基于云計算的醫(yī)學(xué)院校虛擬實驗平臺構(gòu)建

王偉 何寒暉

摘 要 本文針對結(jié)合醫(yī)學(xué)院校虛擬實驗室的實際情況，提出了一個基于云計算的虛擬實驗教學(xué)平臺。利用桌面云系統(tǒng)，搭建統(tǒng)一、開放的虛擬實驗管理平臺，支持用戶通過瀏覽器開展實驗，將各學(xué)科虛擬實驗室聯(lián)結(jié)起來，以提高 IT 資源和應(yīng)用程序的效率和可用性。

【關(guān)鍵詞】虛擬實驗室 云計算 實驗教學(xué)平臺

1 現(xiàn)有虛擬實驗室的特點

虛擬實驗室的概念最初由麻省理工學(xué)院提出，發(fā)展至今，已經(jīng)擴展到多個學(xué)科領(lǐng)域，成為高校實驗教學(xué)的重要組成部分。在國外，虛擬實驗已成功的應(yīng)用于解剖教學(xué)、放射治療定位、具有危險性的人體實驗、化學(xué)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等等。國內(nèi)各專業(yè)教學(xué)系統(tǒng)和虛擬實驗系統(tǒng)也逐漸增多。以我校為例，目前很多課程擁有自己的實驗平臺，如計算機網(wǎng)絡(luò)實驗、模擬醫(yī)院信息管理、模擬藥店、虛擬生化實驗系統(tǒng)等。

各種各樣的虛擬實驗室在教學(xué)應(yīng)用和管理方面的問題也逐漸凸顯。主要體現(xiàn)在以下方面。從服務(wù)器端的情況看，服務(wù)器數(shù)量雖多，但差異大，硬件配置性能相差很大，有些托管在網(wǎng)絡(luò)中心，有些由專業(yè)系部自己管理，資源較為分散且利用率低。從客戶端的情況看，機房大多通過傳統(tǒng)保護卡更新維護，日常管理維護工作量較大，不能滿足快速變化的教學(xué)需求和實驗要求。從實驗教學(xué)本身來看，高校的實驗教學(xué)對資源的要求有著顯著的時間密集性和資源一致性的特點。在上課時間，大量學(xué)生統(tǒng)一訪問和使用，而在沒有課程的時候，教學(xué)資源又是大量閑置，造成高峰資源不足和低峰資源浪費的雙重矛盾。

云計算技術(shù)是解決這些問題的一個可行方案，云計算將分散的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源集中起來，虛擬化成資源池，按需動態(tài)的為用戶提供所需的資源，具有資源節(jié)約、服務(wù)能力強、資源動態(tài)化和使用動態(tài)化等方面的優(yōu)勢。

本文針對醫(yī)學(xué)院校虛擬實驗的軟硬件要求，結(jié)合云計算技術(shù)，搭建了統(tǒng)一的實驗管理平臺，達(dá)到合理分配資源，提高資源利用率，以實現(xiàn)實驗管理的靈活性，快速響應(yīng)教學(xué)的變化。

2 實驗平臺整體架構(gòu)

我們構(gòu)建的虛擬實驗平臺是在云計算提供的服務(wù)基礎(chǔ)上，增加用戶層，工作過程是學(xué)生通過瀏覽器，連接到Web服務(wù)器，按照不同的學(xué)科，將不同實驗構(gòu)件進行組合，進入不同的實驗場景，實現(xiàn)實驗創(chuàng)建并完成實驗。

實驗平臺的Web服務(wù)器連接組成一個內(nèi)網(wǎng)，運行web服務(wù)、實驗所需的各種軟件和數(shù)據(jù)庫。Web服務(wù)負(fù)責(zé)管理實驗流程，響應(yīng)客戶端請求，控制實驗節(jié)點完成各項實驗功能，從數(shù)據(jù)庫中讀取實驗場景、設(shè)備等信息，將操作日志和實驗結(jié)果保存于數(shù)據(jù)庫。同時，數(shù)據(jù)庫中存有各科實驗的參考資料，包括實驗教材、指導(dǎo)書、參考代碼、視頻教程、動畫等。客戶端只需要普通PC機，通過瀏覽器登陸即可進行實驗。平臺整體框架如圖1所示。

通過云計算提供的服務(wù)，可以在一臺物理機上部署多臺虛擬機，也可以在虛擬機上配置各種系統(tǒng)環(huán)境，安裝不同的服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫軟件，而不用面對物理機一臺臺進行環(huán)境的搭建。

3 平臺的詳細(xì)設(shè)計與構(gòu)建

3.1 集智云桌面管理系統(tǒng)的部署

集智桌面云管理系統(tǒng)（ADS）利用虛擬技術(shù)和PAAS、SAAS技術(shù)，通過校園網(wǎng)將分布在不同地點的計算機進行整合統(tǒng)一，通過一臺服務(wù)器實現(xiàn)對幾百臺電腦終端的管理集中化、部署智能化和更新維護自動化。

ADS系統(tǒng)可設(shè)置多個組，每組管理多個客戶端。因此，我們在應(yīng)用中，根據(jù)不同機房、不同硬件配置、不同軟件環(huán)境、不同的虛擬實驗用途、不同的專業(yè)課程要求等對各種類型的計算機采用分組管理策略。在磁盤管理中，ADS允許在服務(wù)器上為每個組創(chuàng)建一個與之對應(yīng)的虛擬磁盤。在該虛擬磁盤上進行“分區(qū)規(guī)劃、系統(tǒng)配置、還原方式、使用者行為管理策略”等創(chuàng)建一個磁盤模版。在進行部署時，我們直接將該模版復(fù)制到客戶端本地硬盤，并在虛擬磁盤上設(shè)置該磁盤的管理策略，進行磁盤剩余空間的調(diào)配。

計算機系統(tǒng)部署時，客戶端的系統(tǒng)部署與維護在后臺自動運行，一切都在客戶端正常使用中完成，無須停機停課進行系統(tǒng)部署維護，因而可以大幅度提升機房的日常運營維護效率。

3.2 實驗平臺網(wǎng)站

實驗平臺采用B/S模式，客戶端通過瀏覽器登陸網(wǎng)站，進入相應(yīng)的虛擬實驗室，完成實驗。網(wǎng)站的主要功能模塊包括用戶管理、虛擬實驗室管理、虛擬實驗管理及在線交流協(xié)作等。

網(wǎng)站允許用戶通過瀏覽器遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器端的實驗程序，服務(wù)器端接受瀏覽器端發(fā)送的實驗請求，分析和處理實驗參數(shù)，經(jīng)過計算模擬將結(jié)果返回。有些課程的虛擬實驗為了呈現(xiàn)動態(tài)交互，每一步命令執(zhí)行都需要更新顯示，這增加了網(wǎng)絡(luò)的通信量，易導(dǎo)致過載。如果服務(wù)器只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)檢索，計算和可視化都在瀏覽器端實現(xiàn)，易造成網(wǎng)頁顯示速度太慢。因此，均衡考慮，我們將網(wǎng)站設(shè)計為在服務(wù)器端進行數(shù)據(jù)檢索和處理，可視化和交互在瀏覽器端完成，通過JavaScript腳本等實現(xiàn)。

3.3 用戶單點登錄

虛擬實驗平臺采用統(tǒng)一的用戶認(rèn)證機制，用戶在單點登陸后，可以平臺中無障礙的穿梭于各個虛擬實驗室之間。單點登錄的實現(xiàn)可以是以服務(wù)器為中心的單點登錄、以客戶端為中心的單點登錄或客戶/服務(wù)器模式的單點登錄。單點登錄常見的實現(xiàn)機制有基于經(jīng)紀(jì)人的方式、基于代理人的方式、基于網(wǎng)關(guān)的方式、基于令牌的方式、基于代理人和經(jīng)紀(jì)人的方式等。我們利用CAS開源軟件，建立以服務(wù)器為中心的單點登錄模型，將用戶認(rèn)證信息存儲在身份認(rèn)證服務(wù)器上，該信息用于驗證用戶身份的合法性，由服務(wù)器為應(yīng)用生成唯一不可篡改的票據(jù)。

3.4 虛擬實驗設(shè)計及運行

已有的虛擬實驗，需要將其數(shù)據(jù)庫遷移，通過Web服務(wù)提供數(shù)據(jù)存取。新的虛擬實驗，實現(xiàn)流程分為建模和運行兩步。建模的主要功能是建立虛擬實驗?zāi)Ｐ停▽嶒瀸ο竽Ｐ汀嶒灹鞒獭嶒瀳鼍暗龋瑢W(xué)科專業(yè)性較強。運行是基于預(yù)定義的實驗?zāi)Ｐ停\行虛擬實驗，存儲實驗結(jié)果，并對實驗結(jié)果評分。這一步需要實驗平臺的支持。

虛擬實驗運行的流程是：

（1）加載實驗?zāi)Ｐ汀W(xué)生登錄系統(tǒng)，進入實驗中，系統(tǒng)首先從虛擬實驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)庫中，加載對應(yīng)的實驗?zāi)Ｐ汀?/p>

（2）虛擬實驗運行。虛擬實驗引擎根據(jù)實驗?zāi)Ｐ停秩旧山缑妫宫F(xiàn)給學(xué)生，并接收用戶輸入，驅(qū)動實驗每個步驟，當(dāng)實驗完成時，保存實驗結(jié)果。

（3）結(jié)果評分。學(xué)生完成實驗室，系統(tǒng)給出實驗評分。

4 結(jié)論

虛擬化和云計算技術(shù)從一開始就是面向應(yīng)用的。本文結(jié)合虛擬實驗教學(xué)的實際情況，提出了一個基于云計算的虛擬實驗平臺，利用桌面云系統(tǒng)，將各學(xué)科虛擬實驗室聯(lián)結(jié)起來，支持用戶通過瀏覽器開展實驗，從而使實驗管理更為靈活高效，提高資源利用率。

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作者單位

浙江醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校 浙江省杭州市 310053