高等農(nóng)業(yè)院校大數(shù)據(jù)背景下遠(yuǎn)程分布式虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與解決探討

李方東 王文娟 王凱

摘要：隨著科技的進(jìn)步，人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)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(shí)從任何地方訪問虛擬實(shí)驗(yàn)室。由于電子學(xué)習(xí)、電子教育和遠(yuǎn)程教育具有明顯的優(yōu)勢，因此在大力推廣的同時(shí)，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(yuǎn)程分布式虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)被眾多高校廣泛采用，是實(shí)現(xiàn)多學(xué)科、高效電子學(xué)習(xí)、電子教育和遠(yuǎn)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(jìn)行了探討，旨在為該關(guān)鍵技術(shù)的順利實(shí)施提供參考和解決方案。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);遠(yuǎn)程分布式;虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)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(shí)驗(yàn)室，又稱為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)室通過各種工具和技術(shù)來構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)體的人力等）進(jìn)行研究活動(dòng)。所有的科學(xué)研究活動(dòng)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(shí)驗(yàn)室稱為“無墻研究中心”，同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)室基本上都是建立在龐大的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之上的。本文重點(diǎn)探討了在大數(shù)據(jù)背景下，遠(yuǎn)程操作的分布式虛擬實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)和解決方案，旨在為學(xué)校設(shè)計(jì)該系統(tǒng)提供參考。

遠(yuǎn)程分布式虛擬實(shí)驗(yàn)室是為實(shí)驗(yàn)人員創(chuàng)建一個(gè)可視化的虛擬計(jì)算環(huán)境。參與者通過與虛擬環(huán)境中的對象交互進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)并獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同一實(shí)驗(yàn)中的參與者在同一虛擬環(huán)境中進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)作，完成實(shí)驗(yàn)要求。

當(dāng)前建立在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的分布式的虛擬實(shí)驗(yàn)室的工作運(yùn)行流程包含以下幾個(gè)方面：

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

虛擬實(shí)驗(yàn)的服務(wù)器端對用戶通過客戶端進(jìn)行的任何申請進(jìn)行嚴(yán)格的審查和審核，確保實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)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(jìn)行初步分析后，在具有可行性時(shí)，對請求的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行仿真模擬，運(yùn)行分析所提交的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，得到相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)通過用戶提交的數(shù)據(jù)模擬計(jì)算出的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)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(shí)驗(yàn)服務(wù)器所使用的元件庫、規(guī)則代碼、判別系統(tǒng)、審核機(jī)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(shí)保證在某些特殊實(shí)驗(yàn)情況下，例如多人同時(shí)協(xié)作實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)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(tái)使用效率。

2遠(yuǎn)程分布式虛擬實(shí)驗(yàn)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(jī)、手機(jī)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(shí)體的）建立連接，經(jīng)過層層標(biāo)準(zhǔn)化的各種協(xié)議實(shí)現(xiàn)握手通信，實(shí)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(dòng)核心包含了這些復(fù)雜的底層細(xì)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(dòng)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(jì)可重用的面向?qū)ο筌浖且粋€(gè)挑戰(zhàn)。軟件驅(qū)動(dòng)以其面向?qū)ο蟮奶匦院蛷?qiáng)大的可重用性提供了一個(gè)簡單而直接的實(shí)現(xiàn)手段。

在一些設(shè)計(jì)的相關(guān)組成軟硬件方面，負(fù)責(zé)研究開發(fā)的工作者僅需要投人時(shí)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(shí)現(xiàn)程序要求的功能和業(yè)務(wù)，通過發(fā)布實(shí)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(gè)運(yùn)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(shí)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(shí)間和精力，使之有更多的時(shí)間和能力投入到如何完善的程序的設(shè)計(jì)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(shí)要更多地考慮如何設(shè)計(jì)高效率、高質(zhì)量的應(yīng)用程序流程，往往多一個(gè)判別或少一個(gè)判別都會(huì)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(dòng)態(tài)方式組建的，有多個(gè)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(jī)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(jìn)行動(dòng)態(tài)加載或卸載。從實(shí)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(yuǎn)程連接對象和虛擬中對象。在同一個(gè)系統(tǒng)中的對象相互稱為本地化對象。遠(yuǎn)程連接對象是那些在不同的軟件系統(tǒng)中，但在運(yùn)行配置在同一個(gè)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(shí)際上是它是對遠(yuǎn)程對象進(jìn)行的映射。在分布式系統(tǒng)的中，本地化對象和遠(yuǎn)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(yuǎn)程的對象，同時(shí)鏈路的好壞會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的性能和系統(tǒng)負(fù)載平衡。

2.3點(diǎn)對多點(diǎn)通信技術(shù)一群通信

單播是用于將數(shù)據(jù)從發(fā)送點(diǎn)傳輸?shù)浇邮拯c(diǎn)的點(diǎn)對點(diǎn)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(diǎn)，而多播是一種單點(diǎn)對多個(gè)點(diǎn)通信的方式，是數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到特定組中的多個(gè)或所有節(jié)點(diǎn)。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(shí)候，需要在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，需要及時(shí)將更新信息傳輸?shù)狡渌枰碌墓?jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。假如我們使用單播技術(shù)，數(shù)據(jù)需要從1個(gè)節(jié)點(diǎn)重復(fù)性地向每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)來更新需要更新的節(jié)點(diǎn)，這可能會(huì)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(diǎn)仍然可能接收到數(shù)據(jù)，這可能導(dǎo)致主機(jī)資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費(fèi)。如果采用組播，需要的節(jié)點(diǎn)將包含在一個(gè)“組”中，只有在該組中的節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共享技術(shù)

基于實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)共享的協(xié)同實(shí)驗(yàn)環(huán)境是實(shí)現(xiàn)同一組、多個(gè)成員共同協(xié)同操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的環(huán)境。在協(xié)同實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型中，需要支持實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入、反饋信息、計(jì)算結(jié)果的同步、結(jié)果的展示同步、各個(gè)計(jì)算和終端的并發(fā)控制等。m同一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)、各個(gè)使用者之間相互合作、協(xié)調(diào)完成同一實(shí)驗(yàn)功能，系統(tǒng)會(huì)為他們提供一個(gè)協(xié)作工作的環(huán)境。每個(gè)用戶的客戶端如何獲取同一時(shí)間其他成員的操作輸入是構(gòu)建協(xié)同工作實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)協(xié)同工作的要求，即實(shí)驗(yàn)的每個(gè)參與者都必須運(yùn)行相同的應(yīng)用程序;運(yùn)行過程中，通過網(wǎng)絡(luò)，把每個(gè)用戶的輸入實(shí)時(shí)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(jī)制;同時(shí)所有數(shù)據(jù)展示都使用同一個(gè)流程、同一個(gè)方法，保證每個(gè)用戶看到的信息一致。因?yàn)樵趨f(xié)作虛擬實(shí)驗(yàn)中，所有的輸入和輸出都需要處理一次，只有在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)部分是共享的情況下，實(shí)驗(yàn)的操作才能讓成員通過模型獲取消息。

2.5用戶認(rèn)證模式的管理

虛擬實(shí)驗(yàn)室的安全管理的實(shí)現(xiàn)采用用戶認(rèn)證模式，使用Web服務(wù)器的相關(guān)模塊、這個(gè)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(jìn)行不同的權(quán)限設(shè)置。所有用戶（包括未經(jīng)身份驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的相關(guān)內(nèi)容模塊只有經(jīng)過身份驗(yàn)證的用戶才能訪問。不是所有通過認(rèn)證的用戶都能進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的部分工作，只有認(rèn)證的授權(quán)的用戶才能訪問和遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)。需要注意的是，在進(jìn)行遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)時(shí)，同一時(shí)間，只有一個(gè)用戶可以獲得控制權(quán)限，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室的物理資源在給定的時(shí)間只能由一個(gè)用戶操作，否則將發(fā)生資源沖突，而在協(xié)同操作實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，應(yīng)用程序根據(jù)實(shí)驗(yàn)配置，表面上是大家一起在操作，但是同一時(shí)刻，操作權(quán)只在一個(gè)終端上，只是程序在很短的時(shí)間內(nèi)在不同的用戶中切換權(quán)限。配置了訪問遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)的時(shí)間限制，其中登錄到遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)的每個(gè)用戶都有一個(gè)超過時(shí)間的限制。每個(gè)時(shí)間都需要設(shè)置一個(gè)超時(shí)中斷機(jī)制，在超過給定的時(shí)間或者用戶并未申請更長時(shí)間使用的情況下，虛擬實(shí)驗(yàn)室將自動(dòng)中斷用戶對實(shí)驗(yàn)硬件資源的控制，以確保其他用戶也可以訪問實(shí)驗(yàn)資源。使用用戶認(rèn)證作為一種安全管理機(jī)制，可以防止初學(xué)者因操作錯(cuò)誤而損壞有價(jià)值的儀器，避免多個(gè)用戶同時(shí)訪問物理資源的沖突或造成大量的資源浪費(fèi)。

2.6云計(jì)算

云是網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的象征。云計(jì)算模型提供了對可配置計(jì)算資源共享池（包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、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(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以借助網(wǎng)絡(luò)共享實(shí)驗(yàn)環(huán)境，具有超大規(guī)模、高可靠性、高可擴(kuò)展性、通用性等優(yōu)點(diǎn)。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(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室資源。硬件系統(tǒng)主要由硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備節(jié)點(diǎn)、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等組成。不同實(shí)驗(yàn)室的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以集成多種硬件資源，與交換機(jī)和Web服務(wù)器連接到一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)。服務(wù)器運(yùn)行Web服務(wù)，連接內(nèi)部交換機(jī)或Intemet。軟件系統(tǒng)由Web服務(wù)和運(yùn)行在服務(wù)器上的軟件和數(shù)據(jù)庫組成。Web服務(wù)負(fù)責(zé)對實(shí)驗(yàn)設(shè)備、相應(yīng)客戶端發(fā)送的請求和進(jìn)行管理，以控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備。它還負(fù)責(zé)將用戶的操作日志和實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)驗(yàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)、視頻和資料都可以在云平臺(tái)存儲(chǔ)，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(yuǎn)程分布式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的幾項(xiàng)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(shí)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(yuǎn)程分布式虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室時(shí)，如果不能快速實(shí)施，可能導(dǎo)致重復(fù)建設(shè)，浪費(fèi)了資源和時(shí)間，這關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)者的思維方式的轉(zhuǎn)變。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)已從關(guān)注技術(shù)角度轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)、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(shí)驗(yàn)室已成為高效只需。這需要相關(guān)人員不斷努力去實(shí)現(xiàn)。