字信號處理等課程的虛擬實驗室，為現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同虛擬實驗室的應(yīng)用開發(fā)提供了參考。

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