王偉 何寒暉

摘 要 本文針對(duì)結(jié)合醫(yī)學(xué)院校虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，提出了一個(gè)基于云計(jì)算的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。利用桌面云系統(tǒng)，搭建統(tǒng)一、開(kāi)放的虛擬實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)，支持用戶通過(guò)瀏覽器開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，將各學(xué)科虛擬實(shí)驗(yàn)室聯(lián)結(jié)起來(lái)，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(shí)驗(yàn)室 云計(jì)算 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

1 現(xiàn)有虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)

虛擬實(shí)驗(yàn)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(kuò)展到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分。在國(guó)外，虛擬實(shí)驗(yàn)已成功的應(yīng)用于解剖教學(xué)、放射治療定位、具有危險(xiǎn)性的人體實(shí)驗(yàn)、化學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等等。國(guó)內(nèi)各專業(yè)教學(xué)系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、模擬醫(yī)院信息管理、模擬藥店、虛擬生化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等。

各種各樣的虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)應(yīng)用和管理方面的問(wèn)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(jī)房大多通過(guò)傳統(tǒng)保護(hù)卡更新維護(hù)，日常管理維護(hù)工作量較大，不能滿足快速變化的教學(xué)需求和實(shí)驗(yàn)要求。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)本身來(lái)看，高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)資源的要求有著顯著的時(shí)間密集性和資源一致性的特點(diǎn)。在上課時(shí)間，大量學(xué)生統(tǒng)一訪問(wèn)和使用，而在沒(méi)有課程的時(shí)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(fèi)的雙重矛盾。

云計(jì)算技術(shù)是解決這些問(wèn)題的一個(gè)可行方案，云計(jì)算將分散的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源集中起來(lái)，虛擬化成資源池，按需動(dòng)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(qiáng)、資源動(dòng)態(tài)化和使用動(dòng)態(tài)化等方面的優(yōu)勢(shì)。

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

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體架構(gòu)

我們構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在云計(jì)算提供的服務(wù)基礎(chǔ)上，增加用戶層，工作過(guò)程是學(xué)生通過(guò)瀏覽器，連接到Web服務(wù)器，按照不同的學(xué)科，將不同實(shí)驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行組合，進(jìn)入不同的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建并完成實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的Web服務(wù)器連接組成一個(gè)內(nèi)網(wǎng)，運(yùn)行web服務(wù)、實(shí)驗(yàn)所需的各種軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)。Web服務(wù)負(fù)責(zé)管理實(shí)驗(yàn)流程，響應(yīng)客戶端請(qǐng)求，控制實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)功能，從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、設(shè)備等信息，將操作日志和實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存于數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)中存有各科實(shí)驗(yàn)的參考資料，包括實(shí)驗(yàn)教材、指導(dǎo)書、參考代碼、視頻教程、動(dòng)畫等?？蛻舳酥恍枰胀≒C機(jī)，通過(guò)瀏覽器登陸即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。平臺(tái)整體框架如圖1所示。

通過(guò)云計(jì)算提供的服務(wù)，可以在一臺(tái)物理機(jī)上部署多臺(tái)虛擬機(jī)，也可以在虛擬機(jī)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(kù)軟件，而不用面對(duì)物理機(jī)一臺(tái)臺(tái)進(jìn)行環(huán)境的搭建。

3 平臺(tái)的詳細(xì)設(shè)計(jì)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(guò)校園網(wǎng)將分布在不同地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行整合統(tǒng)一，通過(guò)一臺(tái)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)幾百臺(tái)電腦終端的管理集中化、部署智能化和更新維護(hù)自動(dòng)化。

ADS系統(tǒng)可設(shè)置多個(gè)組，每組管理多個(gè)客戶端。因此，我們?cè)趹?yīng)用中，根據(jù)不同機(jī)房、不同硬件配置、不同軟件環(huán)境、不同的虛擬實(shí)驗(yàn)用途、不同的專業(yè)課程要求等對(duì)各種類型的計(jì)算機(jī)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(gè)組創(chuàng)建一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的虛擬磁盤。在該虛擬磁盤上進(jìn)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(gè)磁盤模版。在進(jìn)行部署時(shí)，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(jìn)行磁盤剩余空間的調(diào)配。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)部署時(shí)，客戶端的系統(tǒng)部署與維護(hù)在后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行，一切都在客戶端正常使用中完成，無(wú)須停機(jī)停課進(jìn)行系統(tǒng)部署維護(hù)，因而可以大幅度提升機(jī)房的日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)效率。

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)網(wǎng)站

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用B/S模式，客戶端通過(guò)瀏覽器登陸網(wǎng)站，進(jìn)入相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，完成實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)站的主要功能模塊包括用戶管理、虛擬實(shí)驗(yàn)室管理、虛擬實(shí)驗(yàn)管理及在線交流協(xié)作等。

網(wǎng)站允許用戶通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)器端的實(shí)驗(yàn)程序，服務(wù)器端接受瀏覽器端發(fā)送的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，分析和處理實(shí)驗(yàn)參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算模擬將結(jié)果返回。有些課程的虛擬實(shí)驗(yàn)為了呈現(xiàn)動(dòng)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(guò)載。如果服務(wù)器只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)檢索，計(jì)算和可視化都在瀏覽器端實(shí)現(xiàn)，易造成網(wǎng)頁(yè)顯示速度太慢。因此，均衡考慮，我們將網(wǎng)站設(shè)計(jì)為在服務(wù)器端進(jìn)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(guò)JavaScript腳本等實(shí)現(xiàn)。

3.3 用戶單點(diǎn)登錄

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用統(tǒng)一的用戶認(rèn)證機(jī)制，用戶在單點(diǎn)登陸后，可以平臺(tái)中無(wú)障礙的穿梭于各個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室之間。單點(diǎn)登錄的實(shí)現(xiàn)可以是以服務(wù)器為中心的單點(diǎn)登錄、以客戶端為中心的單點(diǎn)登錄或客戶/服務(wù)器模式的單點(diǎn)登錄。單點(diǎn)登錄常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)機(jī)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(kāi)源軟件，建立以服務(wù)器為中心的單點(diǎn)登錄模型，將用戶認(rèn)證信息存儲(chǔ)在身份認(rèn)證服務(wù)器上，該信息用于驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及運(yùn)行

已有的虛擬實(shí)驗(yàn)，需要將其數(shù)據(jù)庫(kù)遷移，通過(guò)Web服務(wù)提供數(shù)據(jù)存取。新的虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)流程分為建模和運(yùn)行兩步。建模的主要功能是建立虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停▽?shí)驗(yàn)對(duì)象模型、實(shí)驗(yàn)流程、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景等，學(xué)科專業(yè)性較強(qiáng)。運(yùn)行是基于預(yù)定義的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，運(yùn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)分。這一步需要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的支持。

虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的流程是：

（1）加載實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。學(xué)生登錄系統(tǒng)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)首先從虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)庫(kù)中，加載對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。虛擬實(shí)驗(yàn)引擎根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，渲染生成界面，展現(xiàn)給學(xué)生，并接收用戶輸入，驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)每個(gè)步驟，當(dāng)實(shí)驗(yàn)完成時(shí)，保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（3）結(jié)果評(píng)分。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)室，系統(tǒng)給出實(shí)驗(yàn)評(píng)分。

4 結(jié)論

虛擬化和云計(jì)算技術(shù)從一開(kāi)始就是面向應(yīng)用的。本文結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際情況，提出了一個(gè)基于云計(jì)算的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用桌面云系統(tǒng)，將各學(xué)科虛擬實(shí)驗(yàn)室聯(lián)結(jié)起來(lái)，支持用戶通過(guò)瀏覽器開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，從而使實(shí)驗(yàn)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?？茖W(xué)校 浙江省杭州市 310053