時(shí)間：2023-07-14 16:25:39
序論：在您撰寫虛擬網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
關(guān)鍵詞 虛擬實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；DNA抽提實(shí)驗(yàn)
中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-489X(2012)27-0034-02
Design and Realization of Network Virtual Experiment System: Taking Virtual Experiment of Plant DNA Extraction as an Example//Zhang Yushan, Zhang Linfei
Abstract The experimental teaching is the important way to train students’ technical application ability and the ability of solving problems. With the rapid development and application of network information technology in the university teaching, it will provide a strong platform to develop a virtual experiment. In this paper, taking virtual experiment of plant DNA extraction of gene engineering as an example, the basic ideas and principles of design of virtual experiment were summarized in detail. It will provide useful reference for other courses to develop the virtual experiments.
Key words virtual experiment; experimental teaching; experiment of plant DNA extraction
Author’s address University of Electronic Science and Technology of China Zhongshan Institude, Zhongshan, Guangdong, China 528402
虛擬實(shí)驗(yàn)是依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展的一種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑抢糜?jì)算機(jī)及仿真軟件來模擬實(shí)驗(yàn)的環(huán)境及過程，讓學(xué)生通過計(jì)算機(jī)操作來做實(shí)驗(yàn)，以代替或加強(qiáng)傳統(tǒng)進(jìn)行的真實(shí)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)[1]。隨著高等教育網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，采用網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室具有重要意義：1）不需要昂貴的設(shè)備和試劑，節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)；2）無需實(shí)驗(yàn)室，這對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)、日常管理規(guī)范、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開設(shè)等方面經(jīng)驗(yàn)很少，可用實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源非常有限的學(xué)校來說，很有意義[2-3]；3）可以避免實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的廢水廢液等污染環(huán)境。
電子科技大學(xué)中山學(xué)院在教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)中，建立了網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化教學(xué)平臺(tái)，為開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)提供了良好的數(shù)字技術(shù)平臺(tái)。下面筆者以創(chuàng)建“植物DNA抽提虛擬實(shí)驗(yàn)”設(shè)計(jì)與開發(fā)為例，說明學(xué)校開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)的基本過程和設(shè)計(jì)原則。
1 實(shí)驗(yàn)流程的編寫和實(shí)驗(yàn)流程的編程
如何將“植物DNA抽提實(shí)驗(yàn)”的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)步驟編寫成適合編程的實(shí)驗(yàn)流程，并針對(duì)實(shí)驗(yàn)流程編寫程序，開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)，這是首要解決的問題。實(shí)驗(yàn)流程的編寫是學(xué)校生物系基因工程專任教師完成的，他們按照植物DNA抽提的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?duì)植物DNA抽提實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行細(xì)分，刪繁就簡，而關(guān)鍵步驟和重要現(xiàn)象必須在步驟中凸顯出來。這樣整個(gè)DNA抽提的實(shí)驗(yàn)步驟被改編成重點(diǎn)突出、適合編程的實(shí)驗(yàn)流程，交給計(jì)算機(jī)系的學(xué)生進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)系學(xué)生嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)流程，通過編程完成專任教師編寫的實(shí)驗(yàn)流程。
2 虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則[4]
1）虛擬實(shí)驗(yàn)逐步運(yùn)行，無法跳躍到下一步。為確保學(xué)生逐步運(yùn)行實(shí)驗(yàn)而不是跳過一些步驟，這一原則非常重要。
2）虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行程序傳送速度快，畫面流暢。虛擬實(shí)驗(yàn)軟件應(yīng)該占用內(nèi)存小，接收迅速。這樣保證實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)畫面流暢。
3）虛擬實(shí)驗(yàn)每步主要內(nèi)容屏幕顯示，提示性操作。虛擬實(shí)驗(yàn)可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鞏固學(xué)習(xí)效果[5]。通過屏幕提示操作，很容易完成實(shí)驗(yàn)。
4）編程中簡單實(shí)驗(yàn)步驟合并處理與實(shí)驗(yàn)重要現(xiàn)象凸顯的處理。對(duì)編好的實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行編程處理時(shí)，將那些簡單的、學(xué)生都熟悉的實(shí)驗(yàn)步驟合并一起，只需鼠標(biāo)在目標(biāo)物點(diǎn)擊一次，這些細(xì)小動(dòng)作即可連續(xù)完成，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，則使用不同顏色和文字進(jìn)行凸顯。
如要將搖勻的、表面充滿黃色泡沫的DNA抽提液，加入離心機(jī)中進(jìn)一步離心，只需用鼠標(biāo)對(duì)箭頭所指的離心管點(diǎn)擊一下，離心管會(huì)自動(dòng)進(jìn)入離心機(jī)內(nèi)，而實(shí)際操作步驟如開啟電源、打開離心機(jī)蓋、蓋好離心機(jī)蓋等這些學(xué)生熟悉的步驟合并后會(huì)連續(xù)自動(dòng)完成，而無需點(diǎn)擊一次鼠標(biāo)運(yùn)行一個(gè)步驟。而對(duì)于離心前后，離心管抽提液分層前后顏色差異，不僅使用不同顏色強(qiáng)調(diào)這種差異，而且也使用文字標(biāo)注進(jìn)行凸顯，如圖1所示。
3 虛擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)選取和結(jié)構(gòu)組成
3.1 技術(shù)選取
關(guān)鍵詞：VMware；虛擬機(jī)；網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)；虛擬網(wǎng)絡(luò)
中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2007)17-31307-02
On the Basis of the Realization of the Fictitious Network Experiment Platform of the Unit
SHEN Jia
(Jinling Institute of Technology, Nanjing 210001, China)
Abstract:In order to solve the contradiction between the effectiveness of student's network experiment and stability of the laboratory safety management, introduce VMware, thus realize the experiment platform of fictitious network on the unit, improves the classroom result of experiment teaching of network
Key words:VMware; virtual machine; network experiment; virtual network
1 引言
隨著學(xué)校的辦學(xué)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，目前許多高校的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境已經(jīng)不能滿足學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的需求，許多網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)比如簡單的局域網(wǎng)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，至少要求學(xué)校為每組學(xué)生配備兩臺(tái)PC，一臺(tái)交換機(jī)，這對(duì)于學(xué)校來說是一筆不小的投資，所以目前許多高校只能停留在老師一邊講理論知識(shí)，一邊用陳舊的可數(shù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來給學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能被動(dòng)的接受一些抽象的名詞：活動(dòng)目錄、域等，上課效果可想而知，學(xué)生的動(dòng)手能力也得不到鍛煉，再加上多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)室都安裝了還原卡，雖然方便了實(shí)驗(yàn)室管理人員，但也給學(xué)生做實(shí)驗(yàn)帶來了很大的限制，比如格式化硬盤、安裝Windows 2000 server OS這些組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的基本要求都不能讓學(xué)生進(jìn)行操練。這些問題也存在于我們學(xué)校，為了能夠解決學(xué)生網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的可操作性和實(shí)驗(yàn)室安全管理的穩(wěn)定性之間的矛盾，本文介紹一個(gè)即經(jīng)濟(jì)又有效可行的方法，是給實(shí)驗(yàn)室的每臺(tái)學(xué)生機(jī)裝上虛擬機(jī)軟件，通過虛擬機(jī)軟件搭建出虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
在網(wǎng)絡(luò)方向的課程中，要涉及到的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)如下圖：
我們將通過虛擬機(jī)軟件在單機(jī)上搭建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上述所有的實(shí)驗(yàn)，即降低了實(shí)驗(yàn)成本，又幫助學(xué)生獲得現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境在中多點(diǎn)之間關(guān)系的直接概念和網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)象，完成各種網(wǎng)絡(luò)操作和管理的學(xué)習(xí)任務(wù)。
術(shù)語：
主機(jī)：就是安裝虛擬機(jī)和模擬器軟件的真實(shí)存在的物理機(jī)；虛擬機(jī)：就是通過虛擬機(jī)軟件創(chuàng)建的虛擬機(jī)器。
2 虛擬機(jī)軟件介紹
常見虛擬機(jī)軟件有virtual pc和VMware，兩者各有千秋，但筆者更青睞于VMware，因?yàn)閂Mware擁有比virtual pc更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，所以如果僅僅只是為了完成基礎(chǔ)類的計(jì)算機(jī)組裝實(shí)驗(yàn)，用virtual pc就可以滿足了，如果要搭建更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，還是選擇VMware軟件。本文主要以VMware為主。VMware 通過將主機(jī)（真實(shí)的pc）上的硬盤和內(nèi)存的一部分拿來虛擬成一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)，即虛擬機(jī)VM（virtual machine），它擁有獨(dú)立的CMOS、硬盤，可以像主機(jī)一樣運(yùn)行分區(qū)、格式化、安裝系統(tǒng)和應(yīng)用軟件；而虛擬機(jī)只是以一個(gè)文件的形式存儲(chǔ)于主機(jī)上，對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行的任何操作對(duì)于主機(jī)來說，沒有任何影響。
采用Vmware創(chuàng)建虛擬機(jī)具有如下特點(diǎn)：
(1)VMware產(chǎn)生的虛擬機(jī)鏡象可以隨便克隆，而且可以應(yīng)用在不同的物理機(jī)上。
(2)不需要重新分區(qū)或重新啟動(dòng)，就能在同一臺(tái)PC機(jī)上同時(shí)使用至少兩種以上的OS。不同OS運(yùn)行期間，可以隨時(shí)進(jìn)行切換，就跟Windows窗口一樣。而且你某個(gè)虛擬機(jī)OS崩潰了，對(duì)主機(jī)操作系統(tǒng)一點(diǎn)影響都沒有。
(3)在虛擬機(jī)上安裝同一種操作系統(tǒng)的另一發(fā)行版，不需要重新對(duì)硬盤進(jìn)行分區(qū)，比如，你可以在Red Hat Linux的一個(gè)目錄下，安裝Turbo Linux 或者其它的Linux版本，而不需要重新分區(qū)。
(4)虛擬機(jī)之間支持TCP/IP、Novell Netware以及Microsoft網(wǎng)絡(luò)虛擬網(wǎng)絡(luò)；各個(gè)虛擬機(jī)之間是相互獨(dú)立的，而且可以隨時(shí)改變各虛擬機(jī)的環(huán)境參數(shù)：內(nèi)存大小、網(wǎng)卡個(gè)數(shù)、CUP個(gè)數(shù)等等
3 創(chuàng)建虛擬機(jī)及虛擬網(wǎng)絡(luò)原理
3.1 創(chuàng)建虛擬機(jī)
在主機(jī)上安裝VMware workstation軟件，然后創(chuàng)建虛擬機(jī)，一般有兩種方式：(1)利用向?qū)нM(jìn)行創(chuàng)建; (2)利用已制作好的虛擬機(jī)文件進(jìn)行克隆創(chuàng)建。因?yàn)樵谔摂M機(jī)上安裝OS，速度會(huì)比在真實(shí)的機(jī)器上慢，所以一般在實(shí)際教學(xué)中，老師事先按照向?qū)?chuàng)建虛擬機(jī)，創(chuàng)建出安裝不同的OS的虛擬機(jī)，然后備份虛擬機(jī)文件，學(xué)生可以通過鏡像文件快速克隆虛擬機(jī)，這樣就事半功倍。
3.1.1 虛擬網(wǎng)絡(luò)原理
VMware提供了一些虛擬設(shè)備和用這些設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的方法，理解這些設(shè)備和聯(lián)網(wǎng)原理就可以組建不同的的網(wǎng)絡(luò)。
(1)虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
虛擬網(wǎng)卡 ：創(chuàng)建好虛擬機(jī)后，虛擬機(jī)會(huì)默認(rèn)安裝AMD PCNET family PCI Ethernet Adapter網(wǎng)卡，一般虛擬機(jī)可以安裝三塊網(wǎng)卡。每塊網(wǎng)卡有四種可選網(wǎng)絡(luò)方式：橋接、僅主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)地址翻譯和自定義。
虛擬交換機(jī)：VMware提供了10個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：Vmnet0-9，這些設(shè)備可以充當(dāng)交換機(jī)。
3.1.2 聯(lián)網(wǎng)方式
(1)ridged（橋接）方式
選擇這種方式后，虛擬機(jī)自動(dòng)會(huì)加入到Vmnet0交換機(jī)中，只要將虛擬機(jī)設(shè)置為和主機(jī)同樣網(wǎng)段的IP地址，在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)中，虛擬機(jī)就和主機(jī)擁有同樣的地位。虛擬機(jī)可以訪問真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中其他共享資源。但前提是主機(jī)要插有網(wǎng)線，否則無法選種該方式。
一旦選擇該模式，那么你的虛擬機(jī)將暴露在充滿病毒和危險(xiǎn)的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，所以建議選擇該模式時(shí)先給虛擬機(jī)裝好補(bǔ)丁以及殺毒軟件，并向管理員申請(qǐng)有效的IP地址，注意不要和其他主機(jī)IP地址沖突。
(2)HOST-ONLY（僅主機(jī)）方式
選擇該方式后，會(huì)自動(dòng)于Vmnet1交換機(jī)進(jìn)行連接，將產(chǎn)生隔離其他網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，只有主機(jī)和虛擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的虛擬機(jī)可以通信。在不需要上外網(wǎng)的情況，只是用于網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)時(shí)，建議采用這種方式。
(3)NAT（網(wǎng)絡(luò)地址翻譯）方式
如果主機(jī)可以連接到外網(wǎng)，但是我們?cè)谕饩W(wǎng)上無法為虛擬機(jī)獲得一個(gè)IP地址，我們可以采用該種模式。
4 基于單機(jī)的虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)步驟
(1)實(shí)驗(yàn)室的軟、硬件的準(zhǔn)備：安裝VMwareworkstation的基本配置為：CPU主頻不低于266MHZ、內(nèi)存最小為128MB、硬盤不小于600MB的空間。但為了達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果，建議內(nèi)存加至1GB，這樣可以達(dá)到同時(shí)運(yùn)行5個(gè)虛擬機(jī)。
(2)安裝VMware workstation軟件，創(chuàng)建多個(gè)安裝不同OS的虛擬機(jī)，為了加強(qiáng)顯示效果，建議，安裝好OS后，請(qǐng)安裝VMware－tools.exe。
(3)根據(jù)拓?fù)鋱D創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，并規(guī)劃好IP地址，再進(jìn)行虛擬網(wǎng)絡(luò)配置。
(4)學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)：子網(wǎng)劃分、組建對(duì)等網(wǎng)、組建域網(wǎng)絡(luò)、TCP/IP協(xié)議測試、路由器配置、服務(wù)器共享上網(wǎng)、FTP、Web服務(wù)器建立等等。
5 基于單機(jī)的虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模板
為了便于學(xué)生的上機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)操作，節(jié)省任課老師的時(shí)間，可以將常見的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境平臺(tái)模板搭建好，并將相關(guān)參數(shù)說明一下，上傳到實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器中供學(xué)生下載做實(shí)驗(yàn)。
如下圖所示：PCm（m=1、2、3…）表示實(shí)驗(yàn)室任何一臺(tái)學(xué)生機(jī)；VPC-N（N=1、2、3…）表示在學(xué)生機(jī)上虛擬出來的客戶機(jī)；NIC表示學(xué)生機(jī)的物理網(wǎng)卡；VNIC表示虛擬機(jī)上虛擬出來的網(wǎng)卡。
(1)選取任意一臺(tái)學(xué)生機(jī)PCm，安裝VMware workstation軟件，并虛擬出5臺(tái)VPC，分別為VPC1~VPC5；
(2)分別為VPC1安裝操作系統(tǒng)WIN2000 SERVER，然后根據(jù)VPC1克隆出VPC2、VPC3和VPC4，給VPC5安裝WIN2000 Professional，其中，為VPC1和VPC4安裝兩塊虛擬網(wǎng)卡；
(3)在該拓?fù)渲?，其中，連接VMnet0的為橋接網(wǎng)絡(luò)1、連接VMnet2的為網(wǎng)絡(luò)2；連接VMnet3的為網(wǎng)絡(luò)3；學(xué)生機(jī)可以通過網(wǎng)關(guān)上外網(wǎng)，現(xiàn)在我們根據(jù)拓?fù)鋱D給VPC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)IP地址劃分。
主機(jī)的IP地址為192.168.1.2，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)為192.168.1.1；
VPC1有兩塊網(wǎng)卡，其中一塊與VMnet0相連，采用橋接網(wǎng)絡(luò)模式，那么給VPC1的VNIC1分配（192.168.1.0）段的一個(gè)有效的IP地址。
VPC1的VNIC2、VPC2、VPC3和VPC4中的VNIC1處于同一網(wǎng)絡(luò)VMnet3交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)2，給分配一個(gè)內(nèi)部私有地址為（192.168.2.0）段的地址；
VPC5分配的內(nèi)部私有地址為（192.168.3.0）段的地址，并通過啟用VPC4的路由功能與其他機(jī)器通信。
模型拓?fù)鋱D：
(4)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，因?yàn)閂PC1暴露在危險(xiǎn)的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，所以必須給VPC設(shè)置防火墻，安裝殺毒軟件；將VPC2安裝成（）域控制器；在VPC3上架設(shè)WEB服務(wù)器和FTP服務(wù)器以及郵件服務(wù)器；最后啟用VPC4的路由功能，將VPC5的網(wǎng)關(guān)設(shè)置為VPC4的VNIC2的IP地址，訪問網(wǎng)絡(luò)2。
以上是一個(gè)簡單的虛擬網(wǎng)絡(luò)模板制作樣例，經(jīng)過實(shí)踐，通過引入虛擬機(jī)，可完成除了網(wǎng)絡(luò)硬件安裝和傳輸媒體連接的其他幾乎所有的局域網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。這積大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主性，而且學(xué)生任何破壞性的操作對(duì)與實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器來說并沒有影響，所以有效的緩解了兩者的矛盾。所以虛擬機(jī)技術(shù)值得各高校推廣使用。
6 結(jié)束語
實(shí)現(xiàn)單機(jī)虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的平臺(tái)，關(guān)鍵是掌握VMware中的網(wǎng)絡(luò)方式及原理，同時(shí)要具備一定的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)?？傊?，該虛擬平臺(tái)，具有與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的一切特征，與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)相比，具有成本低、效果好、易使用、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。學(xué)生可以在該平臺(tái)中學(xué)習(xí)和掌握各種網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)技能。
參考文獻(xiàn)：
[1] 江平. 虛擬機(jī)及其在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006/05.
關(guān)鍵詞:在線虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái);網(wǎng)絡(luò)工程;實(shí)踐
中圖分類號(hào):G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
1引言
目前,各高等院校開設(shè)了網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè),該專業(yè)的課程(如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)等)均需要進(jìn)行大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置實(shí)驗(yàn),但實(shí)驗(yàn)室成本對(duì)于各院校來說是一項(xiàng)不小的負(fù)擔(dān),建設(shè)一個(gè)40人左右規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室,成本大約在80～100萬人民幣左右,這筆費(fèi)用并不是每個(gè)院校都能承擔(dān)的。同時(shí),上述的實(shí)驗(yàn)室由于具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)備還是很少,無法滿足學(xué)生人手一套設(shè)備的需求,因此必須把學(xué)生分成4～5人小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
近年來,出現(xiàn)了模擬軟件來模擬各種實(shí)驗(yàn)器材、設(shè)備、實(shí)驗(yàn)過程以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境。為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)減輕了一定的壓力,如實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)費(fèi)用不足,實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊老化,實(shí)驗(yàn)場地?fù)頂D,學(xué)生人均臺(tái)、套數(shù)少,實(shí)物實(shí)驗(yàn)次數(shù)下降等等。其中典型的有Boson公司出品的NetSim軟件和由法國人Chris Fillot開發(fā)的Dynamips軟件。
Boson NetSim軟件采取的是模擬設(shè)備的命令行方式,和真實(shí)的設(shè)備存在很大的差距,而且很多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無法進(jìn)行模擬。
Dynamips軟件通過加載Cisco的IOS軟件,可在一臺(tái)PC上模擬多臺(tái)Cisco交換機(jī)、路由器設(shè)備,其最大優(yōu)勢在于可自行設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?在PC上構(gòu)建一個(gè)虛擬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,但Dynamips是一個(gè)命令行程序,在配置實(shí)驗(yàn)文件時(shí)需手工設(shè)置大量參數(shù),不方便用戶的使用。而且很多學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室為管理維護(hù)的方便,給計(jì)算機(jī)都安裝了還原保護(hù)卡,給需要修改配置參數(shù)時(shí)帶來了很多不便。
針對(duì)以上問題,本文提出了建立在線虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的思路。
2系統(tǒng)架構(gòu)
在線虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件體系機(jī)構(gòu)是三層架構(gòu)(如圖1所示),即包括后臺(tái)模擬器運(yùn)行服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、客戶端三部分,采用了瀏覽器/服務(wù)器(B/S)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式。應(yīng)用服務(wù)器可以在網(wǎng)中的任何位置,運(yùn)行在任何操作系統(tǒng)上,在處理客戶端實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑渲?完成客戶端與后臺(tái)模擬器運(yùn)行服務(wù)器之間的通信轉(zhuǎn)接。后臺(tái)模擬器運(yùn)行服務(wù)器采用Dynamips軟件模擬實(shí)際的設(shè)備,通過采用應(yīng)用服務(wù)器生成拓?fù)渌枰膮?shù),管理和維護(hù)需要模擬的設(shè)備?？蛻舳送瓿膳c用戶的交互,完成拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和虛擬設(shè)備的配置交互。
3客戶端
3.1軟件要求
客戶端的軟件要求:
(1) 安裝有IE或Firefox瀏覽器;
(2) 安裝J2RE 1.5版本以上插件。
3.2設(shè)計(jì)方案
客戶端完成與用戶的交互。由于系統(tǒng)采用的是B/S這種方式,客戶端不需要安裝額外的軟件,只要能夠運(yùn)行基本的瀏覽器軟件并配置相應(yīng)的Java運(yùn)行環(huán)境。
用戶在客戶端完成網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這就帶來了兩個(gè)問題:
(1) 如何進(jìn)行配置;
(2) 如何和后臺(tái)模擬器運(yùn)行環(huán)境通信。
針對(duì)問題1,通過編寫Java Applet程序(該Applet后簡稱Applet A)來完成圖形化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑渲?此外,采用Java Applet的好處還體現(xiàn)在便于和應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)通信。
針對(duì)問題2,通過編寫另一個(gè)Java Applet(該Applet后簡稱Applet B)來完成與后臺(tái)虛擬設(shè)備的交互配置。
為了便于用戶進(jìn)行相應(yīng)虛擬設(shè)備數(shù)據(jù)的配置,即通過點(diǎn)擊Applet A網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖系南鄳?yīng)設(shè)備,能夠在Applet B中進(jìn)行配置窗口的相應(yīng)切換,完成與不同虛擬設(shè)備之間的交互。Applet A與Applet B的配合通過兩個(gè)Applet之間的通信來完成。
3.3具體實(shí)現(xiàn)
用戶在IE瀏覽器地址欄中輸入實(shí)驗(yàn)環(huán)境的URL地址。用戶登錄后選擇進(jìn)入具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。典型的實(shí)驗(yàn)配置為參見圖2:
當(dāng)用戶提交用戶配置數(shù)據(jù)時(shí),由Applet生成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋽?shù)據(jù),并提交給應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器將用戶轉(zhuǎn)至Applet B所在的配置界面,同時(shí)給出所有虛擬設(shè)備的URL地址。
例如:telnet://192.168.1.3:2001
用戶在配置界面可以完成對(duì)制定虛擬設(shè)備的配置(如圖3),或者通過點(diǎn)擊URL地址鏈接,調(diào)用客戶端默認(rèn)的telnet工具訪問虛擬設(shè)備。
4應(yīng)用服務(wù)器
4.1軟件需求
對(duì)于應(yīng)用服務(wù)器的要求:
(1) 安裝有J2SDK5.0以上版本;
(2) 安裝有Apache Tomcat 6.0。
應(yīng)用服務(wù)器采用JSP、Java Servlet技術(shù),應(yīng)用服務(wù)器系統(tǒng)根據(jù)功能分為用戶管理模塊,實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置模塊和仿真模塊,后臺(tái)環(huán)境管理模塊3個(gè)子系統(tǒng)(參見圖4)。
4.2用戶管理模塊
用戶管理模塊完成用戶的登錄,注冊(cè),信息修改,注銷功能(參見圖5)。
4.3實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置模塊
實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置模塊要完成以下3個(gè)功能:
功能1:提供客戶端需要的Web頁面和Java Applet程序。
功能2:對(duì)用戶提交的網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)處理,生成后臺(tái)模擬器運(yùn)行所需的配置文件,并將生成的配置文件提交給后臺(tái)模擬器運(yùn)行環(huán)境。
功能3:完成通信的轉(zhuǎn)接,即實(shí)現(xiàn)客戶端Applet與后臺(tái)虛擬設(shè)備的通信。
上述三個(gè)功能分別由客戶端交互模塊,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)配置生成模塊和通信模塊完成(參見圖6)。
(1) 客戶端交互模塊
對(duì)于功能1的實(shí)現(xiàn)是比較簡單的,編寫JSP代碼實(shí)現(xiàn)用戶頁面,編寫Java代碼實(shí)現(xiàn)Applet,需要注意兩個(gè)Applet之間的通信。
(2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)配置生成模塊
對(duì)于功能2的實(shí)現(xiàn),通過Servlet實(shí)現(xiàn)。對(duì)于每個(gè)用戶發(fā)起的配置請(qǐng)求(Applet A發(fā)起),啟動(dòng)一個(gè)新的線程完成對(duì)用戶配置數(shù)據(jù)的處理,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)配置生成模塊生成后臺(tái)模擬器運(yùn)行環(huán)境的運(yùn)行參數(shù)并將其提交給后臺(tái)模擬器運(yùn)行服務(wù)器,由后臺(tái)模擬器運(yùn)行服務(wù)器環(huán)境負(fù)責(zé)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建立。由于存在多個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這里需要采用多線程處理。
(3) 通信模塊
對(duì)于功能3的實(shí)現(xiàn),也通過Servlet實(shí)現(xiàn),當(dāng)功能2的Servlet完成工作后,創(chuàng)建一個(gè)新的線程完成Applet B與后臺(tái)虛擬設(shè)備之間通信轉(zhuǎn)接。
通信模塊負(fù)責(zé)與客戶端的通信,這里由一個(gè)線程池來完成,線程負(fù)責(zé)將Applet B發(fā)來的命令轉(zhuǎn)發(fā)到后臺(tái)虛擬設(shè)備上,同時(shí)將后臺(tái)虛擬設(shè)備的輸出轉(zhuǎn)發(fā)至Applet B。
4.4后臺(tái)環(huán)境管理模塊
實(shí)驗(yàn)管理模塊完成對(duì)正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的管理,清理不必要的數(shù)據(jù)。
4.5具體實(shí)現(xiàn)
客戶交互模塊根據(jù)用戶提交的配置數(shù)據(jù),啟動(dòng)一個(gè)新的線程完成對(duì)用戶配置數(shù)據(jù)的處理,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)配置生成模塊生成后臺(tái)模擬器運(yùn)行環(huán)境的運(yùn)行參數(shù)并通過通信模塊將其提交給后臺(tái)模擬器運(yùn)行服務(wù)器,由后臺(tái)模擬器運(yùn)行服務(wù)器環(huán)境負(fù)責(zé)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建立。由于存在多個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這里需要采用多線程處理。
生成后臺(tái)模擬器運(yùn)行環(huán)境的運(yùn)行參數(shù)舉例如下:
dynamips-wxp.exe -T 2001 -P 7200 -r 128 --disk0 4 -t npe- 400-c 0x2142 -p 0:C7200-IO-FE -p 1:PA-2FE-TX- s0:0:gen_eth:"\Device\NPF_{953246C0-1275-426B-9803-B4C
171D808DE}" ..\C7200-JK.BIN --idle-pc=0x60801e14
在后臺(tái)模擬器運(yùn)行服務(wù)器啟動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境后,由通信模塊完成客戶端Applet B與后臺(tái)虛擬設(shè)備之間通信轉(zhuǎn)接。
5后臺(tái)模擬器運(yùn)行服務(wù)器
5.1軟件及硬件需求
對(duì)于后臺(tái)模擬器運(yùn)行服務(wù)器的硬件要求CPU速度1.6GHz以上,內(nèi)存容量2G以上。
系統(tǒng)環(huán)境及軟件要求:
(1) WindowsXP或Windows 2000 Server操作系統(tǒng)。
(2)dynamips-0.2.7。
(3)Cisco IOS映像文件:c3640-is-mz_120-7_t.Bin或c7200-js-mz.122-11.T.Bin。
5.2設(shè)計(jì)方案
后臺(tái)模擬器運(yùn)行服務(wù)器負(fù)責(zé)接收應(yīng)用服務(wù)器發(fā)來的指令和配置文件,根據(jù)指令和配置文件運(yùn)行虛擬設(shè)備,停止虛擬設(shè)備,及相應(yīng)的管理功能。后臺(tái)模擬器運(yùn)行環(huán)境的基礎(chǔ)是Dynamips軟件。
5.3具體實(shí)現(xiàn)
后臺(tái)模擬器運(yùn)行服務(wù)器采用Java編寫,使用Socket編程與應(yīng)用服務(wù)器通信模塊進(jìn)行通信。
當(dāng)收到應(yīng)用服務(wù)器發(fā)來的指令和配置文件后,啟動(dòng)一個(gè)新的線程,使用Runtime的exec()方法執(zhí)行收到的命令,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行虛擬設(shè)備,停止虛擬設(shè)備,及相應(yīng)的管理功能。
當(dāng)收到由通信模塊客戶端Applet B對(duì)虛擬設(shè)備的配置命令后,將其發(fā)送給具體的虛擬設(shè)備,并捕獲輸出,由通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)給Applet B,完成具體的配置工作。
6總結(jié)
通過對(duì)本平臺(tái)的試用,學(xué)生對(duì)在線虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)反映良好,大大提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。
在線虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室相比,主要擁有如下優(yōu)勢:
(1) 充分發(fā)揮模擬軟件的優(yōu)勢,將理論與實(shí)踐相結(jié)合,以往如OSPF路由配置等需要大量的PC機(jī)或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實(shí)驗(yàn),如今只要在一臺(tái)PC客戶機(jī)上就可實(shí)現(xiàn),加深學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解。
(2) 在實(shí)驗(yàn)過程中無需擔(dān)心學(xué)生誤操作或是惡意操作,如修改網(wǎng)絡(luò)設(shè)備密碼或刪除Flash文件等。由于所有的網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)驗(yàn)均在遠(yuǎn)端服務(wù)器上由軟件完成,即使在操作過程中出現(xiàn)了無法恢復(fù)的錯(cuò)誤時(shí),也無需擔(dān)心,只要將軟件復(fù)位,即可重新開始實(shí)驗(yàn)。
(3) 減輕實(shí)驗(yàn)室維護(hù)教師的維護(hù)負(fù)擔(dān),每次實(shí)驗(yàn)完畢后,無需對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行一一復(fù)原。
(4) 大量節(jié)約成本,使學(xué)生能在虛擬環(huán)境中配置價(jià)格昂貴的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,有效提高學(xué)生的實(shí)踐技能。
(5) 提高學(xué)生的創(chuàng)新能力,使實(shí)驗(yàn)不受設(shè)備等硬件因素的制約,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。
(6) 便于組織開放性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以利用網(wǎng)絡(luò)訪問在線虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)完成實(shí)驗(yàn)。
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Design and Realization of Online Virtual Network Experimental Platform
WANG Xiao-mei
(Department of Computer Science, Xi’an University of Post and Telecommunications,Xi’An 710121, China)
關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室； 虛擬儀器； LabVIEW； B/S
中圖分類號(hào)：TN919-34； TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-373X(2011)24-0171-03
Design and Implement of Network Virtual Laboratory
LIU Ke-qin, PAN Xue-tao, ZHANG Mei-feng
(School of Photoelectric Engineering, Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213002, China)
Abstract： The traditional way of physical instruments and simple data analysis is still used for experimental teachings in the most domestic colleges and universities. It exists many problems. A network-based virtual laboratory framework model was established with the network technology, virtual instrument technology and B/S architecture. A related virtual experiment such as phase difference measurement was designed, and Web publishing was implemented by means of LabVIEW software. Practice shows that the remote control and resource sharing can be achieved in the Web-based virtual laboratory. It can save the financing investment for the mass of equipments and instruments, provide a modern means for practice teaching, and help students to improve their creative ability.
Keywords： virtual laboratory; virtual instrument; LabVIEW; B/S
收稿日期：2011-07-13
基金項(xiàng)目：江蘇省高校自然科學(xué)研究指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目：基于虛擬儀器的機(jī)械量測試與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì);江蘇省教育廳基金資助項(xiàng)目（05KJD460014）
0 引 言
為更好地培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，國內(nèi)高校都加強(qiáng)了實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)。通過對(duì)理工科院校實(shí)踐教學(xué)情況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)普遍存在以下幾個(gè)主要問題：首先，學(xué)生要得到良好的實(shí)踐訓(xùn)練，就需要購置很多昂貴的教學(xué)儀器，但各高校普遍存在資金投入不足的問題；其次，實(shí)驗(yàn)中各種元器件的損耗非常大，造成很大的浪費(fèi)，這也間接對(duì)教師和學(xué)生造成一定的心里壓力，實(shí)驗(yàn)中縮手縮腳，擔(dān)心損壞儀器，使得實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量得不到保證；最后，遠(yuǎn)程教育的發(fā)展使教學(xué)不再被限制于學(xué)校的課堂內(nèi)，教學(xué)過程中必然要遇到如何對(duì)遠(yuǎn)程用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)［1-2］的迅速發(fā)展，充分利用“軟件就是儀器的”思想，將兩者結(jié)合，通過數(shù)據(jù)交換共享建成的虛擬實(shí)驗(yàn)室為以上問題的解決提供了很好的方案。
1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的體系結(jié)構(gòu)
網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室一般采用C/S模式和B/S模式2種體系結(jié)構(gòu)。B/S模式在標(biāo)準(zhǔn)、開發(fā)維護(hù)、界面使用、客戶端要求、靈活性以及儀器的安全性等方面都比C/S模式具有更好的優(yōu)越性［3］，故該系統(tǒng)采用B/S模式構(gòu)建。結(jié)構(gòu)如圖1所示。
采用基于B/S模式的客戶端、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用程序服務(wù)器的三層次結(jié)構(gòu)，具有良好的適應(yīng)性及擴(kuò)展性。在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作中使用虛擬儀器應(yīng)用程序，只需配備支持ActiveX的瀏覽器就可通過Internet登陸虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站，向Web服務(wù)器提出實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作。登陸網(wǎng)站以后，瀏覽器會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，從Web服務(wù)器中自動(dòng)載入包含了虛擬儀器模塊的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)頁，這樣用戶不需要安裝任何專業(yè)軟件就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而使客戶端的需求降到最低。
Web服務(wù)器的主要任務(wù)是將虛擬實(shí)驗(yàn)室以網(wǎng)站的形式在網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)還為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的安全運(yùn)行提供有效的管理與用戶認(rèn)證機(jī)制。遠(yuǎn)程用戶可以用Web瀏覽器訪問此服務(wù)器，通過瀏覽器與Web服務(wù)器進(jìn)行交互，按照步驟完成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，包括實(shí)驗(yàn)信息、實(shí)驗(yàn)管理信息以及系統(tǒng)管理信息等。應(yīng)用程序服務(wù)器在虛擬實(shí)驗(yàn)室中負(fù)責(zé)各個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K的管理和調(diào)度。采用虛擬儀器語言設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K被集成在應(yīng)用程序服務(wù)器中，接收來自Web服務(wù)器的請(qǐng)求并做出響應(yīng)，完成信號(hào)的生成、數(shù)據(jù)分析以及結(jié)果顯示。
2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)
2.1 開發(fā)與使用環(huán)境
網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室采用DreamWeaver軟件［4］開發(fā)，各虛擬實(shí)驗(yàn)采用美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW設(shè)計(jì)，并生成為應(yīng)用程序?？蛻舳酥灰蠭nternet Explorer 5.0以上的瀏覽器并下載安裝NI公司免費(fèi)的LabVIEW Run-time Engine小程序即可順利完成各類虛擬實(shí)驗(yàn)［5］。
2.2 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室功能
以測控技術(shù)與儀器專業(yè)核心課程實(shí)驗(yàn)為例，介紹網(wǎng)絡(luò)虛擬測控實(shí)驗(yàn)室的功能及典型程序設(shè)計(jì)。
遠(yuǎn)程虛擬測控實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)航頁包括“實(shí)驗(yàn)室簡介”、“實(shí)驗(yàn)室公告”、“使用說明”以及“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室”4部分。點(diǎn)擊“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室”，打開實(shí)驗(yàn)界面。如圖2所示。
圖2 遠(yuǎn)程虛擬測控實(shí)驗(yàn)室的模塊圖該部分包括信號(hào)分析與處理實(shí)驗(yàn)、測控系統(tǒng)特性分析實(shí)驗(yàn)、傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)、形位誤差測量實(shí)驗(yàn)等4個(gè)模塊共24個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用程序。每個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)，包含“實(shí)驗(yàn)原理”、“功能描述”、“實(shí)驗(yàn)示例”和“在線實(shí)驗(yàn)”四個(gè)模塊，層層遞進(jìn)，有利于啟發(fā)學(xué)生的思維。
2.3 基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
下面以“信號(hào)分析與處理”模塊中的相位差測量實(shí)驗(yàn)為例詳細(xì)介紹虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法。
2.3.1 設(shè)計(jì)原理
本設(shè)計(jì)采用相關(guān)法實(shí)現(xiàn)兩同頻正弦信號(hào)的相位差測量，即利用兩信號(hào)的延時(shí)τ=0時(shí)的互相關(guān)函數(shù)值與其相位差的余弦值成正比的原理獲得相位差［6-7］。
假設(shè)有兩個(gè)含有噪聲的同頻信號(hào)x(t)，y(t)：x(t)=Asin(ω0t+φ0)+Nx(t)
y(t)=Bsin(ω0t+φ1)+Ny(t)
（1）式中：A，B分別為x(t)和y(t)的幅值；Nx，Ny分別為噪聲信號(hào)。
周期信號(hào)互相關(guān)函數(shù)的表達(dá)式為：Rxy(τ)=(1/T)∫T0x(t)y(t+τ)dt
（2）式中T為信號(hào)周期。將式（1）代入式（2），可得：Rxy(τ)=1T∫T0［Asin(ω0t+φ0)+Nx(t)］•
［Bsin(ω0(t+τ)+φ1)+Ny(t+τ)］dt
（3） 當(dāng)τ=0時(shí)，Rxy(0)=(1/T)∫T0［Asin(ω0t+φ0)+Nx(t)］•
［Bsin(ω0(t)+φ1)+Ny(t)］dt
（4） 理想情況下，噪聲與信號(hào)之間、噪聲與噪聲之間互不相關(guān)，積分后可得：Rxy(0)=AB2cos(φ1－φ0)
（5） 故兩信號(hào)的相位差：φ1－φ0=arccos［2Rxy(0)/AB］
（6）2.3.2 程序設(shè)計(jì)
程序設(shè)計(jì)時(shí)，使用LabVIEW程序中信號(hào)處理模塊自帶的互相關(guān)函數(shù)對(duì)兩信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，然后調(diào)用Array子模板上的Index Array函數(shù)，獲取τ=0時(shí)的互相關(guān)函數(shù)值。為得到相位差，執(zhí)行Functions>>Numeric>>Trigonometric>>Inverse Cosine操作，調(diào)入反余弦函數(shù)，并由運(yùn)算將相位差由弧度轉(zhuǎn)化為角度表示。程序代碼如圖3所示。
2.3.3 虛擬實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程
系統(tǒng)采用LabVIEW自帶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程［8］。LabVIEW網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是LabVIEW的Remote Panels一部分，VI時(shí)首先打開虛擬相位差測量的VI，啟動(dòng)Web服務(wù)器。選擇菜單中Tools>>Web PublishingTool，彈出的窗口是交互地創(chuàng)建和遠(yuǎn)程面板的主要窗口，如圖4所示。點(diǎn)擊Save to Disk，將會(huì)在Web服務(wù)器的根目錄下生成HTML文檔。隨后彈出一個(gè)對(duì)話框，其中包含生成的HTML文檔的URL網(wǎng)址，如圖5所示。
圖5 HTML文擋的URL用戶遠(yuǎn)程面板（Remote Panel）大大簡化了遠(yuǎn)程應(yīng)用程序的生成，不需任何關(guān)于Java，CGI或其他第三方軟件工具編程，只需將生成的URL網(wǎng)址鏈接到相應(yīng)的“在線實(shí)驗(yàn)”模塊，就可以將本地實(shí)驗(yàn)室的功能帶到瀏覽器環(huán)境中。客戶端只需要安裝LabVIEW運(yùn)行引擎，不需要安裝LabVIEW，即可通過Web瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制［9-10］。用戶在線遠(yuǎn)程運(yùn)行相位差測量實(shí)驗(yàn)的界面如圖6所示。設(shè)置信號(hào)1幅值2 V，初始相位為30°；設(shè)置信號(hào)2幅值4 V，初始相位為90°；設(shè)置兩個(gè)信號(hào)的頻率均為2 Hz，采樣頻率為20 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為50點(diǎn)。程序計(jì)算得到的相位差為60°。
3 結(jié) 語
基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)把傳統(tǒng)儀器的測試功能用形象逼真的面板控件形成軟件模塊，能夠在計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)下象實(shí)物儀器一樣完成測試、處理、分析、顯示等任務(wù)，得到了在實(shí)驗(yàn)室里相同的實(shí)驗(yàn)過程和測試結(jié)果。同時(shí)基于B/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制、資源共享和數(shù)據(jù)共享，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)搬進(jìn)了課堂，搬上了網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的完美融合，減少了設(shè)備資金的投入，改善了實(shí)驗(yàn)條件，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、手段的完善，徹底打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
參 考 文 獻(xiàn)
［1］ 雷振山.LabVIEW 7 Express實(shí)用技術(shù)教程［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.
［2］ 楊運(yùn)強(qiáng).測試技術(shù)與虛擬儀器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.
［3］ 張志敏，李賢敏.基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008（4）：160-163.
［4］ 屈喜龍，李正庚.ASP+Dreamweaver開發(fā)動(dòng)態(tài)網(wǎng)站實(shí)例薈萃［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
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［6］ 白鵬，王建華，劉君華.基于虛擬儀器的相位測量算法研究［J］.電測與儀表，2002（8）：19-22.
［7］ 曾孟雄，高威，楊濤.基于LabVIEW的數(shù)字相關(guān)測量儀設(shè)計(jì)［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（1）：48-50.
［8］ 孫燕蓮.基于Web的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室探究［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010（10）：352-354.
［9］ 鐘亮，王琪.基于虛擬儀器實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)的構(gòu)建［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2005（6）：100-102.
【關(guān)鍵詞】虛擬實(shí)驗(yàn) 網(wǎng)絡(luò) 實(shí)現(xiàn)研究 設(shè)計(jì)
【中圖分類號(hào)】TP311 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674－4810（2011）24－0041－01
一 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其主要功能的特點(diǎn)
網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心虛構(gòu)出三維可視的實(shí)驗(yàn)場景，仿真復(fù)雜多變的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，支持實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的模擬、分析。學(xué)習(xí)者通過網(wǎng)頁訪問的方式觀察逼真的模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并通過普通的圖形界面交互技術(shù)改變實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)，將各種虛擬儀器按實(shí)驗(yàn)要求、過程進(jìn)行操作或組裝，并從中獲得良好的個(gè)人體驗(yàn)或發(fā)現(xiàn)。它一般包括相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，實(shí)驗(yàn)對(duì)象以及實(shí)驗(yàn)信息資源等。
網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)屬于桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在一定程度上具有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性、交互性和想象性特點(diǎn)，可以提供一些在現(xiàn)實(shí)中無法體驗(yàn)的情境，能避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來的各種危險(xiǎn)。徹底打破空間、時(shí)間的限制，學(xué)習(xí)者隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室操作儀器，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，共享儀器設(shè)備，共享數(shù)據(jù)，甚至和異地的學(xué)習(xí)者合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等。特別適合在實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)缺乏等低成本的限制條件下應(yīng)用，較適合于網(wǎng)絡(luò)教育和移動(dòng)學(xué)習(xí)。
二 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本體系組成
1．表現(xiàn)層
展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場景，用戶主要包括學(xué)習(xí)者、教師和管理員。通過注冊(cè)登錄，下載支持IE的3D瀏覽器插件后，即可進(jìn)入三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用戶通過簡單和友好的界面，可實(shí)現(xiàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的3D對(duì)象、虛擬角色的交互，或虛擬角色相互之間的交互。
2．業(yè)務(wù)邏輯層
服務(wù)器的主要作用是開放式交互實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的生成；網(wǎng)頁Web應(yīng)用服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的主要作用則是提供Web接入服務(wù)、用戶認(rèn)證管理、賬號(hào)管理、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的生成。作為整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心模塊，虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用服務(wù)器主要作用是控制和管理實(shí)驗(yàn)儀器、采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；交互控制影響學(xué)習(xí)者的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求并做出相應(yīng)的反應(yīng)，處理多用戶協(xié)同通信時(shí)出現(xiàn)的問題。
3．?dāng)?shù)據(jù)訪問層
主要是對(duì)原始數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)庫或者文本文件等存放數(shù)據(jù)的形式）的操作。數(shù)據(jù)庫主要包含用戶信息庫、3D對(duì)象服務(wù)器、知識(shí)庫、教學(xué)資源庫。用戶信息庫包含用戶（學(xué)習(xí)者、教師）的初始數(shù)據(jù)，如用戶個(gè)人信息、登錄信息、首次測試水平、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備信息和學(xué)習(xí)記錄等，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。3D對(duì)象服務(wù)器包括3D場景模型、3D虛擬角色模型和3D實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備模型等。文件服務(wù)器包含Word、PPT等教學(xué)文本文檔以及預(yù)設(shè)的HTML模板。
三 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)
一是許多網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能更關(guān)注在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和行為的模擬演示，系統(tǒng)的交互性和監(jiān)控性有限。功能設(shè)計(jì)中需要增強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)控等功能，從而增強(qiáng)教學(xué)的評(píng)價(jià)功能。二是網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更多地集中于通過網(wǎng)絡(luò)共享實(shí)驗(yàn)資源，共享數(shù)據(jù)。支持多用戶協(xié)作式，分布式共享同一實(shí)驗(yàn)空間的系統(tǒng)并不多。分布式系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)能進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性，同時(shí)帶來更大的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
四 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)
1．環(huán)境建模技術(shù)
虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)儀器的建立是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要內(nèi)容。常用的建模多使用3DMax、Maya等工具軟件完成。制作人員完成建模和貼圖的工作量比較大。數(shù)字三維掃描技術(shù)快速、精確地生成實(shí)體模型，與軟件建模方式相結(jié)合能夠縮短工作時(shí)間，提高效率。
2．實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)
三維圖形的生成技術(shù)已較為成熟，其關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”生成與顯示。對(duì)于具有一定復(fù)雜度的模型，如何達(dá)到實(shí)時(shí)顯示和便于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪康?，又要保證圖形的幀率和質(zhì)量，需要進(jìn)一步研究。
3．立體顯示和傳感器技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感和交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)有的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大多使用鼠標(biāo)加鍵盤的WIMP圖形界面，在人機(jī)交互方式上存在著較大的局限性。近年來，手寫板與觸摸式顯示屏等新興的人機(jī)交互設(shè)備大規(guī)模地進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，其更加自然的交互方式突破原有鼠標(biāo)加鍵盤的WIMP桌面系統(tǒng)，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的二維交互方式帶來的約束，手寫板技術(shù)和觸屏技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開發(fā)新的三維顯示技術(shù)。
4．應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具
虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是尋找合適的場合和對(duì)象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具需要強(qiáng)大的平臺(tái)支撐，為不同的開發(fā)者和設(shè)計(jì)者提供良好的支持，提供功能豐富且方便的工具包SDK來支持便捷的二次開發(fā)，以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量、降低開發(fā)成本。目前國際上比較著名的VR技術(shù)的開發(fā)工具和平臺(tái)有 VRML、Cult3D、EON、Quest3D、Virtools等，不同的平臺(tái)各有其特點(diǎn)，通常實(shí)際使用開發(fā)平臺(tái)所提供的一些實(shí)用功能模塊，需要的附加付費(fèi)也是需要考慮的重要問題。
【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)三維；虛擬實(shí)驗(yàn)；虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)
【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009―8097（2011）07―0114―07
一 前言
隨著教育信息化的推進(jìn)，遠(yuǎn)程教育應(yīng)用實(shí)踐不斷更新變革，不斷涌現(xiàn)出的新興技術(shù)得以推廣應(yīng)用，取得了切實(shí)的教學(xué)與學(xué)習(xí)效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就是近年來其中一個(gè)重要的新興技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐。相關(guān)研究證實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化理解能力和開拓創(chuàng)造性學(xué)習(xí)[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)源自于信息科學(xué)技術(shù)，在信息化實(shí)踐中自然有其特有的優(yōu)勢，第一是其獨(dú)特的視角，顯示的是實(shí)時(shí)的三維影像，包含了更多的連續(xù)的、直觀的信息，能夠以不同的視圖操作和觀察，產(chǎn)生逼真的臨場感；第二是支持交互式任務(wù)，自然直觀的操作強(qiáng)化了用戶的參與體驗(yàn)；第三是虛擬化的場景和對(duì)象蘊(yùn)含了更加豐富的抽象信息，實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐操作的轉(zhuǎn)化。計(jì)算機(jī)3D圖形學(xué)、人工智能、人機(jī)接口等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，也為虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)踐應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
建構(gòu)主義理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)者是在一定學(xué)習(xí)情境中，借助與他人之間的協(xié)作、交流、利用必要的信息等，構(gòu)建有意義的學(xué)習(xí)。并且根據(jù)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)類型的差異，通過自我反省或者與他人之間的商榷、討論和辯論，以認(rèn)識(shí)和強(qiáng)化個(gè)人及團(tuán)隊(duì)的心智模式。建構(gòu)主義理論支持下的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境就是一個(gè)動(dòng)態(tài)的虛擬仿真學(xué)習(xí)環(huán)境，可以延伸學(xué)習(xí)者觀察事物的視角，引導(dǎo)他們探索科學(xué)世界的思考和行為的方式，發(fā)展學(xué)生不完整的前概念和經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程，并且能為學(xué)習(xí)者提供在現(xiàn)實(shí)世界中無法實(shí)現(xiàn)的體驗(yàn)，如原子微觀世界[1]、無法隨意重復(fù)的實(shí)訓(xùn)（V-Frog [2]）等。
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究，目前為止虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用主要涉及的是科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)教育，用于概念改變、抽象思維的發(fā)展和促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展[3] [4]?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素，有網(wǎng)絡(luò)特征的桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng), 是目前虛擬現(xiàn)實(shí)科學(xué)教育實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最為可行的方式。虛擬現(xiàn)實(shí)科學(xué)教育實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)，首先要根據(jù)科學(xué)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教育的目的和學(xué)習(xí)者的認(rèn)知水平，分析學(xué)習(xí)者的需求；然后根據(jù)具體學(xué)科實(shí)驗(yàn)任務(wù)及步驟，結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作的特點(diǎn)，提出虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)執(zhí)行這些操作所學(xué)的功能及其子模塊，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本構(gòu)成框架；據(jù)此，可確定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟硬件配置，最后，選擇合適的三維建模工具（如3DMAX、MAYA）和虛擬現(xiàn)實(shí)編程工具（Virtools、EON）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的制作和[5]。
二 網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本構(gòu)成框架
一個(gè)實(shí)驗(yàn)完整實(shí)施的工作流程分為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段、實(shí)驗(yàn)儀器組裝測試階段、實(shí)驗(yàn)操作階段、數(shù)據(jù)處理階段和實(shí)驗(yàn)總結(jié)評(píng)價(jià)階段。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相比較，有網(wǎng)絡(luò)特征的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循開放性、易用性原則，能夠重復(fù)實(shí)驗(yàn)以獲取正確數(shù)據(jù)，提示實(shí)驗(yàn)操作正確性等。通過實(shí)驗(yàn)工作流程的分析，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)3I特性，網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本構(gòu)成框架如圖2所示：
1 輸入/輸出設(shè)備
人類的七大感覺系統(tǒng)包括視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺、前庭系統(tǒng)和本體覺。人類就是通過感知來獲取信息。在相關(guān)的科學(xué)教育應(yīng)用研究中使用的既有專用設(shè)備，如ImmersaDesk和PHANToM[10][11]，也有PC支持的周邊設(shè)備，如三維鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套和頭盔跟蹤器、三維顯示器等。到目前為止，教育應(yīng)用領(lǐng)域的交互設(shè)備主要是鼠標(biāo)、鍵盤、操縱桿和攝像頭[3] [7]。
2 交互界面
實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的人機(jī)交互，按照實(shí)驗(yàn)任務(wù)的要求提供一系列的用戶操作和反饋，以支持用戶有意義的學(xué)習(xí)活動(dòng)，強(qiáng)化用戶在動(dòng)態(tài)3D場景中的參與程度。通過鏡頭控制，以第一人稱的視角，用戶借助化身（avatar）進(jìn)入3D場景，用戶可以將身體變大或者變小，實(shí)現(xiàn)宏觀或者微觀世界的漫游，延伸用戶感知信息的能力。
（1） 3D / 2D懸浮操作欄：漫游和自由度（DOFs）操作是懸浮操作欄基本功能項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)3D對(duì)象選擇和3D對(duì)象方位變換。這樣用戶可以及時(shí)、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物，有利于培養(yǎng)空間想象能力。另外，用戶化身通過自然的交互操作還可以強(qiáng)化抽象知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)踐運(yùn)用。
（2） 系統(tǒng)控制：懸浮式下拉菜單/屬性面板，用于改變實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)虛擬對(duì)象的信息。
（3） 模型庫操作：連接模型數(shù)據(jù)庫，在實(shí)驗(yàn)過程中提供3D對(duì)象模型的呈現(xiàn)，提供虛擬模型的描述信息，輔助實(shí)施虛擬實(shí)驗(yàn)裝置組裝，生成合適的實(shí)驗(yàn)場景。
（4） 數(shù)據(jù)向?qū)В禾幚韺?shí)驗(yàn)過程中涉及的各種數(shù)據(jù)；記錄學(xué)習(xí)者的操作過程，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作指南，自動(dòng)為學(xué)習(xí)者評(píng)分。連接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)外部文檔導(dǎo)入，或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，記錄虛擬學(xué)習(xí)對(duì)象的相關(guān)數(shù)據(jù)集。
（5） 智能向?qū)В簽橛脩艋硖崾静僮鞑襟E，檢驗(yàn)操作的正確性。如果出現(xiàn)操作失誤，會(huì)禁止下一步驟的執(zhí)行，并給出錯(cuò)誤提示信息[9]。智能向?qū)б部梢杂谢?，通過會(huì)話的方式與用戶交流。
3 虛擬模型數(shù)據(jù)庫
一類是虛擬儀器元件、虛擬對(duì)象（如原子、藥品等）作為虛擬學(xué)習(xí)對(duì)象，包括可視化的3D模型及對(duì)象的描述信息。學(xué)習(xí)對(duì)象的知識(shí)結(jié)構(gòu)是科學(xué)教育中知識(shí)學(xué)習(xí)的基本內(nèi)容。另一類是場景模型，包含不同實(shí)驗(yàn)要求所需的虛擬場景。學(xué)習(xí)者可以依據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求，調(diào)用適用的虛擬儀器和虛擬對(duì)象進(jìn)行組裝。
4 虛擬實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)
可視化的流程有助于更好的理解科學(xué)概念[14]。如數(shù)學(xué)和物理教學(xué)中的內(nèi)容大多是抽象的公式,用傳統(tǒng)的說教式教學(xué)方法很難解釋清楚，虛擬的實(shí)驗(yàn)流程演示使得學(xué)習(xí)者一看就能觀察出動(dòng)態(tài)逼近的科學(xué)本質(zhì)。如此以來，抽象的內(nèi)容變得更為形象、更為直觀。
另外，具有網(wǎng)絡(luò)特征的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，應(yīng)包含有實(shí)驗(yàn)共享功能，如實(shí)驗(yàn)結(jié)果和感想的交流，幫助，提示實(shí)驗(yàn)常見故障和問題的解決辦法等等。如組建實(shí)驗(yàn)在線學(xué)習(xí)共同體，就是推進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用的有效措施[10]。系統(tǒng)可采用三層結(jié)構(gòu)體系，即客戶端、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，一般硬件設(shè)備要求不高的情況下，優(yōu)先考慮B/S應(yīng)用模式，即借助瀏覽器配置相應(yīng)插件支持客戶端的運(yùn)行。
三 《實(shí)驗(yàn)室制取氣體》化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)實(shí)例
化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)的學(xué)科，通過實(shí)驗(yàn)可以更加形象地描述化學(xué)現(xiàn)象，深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)了仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提供了豐富生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)現(xiàn)形象化教學(xué)，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建互動(dòng)的、可重復(fù)使用的實(shí)驗(yàn)場景，不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新思維能力，而且解決了實(shí)驗(yàn)資源浪費(fèi)、實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)限制等化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中問題，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。
實(shí)例利用三維建模軟件3ds Max和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)工具Virtools開發(fā)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室制取氣體專題的桌面式虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖4所示，主要實(shí)現(xiàn)功能模塊有：系統(tǒng)操作說明介紹、化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器自動(dòng)組裝演示、實(shí)驗(yàn)儀器組裝、化學(xué)實(shí)驗(yàn)藥品添加化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察。
本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)旨在使學(xué)習(xí)者了解儀器的組裝、拆分順序，藥品添加方法，了解實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過程，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等。在實(shí)驗(yàn)過程中通過本系統(tǒng)提高實(shí)驗(yàn)者的學(xué)習(xí)興趣，使其掌握實(shí)驗(yàn)儀器的組裝和拆分順序；通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、對(duì)比和分析，鞏固所學(xué)化學(xué)知識(shí)，理解相關(guān)化學(xué)原理；培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題能力。
為了便于儀器的準(zhǔn)確組裝和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的多角度觀察，通過鏡頭（Camera）進(jìn)行了交互設(shè)置，使用鍵盤按鍵來切換攝像機(jī)視角并利用鼠標(biāo)右鍵對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。如圖5所示為相應(yīng)的BB及參數(shù)設(shè)置。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)元器件的操控包括兩類工具，一類是利用自由度（DOF）操作工具，以觀察和變換虛擬模型方位。一類是選擇和添加元器件，按照實(shí)驗(yàn)要求，完成系統(tǒng)組裝。
Virtools中提供的粒子系統(tǒng)(Particle System)，為虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的各種現(xiàn)象提供了豐富的設(shè)計(jì)內(nèi)容，使虛擬實(shí)驗(yàn)更加形象和逼真。酒精燈火焰特效主要使用Point Particle System（點(diǎn)粒子系統(tǒng)），對(duì)于氣泡特效設(shè)計(jì)使用Spherical Particle System（球形粒子系統(tǒng)），液體傾倒采用Curve Particle System（曲線粒子系統(tǒng)）。
對(duì)于虛擬模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，Virtools連接數(shù)據(jù)庫除了使用自帶的服務(wù)器形式連接外，也可以自定義BB（Building Block）來連接數(shù)據(jù)庫，這里選擇的是自定義連接MySQL數(shù)據(jù)庫。以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后臺(tái)更新與維護(hù)，這是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開放性和通用性的關(guān)鍵技術(shù)。
最后應(yīng)用Virtools開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實(shí)驗(yàn)成應(yīng)用在B/ S 或C/ S 模式的兩種格式文件。前者為vmo格式，嵌入到網(wǎng)頁中，適于網(wǎng)絡(luò)瀏覽器傳輸; 后者需要應(yīng)用VirtoolsMakeExe插件將其轉(zhuǎn)換成exe格式，并應(yīng)用軟件封裝工具制成客戶端可執(zhí)行程序，可安裝在用戶的計(jì)算機(jī)中,避免網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的影響, 以提升網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的流暢性。
四 總結(jié)
一個(gè)得到普遍接受的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，需要提供最簡便的控制方式，以及一些基本的物理體驗(yàn)。觸控設(shè)備擁有輸入和反饋所需的相關(guān)元素。
有網(wǎng)絡(luò)特征的桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)于硬件系統(tǒng)要求并不高，在個(gè)人微型電腦上都能很好的體驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)過程，系統(tǒng)逼真的虛擬場景制作和詳盡的過程解釋，為用戶呈現(xiàn)了一種視覺上的沖擊效果。自然真實(shí)的感官體驗(yàn), 能將那些抽象的結(jié)構(gòu)原理實(shí)現(xiàn)可視化，加深概念的理解，針對(duì)無法隨意重組的設(shè)備作仿真實(shí)訓(xùn),獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體驗(yàn),從而豐富感性認(rèn)識(shí)。根據(jù)混合式學(xué)習(xí)理論，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以成為與課堂教學(xué)相結(jié)合的有效在線學(xué)習(xí)中心，實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間上的延伸，充分體現(xiàn)教師和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與程度。
另外，從安全和環(huán)保角度考慮，虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)既不需要化學(xué)物品和危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)工具如炸藥，也不要提供實(shí)驗(yàn)樣本如動(dòng)物，更不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞。
制約虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸是虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的建模，如幾何建模、運(yùn)動(dòng)建模、物理建模等需具備一定專業(yè)技能的人員制作，對(duì)于精細(xì)的實(shí)驗(yàn)儀器和化學(xué)現(xiàn)象的建模離預(yù)期的效果還有相當(dāng)差距等。當(dāng)下也存在相關(guān)實(shí)驗(yàn)資源不足的問題，如實(shí)驗(yàn)元器件模型缺乏。但隨著一系列實(shí)用開發(fā)工具，如Virtools、EON等不斷推出，上述的問題得到了很好的解決，使得虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)入教學(xué)實(shí)踐成為現(xiàn)實(shí)。
從經(jīng)濟(jì)角度講，虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)給科學(xué)實(shí)驗(yàn)教育節(jié)省了開支。但對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來說，最大的挑戰(zhàn)是在實(shí)踐應(yīng)用中，在課堂和教學(xué)過程究竟會(huì)產(chǎn)生什么樣的效果，因?yàn)榻處煹囊蟆⒄n程目標(biāo)和學(xué)生的認(rèn)知水平等都是必須考慮的影響因素。這就要求老師和學(xué)生都需參與到設(shè)計(jì)滿足自己要求的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目里。
五 趨勢
如果將虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)加上“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”技術(shù)（Augmented Reality），通過真實(shí)環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)景象的結(jié)合，既能減少生成復(fù)雜實(shí)驗(yàn)環(huán)境的開銷，又便于對(duì)虛擬場景中的對(duì)象進(jìn)行操作通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，人們不僅能夠有視覺和觸覺的體驗(yàn)，還能夠有感覺的新體驗(yàn)，那么其應(yīng)用范圍也就更加廣闊了。
引入分布式，支持多用戶協(xié)作實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)建學(xué)習(xí)共同體，使用戶聯(lián)合在一起成為一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)社區(qū)，將把實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提升到一個(gè)新的境界。
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Designing and Implementing of Web 3D Virtual Lab System
SUN Jiang-shan YU Lan
(Department of education Information Technology, East China Normal University, Shanghai 200062,China)
Abstract: By analyzing classic cases at home and abroad, expounding the techniques and theory of virtual reality and making the classification and characteristics of virtual Lab, summarizing the advantages and strategy that were used to construct the framework of Web 3D virtual Lab system. In order to support the framework effectively, designing an example of “gas making in laboratory” with virtools software, summarizing key methods and key techniques in virtools modeling and virtools interaction. Finally, furthermore show off a summary and outlook.
關(guān)鍵詞：分布對(duì)象；虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)；設(shè)計(jì)；信息資源
中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）16-3698-03
計(jì)算機(jī)病毒、黑客和垃圾信息等造成的安全隱患問題多出于存儲(chǔ)設(shè)備故障分布式虛擬網(wǎng)絡(luò)的管理平臺(tái)，對(duì)于高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的分布式網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)提出了一種新的安全機(jī)制，要求企業(yè)采取安全措施以確保在信息資源整合過程中信息資源的安全。
1 基于分布對(duì)象的虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)概述
隨著語義Web的發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)提供者和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)商將現(xiàn)有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成鏈接的數(shù)據(jù)，使得LOD圖像得到快速的發(fā)展。2011年9月展示LOD數(shù)據(jù)云發(fā)表，它由295組數(shù)據(jù)構(gòu)成，其中包括約310億和5.04億的RDF鏈接語句。它顯示了LOD數(shù)據(jù)鏈路之間的聯(lián)系及各種項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集。其中，某些數(shù)據(jù)集間連接作為一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的樞紐，如DBpedia數(shù)據(jù)集等。此外，還包含了很多著名的數(shù)據(jù)集，如維基百科，GeoNames，英國BBC廣播公司，F(xiàn)OAF，SKOS，WordNet，DBLP書目等，涉及政府、企業(yè)、學(xué)校和圖書館等其他領(lǐng)域。通過鏈接開放數(shù)據(jù)項(xiàng)目的詳細(xì)信息，用戶可以從其他相關(guān)數(shù)據(jù)的一組數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)了解到豐富數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，充分發(fā)現(xiàn)和享用外部資源。
3 基于分布對(duì)象的虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)
以產(chǎn)生一個(gè)商業(yè)模式為例了解其對(duì)企業(yè)的要求和用戶視圖定義視圖的概念的應(yīng)用。概念建模技術(shù)（例如使用案例分析、活動(dòng)圖、工藝設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)實(shí)體建模）有助于建設(shè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的描述，可以加強(qiáng)業(yè)務(wù)目標(biāo)和需求，但是不包含實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
邏輯視圖：邏輯視圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用模型是建立一個(gè)商業(yè)模式，它們決定了如何滿足業(yè)務(wù)的目標(biāo)和要求。模型的應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)也體現(xiàn)在邏輯視圖和建筑師的總體結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用。他們決定關(guān)系數(shù)據(jù)管理和處理步驟之間的相互作用，根據(jù)邏輯和時(shí)序模型組件的設(shè)計(jì)確定了模型保留的數(shù)據(jù)類型和狀態(tài)。
物理視圖：每個(gè)元素映射應(yīng)用模式的技術(shù)元素的實(shí)際要求。通過這種方法實(shí)現(xiàn)模型的應(yīng)用。程序員將詳細(xì)的業(yè)務(wù)邏輯編寫為代碼，在傳統(tǒng)開發(fā)過程中承擔(dān)了部分任務(wù)，但大多數(shù)的活動(dòng)應(yīng)在一個(gè)復(fù)雜的框架內(nèi)來完成?？蚣苁且环N新的開發(fā)技術(shù)，分布式應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)設(shè)施包括幀應(yīng)用邏輯框架的風(fēng)格和控件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)?？蚣芡瓿墒归_發(fā)人員避免了繁瑣的工作（例如，錯(cuò)綜復(fù)雜的異步消息處理），使普通開發(fā)人員能夠?qū)?xiàng)目作出更大的貢獻(xiàn)。
能否正確定義這些模型對(duì)于組織來說也是至關(guān)重要的。結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤總是會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)計(jì)問題或運(yùn)作問題（例如伸縮性和可靠性問題），嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致項(xiàng)目無法完成以及影響業(yè)務(wù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師正在尋找框架和指南以幫助他們創(chuàng)建和實(shí)現(xiàn)這些模型，并把由于使用錯(cuò)誤模型而帶來的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。
4 基于分布對(duì)象的虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)
在用戶登錄上使用雙重身份驗(yàn)證登錄功能系統(tǒng)。用戶身份認(rèn)證除了使用用戶的用戶名和密碼，還需要使用令牌生成的同步碼。同步代碼生成與服務(wù)器同步一致。用戶登錄時(shí)需要在一定的時(shí)間內(nèi)輸入的代碼，所以即使用戶的密碼丟失也不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)被攻擊，提高了系統(tǒng)的安全性。
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備日志分析方面，主要研究通過SYSLOG服務(wù)，將接入層交換機(jī)的日志信息捕獲，以便于對(duì)接入交換機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。通過分析對(duì)接入層的三大攻擊行為進(jìn)行定位，為下一步操作做鋪墊。日志信息同步數(shù)據(jù)量極大，但對(duì)細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求不高，主要以大量數(shù)據(jù)宏觀分析得出結(jié)果。所以，日志信息同步功能的可靠性要比數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更加重要。它要能夠持續(xù)的接收分析大量數(shù)據(jù)。
接入網(wǎng)設(shè)備的控制功能和網(wǎng)絡(luò)接入層設(shè)備是一個(gè)窗互系統(tǒng)，其他業(yè)務(wù)則需要通過其主機(jī)來完成，因此控制接入層設(shè)備需要有較強(qiáng)的操作能力。這種能力是通過TELNET和SNMP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的。
本文著重研究了TELNET與SNMP的開發(fā)接口以及對(duì)設(shè)備控制功能的實(shí)現(xiàn)?？偠灾?，系統(tǒng)對(duì)日志分析功能得出的結(jié)果，最后進(jìn)行隔離操作是通過本功能直接完成的。日志記錄和存儲(chǔ)里，用戶的目標(biāo)操作系統(tǒng)作為記錄的目標(biāo)函數(shù)在實(shí)際使用過程中主要用于事后處理和分析日志數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，在數(shù)據(jù)庫中隔離的操作記錄和其它數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)是一個(gè)大的數(shù)據(jù)庫，沒有單獨(dú)使用復(fù)雜的數(shù)據(jù)持久層組件，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫連接池功能，重量輕且操作簡單。
日志分析功能包含了SYSLOG套接字的創(chuàng)建，數(shù)據(jù)讀取分析兩大主要功能。其中SYSLOG套接字的創(chuàng)建主要目的是為了接收交換機(jī)發(fā)至UDP514端口的日志信息。數(shù)據(jù)分析的主要目的有兩個(gè)，一是判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行是否正常，二是如果不正常，需要確定攻擊源的信息[15]。SYSLOG套接字用于將接入交換機(jī)發(fā)來的日志信息進(jìn)行讀取，然后交與日志處理邏輯對(duì)日志進(jìn)行分割。日志處理邏輯使用正則表達(dá)式對(duì)日志分割完成后，數(shù)據(jù)分兩部分流向，日志信息本身交由數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)邏輯處理，另一向交由攻擊主機(jī)判定邏輯分析攻擊主機(jī)信息。對(duì)于設(shè)備控制模塊交互邏輯，當(dāng)自動(dòng)隔離攻擊主機(jī)
5 結(jié)論
基于分布對(duì)象的虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提供系統(tǒng)級(jí)端到端的解決方案，這將是智能化的網(wǎng)絡(luò)管理和工作負(fù)載分布到多個(gè)站點(diǎn)，分布式網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)的管理員可以促進(jìn)用戶更高效地利用系統(tǒng)中的資源，網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了可擴(kuò)展性的變化。為了減少復(fù)雜性和中心網(wǎng)站計(jì)算的負(fù)負(fù)，可以提供一種獨(dú)立方法靠近故障點(diǎn)，快速地排除故障。
基于分布對(duì)象的虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)通過在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上向多個(gè)控制臺(tái)將數(shù)據(jù)采集，監(jiān)視以及管理職責(zé)分散開來而實(shí)現(xiàn)綜合分析。
參考文獻(xiàn)：
[1] 熊鈺嵐，劉希民.虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2010，12（25）：107-108.
