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序論：在您撰寫虛擬網絡的實現時，參考他人的優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您的創作熱情，引導您走向新的創作高度。
關鍵詞 虛擬實驗；實驗教學；DNA抽提實驗
中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B 文章編號：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
虛擬實驗是依托虛擬現實技術而產生和發展的一種實驗模式，是利用計算機及仿真軟件來模擬實驗的環境及過程，讓學生通過計算機操作來做實驗，以代替或加強傳統進行的真實環境下的實驗[1]。隨著高等教育網絡技術的迅猛發展和廣泛應用，采用網絡虛擬技術創建虛擬實驗室具有重要意義：1）不需要昂貴的設備和試劑，節約大量的實驗經費；2）無需實驗室，這對于一些實驗室的建設、日常管理規范、實驗項目的開設等方面經驗很少，可用實驗教學資源非常有限的學校來說，很有意義[2-3]；3）可以避免實驗中產生的廢水廢液等污染環境。
電子科技大學中山學院在教學質量工程建設中，建立了網絡數字化教學平臺，為開發虛擬實驗提供了良好的數字技術平臺。下面筆者以創建“植物DNA抽提虛擬實驗”設計與開發為例，說明學校開發虛擬實驗的基本過程和設計原則。
1 實驗流程的編寫和實驗流程的編程
如何將“植物DNA抽提實驗”的復雜實驗步驟編寫成適合編程的實驗流程，并針對實驗流程編寫程序，開發虛擬實驗，這是首要解決的問題。實驗流程的編寫是學校生物系基因工程專任教師完成的，他們按照植物DNA抽提的實驗目的，對植物DNA抽提實驗步驟進行細分，刪繁就簡，而關鍵步驟和重要現象必須在步驟中凸顯出來。這樣整個DNA抽提的實驗步驟被改編成重點突出、適合編程的實驗流程，交給計算機系的學生進行編程實現。計算機系學生嚴格按照實驗流程，通過編程完成專任教師編寫的實驗流程。
2 虛擬實驗的設計原則[4]
1）虛擬實驗逐步運行，無法跳躍到下一步。為確保學生逐步運行實驗而不是跳過一些步驟，這一原則非常重要。
2）虛擬實驗運行程序傳送速度快，畫面流暢。虛擬實驗軟件應該占用內存小，接收迅速。這樣保證實驗運行時畫面流暢。
3）虛擬實驗每步主要內容屏幕顯示，提示性操作。虛擬實驗可激發學生的學習興趣，鞏固學習效果[5]。通過屏幕提示操作，很容易完成實驗。
4）編程中簡單實驗步驟合并處理與實驗重要現象凸顯的處理。對編好的實驗流程進行編程處理時，將那些簡單的、學生都熟悉的實驗步驟合并一起，只需鼠標在目標物點擊一次，這些細小動作即可連續完成，而對于實驗過程中出現的重要實驗現象，則使用不同顏色和文字進行凸顯。
如要將搖勻的、表面充滿黃色泡沫的DNA抽提液，加入離心機中進一步離心，只需用鼠標對箭頭所指的離心管點擊一下，離心管會自動進入離心機內，而實際操作步驟如開啟電源、打開離心機蓋、蓋好離心機蓋等這些學生熟悉的步驟合并后會連續自動完成，而無需點擊一次鼠標運行一個步驟。而對于離心前后，離心管抽提液分層前后顏色差異，不僅使用不同顏色強調這種差異，而且也使用文字標注進行凸顯，如圖1所示。
3 虛擬實驗的技術選取和結構組成
3.1 技術選取
關鍵詞：VMware；虛擬機；網絡實驗；虛擬網絡
中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：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
隨著學校的辦學規模的不斷擴大，網絡技術的快速發展，目前許多高校的計算機網絡實驗環境已經不能滿足學生的網絡實驗的需求，許多網絡實驗比如簡單的局域網組網實驗，至少要求學校為每組學生配備兩臺PC，一臺交換機，這對于學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，一邊用陳舊的可數的網絡設備來給學生演示實驗，學生只能被動的接受一些抽象的名詞：活動目錄、域等，上課效果可想而知，學生的動手能力也得不到鍛煉，再加上多數高校的實驗室都安裝了還原卡，雖然方便了實驗室管理人員，但也給學生做實驗帶來了很大的限制，比如格式化硬盤、安裝Windows 2000 server OS這些組網實驗的基本要求都不能讓學生進行操練。這些問題也存在于我們學校，為了能夠解決學生網絡實驗的可操作性和實驗室安全管理的穩定性之間的矛盾，本文介紹一個即經濟又有效可行的方法，是給實驗室的每臺學生機裝上虛擬機軟件，通過虛擬機軟件搭建出虛擬網絡實驗環境。
在網絡方向的課程中，要涉及到的網絡相關實驗如下圖：
我們將通過虛擬機軟件在單機上搭建網絡平臺實現上述所有的實驗，即降低了實驗成本，又幫助學生獲得現實網絡環境在中多點之間關系的直接概念和網絡現象，完成各種網絡操作和管理的學習任務。
術語：
主機：就是安裝虛擬機和模擬器軟件的真實存在的物理機；虛擬機：就是通過虛擬機軟件創建的虛擬機器。
2 虛擬機軟件介紹
常見虛擬機軟件有virtual pc和VMware，兩者各有千秋，但筆者更青睞于VMware，因為VMware擁有比virtual pc更強大的網絡功能，所以如果僅僅只是為了完成基礎類的計算機組裝實驗，用virtual pc就可以滿足了，如果要搭建更強大的網絡環境，還是選擇VMware軟件。本文主要以VMware為主。VMware 通過將主機（真實的pc）上的硬盤和內存的一部分拿來虛擬成一臺或多臺計算機，即虛擬機VM（virtual machine），它擁有獨立的CMOS、硬盤，可以像主機一樣運行分區、格式化、安裝系統和應用軟件；而虛擬機只是以一個文件的形式存儲于主機上，對虛擬機進行的任何操作對于主機來說，沒有任何影響。
采用Vmware創建虛擬機具有如下特點：
(1)VMware產生的虛擬機鏡象可以隨便克隆，而且可以應用在不同的物理機上。
(2)不需要重新分區或重新啟動，就能在同一臺PC機上同時使用至少兩種以上的OS。不同OS運行期間，可以隨時進行切換，就跟Windows窗口一樣。而且你某個虛擬機OS崩潰了，對主機操作系統一點影響都沒有。
(3)在虛擬機上安裝同一種操作系統的另一發行版，不需要重新對硬盤進行分區，比如，你可以在Red Hat Linux的一個目錄下，安裝Turbo Linux 或者其它的Linux版本，而不需要重新分區。
(4)虛擬機之間支持TCP/IP、Novell Netware以及Microsoft網絡虛擬網絡；各個虛擬機之間是相互獨立的，而且可以隨時改變各虛擬機的環境參數：內存大小、網卡個數、CUP個數等等
3 創建虛擬機及虛擬網絡原理
3.1 創建虛擬機
在主機上安裝VMware workstation軟件，然后創建虛擬機，一般有兩種方式：(1)利用向導進行創建; (2)利用已制作好的虛擬機文件進行克隆創建。因為在虛擬機上安裝OS，速度會比在真實的機器上慢，所以一般在實際教學中，老師事先按照向導創建虛擬機，創建出安裝不同的OS的虛擬機，然后備份虛擬機文件，學生可以通過鏡像文件快速克隆虛擬機，這樣就事半功倍。
3.1.1 虛擬網絡原理
VMware提供了一些虛擬設備和用這些設備聯網的方法，理解這些設備和聯網原理就可以組建不同的的網絡。
(1)虛擬網絡設備
虛擬網卡 ：創建好虛擬機后，虛擬機會默認安裝AMD PCNET family PCI Ethernet Adapter網卡，一般虛擬機可以安裝三塊網卡。每塊網卡有四種可選網絡方式：橋接、僅主機、網絡地址翻譯和自定義。
虛擬交換機：VMware提供了10個虛擬網絡設備：Vmnet0-9，這些設備可以充當交換機。
3.1.2 聯網方式
(1)ridged（橋接）方式
選擇這種方式后，虛擬機自動會加入到Vmnet0交換機中，只要將虛擬機設置為和主機同樣網段的IP地址，在真實的網絡中，虛擬機就和主機擁有同樣的地位。虛擬機可以訪問真實網絡中其他共享資源。但前提是主機要插有網線，否則無法選種該方式。
一旦選擇該模式，那么你的虛擬機將暴露在充滿病毒和危險的真實網絡中，所以建議選擇該模式時先給虛擬機裝好補丁以及殺毒軟件，并向管理員申請有效的IP地址，注意不要和其他主機IP地址沖突。
(2)HOST-ONLY（僅主機）方式
選擇該方式后，會自動于Vmnet1交換機進行連接，將產生隔離其他網絡的獨立網絡，只有主機和虛擬網絡內的虛擬機可以通信。在不需要上外網的情況，只是用于網絡實驗時，建議采用這種方式。
(3)NAT（網絡地址翻譯）方式
如果主機可以連接到外網，但是我們在外網上無法為虛擬機獲得一個IP地址，我們可以采用該種模式。
4 基于單機的虛擬網絡實驗平臺的實現步驟
(1)實驗室的軟、硬件的準備：安裝VMwareworkstation的基本配置為：CPU主頻不低于266MHZ、內存最小為128MB、硬盤不小于600MB的空間。但為了達到更好的實驗效果，建議內存加至1GB，這樣可以達到同時運行5個虛擬機。
(2)安裝VMware workstation軟件，創建多個安裝不同OS的虛擬機，為了加強顯示效果，建議，安裝好OS后，請安裝VMware－tools.exe。
(3)根據拓撲圖創建虛擬網絡，并規劃好IP地址，再進行虛擬網絡配置。
(4)學生進行網絡實驗：子網劃分、組建對等網、組建域網絡、TCP/IP協議測試、路由器配置、服務器共享上網、FTP、Web服務器建立等等。
5 基于單機的虛擬網絡實驗平臺的模板
為了便于學生的上機進行網絡操作，節省任課老師的時間，可以將常見的虛擬實驗環境平臺模板搭建好，并將相關參數說明一下，上傳到實驗室服務器中供學生下載做實驗。
如下圖所示：PCm（m=1、2、3…）表示實驗室任何一臺學生機；VPC-N（N=1、2、3…）表示在學生機上虛擬出來的客戶機；NIC表示學生機的物理網卡；VNIC表示虛擬機上虛擬出來的網卡。
(1)選取任意一臺學生機PCm，安裝VMware workstation軟件，并虛擬出5臺VPC，分別為VPC1~VPC5；
(2)分別為VPC1安裝操作系統WIN2000 SERVER，然后根據VPC1克隆出VPC2、VPC3和VPC4，給VPC5安裝WIN2000 Professional，其中，為VPC1和VPC4安裝兩塊虛擬網卡；
(3)在該拓撲中，其中，連接VMnet0的為橋接網絡1、連接VMnet2的為網絡2；連接VMnet3的為網絡3；學生機可以通過網關上外網，現在我們根據拓撲圖給VPC進行網絡IP地址劃分。
主機的IP地址為192.168.1.2，子網掩碼為255.255.255.0，網關為192.168.1.1；
VPC1有兩塊網卡，其中一塊與VMnet0相連，采用橋接網絡模式，那么給VPC1的VNIC1分配（192.168.1.0）段的一個有效的IP地址。
VPC1的VNIC2、VPC2、VPC3和VPC4中的VNIC1處于同一網絡VMnet3交換機的網絡2，給分配一個內部私有地址為（192.168.2.0）段的地址；
VPC5分配的內部私有地址為（192.168.3.0）段的地址，并通過啟用VPC4的路由功能與其他機器通信。
模型拓撲圖：
(4)進行網絡配置，因為VPC1暴露在危險的真實網絡中，所以必須給VPC設置防火墻，安裝殺毒軟件；將VPC2安裝成（）域控制器；在VPC3上架設WEB服務器和FTP服務器以及郵件服務器；最后啟用VPC4的路由功能，將VPC5的網關設置為VPC4的VNIC2的IP地址，訪問網絡2。
以上是一個簡單的虛擬網絡模板制作樣例，經過實踐，通過引入虛擬機，可完成除了網絡硬件安裝和傳輸媒體連接的其他幾乎所有的局域網實驗。這積大的提高了學生的學習積極性和自主性，而且學生任何破壞性的操作對與實驗室的機器來說并沒有影響，所以有效的緩解了兩者的矛盾。所以虛擬機技術值得各高校推廣使用。
6 結束語
實現單機虛擬網絡實驗環境的平臺，關鍵是掌握VMware中的網絡方式及原理，同時要具備一定的網絡知識?？傊撎摂M平臺，具有與真實網絡環境下的一切特征，與真實網絡相比，具有成本低、效果好、易使用、實用性強的特點。學生可以在該平臺中學習和掌握各種網絡知識，培養網絡技能。
參考文獻：
[1] 江平. 虛擬機及其在計算機教學中的應用. 四川工程職業技術學院學報,2006/05.
關鍵詞:在線虛擬網絡實驗平臺;網絡工程;實踐
中圖分類號:G642文獻標識碼:A
1引言
目前,各高等院校開設了網絡工程專業,該專業的課程(如計算機網絡,網絡規劃與設計等)均需要進行大量網絡設備配置實驗,但實驗室成本對于各院校來說是一項不小的負擔,建設一個40人左右規模的網絡實驗室,成本大約在80～100萬人民幣左右,這筆費用并不是每個院校都能承擔的。同時,上述的實驗室由于具體的實驗設備還是很少,無法滿足學生人手一套設備的需求,因此必須把學生分成4～5人小組進行實驗。
近年來,出現了模擬軟件來模擬各種實驗器材、設備、實驗過程以及實驗環境。為高校實驗教學減輕了一定的壓力,如實驗和實習費用不足,實驗設備陳舊老化,實驗場地擁擠,學生人均臺、套數少,實物實驗次數下降等等。其中典型的有Boson公司出品的NetSim軟件和由法國人Chris Fillot開發的Dynamips軟件。
Boson NetSim軟件采取的是模擬設備的命令行方式,和真實的設備存在很大的差距,而且很多實驗內容無法進行模擬。
Dynamips軟件通過加載Cisco的IOS軟件,可在一臺PC上模擬多臺Cisco交換機、路由器設備,其最大優勢在于可自行設計網絡拓撲,在PC上構建一個虛擬的網絡環境,但Dynamips是一個命令行程序,在配置實驗文件時需手工設置大量參數,不方便用戶的使用。而且很多學校的實驗室為管理維護的方便,給計算機都安裝了還原保護卡,給需要修改配置參數時帶來了很多不便。
針對以上問題,本文提出了建立在線虛擬網絡實驗平臺的思路。
2系統架構
在線虛擬網絡實驗平臺的軟件體系機構是三層架構(如圖1所示),即包括后臺模擬器運行服務器、應用服務器、客戶端三部分,采用了瀏覽器/服務器(B/S)的網絡計算模式。應用服務器可以在網中的任何位置,運行在任何操作系統上,在處理客戶端實驗網絡拓撲配置,完成客戶端與后臺模擬器運行服務器之間的通信轉接。后臺模擬器運行服務器采用Dynamips軟件模擬實際的設備,通過采用應用服務器生成拓撲所需要的參數,管理和維護需要模擬的設備?？蛻舳送瓿膳c用戶的交互,完成拓撲網絡的設計和虛擬設備的配置交互。
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設計方案
客戶端完成與用戶的交互。由于系統采用的是B/S這種方式,客戶端不需要安裝額外的軟件,只要能夠運行基本的瀏覽器軟件并配置相應的Java運行環境。
用戶在客戶端完成網絡實驗的拓撲結構,并在此基礎上進行實驗,這就帶來了兩個問題:
(1) 如何進行配置;
(2) 如何和后臺模擬器運行環境通信。
針對問題1,通過編寫Java Applet程序(該Applet后簡稱Applet A)來完成圖形化網絡拓撲配置,此外,采用Java Applet的好處還體現在便于和應用服務器實現通信。
針對問題2,通過編寫另一個Java Applet(該Applet后簡稱Applet B)來完成與后臺虛擬設備的交互配置。
為了便于用戶進行相應虛擬設備數據的配置,即通過點擊Applet A網絡拓撲上的相應設備,能夠在Applet B中進行配置窗口的相應切換,完成與不同虛擬設備之間的交互。Applet A與Applet B的配合通過兩個Applet之間的通信來完成。
3.3具體實現
用戶在IE瀏覽器地址欄中輸入實驗環境的URL地址。用戶登錄后選擇進入具體的實驗項目。典型的實驗配置為參見圖2:
當用戶提交用戶配置數據時,由Applet生成網絡的拓撲數據,并提交給應用服務器。應用服務器將用戶轉至Applet B所在的配置界面,同時給出所有虛擬設備的URL地址。
例如:telnet://192.168.1.3:2001
用戶在配置界面可以完成對制定虛擬設備的配置(如圖3),或者通過點擊URL地址鏈接,調用客戶端默認的telnet工具訪問虛擬設備。
4應用服務器
4.1軟件需求
對于應用服務器的要求:
(1) 安裝有J2SDK5.0以上版本;
(2) 安裝有Apache Tomcat 6.0。
應用服務器采用JSP、Java Servlet技術,應用服務器系統根據功能分為用戶管理模塊,實驗環境配置模塊和仿真模塊,后臺環境管理模塊3個子系統(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,信息修改,注銷功能(參見圖5)。
4.3實驗環境配置模塊
實驗環境配置模塊要完成以下3個功能:
功能1:提供客戶端需要的Web頁面和Java Applet程序。
功能2:對用戶提交的網絡配置數據處理,生成后臺模擬器運行所需的配置文件,并將生成的配置文件提交給后臺模擬器運行環境。
功能3:完成通信的轉接,即實現客戶端Applet與后臺虛擬設備的通信。
上述三個功能分別由客戶端交互模塊,實驗數據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
對于功能1的實現是比較簡單的,編寫JSP代碼實現用戶頁面,編寫Java代碼實現Applet,需要注意兩個Applet之間的通信。
(2) 實驗數據配置生成模塊
對于功能2的實現,通過Servlet實現。對于每個用戶發起的配置請求(Applet A發起),啟動一個新的線程完成對用戶配置數據的處理,實驗數據配置生成模塊生成后臺模擬器運行環境的運行參數并將其提交給后臺模擬器運行服務器,由后臺模擬器運行服務器環境負責虛擬實驗環境的建立。由于存在多個用戶同時進行實驗,這里需要采用多線程處理。
(3) 通信模塊
對于功能3的實現,也通過Servlet實現,當功能2的Servlet完成工作后,創建一個新的線程完成Applet B與后臺虛擬設備之間通信轉接。
通信模塊負責與客戶端的通信,這里由一個線程池來完成,線程負責將Applet B發來的命令轉發到后臺虛擬設備上,同時將后臺虛擬設備的輸出轉發至Applet B。
4.4后臺環境管理模塊
實驗管理模塊完成對正在進行實驗的管理,清理不必要的數據。
4.5具體實現
客戶交互模塊根據用戶提交的配置數據,啟動一個新的線程完成對用戶配置數據的處理,實驗數據配置生成模塊生成后臺模擬器運行環境的運行參數并通過通信模塊將其提交給后臺模擬器運行服務器,由后臺模擬器運行服務器環境負責虛擬實驗環境的建立。由于存在多個用戶同時進行實驗,這里需要采用多線程處理。
生成后臺模擬器運行環境的運行參數舉例如下:
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
在后臺模擬器運行服務器啟動虛擬實驗環境后,由通信模塊完成客戶端Applet B與后臺虛擬設備之間通信轉接。
5后臺模擬器運行服務器
5.1軟件及硬件需求
對于后臺模擬器運行服務器的硬件要求CPU速度1.6GHz以上,內存容量2G以上。
系統環境及軟件要求:
(1) WindowsXP或Windows 2000 Server操作系統。
(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設計方案
后臺模擬器運行服務器負責接收應用服務器發來的指令和配置文件,根據指令和配置文件運行虛擬設備,停止虛擬設備,及相應的管理功能。后臺模擬器運行環境的基礎是Dynamips軟件。
5.3具體實現
后臺模擬器運行服務器采用Java編寫,使用Socket編程與應用服務器通信模塊進行通信。
當收到應用服務器發來的指令和配置文件后,啟動一個新的線程,使用Runtime的exec()方法執行收到的命令,實現運行虛擬設備,停止虛擬設備,及相應的管理功能。
當收到由通信模塊客戶端Applet B對虛擬設備的配置命令后,將其發送給具體的虛擬設備,并捕獲輸出,由通信模塊轉發給Applet B,完成具體的配置工作。
6總結
通過對本平臺的試用,學生對在線虛擬網絡實驗平臺反映良好,大大提高了學生的動手能力。
在線虛擬網絡實驗平臺與傳統的網絡實驗室相比,主要擁有如下優勢:
(1) 充分發揮模擬軟件的優勢,將理論與實踐相結合,以往如OSPF路由配置等需要大量的PC機或網絡設備的實驗,如今只要在一臺PC客戶機上就可實現,加深學生對于理論知識的理解。
(2) 在實驗過程中無需擔心學生誤操作或是惡意操作,如修改網絡設備密碼或刪除Flash文件等。由于所有的網絡配置實驗均在遠端服務器上由軟件完成,即使在操作過程中出現了無法恢復的錯誤時,也無需擔心,只要將軟件復位,即可重新開始實驗。
(3) 減輕實驗室維護教師的維護負擔,每次實驗完畢后,無需對網絡設備進行一一復原。
(4) 大量節約成本,使學生能在虛擬環境中配置價格昂貴的網絡設備,有效提高學生的實踐技能。
(5) 提高學生的創新能力,使實驗不受設備等硬件因素的制約,充分調動學生學習的主動性。
(6) 便于組織開放性實驗。學生可以利用網絡訪問在線虛擬網絡實驗平臺,可以在任何時間、任何地點完成實驗。
參考文獻:
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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)
關鍵詞：虛擬實驗室； 虛擬儀器； LabVIEW； B/S
中圖分類號：TN919-34； TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：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
基金項目：江蘇省高校自然科學研究指導性計劃項目：基于虛擬儀器的機械量測試與分析系統設計;江蘇省教育廳基金資助項目（05KJD460014）
0 引 言
為更好地培養創新型人才，國內高校都加強了實踐環節的教學。通過對理工科院校實踐教學情況的調研，發現普遍存在以下幾個主要問題：首先，學生要得到良好的實踐訓練，就需要購置很多昂貴的教學儀器，但各高校普遍存在資金投入不足的問題；其次，實驗中各種元器件的損耗非常大，造成很大的浪費，這也間接對教師和學生造成一定的心里壓力，實驗中縮手縮腳，擔心損壞儀器，使得實踐教學質量得不到保證；最后，遠程教育的發展使教學不再被限制于學校的課堂內，教學過程中必然要遇到如何對遠程用戶進行實驗教學的問題。
隨著網絡技術和虛擬儀器技術［1-2］的迅速發展，充分利用“軟件就是儀器的”思想，將兩者結合，通過數據交換共享建成的虛擬實驗室為以上問題的解決提供了很好的方案。
1 網絡虛擬實驗室的體系結構
網絡虛擬實驗室一般采用C/S模式和B/S模式2種體系結構。B/S模式在標準、開發維護、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模式具有更好的優越性［3］，故該系統采用B/S模式構建。結構如圖1所示。
采用基于B/S模式的客戶端、Web服務器、數據庫服務器和應用程序服務器的三層次結構，具有良好的適應性及擴展性。在遠程實驗操作中使用虛擬儀器應用程序，只需配備支持ActiveX的瀏覽器就可通過Internet登陸虛擬實驗室網站，向Web服務器提出實驗請求，并進行相關實驗操作。登陸網站以后，瀏覽器會根據實驗需要，從Web服務器中自動載入包含了虛擬儀器模塊的實驗網頁，這樣用戶不需要安裝任何專業軟件就可以進行實驗，從而使客戶端的需求降到最低。
Web服務器的主要任務是將虛擬實驗室以網站的形式在網絡中，同時還為遠程實驗的安全運行提供有效的管理與用戶認證機制。遠程用戶可以用Web瀏覽器訪問此服務器，通過瀏覽器與Web服務器進行交互，按照步驟完成遠程實驗操作。數據庫服務器用于存儲系統相關數據信息，包括實驗信息、實驗管理信息以及系統管理信息等。應用程序服務器在虛擬實驗室中負責各個虛擬實驗模塊的管理和調度。采用虛擬儀器語言設計的實驗模塊被集成在應用程序服務器中，接收來自Web服務器的請求并做出響應，完成信號的生成、數據分析以及結果顯示。
2 網絡虛擬實驗室的設計
2.1 開發與使用環境
網絡虛擬實驗室采用DreamWeaver軟件［4］開發，各虛擬實驗采用美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW設計，并生成為應用程序?？蛻舳酥灰蠭nternet Explorer 5.0以上的瀏覽器并下載安裝NI公司免費的LabVIEW Run-time Engine小程序即可順利完成各類虛擬實驗［5］。
2.2 遠程虛擬實驗室功能
以測控技術與儀器專業核心課程實驗為例，介紹網絡虛擬測控實驗室的功能及典型程序設計。
遠程虛擬測控實驗室導航頁包括“實驗室簡介”、“實驗室公告”、“使用說明”以及“進入實驗室”4部分。點擊“進入實驗室”，打開實驗界面。如圖2所示。
圖2 遠程虛擬測控實驗室的模塊圖該部分包括信號分析與處理實驗、測控系統特性分析實驗、傳感器與檢測技術實驗、形位誤差測量實驗等4個模塊共24個虛擬實驗應用程序。每個虛擬實驗，包含“實驗原理”、“功能描述”、“實驗示例”和“在線實驗”四個模塊，層層遞進，有利于啟發學生的思維。
2.3 基于LabVIEW的虛擬實驗設計
下面以“信號分析與處理”模塊中的相位差測量實驗為例詳細介紹虛擬實驗的設計方法。
2.3.1 設計原理
本設計采用相關法實現兩同頻正弦信號的相位差測量，即利用兩信號的延時τ=0時的互相關函數值與其相位差的余弦值成正比的原理獲得相位差［6-7］。
假設有兩個含有噪聲的同頻信號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。
周期信號互相關函數的表達式為：Rxy(τ)=(1/T)∫T0x(t)y(t+τ)dt
（2）式中T為信號周期。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τ=0時，Rxy(0)=(1/T)∫T0［Asin(ω0t+φ0)+Nx(t)］•
［Bsin(ω0(t)+φ1)+Ny(t)］dt
（4） 理想情況下，噪聲與信號之間、噪聲與噪聲之間互不相關，積分后可得：Rxy(0)=AB2cos(φ1－φ0)
（5） 故兩信號的相位差：φ1－φ0=arccos［2Rxy(0)/AB］
（6）2.3.2 程序設計
程序設計時，使用LabVIEW程序中信號處理模塊自帶的互相關函數對兩信號進行計算，然后調用Array子模板上的Index Array函數，獲取τ=0時的互相關函數值。為得到相位差，執行Functions>>Numeric>>Trigonometric>>Inverse Cosine操作，調入反余弦函數，并由運算將相位差由弧度轉化為角度表示。程序代碼如圖3所示。
2.3.3 虛擬實驗的遠程
系統采用LabVIEW自帶的網絡服務器實現虛擬實驗的遠程［8］。LabVIEW網絡服務器是LabVIEW的Remote Panels一部分，VI時首先打開虛擬相位差測量的VI，啟動Web服務器。選擇菜單中Tools>>Web PublishingTool，彈出的窗口是交互地創建和遠程面板的主要窗口，如圖4所示。點擊Save to Disk，將會在Web服務器的根目錄下生成HTML文檔。隨后彈出一個對話框，其中包含生成的HTML文檔的URL網址，如圖5所示。
圖5 HTML文擋的URL用戶遠程面板（Remote Panel）大大簡化了遠程應用程序的生成，不需任何關于Java，CGI或其他第三方軟件工具編程，只需將生成的URL網址鏈接到相應的“在線實驗”模塊，就可以將本地實驗室的功能帶到瀏覽器環境中?？蛻舳酥恍枰惭bLabVIEW運行引擎，不需要安裝LabVIEW，即可通過Web瀏覽器進行遠程監視和控制［9-10］。用戶在線遠程運行相位差測量實驗的界面如圖6所示。設置信號1幅值2 V，初始相位為30°；設置信號2幅值4 V，初始相位為90°；設置兩個信號的頻率均為2 Hz，采樣頻率為20 Hz，采樣點數為50點。程序計算得到的相位差為60°。
3 結 語
基于LabVIEW的虛擬實驗把傳統儀器的測試功能用形象逼真的面板控件形成軟件模塊，能夠在計算機的協調下象實物儀器一樣完成測試、處理、分析、顯示等任務，得到了在實驗室里相同的實驗過程和測試結果。同時基于B/S結構的網絡體系，實現了遠程控制、資源共享和數據共享，將實驗教學搬進了課堂，搬上了網絡，實現了理論與實踐的完美融合，減少了設備資金的投入，改善了實驗條件，促進了實驗教學方法、手段的完善，徹底打破了傳統實驗模式，有助于學生創新能力的培養。
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【關鍵詞】虛擬實驗 網絡 實現研究 設計
【中圖分類號】TP311 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674－4810（2011）24－0041－01
一 網絡虛擬實驗系統及其主要功能的特點
網絡虛擬實驗系統以計算機系統為核心虛構出三維可視的實驗場景，仿真復雜多變的實驗現象，支持實驗數據的采集和實驗結果的模擬、分析。學習者通過網頁訪問的方式觀察逼真的模擬實驗環境，并通過普通的圖形界面交互技術改變實驗條件和參數，將各種虛擬儀器按實驗要求、過程進行操作或組裝，并從中獲得良好的個人體驗或發現。它一般包括相應的實驗環境，有關的實驗儀器設備，實驗對象以及實驗信息資源等。
網絡虛擬實驗系統屬于桌面式虛擬現實系統，在一定程度上具有虛擬現實技術的沉浸性、交互性和想象性特點，可以提供一些在現實中無法體驗的情境，能避免真實實驗或操作所帶來的各種危險。徹底打破空間、時間的限制，學習者隨時進入虛擬實驗室操作儀器，進行各種實驗，共享儀器設備，共享數據，甚至和異地的學習者合作進行實驗等。特別適合在實驗設備、實驗場地、教學經費缺乏等低成本的限制條件下應用，較適合于網絡教育和移動學習。
二 網絡虛擬實驗系統的基本體系組成
1．表現層
展現實驗場景，用戶主要包括學習者、教師和管理員。通過注冊登錄，下載支持IE的3D瀏覽器插件后，即可進入三維虛擬實驗環境中進行實驗。用戶通過簡單和友好的界面，可實現與虛擬實驗的3D對象、虛擬角色的交互，或虛擬角色相互之間的交互。
2．業務邏輯層
服務器的主要作用是開放式交互實驗環境以及動態網頁的生成；網頁Web應用服務器數據庫的主要作用則是提供Web接入服務、用戶認證管理、賬號管理、動態網頁的生成。作為整個虛擬實驗系統的核心模塊，虛擬實驗應用服務器主要作用是控制和管理實驗儀器、采集和處理實驗數據；交互控制影響學習者的實驗請求并做出相應的反應，處理多用戶協同通信時出現的問題。
3．數據訪問層
主要是對原始數據（數據庫或者文本文件等存放數據的形式）的操作。數據庫主要包含用戶信息庫、3D對象服務器、知識庫、教學資源庫。用戶信息庫包含用戶（學習者、教師）的初始數據，如用戶個人信息、登錄信息、首次測試水平、實驗儀器設備信息和學習記錄等，存儲在數據庫服務器中。3D對象服務器包括3D場景模型、3D虛擬角色模型和3D實驗儀器設備模型等。文件服務器包含Word、PPT等教學文本文檔以及預設的HTML模板。
三 網絡虛擬實驗系統的關鍵設計
一是許多網絡虛擬實驗系統功能更關注在實驗現象和行為的模擬演示，系統的交互性和監控性有限。功能設計中需要增強對實驗數據的統計分析和實驗過程監控等功能，從而增強教學的評價功能。二是網絡虛擬實驗系統更多地集中于通過網絡共享實驗資源，共享數據。支持多用戶協作式，分布式共享同一實驗空間的系統并不多。分布式系統功能設計能進一步增強系統的實用性，同時帶來更大的設計和實現的復雜度。
四 網絡虛擬實驗系統的實現技術
1．環境建模技術
虛擬實驗環境和實驗儀器的建立是虛擬實驗系統的重要內容。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。數字三維掃描技術快速、精確地生成實體模型，與軟件建模方式相結合能夠縮短工作時間，提高效率。
2．實時三維圖形生成技術
三維圖形的生成技術已較為成熟，其關鍵是如何實現“實時”生成與顯示。對于具有一定復雜度的模型，如何達到實時顯示和便于網絡傳輸的目的，又要保證圖形的幀率和質量，需要進一步研究。
3．立體顯示和傳感器技術
虛擬現實的沉浸感和交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發展?，F有的桌面虛擬現實系統大多使用鼠標加鍵盤的WIMP圖形界面，在人機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交互設備大規模地進入應用領域，其更加自然的交互方式突破原有鼠標加鍵盤的WIMP桌面系統，桌面虛擬現實系統的二維交互方式帶來的約束，手寫板技術和觸屏技術的發展與應用虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開發新的三維顯示技術。
4．應用系統開發工具
虛擬現實應用的設計關鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發揮想象力和創造力。應用系統開發工具需要強大的平臺支撐，為不同的開發者和設計者提供良好的支持，提供功能豐富且方便的工具包SDK來支持便捷的二次開發，以大幅度地提高生產效率、減輕勞動強度、提高產品開發質量、降低開發成本。目前國際上比較著名的VR技術的開發工具和平臺有 VRML、Cult3D、EON、Quest3D、Virtools等，不同的平臺各有其特點，通常實際使用開發平臺所提供的一些實用功能模塊，需要的附加付費也是需要考慮的重要問題。
【關鍵詞】網絡三維；虛擬實驗；虛擬現實實驗
【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009―8097（2011）07―0114―07
一 前言
隨著教育信息化的推進，遠程教育應用實踐不斷更新變革，不斷涌現出的新興技術得以推廣應用，取得了切實的教學與學習效果。虛擬現實技術支持下的虛擬實驗系統就是近年來其中一個重要的新興技術應用實踐。相關研究證實虛擬現實技術利于提高學生的學習興趣，強化理解能力和開拓創造性學習[1]。虛擬現實源自于信息科學技術，在信息化實踐中自然有其特有的優勢，第一是其獨特的視角，顯示的是實時的三維影像，包含了更多的連續的、直觀的信息，能夠以不同的視圖操作和觀察，產生逼真的臨場感；第二是支持交互式任務，自然直觀的操作強化了用戶的參與體驗；第三是虛擬化的場景和對象蘊含了更加豐富的抽象信息，實現理論學習到實踐操作的轉化。計算機3D圖形學、人工智能、人機接口等相關技術的發展，也為虛擬現實的實踐應用打下了堅實的基礎。
建構主義理論認為，學習者是在一定學習情境中，借助與他人之間的協作、交流、利用必要的信息等，構建有意義的學習。并且根據學習者學習類型的差異，通過自我反省或者與他人之間的商榷、討論和辯論，以認識和強化個人及團隊的心智模式。建構主義理論支持下的基于虛擬現實的學習環境就是一個動態的虛擬仿真學習環境，可以延伸學習者觀察事物的視角，引導他們探索科學世界的思考和行為的方式，發展學生不完整的前概念和經歷完整的科學探究過程，并且能為學習者提供在現實世界中無法實現的體驗，如原子微觀世界[1]、無法隨意重復的實訓（V-Frog [2]）等。
根據相關文獻研究，目前為止虛擬現實教育應用主要涉及的是科學、技術和數學教育，用于概念改變、抽象思維的發展和促進認知發展[3] [4]?？紤]到經濟因素，有網絡特征的桌面式虛擬現實系統, 是目前虛擬現實科學教育實驗系統最為可行的方式。虛擬現實科學教育實驗系統的開發，首先要根據科學學科實驗教育的目的和學習者的認知水平，分析學習者的需求；然后根據具體學科實驗任務及步驟，結合實驗操作的特點，提出虛擬實驗系統執行這些操作所學的功能及其子模塊，構建虛擬實驗系統的基本構成框架；據此，可確定實驗系統的軟硬件配置，最后，選擇合適的三維建模工具（如3DMAX、MAYA）和虛擬現實編程工具（Virtools、EON）實現系統的制作和[5]。
二 網絡三維虛擬實驗系統的基本構成框架
一個實驗完整實施的工作流程分為實驗準備階段、實驗儀器組裝測試階段、實驗操作階段、數據處理階段和實驗總結評價階段。與傳統實驗系統相比較，有網絡特征的虛擬現實系統的設計應該遵循開放性、易用性原則，能夠重復實驗以獲取正確數據，提示實驗操作正確性等。通過實驗工作流程的分析，結合虛擬現實技術3I特性，網絡三維虛擬實驗系統的基本構成框架如圖2所示：
1 輸入/輸出設備
人類的七大感覺系統包括視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺、前庭系統和本體覺。人類就是通過感知來獲取信息。在相關的科學教育應用研究中使用的既有專用設備，如ImmersaDesk和PHANToM[10][11]，也有PC支持的周邊設備，如三維鼠標、數據手套和頭盔跟蹤器、三維顯示器等。到目前為止，教育應用領域的交互設備主要是鼠標、鍵盤、操縱桿和攝像頭[3] [7]。
2 交互界面
實現實時的人機交互，按照實驗任務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習活動，強化用戶在動態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）進入3D場景，用戶可以將身體變大或者變小，實現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，實現3D對象選擇和3D對象方位變換。這樣用戶可以及時、沒有限制地觀察三維空間內的事物，有利于培養空間想象能力。另外，用戶化身通過自然的交互操作還可以強化抽象知識學習和實踐運用。
（2） 系統控制：懸浮式下拉菜單/屬性面板，用于改變實驗環境參數，動態呈現虛擬對象的信息。
（3） 模型庫操作：連接模型數據庫，在實驗過程中提供3D對象模型的呈現，提供虛擬模型的描述信息，輔助實施虛擬實驗裝置組裝，生成合適的實驗場景。
（4） 數據向導：處理實驗過程中涉及的各種數據；記錄學習者的操作過程，并根據實驗操作指南，自動為學習者評分。連接實驗數據數據庫，實現外部文檔導入，或者實驗數據的導出，記錄虛擬學習對象的相關數據集。
（5） 智能向導：為用戶化身提示操作步驟，檢驗操作的正確性。如果出現操作失誤，會禁止下一步驟的執行，并給出錯誤提示信息[9]。智能向導也可以有化身，通過會話的方式與用戶交流。
3 虛擬模型數據庫
一類是虛擬儀器元件、虛擬對象（如原子、藥品等）作為虛擬學習對象，包括可視化的3D模型及對象的描述信息。學習對象的知識結構是科學教育中知識學習的基本內容。另一類是場景模型，包含不同實驗要求所需的虛擬場景。學習者可以依據具體的實驗要求，調用適用的虛擬儀器和虛擬對象進行組裝。
4 虛擬實驗演示系統
可視化的流程有助于更好的理解科學概念[14]。如數學和物理教學中的內容大多是抽象的公式,用傳統的說教式教學方法很難解釋清楚，虛擬的實驗流程演示使得學習者一看就能觀察出動態逼近的科學本質。如此以來，抽象的內容變得更為形象、更為直觀。
另外，具有網絡特征的虛擬實驗系統，應包含有實驗共享功能，如實驗結果和感想的交流，幫助，提示實驗常見故障和問題的解決辦法等等。如組建實驗在線學習共同體，就是推進虛擬實驗系統平臺應用的有效措施[10]。系統可采用三層結構體系，即客戶端、網絡服務器和數據服務器，一般硬件設備要求不高的情況下，優先考慮B/S應用模式，即借助瀏覽器配置相應插件支持客戶端的運行。
三 《實驗室制取氣體》化學虛擬實驗開發實例
化學是一門以實驗教學為基礎的學科，通過實驗可以更加形象地描述化學現象，深化學生對知識的理解和掌握。虛擬化學實驗創設了仿真的實驗環境，提供了豐富生動的實驗儀器，實現形象化教學，為學習者創建互動的、可重復使用的實驗場景，不僅有利于培養學生的設計能力、創新思維能力，而且解決了實驗資源浪費、實驗時間和實驗地點限制等化學實驗教學中問題，提高實驗教學質量。
實例利用三維建模軟件3ds Max和虛擬現實系統開發工具Virtools開發一個實驗室制取氣體專題的桌面式虛擬化學實驗系統，如圖4所示，主要實現功能模塊有：系統操作說明介紹、化學實驗儀器自動組裝演示、實驗儀器組裝、化學實驗藥品添加化學實驗現象觀察。
本虛擬實驗系統旨在使學習者了解儀器的組裝、拆分順序，藥品添加方法，了解實驗反應過程，分析實驗現象等。在實驗過程中通過本系統提高實驗者的學習興趣，使其掌握實驗儀器的組裝和拆分順序；通過對實驗現象的觀察、對比和分析，鞏固所學化學知識，理解相關化學原理；培養學生分析問題和解決問題能力。
為了便于儀器的準確組裝和實驗現象的多角度觀察，通過鏡頭（Camera）進行了交互設置，使用鍵盤按鍵來切換攝像機視角并利用鼠標右鍵對其進行旋轉。如圖5所示為相應的BB及參數設置。實驗系統的實驗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，按照實驗要求，完成系統組裝。
Virtools中提供的粒子系統(Particle System)，為虛擬化學實驗中產生的各種現象提供了豐富的設計內容，使虛擬實驗更加形象和逼真。酒精燈火焰特效主要使用Point Particle System（點粒子系統），對于氣泡特效設計使用Spherical Particle System（球形粒子系統），液體傾倒采用Curve Particle System（曲線粒子系統）。
對于虛擬模型和實驗數據的導入，Virtools連接數據庫除了使用自帶的服務器形式連接外，也可以自定義BB（Building Block）來連接數據庫，這里選擇的是自定義連接MySQL數據庫。以實現網絡三維虛擬實驗系統的數據后臺更新與維護，這是實現網絡虛擬實驗系統開放性和通用性的關鍵技術。
最后應用Virtools開發的網絡三維虛擬實驗成應用在B/ S 或C/ S 模式的兩種格式文件。前者為vmo格式，嵌入到網頁中，適于網絡瀏覽器傳輸; 后者需要應用VirtoolsMakeExe插件將其轉換成exe格式，并應用軟件封裝工具制成客戶端可執行程序，可安裝在用戶的計算機中,避免網絡傳輸帶寬的影響, 以提升網絡虛擬實驗的流暢性。
四 總結
一個得到普遍接受的虛擬現實實驗系統，需要提供最簡便的控制方式，以及一些基本的物理體驗。觸控設備擁有輸入和反饋所需的相關元素。
有網絡特征的桌面式虛擬現實系統對于硬件系統要求并不高，在個人微型電腦上都能很好的體驗到實驗過程，系統逼真的虛擬場景制作和詳盡的過程解釋，為用戶呈現了一種視覺上的沖擊效果。自然真實的感官體驗, 能將那些抽象的結構原理實現可視化，加深概念的理解，針對無法隨意重組的設備作仿真實訓,獲得與真實實驗一樣的體驗,從而豐富感性認識。根據混合式學習理論，虛擬實驗系統可以成為與課堂教學相結合的有效在線學習中心，實現空間和時間上的延伸，充分體現教師和學生的實驗參與程度。
另外，從安全和環保角度考慮，虛擬現實實驗系統既不需要化學物品和危險的實驗工具如炸藥，也不要提供實驗樣本如動物，更不會對生態環境造成破壞。
制約虛擬現實實驗系統發展的瓶頸是虛擬現實相關的建模，如幾何建模、運動建模、物理建模等需具備一定專業技能的人員制作，對于精細的實驗儀器和化學現象的建模離預期的效果還有相當差距等。當下也存在相關實驗資源不足的問題，如實驗元器件模型缺乏。但隨著一系列實用開發工具，如Virtools、EON等不斷推出，上述的問題得到了很好的解決，使得虛擬實驗系統從實驗室研究轉入教學實踐成為現實。
從經濟角度講，虛擬現實實驗系統給科學實驗教育節省了開支。但對于虛擬實驗系統來說，最大的挑戰是在實踐應用中，在課堂和教學過程究竟會產生什么樣的效果，因為教師的要求、課程目標和學生的認知水平等都是必須考慮的影響因素。這就要求老師和學生都需參與到設計滿足自己要求的虛擬實驗項目里。
五 趨勢
如果將虛擬現實實驗系統加上“增強現實”技術（Augmented Reality），通過真實環境和虛擬現實景象的結合，既能減少生成復雜實驗環境的開銷，又便于對虛擬場景中的對象進行操作通過增強現實技術，人們不僅能夠有視覺和觸覺的體驗，還能夠有感覺的新體驗，那么其應用范圍也就更加廣闊了。
引入分布式，支持多用戶協作實驗，創建學習共同體，使用戶聯合在一起成為一個虛擬實驗社區，將把實驗系統提升到一個新的境界。
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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.
關鍵詞：分布對象；虛擬網絡平臺；設計；信息資源
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）16-3698-03
計算機病毒、黑客和垃圾信息等造成的安全隱患問題多出于存儲設備故障分布式虛擬網絡的管理平臺，對于高標準建設的分布式網絡管理體系結構提出了一種新的安全機制，要求企業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 基于分布對象的虛擬網絡平臺概述
隨著語義Web的發展，越來越多的數據提供者和互聯網應用開發商將現有的數據轉換成鏈接的數據，使得LOD圖像得到快速的發展。2011年9月展示LOD數據云發表，它由295組數據構成，其中包括約310億和5.04億的RDF鏈接語句。它顯示了LOD數據鏈路之間的聯系及各種項目的相關數據的數據集。其中，某些數據集間連接作為一個數據網絡的樞紐，如DBpedia數據集等。此外，還包含了很多著名的數據集，如維基百科，GeoNames，英國BBC廣播公司，FOAF，SKOS，WordNet，DBLP書目等，涉及政府、企業、學校和圖書館等其他領域。通過鏈接開放數據項目的詳細信息，用戶可以從其他相關數據的一組數據采集環節了解到豐富數據關聯，充分發現和享用外部資源。
3 基于分布對象的虛擬網絡平臺的設計
以產生一個商業模式為例了解其對企業的要求和用戶視圖定義視圖的概念的應用。概念建模技術（例如使用案例分析、活動圖、工藝設計和業務實體建模）有助于建設關鍵業務和數據的描述，可以加強業務目標和需求，但是不包含實現技術。
邏輯視圖：邏輯視圖結構設計中的應用模型是建立一個商業模式，它們決定了如何滿足業務的目標和要求。模型的應用程序結構也體現在邏輯視圖和建筑師的總體結構方面的應用。他們決定關系數據管理和處理步驟之間的相互作用，根據邏輯和時序模型組件的設計確定了模型保留的數據類型和狀態。
物理視圖：每個元素映射應用模式的技術元素的實際要求。通過這種方法實現模型的應用。程序員將詳細的業務邏輯編寫為代碼，在傳統開發過程中承擔了部分任務，但大多數的活動應在一個復雜的框架內來完成?？蚣苁且环N新的開發技術，分布式應用程序和數據管理的基礎設施包括幀應用邏輯框架的風格和控件結構的設計。框架完成使開發人員避免了繁瑣的工作（例如，錯綜復雜的異步消息處理），使普通開發人員能夠對項目作出更大的貢獻。
能否正確定義這些模型對于組織來說也是至關重要的。結構模型的設計錯誤總是會導致嚴重的設計問題或運作問題（例如伸縮性和可靠性問題），嚴重時甚至會導致項目無法完成以及影響業務。結構設計師正在尋找框架和指南以幫助他們創建和實現這些模型，并把由于使用錯誤模型而帶來的風險降到最低。
4 基于分布對象的虛擬網絡平臺的實現
在用戶登錄上使用雙重身份驗證登錄功能系統。用戶身份認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器同步一致。用戶登錄時需要在一定的時間內輸入的代碼，所以即使用戶的密碼丟失也不會導致系統被攻擊，提高了系統的安全性。
網絡設備日志分析方面，主要研究通過SYSLOG服務，將接入層交換機的日志信息捕獲，以便于對接入交換機的運行狀況進行動態分析。通過分析對接入層的三大攻擊行為進行定位，為下一步操作做鋪墊。日志信息同步數據量極大，但對細節數據的準確性要求不高，主要以大量數據宏觀分析得出結果。所以，日志信息同步功能的可靠性要比數據準確性更加重要。它要能夠持續的接收分析大量數據。
接入網設備的控制功能和網絡接入層設備是一個窗互系統，其他業務則需要通過其主機來完成，因此控制接入層設備需要有較強的操作能力。這種能力是通過TELNET和SNMP協議來實現的。
本文著重研究了TELNET與SNMP的開發接口以及對設備控制功能的實現?？偠灾到y對日志分析功能得出的結果，最后進行隔離操作是通過本功能直接完成的。日志記錄和存儲里，用戶的目標操作系統作為記錄的目標函數在實際使用過程中主要用于事后處理和分析日志數據的存儲功能，在數據庫中隔離的操作記錄和其它數據存儲，因為該系統是一個大的數據庫，沒有單獨使用復雜的數據持久層組件，可以實現數據庫連接池功能，重量輕且操作簡單。
日志分析功能包含了SYSLOG套接字的創建，數據讀取分析兩大主要功能。其中SYSLOG套接字的創建主要目的是為了接收交換機發至UDP514端口的日志信息。數據分析的主要目的有兩個，一是判斷當前網絡運行是否正常，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發來的日志信息進行讀取，然后交與日志處理邏輯對日志進行分割。日志處理邏輯使用正則表達式對日志分割完成后，數據分兩部分流向，日志信息本身交由數據庫存儲邏輯處理，另一向交由攻擊主機判定邏輯分析攻擊主機信息。對于設備控制模塊交互邏輯，當自動隔離攻擊主機
5 結論
基于分布對象的虛擬網絡平臺提供系統級端到端的解決方案，這將是智能化的網絡管理和工作負載分布到多個站點，分布式網絡管理信息系統的管理員可以促進用戶更高效地利用系統中的資源，網絡的發展提供了可擴展性的變化。為了減少復雜性和中心網站計算的負負，可以提供一種獨立方法靠近故障點，快速地排除故障。
基于分布對象的虛擬網絡平臺通過在整個網絡上向多個控制臺將數據采集，監視以及管理職責分散開來而實現綜合分析。
參考文獻：
[1] 熊鈺嵐，劉希民.虛擬網絡實驗平臺設計[J].電腦知識與技術，2010，12（25）：107-108.
