李方東 王文娟 王凱

摘要：隨著科技的進步，人與人、人與機器、機器與機器交流的方式發(fā)生了重大的變化，世界范圍內(nèi)的教育正在經(jīng)歷重大的革新。今天，學(xué)生可以隨時從任何地方訪問虛擬實驗室。由于電子學(xué)習(xí)、電子教育和遠程教育具有明顯的優(yōu)勢，因此在大力推廣的同時，有必要分析研究這些現(xiàn)代教學(xué)方法基于的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組織結(jié)構(gòu)。其中在大數(shù)據(jù)背景下，遠程分布式虛擬實驗室已經(jīng)被眾多高校廣泛采用，是實現(xiàn)多學(xué)科、高效電子學(xué)習(xí)、電子教育和遠程教育的重要技術(shù)。為此，本文對該關(guān)鍵技術(shù)的若干關(guān)鍵問題進行了探討，旨在為該關(guān)鍵技術(shù)的順利實施提供參考和解決方案。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);遠程分布式;虛擬實驗室技術(shù)

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）29-0011-02

1概述

美國弗吉尼亞大學(xué)的威廉·伍爾夫于1989年首次提出虛擬實驗室，又稱為計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室環(huán)境。虛擬實驗室通過各種工具和技術(shù)來構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)化的科學(xué)實驗研究環(huán)境。在這樣的虛擬環(huán)境中，研究者可以使用大量的物質(zhì)和非物質(zhì)資源（龐大的數(shù)據(jù)、海量的信息、各種輔助研究設(shè)備、實體的人力等）進行研究活動。所有的科學(xué)研究活動幾乎都是在各種分布式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下開展的，研究者將虛擬實驗室稱為“無墻研究中心”，同時虛擬實驗室基本上都是建立在龐大的分布式計算機系統(tǒng)之上的。本文重點探討了在大數(shù)據(jù)背景下，遠程操作的分布式虛擬實驗室的技術(shù)和解決方案，旨在為學(xué)校設(shè)計該系統(tǒng)提供參考。

遠程分布式虛擬實驗室是為實驗人員創(chuàng)建一個可視化的虛擬計算環(huán)境。參與者通過與虛擬環(huán)境中的對象交互進行各種實驗并獲得實驗結(jié)果。同一實驗中的參與者在同一虛擬環(huán)境中進行遠程協(xié)作，完成實驗要求。

當(dāng)前建立在計算機系統(tǒng)上的分布式的虛擬實驗室的工作運行流程包含以下幾個方面：

首先用戶使用計算機等可以訪問網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備登錄虛擬實驗室提供的客戶端，成功登錄成功后，選擇需要進行的虛擬實驗，申請?zhí)摂M實驗和連接虛擬實驗儀器。在實驗開始后，客戶機（端）通過所連接的互聯(lián)網(wǎng)向在同一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的虛擬實驗服務(wù)器提交模擬實驗所用的各種數(shù)據(jù)信息。

虛擬實驗的服務(wù)器端對用戶通過客戶端進行的任何申請進行嚴格的審查和審核，確保實驗的正常進行和資源的合理使用，對不合法、不合理的申請予以駁回，在服務(wù)器通過軟件技術(shù)對各種數(shù)據(jù)進行初步分析后，在具有可行性時，對請求的虛擬實驗環(huán)境進行仿真模擬，運行分析所提交的實驗數(shù)據(jù)信息，得到相應(yīng)的模擬實驗的結(jié)果，然后通過互聯(lián)網(wǎng)傳回到用戶所在的客戶端，或者是其他由用戶填寫的接收目的地f郵箱、網(wǎng)盤等）。

用戶在客戶端接收到虛擬試驗系統(tǒng)通過用戶提交的數(shù)據(jù)模擬計算出的實驗結(jié)果，通過給定的工具或選擇響應(yīng)的可視化工具，對模擬實驗數(shù)據(jù)結(jié)果進行展示，輸出表格或者圖例，或者是在客戶端上的一些仿真儀表上展示。

虛擬實驗服務(wù)器所使用的元件庫、規(guī)則代碼、判別系統(tǒng)、審核機制、仿真模擬算法以及各種圖形化界面等數(shù)據(jù)代碼庫都是可共享使用的。同時保證在某些特殊實驗情況下，例如多人同時協(xié)作實驗過程中，進行同步數(shù)據(jù)、同步操作的以及數(shù)據(jù)備份所使用的代碼均可以共享，保證較高的平臺使用效率。

2遠程分布式虛擬實驗室的相關(guān)技術(shù)

2.1面向?qū)ο蠹夹g(shù)

在當(dāng)前的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，用戶所使用的客戶端阱算機、手機等終端1通過各種級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與管理員所管理的服務(wù)器f內(nèi)網(wǎng)的、外網(wǎng)的、實體的）建立連接，經(jīng)過層層標(biāo)準(zhǔn)化的各種協(xié)議實現(xiàn)握手通信，實現(xiàn)操作、數(shù)據(jù)信息的交換，尤其是在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中更加明顯。軟件驅(qū)動核心包含了這些復(fù)雜的底層細節(jié)。底層對象通過多層打包技術(shù)與應(yīng)用程序?qū)油耆綦x。軟件驅(qū)動僅在組件區(qū)域中以“軟總線”接口的形式為應(yīng)用程序提供許多類。在分布式系統(tǒng)中設(shè)計可重用的面向?qū)ο筌浖且粋€挑戰(zhàn)。軟件驅(qū)動以其面向?qū)ο蟮奶匦院蛷姶蟮目芍赜眯蕴峁┝艘粋€簡單而直接的實現(xiàn)手段。

在一些設(shè)計的相關(guān)組成軟硬件方面，負責(zé)研究開發(fā)的工作者僅需要投人時間去注重應(yīng)用程序的開發(fā)，解決如何去繼承接口和一些抽象類，定義相關(guān)流程從而實現(xiàn)程序要求的功能和業(yè)務(wù)，通過發(fā)布實例化的應(yīng)用程序?qū)ο髞順?gòu)成和組件應(yīng)用程序的整個運行環(huán)境和系統(tǒng)。對程序員來說，這種面向?qū)ο蟮拈_發(fā)模式相對于以前復(fù)雜的開發(fā)流程，更加簡單同時提升了開發(fā)效率。這種開發(fā)方法模式，把程序員、開發(fā)者、研究者從煩瑣的程序編碼、各種環(huán)境的編譯、各種協(xié)議的協(xié)調(diào)等復(fù)雜的編程開發(fā)模式中解放出來，這將大大節(jié)省研究人員和開發(fā)程序的工作者的時間和精力，使之有更多的時間和能力投入到如何完善的程序的設(shè)計中。在各種組件中，應(yīng)用程序的對象也是可以重復(fù)使用的。然而應(yīng)用程序?qū)ο蟮目芍赜眯砸呀?jīng)不再完全取決于代碼的編寫的復(fù)雜度和執(zhí)行效率，現(xiàn)在更多是在考慮代碼質(zhì)量的同時要更多地考慮如何設(shè)計高效率、高質(zhì)量的應(yīng)用程序流程，往往多一個判別或少一個判別都會對執(zhí)行效率產(chǎn)生較大的影響。

2.2分布式對象技術(shù)

分布式系統(tǒng)是由不同的組件（即對象）以動態(tài)方式組建的，有多個終端，執(zhí)行不同的功能或者相同的功能。不同的組件（對象）可能是同一網(wǎng)絡(luò)中同一機器上的終端、也可能是存在于不同網(wǎng)絡(luò)上的不同終端。而這些對象組件通過系統(tǒng)的配置，網(wǎng)絡(luò)的連接，可以通過有連續(xù)性的系統(tǒng)對他們進行動態(tài)加載或卸載。從實現(xiàn)的方面來看，分布式系統(tǒng)可以分為三種類型：本地化對象、遠程連接對象和虛擬中對象。在同一個系統(tǒng)中的對象相互稱為本地化對象。遠程連接對象是那些在不同的軟件系統(tǒng)中，但在運行配置在同一個組中的對象。與上述兩種對象不同，虛擬中對象本質(zhì)上是虛擬出來的對象組件，在實際上是它是對遠程對象進行的映射。在分布式系統(tǒng)的中，本地化對象和遠程連接對象之間的關(guān)系是相互的。虛擬中對象用于通過映射連接本地的和遠程的對象，同時鏈路的好壞會影響網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的性能和系統(tǒng)負載平衡。

2.3點對多點通信技術(shù)一群通信

單播是用于將數(shù)據(jù)從發(fā)送點傳輸?shù)浇邮拯c的點對點通信方法。廣播用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點，而多播是一種單點對多個點通信的方式，是數(shù)據(jù)從一個節(jié)點發(fā)送到特定組中的多個或所有節(jié)點。在當(dāng)前大數(shù)據(jù)背景下，對于分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，分布式系統(tǒng)環(huán)境下，異地協(xié)同操作的時候，需要在多個節(jié)點上保持數(shù)據(jù)一致性，當(dāng)一個節(jié)點上的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，需要及時將更新信息傳輸?shù)狡渌枰碌墓?jié)點進行同步。假如我們使用單播技術(shù)，數(shù)據(jù)需要從1個節(jié)點重復(fù)性地向每個接收節(jié)點發(fā)送相同的數(shù)據(jù)來更新需要更新的節(jié)點，這可能會產(chǎn)生大量的網(wǎng)絡(luò)流量，而這是多次重復(fù)的在占用網(wǎng)絡(luò)資源。對于廣播模式，這種更新只需要發(fā)送一次，但在這種情況下，不需要數(shù)據(jù)的節(jié)點仍然可能接收到數(shù)據(jù)，這可能導(dǎo)致主機資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費。如果采用組播，需要的節(jié)點將包含在一個“組”中，只有在該組中的節(jié)點才能接收數(shù)據(jù)，這種通信方式相對比較高效、占用較少的網(wǎng)絡(luò)資源。

2.4實驗數(shù)據(jù)共享技術(shù)

基于實驗操作數(shù)據(jù)共享的協(xié)同實驗環(huán)境是實現(xiàn)同一組、多個成員共同協(xié)同操作進行實驗的環(huán)境。在協(xié)同實驗設(shè)計模型中，需要支持實驗數(shù)據(jù)輸入、反饋信息、計算結(jié)果的同步、結(jié)果的展示同步、各個計算和終端的并發(fā)控制等。m同一個虛擬實驗、各個使用者之間相互合作、協(xié)調(diào)完成同一實驗功能，系統(tǒng)會為他們提供一個協(xié)作工作的環(huán)境。每個用戶的客戶端如何獲取同一時間其他成員的操作輸入是構(gòu)建協(xié)同工作實驗環(huán)境的首要也是重要問題。當(dāng)前，現(xiàn)有的很多軟件都可以在協(xié)作環(huán)境下實現(xiàn)協(xié)同工作的要求，即實驗的每個參與者都必須運行相同的應(yīng)用程序;運行過程中，通過網(wǎng)絡(luò)，把每個用戶的輸入實時的分發(fā)給其他用戶;分發(fā)過程使用中斷和分布式用戶事件機制;同時所有數(shù)據(jù)展示都使用同一個流程、同一個方法，保證每個用戶看到的信息一致。因為在協(xié)作虛擬實驗中，所有的輸入和輸出都需要處理一次，只有在實驗的設(shè)計部分是共享的情況下，實驗的操作才能讓成員通過模型獲取消息。

2.5用戶認證模式的管理

虛擬實驗室的安全管理的實現(xiàn)采用用戶認證模式，使用Web服務(wù)器的相關(guān)模塊、這個是在很多系統(tǒng)中都已經(jīng)廣泛應(yīng)用了。Web服務(wù)器權(quán)限管理模塊可以對不同的用戶進行不同的權(quán)限設(shè)置。所有用戶（包括未經(jīng)身份驗證的用戶）都可以訪問那些公開的頁面，例如“公告信息”“幫助文件”頁等，而虛擬實驗室的相關(guān)內(nèi)容模塊只有經(jīng)過身份驗證的用戶才能訪問。不是所有通過認證的用戶都能進行虛擬實驗的部分工作，只有認證的授權(quán)的用戶才能訪問和遠程操作實驗。需要注意的是，在進行遠程操作實驗時，同一時間，只有一個用戶可以獲得控制權(quán)限，這是因為實驗室的物理資源在給定的時間只能由一個用戶操作，否則將發(fā)生資源沖突，而在協(xié)同操作實驗環(huán)節(jié)，應(yīng)用程序根據(jù)實驗配置，表面上是大家一起在操作，但是同一時刻，操作權(quán)只在一個終端上，只是程序在很短的時間內(nèi)在不同的用戶中切換權(quán)限。配置了訪問遠程操作實驗的時間限制，其中登錄到遠程操作實驗的每個用戶都有一個超過時間的限制。每個時間都需要設(shè)置一個超時中斷機制，在超過給定的時間或者用戶并未申請更長時間使用的情況下，虛擬實驗室將自動中斷用戶對實驗硬件資源的控制，以確保其他用戶也可以訪問實驗資源。使用用戶認證作為一種安全管理機制，可以防止初學(xué)者因操作錯誤而損壞有價值的儀器，避免多個用戶同時訪問物理資源的沖突或造成大量的資源浪費。

2.6云計算

云是網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的象征。云計算模型提供了對可配置計算資源共享池（包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用程序、服務(wù)等）的可用、方便和按需網(wǎng)絡(luò)訪問。云計算實驗平臺可以借助網(wǎng)絡(luò)共享實驗環(huán)境，具有超大規(guī)模、高可靠性、高可擴展性、通用性等優(yōu)點。通過硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及相關(guān)參考的資料，可以有效地利用遠程實驗室資源。硬件系統(tǒng)主要由硬件實驗設(shè)備節(jié)點、交換機、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等組成。不同實驗室的硬件實驗設(shè)備節(jié)點可以集成多種硬件資源，與交換機和Web服務(wù)器連接到一個內(nèi)部網(wǎng)。服務(wù)器運行Web服務(wù)，連接內(nèi)部交換機或Intemet。軟件系統(tǒng)由Web服務(wù)和運行在服務(wù)器上的軟件和數(shù)據(jù)庫組成。Web服務(wù)負責(zé)對實驗設(shè)備、相應(yīng)客戶端發(fā)送的請求和進行管理，以控制實驗設(shè)備。它還負責(zé)將用戶的操作日志和實驗結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中。相關(guān)的參考資料，包括說明書、參考代碼、教學(xué)視頻等，都保存在數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)客戶機的需要，可以在數(shù)據(jù)庫中搜索相關(guān)內(nèi)容。在大數(shù)據(jù)背景下，很多實驗相關(guān)的數(shù)據(jù)、視頻和資料都可以在云平臺存儲，可以方便地訪問和共享。

3結(jié)束語

本文主要研究了當(dāng)前大數(shù)據(jù)背景下，遠程分布式虛擬實驗系統(tǒng)的幾項關(guān)鍵技術(shù)，并分析了問題和可能的解決方法，為以后配置實現(xiàn)相關(guān)統(tǒng)的提供了一些參考。顯然，本文中提到的許多技術(shù)上的問題可能不是當(dāng)前背景下遠程分布式虛擬實驗室建設(shè)所面臨的確切困難。構(gòu)建功能簡單、部分不可持續(xù)的虛擬實驗室時，如果不能快速實施，可能導(dǎo)致重復(fù)建設(shè)，浪費了資源和時間，這關(guān)鍵在于設(shè)計者的思維方式的轉(zhuǎn)變。虛擬實驗室的建設(shè)已從關(guān)注技術(shù)角度轉(zhuǎn)變?yōu)閺娬{(diào)設(shè)計、開發(fā)和管理。建立一套按學(xué)科分類、綜合和定制的虛擬實驗室已成為高效只需。這需要相關(guān)人員不斷努力去實現(xiàn)。