基于云計算的虛擬仿真實驗平臺設(shè)計

摘要摘要：針對高校虛擬仿真實驗平臺存在的重復(fù)投入、資源無法共享等問題，探討云計算及其特點，提出基于云計算的虛擬仿真實驗平臺的架構(gòu)模型，設(shè)計基于云計算的虛擬仿真實驗平臺，并介紹實驗平臺的功能和特點。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：云計算；虛擬仿真；實驗平臺；平臺設(shè)計

DOIDOI：10.11907/rjdk.151843

中圖分類號：TP302

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2015）011000602

基金項目基金項目：上海市青年教師資助計劃（1014204804）；上海市教委重點課程項目（2015）；2015年度上海理工大學(xué)“精品本科”教學(xué)改革項目（2015-JPBKZ-017）

作者簡介作者簡介：崔連敏（1988-），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士，上海理工大學(xué)實驗室管理與服務(wù)中心助理實驗師，研究方向為物理實驗、信息技術(shù)。

0引言

虛擬仿真實驗利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)，通過計算機模擬實際實驗操作，演示實驗中的圖形、文字、數(shù)據(jù)等信息。虛擬仿真實驗打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)課時有限、場地固定等限制，提升了實驗教學(xué)效果。隨著信息技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)很多高校都建設(shè)了虛擬仿真實驗室。然而許多高校建設(shè)虛擬仿真實驗室時存在硬件重復(fù)投入、服務(wù)器閑置率高、建設(shè)及維護成本高、數(shù)據(jù)資源無法共享等問題。云計算技術(shù)被認為是一項繼個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后的信息技術(shù)革命性的新技術(shù)，在諸多領(lǐng)域都得到應(yīng)用。借助云計算技術(shù)搭建虛擬仿真實驗平臺，對校內(nèi)各實驗中心的虛擬仿真實驗平臺統(tǒng)一部署和維護，能夠整合硬件和軟件資源，降低平臺開發(fā)和搭建成本，實現(xiàn)信息資源共享。

1云計算虛擬仿真平臺的優(yōu)勢

云計算是分布計算、并行計算、網(wǎng)絡(luò)存儲、虛擬化、負載均衡和熱備份冗余等傳統(tǒng)計算和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。云計算致力于解決網(wǎng)絡(luò)平臺的通訊、存儲和資源利用等問題。自2006年Google公司首席執(zhí)行官首次提出云計算的概念以來，云計算技術(shù)發(fā)展十分迅速。目前Google、IBM、亞馬遜、微軟、SUN等國際化大公司紛紛推出了自己的云計算平臺，國內(nèi)華為、阿里巴巴、騰訊、百度等也相繼啟動了云計算項目。典型的云計算架構(gòu)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層和應(yīng)用層?；A(chǔ)設(shè)施層主要提供基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，平臺層提供平臺即服務(wù)，應(yīng)用層提供軟件即服務(wù)。使用云計算技術(shù)搭建虛擬仿真實驗平臺優(yōu)點如下：

（1）降低平臺建設(shè)和運維成本。傳統(tǒng)的平臺搭建比較分散，管理和運維比較困難。云計算技術(shù)通過整合現(xiàn)有資源，使用虛擬技術(shù)分配資源，避免了服務(wù)器資源的重復(fù)投入，提高了設(shè)備利用率。

（2）平臺功能更加完善。云計算通過整合不同的虛擬仿真實驗平臺，利用SOA技術(shù)為使用者提供通用統(tǒng)一的平臺登錄入口，將各類應(yīng)用服務(wù)最大限度進行集成，提供一站式服務(wù)。

（3）提供穩(wěn)定可靠的服務(wù)。云計算將數(shù)據(jù)資源通過虛擬化技術(shù)，整合存儲在虛擬的資源池中，同時數(shù)據(jù)存儲過程中采用副本備份方式。即使某臺服務(wù)器出現(xiàn)故障，也可以迅速找到故障，并將故障的服務(wù)器數(shù)據(jù)備份到其它正常服務(wù)器。

（4）輔助教學(xué)效果更加顯著。傳統(tǒng)的虛擬仿真平臺基于不同的架構(gòu)設(shè)計開發(fā)，教師和學(xué)生都需要逐個學(xué)習(xí)適應(yīng)?；谠朴嬎愕奶摂M仿真實驗平臺架構(gòu)統(tǒng)一，用戶只需要學(xué)習(xí)一套系統(tǒng)的使用，可專注于教學(xué)和學(xué)習(xí)本身。

2基于云計算的虛擬仿真實驗平臺設(shè)計

2.1平臺設(shè)計目標

虛擬仿真試驗平臺的搭建需要充分整合現(xiàn)有資源，滿足虛擬仿真實驗平臺的實際需要，同時還需要總體考慮未來發(fā)展，實現(xiàn)平臺組件化、松耦合和良好的擴展性。平臺需實現(xiàn)用戶的分類管理和權(quán)限控制、提升虛擬仿真實驗學(xué)習(xí)效果、自動生成統(tǒng)計報表等。

2.2平臺架構(gòu)設(shè)計

基于云計算的虛擬仿真實驗平臺利用云計算的虛擬化技術(shù)和分布式存儲技術(shù)，實現(xiàn)各個實驗中心軟硬件資源和實驗教學(xué)資源整合，完成硬件資源整合、軟件平臺集成和教學(xué)課程數(shù)據(jù)共享。按照云計算基礎(chǔ)架構(gòu)，使用分層設(shè)計的思想，設(shè)計基于云計算的虛擬仿真實驗平臺架構(gòu)如圖1所示，共分為四層：平臺基礎(chǔ)層、平臺管理層、平臺應(yīng)用層和平臺接入層。

（1）平臺基礎(chǔ)層是整個平臺的基礎(chǔ)，主要由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和存儲資源等組成。往往現(xiàn)有硬件資源品牌、型號、使用年限等不盡相同，操作系統(tǒng)系統(tǒng)也各有差異，因此可選擇使用VMware Workstation虛擬化技術(shù)生成多個虛擬機，實現(xiàn)所有軟硬件資源虛擬化整合管理。

（2）平臺管理層主要為虛擬仿真實驗平臺提供整套開發(fā)、運行和應(yīng)用軟件支撐。平臺管理層主要提供用戶權(quán)限管理、用戶登錄認證服務(wù)、用戶訪問session控制、平臺安全管理、報表統(tǒng)計、系統(tǒng)運行和用戶使用日志等功能。

（3）平臺應(yīng)用層主要實現(xiàn)各實驗平臺的統(tǒng)一管理和運維。集成了目前現(xiàn)有的虛擬仿真實驗平臺，例如物理仿真實驗平臺、化學(xué)仿真實驗平臺、生物仿真實驗平臺等，通過制定統(tǒng)一的平臺框架和規(guī)范，各仿真實驗平臺只需要按照框架和規(guī)范進行開發(fā)和設(shè)計，就能納入到基于云計算的虛擬仿真實驗平臺中。后續(xù)如果有新的虛擬仿真實驗平臺需要建設(shè)，只需依據(jù)現(xiàn)有架構(gòu)搭建，相當于在現(xiàn)有平臺上增加一個應(yīng)用模塊，大大節(jié)省平臺的建設(shè)成本，而且新平臺可以納入統(tǒng)一運行維護體系，方便后期維護。

（4）平臺接入層主要實現(xiàn)用戶通過不同的設(shè)備，如個人電腦、移動手機如Android和IOS設(shè)備、平板電腦等接入，通過統(tǒng)一的一站式登錄認證門戶登錄。個人電腦通過Web瀏覽器訪問系統(tǒng)，移動設(shè)備除了可以使用Wap瀏覽器訪問外，還可以通過移動APP應(yīng)用訪問。一站式登錄認證門戶是平臺對外的唯一入口，用戶通過該入口登錄后，加載對應(yīng)的應(yīng)用。

2.3平臺實現(xiàn)功能

基于云計算的虛擬仿真實驗平臺集教學(xué)實驗管理、教師教學(xué)、學(xué)生實驗于一體。平臺主要用戶有學(xué)生、教師、教學(xué)管理人員和系統(tǒng)管理人員等，不同的用戶可以使用不同的功能。

（1）注冊與登錄功能。學(xué)生可以使用學(xué)號作為ID注冊賬號，教師用戶使用工號作為ID注冊賬號。用戶首先填寫個人信息，然后設(shè)置登錄密碼，最后驗證并綁定學(xué)號或工號后，平臺提示用戶注冊成功。注冊成功后，可以使用注冊的用戶賬戶，通過統(tǒng)一認證門戶網(wǎng)站登錄到實驗平臺。

（2）課程管理功能。學(xué)生用戶登錄后，可以看到待學(xué)習(xí)的課程列表，點擊后開始學(xué)習(xí)課程，該課程進入正在學(xué)習(xí)課程列表，完成學(xué)習(xí)后，進入已完成學(xué)習(xí)課程列表。用戶可以隨時隨地選擇所有未完成學(xué)習(xí)的課程，平臺記錄學(xué)生用戶的學(xué)習(xí)進度，下次登陸系統(tǒng)時，可以選擇繼續(xù)學(xué)習(xí)上次未完成的課程。

（3）教學(xué)管理功能。教師用戶登錄平臺后，可以上傳實驗學(xué)習(xí)資料，制作仿真實驗程序，管理虛擬仿真實驗課程。教師用戶還可以瀏覽學(xué)生學(xué)習(xí)記錄，掌握學(xué)生學(xué)習(xí)進度。

（4）報表統(tǒng)計功能。教學(xué)管理員使用該平臺可自動收集用戶使用平臺相關(guān)數(shù)據(jù)信息，生成統(tǒng)計報表。如統(tǒng)計學(xué)生累計學(xué)習(xí)時長和學(xué)習(xí)進度等。通過數(shù)據(jù)分析學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣和平臺使用效果，并生產(chǎn)報表。

（5）系統(tǒng)管理功能。系統(tǒng)管理員可以管理用戶信息、查看系統(tǒng)運行日志和用戶訪問日志、平臺管理參數(shù)設(shè)置、管理系統(tǒng)運行維護等。

3結(jié)語

基于云計算搭建的大學(xué)虛擬仿真實驗平臺功能強大，整合了高校軟硬件資源，用戶體驗佳，平臺具有良好的可靠性和可擴展性。云計算技術(shù)整合了高校教學(xué)資源，突破了時間限制，實現(xiàn)了大學(xué)實驗課程的移動教學(xué)，促進了教育信息化發(fā)展。仿真實驗只是傳統(tǒng)教學(xué)手段的輔助，不能完全替代課堂實際教學(xué)，但是隨著云計算技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，云計算將在高校教學(xué)中發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻參考文獻：

[1]張林.虛擬仿真技術(shù)對大學(xué)物理實驗教學(xué)影響的探究＼[J＼].大學(xué)物理實驗，2015（28）：116118.

[2]董海寬，費英.大學(xué)物理仿真實驗教學(xué)探討＼[J＼].渤海大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008（29）：8082.

[3]龔強.云計算應(yīng)用展望與思考＼[J＼].信息技術(shù)，2013（1）：18.

[4]王磊.SOA與云計算的結(jié)合＼[J＼].信息技術(shù)，2013（7）：110112.

[5]伍燕青.基于云計算的實驗室管理信息系統(tǒng)設(shè)計＼[J＼].實驗室研究與探索，2013，32（8）：291296.

責任編輯（責任編輯：陳福時）