高等農業院校大數據背景下遠程分布式虛擬實驗室技術與解決探討

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生了重大的變化，世界范圍內的教育正在經歷重大的革新。今天，學生可以隨時從任何地方訪問虛擬實驗室。由于電子學習、電子教育和遠程教育具有明顯的優勢，因此在大力推廣的同時，有必要分析研究這些現代教學方法基于的網絡服務組織結構。其中在大數據背景下，遠程分布式虛擬實驗室已經被眾多高校廣泛采用，是實現多學科、高效電子學習、電子教育和遠程教育的重要技術。為此，本文對該關鍵技術的若干關鍵問題進行了探討，旨在為該關鍵技術的順利實施提供參考和解決方案。

關鍵詞：大數據;遠程分布式;虛擬實驗室技術

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）29-0011-02

1概述

美國弗吉尼亞大學的威廉·伍爾夫于1989年首次提出虛擬實驗室，又稱為計算機網絡虛擬實驗室環境。虛擬實驗室通過各種工具和技術來構建一個網絡化的科學實驗研究環境。在這樣的虛擬環境中，研究者可以使用大量的物質和非物質資源（龐大的數據、海量的信息、各種輔助研究設備、實體的人力等）進行研究活動。所有的科學研究活動幾乎都是在各種分布式的網絡環境下開展的，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之上的。本文重點探討了在大數據背景下，遠程操作的分布式虛擬實驗室的技術和解決方案，旨在為學校設計該系統提供參考。

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

當前建立在計算機系統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絡的設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，申請虛擬實驗和連接虛擬實驗儀器。在實驗開始后，客戶機（端）通過所連接的互聯網向在同一個網絡內的虛擬實驗服務器提交模擬實驗所用的各種數據信息。

虛擬實驗的服務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，在服務器通過軟件技術對各種數據進行初步分析后，在具有可行性時，對請求的虛擬實驗環境進行仿真模擬，運行分析所提交的實驗數據信息，得到相應的模擬實驗的結果，然后通過互聯網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、網盤等）。

用戶在客戶端接收到虛擬試驗系統通過用戶提交的數據模擬計算出的實驗結果，通過給定的工具或選擇響應的可視化工具，對模擬實驗數據結果進行展示，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。

虛擬實驗服務器所使用的元件庫、規則代碼、判別系統、審核機制、仿真模擬算法以及各種圖形化界面等數據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，例如多人同時協作實驗過程中，進行同步數據、同步操作的以及數據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技術

2.1面向對象技術

在當前的復雜網絡環境中，用戶所使用的客戶端阱算機、手機等終端1通過各種級聯網絡與管理員所管理的服務器f內網的、外網的、實體的）建立連接，經過層層標準化的各種協議實現握手通信，實現操作、數據信息的交換，尤其是在分布式網絡環境中更加明顯。軟件驅動核心包含了這些復雜的底層細節。底層對象通過多層打包技術與應用程序層完全隔離。軟件驅動僅在組件區域中以“軟總線”接口的形式為應用程序提供許多類。在分布式系統中設計可重用的面向對象軟件是一個挑戰。軟件驅動以其面向對象的特性和強大的可重用性提供了一個簡單而直接的實現手段。

在一些設計的相關組成軟硬件方面，負責研究開發的工作者僅需要投人時間去注重應用程序的開發，解決如何去繼承接口和一些抽象類，定義相關流程從而實現程序要求的功能和業務，通過發布實例化的應用程序對象來構成和組件應用程序的整個運行環境和系統。對程序員來說，這種面向對象的開發模式相對于以前復雜的開發流程，更加簡單同時提升了開發效率。這種開發方法模式，把程序員、開發者、研究者從煩瑣的程序編碼、各種環境的編譯、各種協議的協調等復雜的編程開發模式中解放出來，這將大大節省研究人員和開發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計中。在各種組件中，應用程序的對象也是可以重復使用的。然而應用程序對象的可重用性已經不再完全取決于代碼的編寫的復雜度和執行效率，現在更多是在考慮代碼質量的同時要更多地考慮如何設計高效率、高質量的應用程序流程，往往多一個判別或少一個判別都會對執行效率產生較大的影響。

2.2分布式對象技術

分布式系統是由不同的組件（即對象）以動態方式組建的，有多個終端，執行不同的功能或者相同的功能。不同的組件（對象）可能是同一網絡中同一機器上的終端、也可能是存在于不同網絡上的不同終端。而這些對象組件通過系統的配置，網絡的連接，可以通過有連續性的系統對他們進行動態加載或卸載。從實現的方面來看，分布式系統可以分為三種類型：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。在分布式系統的中，本地化對象和遠程連接對象之間的關系是相互的。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絡協調的性能和系統負載平衡。

2.3點對多點通信技術一群通信

單播是用于將數據從發送點傳輸到接收點的點對點通信方法。廣播用于將數據傳輸到網絡中的所有節點，而多播是一種單點對多個點通信的方式，是數據從一個節點發送到特定組中的多個或所有節點。在當前大數據背景下，對于分布式網絡環境，分布式系統環境下，異地協同操作的時候，需要在多個節點上保持數據一致性，當一個節點上的數據發生變化時，需要及時將更新信息傳輸到其他需要更新的節點進行同步。假如我們使用單播技術，數據需要從1個節點重復性地向每個接收節點發送相同的數據來更新需要更新的節點，這可能會產生大量的網絡流量，而這是多次重復的在占用網絡資源。對于廣播模式，這種更新只需要發送一次，但在這種情況下，不需要數據的節點仍然可能接收到數據，這可能導致主機資源和網絡帶寬的浪費。如果采用組播，需要的節點將包含在一個“組”中，只有在該組中的節點才能接收數據，這種通信方式相對比較高效、占用較少的網絡資源。

2.4實驗數據共享技術

基于實驗操作數據共享的協同實驗環境是實現同一組、多個成員共同協同操作進行實驗的環境。在協同實驗設計模型中，需要支持實驗數據輸入、反饋信息、計算結果的同步、結果的展示同步、各個計算和終端的并發控制等。m同一個虛擬實驗、各個使用者之間相互合作、協調完成同一實驗功能，系統會為他們提供一個協作工作的環境。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建協同工作實驗環境的首要也是重要問題。當前，現有的很多軟件都可以在協作環境下實現協同工作的要求，即實驗的每個參與者都必須運行相同的應用程序;運行過程中，通過網絡，把每個用戶的輸入實時的分發給其他用戶;分發過程使用中斷和分布式用戶事件機制;同時所有數據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采用用戶認證模式，使用Web服務器的相關模塊、這個是在很多系統中都已經廣泛應用了。Web服務器權限管理模塊可以對不同的用戶進行不同的權限設置。所有用戶（包括未經身份驗證的用戶）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內容模塊只有經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，否則將發生資源沖突，而在協同操作實驗環節，應用程序根據實驗配置，表面上是大家一起在操作，但是同一時刻，操作權只在一個終端上，只是程序在很短的時間內在不同的用戶中切換權限。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

云是網絡和互聯網的象征。云計算模型提供了對可配置計算資源共享池（包括網絡、服務器、存儲、應用程序、服務等）的可用、方便和按需網絡訪問。云計算實驗平臺可以借助網絡共享實驗環境，具有超大規模、高可靠性、高可擴展性、通用性等優點。通過硬件系統、軟件系統及相關參考的資料，可以有效地利用遠程實驗室資源。硬件系統主要由硬件實驗設備節點、交換機、網絡服務器等組成。不同實驗室的硬件實驗設備節點可以集成多種硬件資源，與交換機和Web服務器連接到一個內部網。服務器運行Web服務，連接內部交換機或Intemet。軟件系統由Web服務和運行在服務器上的軟件和數據庫組成。Web服務負責對實驗設備、相應客戶端發送的請求和進行管理，以控制實驗設備。它還負責將用戶的操作日志和實驗結果保存到數據庫中。相關的參考資料，包括說明書、參考代碼、教學視頻等，都保存在數據庫中，根據客戶機的需要，可以在數據庫中搜索相關內容。在大數據背景下，很多實驗相關的數據、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結束語

本文主要研究了當前大數據背景下，遠程分布式虛擬實驗系統的幾項關鍵技術，并分析了問題和可能的解決方法，為以后配置實現相關統的提供了一些參考。顯然，本文中提到的許多技術上的問題可能不是當前背景下遠程分布式虛擬實驗室建設所面臨的確切困難。構建功能簡單、部分不可持續的虛擬實驗室時，如果不能快速實施，可能導致重復建設，浪費了資源和時間，這關鍵在于設計者的思維方式的轉變。虛擬實驗室的建設已從關注技術角度轉變為強調設計、開發和管理。建立一套按學科分類、綜合和定制的虛擬實驗室已成為高效只需。這需要相關人員不斷努力去實現。