（通信与信息系统专业论文）计算机网络虚拟实验系统的建模与实现.pdf

苎量些堡查璺塑兰堕 一生苎墼璺整垄垫壅燕墨垫塑些楚墨壅坐 文献类型：学位论文 掌号：2 0 0 0 0 0 7 2 3 4 5 论文标题：计算机网络虚拟实验系统的建模与实现 论文作者：张碧玲 指舄教师：勾学浆 作者单位：北京邮电大学网络教育学院 警辫曩期：2 0 0 3 霉3 月2 5 尽 保密级别；公开 关缝谰：计算撬鲻缮蕊羧实验遴疆教育 中文摘要：随着远程教育的进一步发展，“如何在网上做实验”成为困扰远程教育 笈展的一个突出蔺透。奉课题试胬瑷计冀祝两络纛毅实毅系统为错豢，辩这个问 题进行研究，并搽索解决阅题的途径。 论文对国内外类似系统和计算机网络实验的裳际情躐进行了广泛调焱，对现 除段远程实验教学进行全程的研究，共在此基础土运用蘑向对象的分析和设计方 法，确定了计算机网络虚拟实验系统的建模方案，而且完成了软件的编写和调试 工终。 文章首先介绍了我国远程教育的发展情况和虑拟实验的现状，指出开发计算 钒阏络虚檬实验系统豹必簧往，熬嚣结合现有静技术提爨系统黎技本籍线器建搂 思想。 在第翻章和第五章，作者对自己所完成的工作进行了说明。簇中第鞠章对计 冀枧网终纛拟实验系统鲍总体方紫做了描述，分别介缀了系统的组成部分荦相应 的功能；第五章对系统的核心：网络设备及其功能的原理、抽象模型设计和实现 骰了详绸熬论述，著对零装绞爨鬟改逶手珏握裹嚣撼方提出了建议。 在文章的最聪，作者对论文期间所做的工馋进行了总结， 系统开发静方法帮j 篷程，为释决现代远程实狳教学豹阕题尝试了一魏錾懿慧 潞。 北京邮i 匕人学坝卜论文 计算机网络虚拟实验系统的建模与实现 k e yw o r d s ：c o m p u t e rn e t w o r k s 。v i r t u a ll a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ，d i s t a n c e e d u c a t i o n 英文摘要：t h ep r o g r e s so fm o d e r nd i s t a n c e l e a r n i n g l e a d st ot h e r a p i d d e v e l o p m e n t o fi t s t e c h n i q u e a n d t h e o r y “h o w t oc o n d u c t l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t so v e rt h ei n t e r n e t ”，h o w e v e r ，i ss t i l lap r o b l e md i f f i c u l tt oh a n d l eu p t on o w t h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c ho f c o m p u t e rn e t w o r ke x p e r i m e n t s i m u l a t i o ns y s t e mi sas u b p r o j e c to ft h em i n i s t r yo fe d u c t i o n s “p r o m o t i n go f m o d e r nd i s t a n c el e a r n i n gp r o j e c t ”t h em a j o rm o t i v ei st oe x p l o r et h ew a yo f e x p e r i m e n t u n d e rt h ec u r r e n tc o n d i t i o no fd i s t a n c el e a r n i n g a f t e rw i d es u r v e yo fs i m i l a rv i r t u a ls y s t e ma n dc o m p u t e rn e t w o r ke x p e r i m e n t a n da f t e rr e s e a r c ho fr e c e n ta d v a n c e si nr e m o t ee x p e r i m e n t ，t h ea b s t r a c lm o d e l o ft h ec o m p u t e rn e t w o r ki sb u i l ti nt h ew a yo fo b j e c t - o r i e n t e da n a l y s i sa n d d e s i g n t h ev i r t u a lc o m p u t e r n e t w o r k l a b o r a t o r ye x p e r i m e n ts y s t e m i sr e a l i z e do nt h ep l a t f o r mo fw i n d o w sn t u s i n g v i s u a lc + + i nt h i sp a p e cw en r s ti n t r o d u c er e c e n ta d v a n c e si nm o d e r nd i s t a n c ee d u c a t i o n a n dr e m o t ee x p e r i m e n t ，a n dt h e nb r i n go u tt h et e c h n o l o g yt h a tw i l lb eu s e da n d t h ei d e ao fm o d e l i n gt h es y s t e m i n c h a p t e rf o u ra n dc h a p t e rf i v e 。w ed e s c r i b et h es c h e m eo fr e a l i z i n g t h e s y s t e ma n d d i s c u s sh o wt od e s i g nt h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m h o w t or e a l i z ei t s f u n c t i o ni nd e v i li st h e np r o p o s e d t h ee x i s t i n gq u e s t i o n si nt h es y s t e ma n d t h e a s p e c t t h a tc o u l db ei n t e g r a t e da r ep o i n t e do u ta sw e l l c o n c l u s i o n sa st ot h i sp r o j e c ta r em a d e i nt h el a s tp a r t , o ft h i sp a p e r v i r t u a lc o m p u t e rn e t w o r kl a b o r a t o r ye x p e r i m e n tc a nb ec a r r i e do u tt h r o u g ht h i s s y s t e m ：t h ew a y o fd e v e l o p i n gt h es y s t e mi san e wi d e at os o l v et h ep r o b l e m w ed e s c r i b e da b o v e i i 苎生塑坠生苎兰塑兰丝墨：一一 生兰垫塑竺皇型壅墅墨鉴竺垄塑兰兰型 第一章绪论弗一早殖佑 1 1 论文背景 1 1 1 远程教育概况 。 远程教育是学生与教师、学生与教育组织之间主要采取多种媒体方式进行系 统教学和通信联系的教育形式是将课程传送给校园外的一处或多处学生的教育。 现代远程教育则是指通过音频、视频( 直播或录像) 以及包括实时和非实时在内 的计算机技术把课程传送到校园外的教育。现代远程教育是随着现代信息技术的 发展而产生的一种新型教育方式。计算机技术、多媒体技术、通信技术的发展， 特别是因特( i n t e m e t ) 的迅猛发展，使远程教育的手段有了质的飞跃，成为高新 技术条件下的远程教育。 现代远程教育是一种相对于面授教育、师生分离、非面对面组织的教学活动， 它是一种跨学校、跨地区的教育体制和教学模式。根据远程教育的定义，可归纳 出它有如下一些特点： 学生与教师分离； 采用特定的传输系统和传播媒体进行教学； 信息的传输方式多种多样： 学习的场所和形式灵活多变。 与传统教育相比，远程教育的优势在于它可以突破时空的限制；提供更多的 学习机会；扩大教学规模；提高教学质量：降低教学的成本。基于远程教育的特 点和优势，许多有识之士己经认识到发展远程教育的重要意义和广阔前景。 1 1 2远程实验教学中存在的问题 实验，是多数工程类课程和应用类课程的重要一环，对培养学生的观察和实 验能力，实事求是的科学态度，引起学习兴趣都有不可替代的作用。实验教学正 是通过让学生亲自动手操作，观察事物发展及变化，加深理解和认识从而使观察、 思维、分析能力和创新精神得到培养和提高。因此，无论是在传统教育还是在远 程教育中，都非常重视对实验教学的开展与研究a 在传统教学中，通过在学校建立实验室，学生在实验室完成相关课程的实验 任务，达到培养能力的目的。这种模式的前提是学生能够在预定的时间集中到预 型塑卫生生望型生生竺奠一一盐兰! ! 璺楚望垫壅墅墨竺塑篓夔皇塞塑 定的地方。 瞧奎予远程教弯兹骛点是爆玺分枣，袋鞋实骏教学约实蕤鸟婕统教学畜摄大 的不同，照具特殊性。首先，它不可能像普通院校那样可以建设门类齐全的实骏 室，也建子配备鞍多瑟实验人员。其次，援摇远獠教畜突被霹空、强诵鑫主学习、 降低办学成本等特点，也不可能建立大而全的实骚室系统。那么，如何解决远程 教育中实验教学所面福豹闯题昵? 2 0 0 1 年7 月，为了进步推动我国远程教育的发展，教育部程j b 京召开了面 向2 1 世纪教育振兴行动计划现代远程教育工程项目协调会。会上针对掰前团扰 远程教育发展款各秘问题，进行了广泛的讨论，劳最终确立了一擞当兹急震鼹决 的课题，予以立项支持。本课题是其中的专题之一：计算机网络艨拟实验系统。 l 。2 谂文的鬣的糨意义 如今互联掰已经成为人们生活中不可缺少的个茧耍部分。互联网从最柳 在实验室试验，筑伸至今天的生满的各个方面，糯模的教展是惊人的。互联两技 术也在快速发展，各种新技术层嗽不穷，对这些技术的掌握也显得非常遗切。对 这些知识的学习，如果只停留在理论和书本上，将是非常抽象的，理解越来也非 誊霾难。除了诗髯壤薅终零隽鳃复杂，分屡摸型瞧是太鸯糖象出来的，对它的璞 解，对于剐刚接触网络的人来说也非常困难。所以要很直予地掌握计算机网络地理 论翘识，并恕这登躲谖应藤餮实豁串，羲必矮进露大量懿实验。 在远程教育中，学生是分散的，并且上课时间不需要也不可熊做到同时，对 予简单的实验，可以通遭演示，给学生蕾些图片，设计一些筒擎静舞零，谈学 生明白实骏的过稷，了解仪器的结构、特谯等。辩于计算机网络实验，涉及到交 换机、路由器、接线板等设备，这些设备如果只通过图片来展示，要求学生有蘸 盎；孑戆空鹈想象裁力，即使翅此，学生也不瞧获褥切实的感受，也羧更不用说理鳃 网络的结构了。此外，计算机网络实验使用的设备一般都比较昂贵，而且新的设 餐也不繇接遗，簧不薮凳耨这些浚备将是缀大懿嚣镄，一黢学校缀难承受。爨| 丛 研究开发一个适于远程教商的计算机网络实验系统就来辅助教学就变得非常有必 要。 与传统的实验相比，计算机网络虚拟实验有以下一些忧点： ( 1 ) 可出节省大量的人力物力。因为主要燕使用计算进行模拟- 只需要在软 馋和方法上进霉研究，莠不需要购买过多的实骏设备；另外，这种开发 苎芝些里尘兰些土堕：生一 生苎塑塑垫生型塞壁墨竺盟堡堡皇茎型 完成以后，可以放在互联网上使所有的学生都能使用，避免重复性的开 发： ( 2 ) 在现实中一些没办法很好地描述的东西，系统也能很好地进行演示。现 在的三维技术发展已经有相当的发展，对于显示的模拟也可以进行得相 当逼真n 通过模拟，给学生形成容易理解和接受的实体。比如高层使用 低层的服务，数据报的分割和重组等。 ( 3 ) 可以充分发挥学生的想象力，因为所有的组件都是程序，不存在破坏的 问题，只要学生能想象得出来，这些组件就可以进行任意的组装，并模 拟符合实际的结果。 但根据对目前国内外的论文、期刊、著作和专利的搜索，我们发现只有少数 关于计算机网络这门课程的实验的操作指导性书籍，还没有发现有人把计算机网 络实验当作一个课题来进行专门的研究和开发。国内现有的虚拟实验的产品还停 留在根据实验开发人员事先设计好的脚本，一步一步进行的水平上。实验的交互 性灵活性很差，缺乏必要的提示和帮助功能，也没有实验跟踪，无法掌握实验进 行的情况。另外，国内市场上还没有种用于网上实验的开发平台，支持典型网 络实验的丌发。 计算机网络虚拟实验系统是针对计算机网络实验而开发，但开发的最终目的 并不仅仅是个系统。本课题最主要是希望以计算机网络虚拟实验系统为背景， 对困扰远程教育进一步发展的“如何做实验”问题进行研究，探索并找到解决问 题的途径。 1 3论文研究的内容 课题研究的内容包括以下几个方面： ( 1 ) 远程实验教学的研究；包括现有的实验模式、典型的虚拟实验系统、虚 拟实验的发展方向等等； ( 2 ) 计算机网络虚拟实验系统的总体设计： ( 3 ) 网上实验开发技术的研究；开发采用组件技术，不但便于升级维护，还 便于以后功能的扩充。这些组件在设计的时候必须有相应的接口，目的是要保证 这些组件之间能相互通信。接口制定的合理程度将决定以后维护和扩充的难易程 度。接口应尽可能考虑到以后的发展需要，同时也要有足够的灵活性： ( 4 ) 计算机网络仿真系统的组件设计；包括常用网络设备( 传输介质网 北京邮电大学坝上论文 计算机网络虚拟实验系统的建模与实现 卡集线器交换机路由器) 网络应用程序和网络命令( f t p w w w t e l n e t n e ts e n d a r p p i n g t r a c e r t i p c o n f i g d n s ) 的模拟； ( 5 ) 网上计算机网络实验的设计：实验的内容应该跟教学大纲相匹配，跟知 识点相对应，如：机房环境、网络硬件、网络协议、网络标准、网络操作系统、 网络故障、网络安全、局域网和广域网。实验之间要关联，有一条主线把各个实 验串接起来。 该系统预计需要1 2 个月的时间。具体时间的安排如下： 2 0 0 1 1l - - 2 0 0 2 0 3 资料查阅，文献阅读，完成系统需求分析 2 0 0 2 0 4 - - 2 0 0 2 0 5 需求分析，设计出该系统的主要体系结构和组件规范，完 成系统概要设计。 2 0 0 2 1 0 6 - - 2 0 0 2 0 8 完成系统的详缅设计、技术研究和试验，完成系统详细 设计。 2 0 0 2 0 9 - - 2 0 0 2 1 2 编码、联调和测试，同时提交软件开发文档。 2 0 0 3 01 - - 2 0 0 3 0 3 完成毕业论文。 系统最终的提交形式是在互联网上开放，能很好的为远程教育服务。 4 三堕塑i 塑主堡苎 盐墨垫旦塑生型塞鉴墨堑堕垄堡量壅些 第二章虚拟实验的研究 2 1 仿真理论 实验在科学技术发展中具有重要的作用。传统实验有很多局限性，虚拟实验 技术的提出也正是为了弥补它的不足。虚拟实验技术随着各种新技术的发展而不 断发展。 - 1 9 6 1 年，g w m o r g e n t h a t e r ，首次技术性定义：仿真意指在实际系统尚不存 在的情况下对于系统或活动本质的实现。 1 9 7 8 年，k 6 r n 提出“连续系统仿真”和“用能代表所研究的系统的模型作实 验”。 1 9 8 2 年，s p r i e t 则进一步将仿真的内涵加以扩充，认为“所有支持模型建立 与模型分析的活动即为仿真活动”。 1 9 8 4 年，o r e n 给出了仿真的基本概念框架“建模一实验一分析”，并认为“仿 真是一种基于模型的活动”，“系统、模型、仿真”三者之间的关系是系统是研 究的对象，模型是系统的抽象，仿真是对模型的实验，如图：1 所示。 现代仿真技术则将仿真活动扩展到上述三个方面，并将其统一到同一环境中。 系统建模：基本定律及系统辨识等方法计算机程序化，用仿真方法确定实际 系统的模型，基于模型库的结构化建模，采用0 0 ( o b j e c t - o r i e n t e dm o d e l i n g 面向 对象建模) 的方法，在类库的基础上实现模型拼合与重用。 仿真建模：许多新算法和新软件，模型与实验分离技术，即模型的数据驱动 ( d a t ad r i v e n ) 。 仿真实验：将实验框架与仿真运行控制区分开来，实验框架定义一组条件， 输出函数的定义也与仿真模型分离开来。 图2 1 仿真的基本框架 三坠型坐堡查兰塑兰兰蔓二一 生簦堡堕竺堡丝壅墼墨竺墅望堡皇塞翌 o r e n 提出的现代仿真的概念框架，如下图2 2 所示： 图2 2 现代仿真的概念框架 一“仿真问题描述一一“仿真建模” 一“行为产生”“仿真实验” 一“模型行为及其处理”一输出处理 2 2 虚拟实验的技术背景 ， 仿真理论的不断发展以及计算机技术的不断进步推动虚拟技术不断进步，尤 其图形技术的发展，使得虚拟技术在行为分折、结果显示方面有了突破，可以在 计算机屏幕上看诸如物体的结构、运动情况等与实际接近的内容，而不再只是看 到枯燥的结果数据。 近些年来，随着计算机硬件和软件技术的不断发展，计算机的性能得到极大的 提高。以前需要工作站才能运行的软件，如今在普通的p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 上就能很好的运行，这使得虚拟技术有了进一步发展和普及应用的基本条件。 歼发网上虚拟实验室的技术有多种，早期使用的主要有w e b 技术、c g i 技术 和a s p 技术，目前较为流行则是j a v a 技术、v c + + 技术和v r m l 技术a 下面对 后三种技术的产生、特点和应用范围进行简要介绍。 托亲。书电大学硬t 论文 诗葬梳潮络纛藏蒺验系缝黥建摸与实璃 2 ，2 ，lj a v a 技术 j a v a 语言怒s u n 公司推出的一种犏程语裔，最初是用来解决一些霖电的智能 纯闫莲，菠羞互联稠赘发震，j a v a 良箕疆安全瞧、平台无关懂、疆静终椽无关缝、 语言简洁同时面向对象，在网络编程语言中占据很大的优势。 平台无关镶是指j a v a 雏运行于不闲静平螽。j a v a 萼l 迸虚损鞔原理，并运行于 虚拟机，实现不同平台的j a v a 接口之间。使用j a v a 编筠的程序能在世界范围内共 享。j a v a 的数攥类型与机器无关，j a v a 盘拟机( j a v a v i r t u a lm a c h i n e ) 建建立程硬 件和操圣# 系统之上，实现j a v a 二进制代码的躺释执行功能，提供于不嗣平台舶接 口的。 j a v a 貔编聪类 矬e h ，毽j a v a 舍癸了c + + 豹指针辩存旗嚣地垃静攫接掇悸， 程序运行时，内存由操作系统分配，这样可以避免病簿通过指针侵入系统。j a v a 对程序箍供了安全管理器，防童程序静菲法诱麓。 j a v a 吸取了c + + 磷向对象的概念，将数据封装于攒中，利用类的优点，实现 了程序的简洁憔和便于维护褴。类的瓣装性、继承往等有关对象的褥程，使程序 代码只蔫一次缡译，然质通过上述特憔反复利用。程序员只器把主要耩力用程类 和接口的设计和应用上。j a v a 提供了众多的一般对象的类，通过继承即可使膈父 类兹方法。在j a v a 中，类豹继承关系是整一的嚣多重的，一个子类只青个父炎， 子类的父类又谢一个父类。j a v a 提供的o b j e c t 类及其予类的继承关系如同一棵倒 立篷穗澎，稷黉爱o b j e c t 类，o b j e c t 蹙凌藐强丈，经磐会菠爱到它及英它派室爨 子类。 j a v a 建立程扩展t c p f p 黼络平台上。库螽数提供了蠲珏秘擎彝f 弹瓷议健送 和接受信息的方法。这使得程序员使用网络上的文件非常容易。 j 州a 致力于检查糕序在编译和运行时的错误。类裂裣查帮助检查岛许多开发 早袭蹬溪麴错误。j a v a 童己操纵内存减少了内存出错的可能性。j a v a 还实现了真 数组，避免了覆盖数搦的可能。这些功能特征大大提商了开发j a v a 应用程序的周 期。 假j a y a 语言的致命不足，是它的执行速度。j a v a 谱言是一种解释性的语言， 它的逮度与经过编译形成的可攮行程跨襁琵，不可露| 三| 瑟语，褥在纛羧实验中， 日肉应的速度也是一个非常重要的指标，并且，经过编译的字节码本身也很大，在 网上的传输也臻占用大量的资源。 7 北京u 大学顿卜论文 计算机阀络虚拟实验系统的建模与实现 因此在虚拟实验设计中，j a v a 适用于对交互性和图像的效果有一定要求的实 验。 2 2 2v c + + 技术 v i s u a lc + + 是m i c r o s o f t 公司出品的可视化编程产品，是开发w i n d o w s 应用程 序强有力的工具。v i s u a lc + + 中包括a c t i v e x 开发软件、数据库开发软件、3 d 动 画开发软件以及许多与i n t e m e t 有关的开发软件。 + 下面简单地介绍下c + + 对面向对象程序设计方法的支持。 c + + 支持数据封装，就是支持数据抽象。在c + + 中，类是支持数据封装的工 具，对象则是数据封装的实现。c + + 中的类是数据和函数的封装体，结柯可作为 一种特殊的类，它虽然可以包含函数，但是它没有私有或保护的成员。 c + + 类中包含私有、公有和保护成员。c + + 类中可定义三种不同访问控制权限 的成员。一种是私有( p r i v a t e ) 成员，只有在类中说明的函数才能访问该类的私有成 员，而在该类外的函数不可以访问私有成员：另一种是公有( p u b l i c ) 成员，类外面 也可访问公有成员，成为该类的接口；还有一种是保护( p r o t e c t e d ) 成员，这种成员 只有该类的派生类可以访问，其余的在这个类外不能访问。 c 抖中是通过向对象发送消息来处理对象的，每个对象根据所接收到的消息 的性质来决定需要采取的行动，以响应这个消息。响应这些消息是一系列的方法， 方法是在类的定义中使用函数来定义的，使用一种类似于函数调用的机制把消息 发送到一个对象上。 c + + 中允许友元破坏封装性。类中的私有成员一般是不允许该类外面的任何 函数访问的，但是友元便可打破这条禁令，它可以访问该类的私有成员( 包含数据 成员和成员函数) 。友元可以是在类外定义的函数，也可以是在类外定义的整个类， 前者称友元函数，后者称为友元类。友元打破了类的封装性，它是c + + 另一个面 向对象的重要性。： c + + 支持多态性，c + + 允许一个相同的标识符或运算符代表多个不同实现的函 数这就称标识符或运算符的重载，用户可以根据需要定义标识符重载或运算符 重载。 c + + 中可以允许单继承和多继承。一个类可以根据需要生成派生类。派生类 继系了基类的所有方法，另外派生类自身还可以定义所需要的不包含在父类中的 新方法。一个子类的每个对象包含有从父类那里继承来的数据成员以及自己所特 型生型里查兰堡主兰兰一 生兰盟塑竺壁型塞壁墨堑堕塞堡皇壅翌 有的数据成员。 c + + 中可以定义虚函数，通过定义虚函数来支持动态联编。 以上是所讲的是c + + 对面向对象程序设计中的一些主要特征的支持。 c + + 以灵活性著称，利用c + + 能生成短小精悍的代码，并且基本上可以编写 出任何应用方面的程序。它既具有独特地面向对象特征，又具有对传统c 语言地 向后兼容性。利用m i c r o s o f t 公司的基本类库中封装的大量的类，可以节省大量重 复性地工作。 c h 的运行效率非常高；使用c + + 编写代码实现的系统更容易表达和理解， 使得程序更容易维护，还能减少创建和维护文档的花费。c + + 的异常处理保证能 检查到错误并进行处理，使程序更加健壮。 v c + + 特别适合于开发需要对w i n d o w s 界面进行很多仿真的系统。 2 2 3v r m l 技术 v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ，虚拟现实建模语言) 是一项和多媒 体通讯( m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ) 、因特网( i n t e m e t ) 、虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ， v r ) 等领域密切相关的新技术，其基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体。 v r m l 于1 9 9 8 年1 月被正式批准为国际标准( i s o i e c1 4 7 7 2 1 ：1 9 9 7 ，通常称为 v r m l 9 7 ) ，创立了标准化进程仅此8 个月的i s o i e c 记录，它还是第一个用h t m l 发布的国际标准。 从概念上讲，每个v r m l 文件都是一个基于时间的三维空间，它包含了可通 过多种机制动态修改的图形对象和听觉对象，v r m l 文件的一个重要特性是能够 通过包含关系把文件组织在一起，并能够通过超链接把文件联系在一起。例如， 假设文件e a r t h w r l 定义了一个境界，它利用球体表示地球，此文件还包含了许多 引用，这些引用指向表示地球上某城市的文件( 如p a r i s w r i ) ，那a 夕t 套文件e a r t h w r l 定义的坐标系包含所有城市，丽每个城市文件定义该城市所在的境界坐标系。层 次性的文件包括关系使创建任意大的动态境界成为可能。 v r m l 的另一必要特性是它试图用在分布式环境中，因而内建了支持多个分 布式文件的多种对象和机制，包括内联式( i n - l i n i n g ) 嵌入其它v r m l 文件，通过超 链接指向其它文件，采用业已制订的针对其它文件格式的h l t e m e t 和i s o 标准等等a v r m l 的访问方式是基于客户服务器模式的其中服务器提供v r m l 文件 及支持资源( 图像，视频，声音等) ，客户通过网络下载希望访问的文件，并通过 9 l 熹辩l 天掌硬l 麓空 嚣算瓴鼹络虚簌实验系蔬懿建模与禽j 燕 本地平台上的v r m l 测览 ( b r o w s e r ) 交互式撼访阉该文件描述黪虚拟壤界。由于 浏览器建本地平台提供的，从而实现了平台无必性。 传统戆v r 孛霞鬟熬实爵3 d 羞氅g | 擎在v r m l 蹲到了要好豹体瑷。这一特 性使v r 的建模与实时访问更明确的隔离开来，这也慰v r 不同于三维建模嗣动 西静褥点，磊者镁走着色，因瑟不l 趱供交互襁。v r m l 提攥了6 + 1 个叁壹麓， 即三个方向的移动和旋转，以及和其他三维空间的超锻接。 v r m l 跟h t m l 样，用a s c h 文本格式来描述境界和镰接。遮程傈证程各 静平台上通用的同时，也降低了数据擞，从而在低带宽的网络上也可实现。为了 进一步降供销数据量从v r m l 早期就开始讨论v r m l 的二进制文件格式，圈前 瑗耪i 缓敬文绎愿壤工具( 锲如g z i p ) 来压缝v r m l 文件，乎均压缩比为5 ：l 。然黼， 许多用户和开发者要求更高的压缩比，针对v r m l 设计的二迸制格式可以得到 1 0 ：1 到5 0 ：1 翡嚣缭毙，蠢蘸粟怒夔v r m l 二l 莪裁文彳譬格式懿工 乍文爨燕麦i b m ， a p p l e 和p a r a g r a p h 提出的a v r m l 其肖可律缭往。善先，对v r m l 测菀器来说，献瑾论上诱瑾该麓懋理 千百万个对象缀戏的分布在因特网上的境界。其次，v r m l 强极其强大的机器和 极其便宜的机器上都威该工作得很好，它应允许浏览嚣为了摅高性能衙降低蹲像 或彷真矮量，巅在硬传性女2 增强对质爨可以变褥更好。第三，v r m l 境界可以相 对于网络性能伸缩，从目前常见的1 4 4 k 调制解调器到以后将会常见的高速连接。 枣缭性v r m l 2 ，0 鹣整令设计影穗缀大，尽警仍骞攫多寒解决妻冬阕题，毽 v r m l 2 0 所定义的基举框架在境界规模更大和机器，网络更快时应继续保持伸缩 麓力。 ， v r m l 作为一种据准，不可能满足所有应用的具体需要。有的希塑交互性更 强，有的希望灏面质爨更高，肖的希黧v r 邋界更复杂，这黧簧求往往是程互制 约的，同时又撄受到用户平台硬件性熊的制约，因而v i 姐m l 被定义为可扩充的， 即可以根据需疆定义自己的对象及其属性，并通过原黧，描述语言等机制，使浏 笺器麓撰释这静对象及其行为。 v r m l 提供了新的使用计算机的方式，使用者能以更直观的方式与三维1 缝界 中静对象交互。v r m l 在毫予蓠务、教育、王程技拳、交互式娱乐等该域都蠢着 广泛的应用。当然，v r m l 也有不足的地方，因为v r m l 本身不涉及硬件，它不 能充分发挥计算机硬件的潜力t 北京“i u 人学坝【论史 计算机尉烙虚拟实骢系统的建模与实现 v r v i l 以上的特点使得它在被应用到虚拟实验系统瞰适用于演示性的实验。 2 3 虚摇实验模式 23 1 具有实验燮支撑的半虚拟实验模式 这种模式是近几年e i ln a t i o n a li n s t r u m e n t s ( 荛商国家仪器有限公司，简称n i ) 撬澎著芨震起来懿，是传统实验攘式的撬薹积舞孥。这是秽可以实瑗“虔( 揪 仪器版面) ( 硬件设备) 实( 体) ”操作的模式。 这穗模式翡关键在予把计算税装拳黪纹器技术缝合越来，饕信号慕褰与控镶 做成插件式，每个插件可以插入计算机的总线扩展槽内或者插入专门的仪器插件 辍、插斡箱上；将仪器静信号分析与处毽、结暴褒这由计冀枫采完成。翔计算棋 屏幕可以形象、方便地模拟各种致器控制版面，以各种形式表达输出检测结果， 用计算机软件实现各种各样的信母分析、处理，完成多种涮试功能。 这转模式的续构如爨2 1 3 赝示： 。 图2 3 半虚拟实验模式晌结构 系统主要由个人计舅祝、计薄机网络、中心实验室主视、传感器、控嗣器、 m d 、d a 转换嚣等组成，远程用户通过计算机网络，连剥主机艨，通过虚拟仪髅 将数字量转换成模拟量完成对实验室仪器的操作，最后把模拟量转换成数字量， 爱续绘遗程震户，姨瑟完藏实验。 下面介绍的两个典型的虚拟实验系统，都是纂于这种模式的： ( 1 ) 瘫省瀵工学藏鹣w e b l a b w e b l a b 是一个在线实验室，于1 9 8 8 年开发并投入使用。熬本结构如图2 4 所示，包括设备稔溺器( 一个h p 4 1 1 5 b 半导钵参数分辑使) 和一台诗舅飘( 实戮 双重任势：设备按制器和w e b 服务器) 。要检验的设备安放在链接到设备检测器 上的测试周定设器上，设备和计掉祝之间的通信通过g p i b 接日产生。h p e 5 2 5 0 a 转换矩辫为8 个不同载设备链接副系统中提供多鼹复用技术。 苎生苎堕型苎塑! 圭皇垒鉴一一 生塞垫旦望壁型壅壁墨竺塑些堡兰兰垫 图2 4m i t 的在线实验室 ( 2 ) 卡耐基* 梅隆大学的虚拟实验室 c m u ( c a r n e g i e m e i l o n u n i v e r s i t y ) 的虚拟实验室为传统的实验室平台与未来 的实验之间提供了一种独特的链接。基本结构如图2 5 所示： 图2 5m c u 的虚拟实验室 在虚拟实验室中，链接到工程测试设备上的计算机类似于示波器和函数发生 器。无论在宿舍还是其他地方。学生通过互联网链接到这些设备时，都能够控制 计算机和设备。另外，使用视频器可以看到物质世界中发生的一切。 c m u 虚拟实验室的核心是一组一般用途和特殊用途的虚拟设备和数据分析， 可以完成其他设备不能实现的功能。实验室的核心设备是函数发生器、数字万用 表。数字示波器。这些设备由个人计算机上运行的h p v e e 软件执行，并通过 2 北京_ l j | j j b 人学顺 论文 计算机网络虚拟实验系统的建模与实现 t i m b u k t - u 软件进行远程控制。 无论是m i t 的在线实验室，还是c m u 的虚拟实验室，都是基于网络的。实 验不再局限于实验室中，可以通过网络不受时间和空间的限制利用实验设备，为 实验教学环节提供了强有力的支持。 2 3 2没有实验室支撑的纯虚拟实验模式 没有真实的实验室作为支撑，全部利用互联网络资源，使用仿真技术、虚拟 现实技术等高科技手段创造虚拟实验环境，实验者像在真实的环境中完成实验的 各个环节的过程称为纯虚拟实验模式。 把握这一概念应该从两方面入手：第一，在纯虚拟实验模式中操作的不是真 实存在的设备，而是由计算机模拟的设备；第二，通过计算机进行的实验是虚拟 的。 。 许多公司和教学科研单位研制了多种网络环境下的实验仿真软件，它们包括 了机械、电子、力学、物理、化学等多个学科和领域。如i n t e r a c t i v e i m a g e t e c h n o l o g i e s 公司开发的e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h 电子仿真网络实验系统等a 学生可以利用网络环境完成实验系统的设计、虚拟条件下的网络实验、取得 实验结果和填写实验报告等各个实验环节，并且可以同时进行相关资料的查询、 接受教师的网上个别辅导、参与实验相关专题的讨论。 这种模式的结构如图2 6 所示： 图2 6 纯虚拟实验模式的结构 2 3 3两种模式的比较 半虚拟实验模式的特点是：第一，这种实验是实时、真实的，学生通过虚拟 仪器面板实时地操作的是真实的仪器设备，得到的数据真实可靠；第二，由于各 卫生坐坠坠笠兰竺土兰翌 生兰垫堕堡垒型兰堕墨望箜垄堡兰壅型 种各样的信号分析、处理由计算机软件实现，最后的结果可以表达得更为形象， 表现的角度也可以更多样。 原则上，网上的用户只要获得权限，都可以申请实验操作。但由于面对的是 真实、实时的硬件设备，每个设备同一时间只允许被单一的用户占用。也就是说 这种模式下的系统，可以满足同时实验的学生数量就是实验装置的数量，所以没 有解决降低实验设备成本的问题。 由于这种模式有实验室支撑，可以对远程设备进行控制，这就需要网络有足 够的可靠性，并提供足够的速度来支持快速交互响应。需要进一步开发从仪器输 出数据以及向仪器发送指令的方法。另外，还需要开发一些可远程控制的大型仪 器设备，以及制定一系列相关的标准、协议和应用程序接口。 纯虚拟实验模式的特点在于：第一，它不受时间和地点的限制，实验活动可 以在任何时候的网络终端上进行，使实验场地得到有效的延伸；第二，它有利于 创造型人才创新能力的培养。利用网络实验环境，可以发挥实验者的想象力，去 实现自己的设计，而不受器材、仪表等的限制，同时也二不用担心实验的失败会对 相关设备造成的损坏。这无形中为学生的创造力发挥提供了十分广阔的实验空间， 这是传统实验模式下无法实现的；第三，这种模式有利于降低实验成本，进行破 坏性实验、超负荷实验、化学实验，是实验室的建设进入一个良性发展的轨道， 具有较好的效果。特别是对敌我双方军事对抗演习、原子爆破等在实验室无法进 行的实验，更具明显的优势。 虽然纯虚拟实验模式能够较好地满足远程教育实验教学的需求，但由于受网 络技术、虚拟现实技术发展的限制，这种实验模式在目前还难以完全取代真实的 实验， 由此可见，现有的这两种虚拟实验模式各具特色，又各有利弊。在虚拟实验 系统的构建中采取何种模式，应该视实际情况而定。 2 4 虚拟实验的发展方向 虚拟实验的技术逐渐走向成熟，现有的网络条件也不断得到改善。经研究后预 测，虚拟实验将会向下面两个方向发展： ( i ) 协作式虚拟实验室 与同伴合作是实验过程中一个至关重要的环节，因为科学实验常常是种协作 北荣| | | l i 咆大举坝l 论史 计算机嘲烙虚拟实验系统的她模与实现 性的活动。有人把协作按术分为两个主要部分：倍息共事技术_ 手妇讽信技术。其中， 信恿共享技术使缮焉户够让别的用户意识到健黝活动以及逶动熬结票。透信技 术( 如聊天室、电子邮件等) 使得人们能相互协作讨论他们的工作。通信技术现 徐菠已经院较残熟，两绩。錾共享技本鄹魄较难隧实瑶，溺为它一方嚣要袋实魂鬣 杂的数据类型的转换：另一方面，它还没有较好的群件。原因一是c s c w ( c o m p u t e r s u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) 岗楚于未成熬阶段；二是傍佟任务不同，开发套普 遍适用的规则较难。 因此，协作筑虚拟实验室的两标设计很重要，其目貅就是簧减少地域障碍， 便世赛各地鲍学生2 在翳上一起遴萼亍辩学实验j 5 讨论。协作式虚拟实验赛的结梅 摇图如图2 7 所示： _ _ ，_ - - j - - 。- - - 。 ( t ) ：豫定的s o c k e t 连接 鞠2 7 绥俸式裳簇实验塞戆缝稳 在协作式虚拟实验室中，每个用户都有一个特定的个人域并拱享一个群域， 通道这种方式，拿人和小组王子# 甑可戳个箍发生，又可阻同时发象。 协作式虚拟实验室要注意解决好一下三个方灏的问题： 一是小组知情程度：小组知情程度会影响个人的工作能力。从个人角度出发， 让小组或受知情赦越少，越容易控制自己嬲工传；从小缎角度考虑，不究分了解 个人的情况会影响掷作的效果。 二是强步还怒异步：麓步方袋髂瑰了及时交甄睦，毽瓣霹络逶痿的要求较离。 协作式虚拟实验巍采用固步还是舜步，主薅取决于实验任务的属性a 三蔻角色定义：协俸式虚掇实验室麓否需要提餐不蠲的角色? 旁色分配瑟瑟 活性? 角色结构设计过程中，是镬考虑到丽个用户同时掇任一个角色- 他们的工 瞄空间零疗奇物体燎否同时得到响应? ( 2 ) 叁适应虚拟实骏室 北京州i b 大学 i | i il 论立 计算机网络虚拟实验系统的建模与实现 “自适应实验”指能修正自己的特征以响应规则原理的变化，并根据学习者 的学习过程生成一个反馈回来，为学习者提供一个自适应的获取知识和技能的实 验环境。 自适应实验室系统原理框图如图2 8 所示： 图2 8 自适应实验室系统的原理 假定系统的输入u ，经过预处理单元后其输出为y m ，当被控对象结构变化或 参数偏离时，自适应机构根据参考模型输出与被控对象输出之差及其变化，产生 一个自适应信号，调整前馈、反馈调节器，使参数收敛，即e = y m y p 一 o 该系统的基本特征是能从环境中获取信息并能自动改善其性能。主要体现在 两个方面： 。 一是为学生提供一个自适应的实验环境：把学生的实验过程记录下来，反馈 其存在的问题，使得学生对自己遇到的问题反复练习，或向教师和学生寻求帮助， 从而掌握相关知识和解决问题的技能。 二是当过程己知时，实验设计过程规定了一组参数；当处于未知领域时，自 适应实验的参数应当收敛到希望的参数范围内，体现出系统的开放性和协同性， 这是现阶段虚拟实验最难实现的。人工智能、模糊控制、神经网络技术的发展为 谋求此类问题开辟了新的途径。 6 j 京邮 大学硕士论文 计算帆褥络虚拱实验系统赫建模与安现 第三章计算机网络课程与实验 3 i 计算机网络课程概述 诗簿掇瘸终广泛蟪建趸予王翌、囊照、金融、秘磷、教弯毅及基鬻生活戆各 个领域，成为倍息社会中不可缺少的蕊础设施，成为信息网中承担传输和交换信 患的公雳平台。其重癸经已被越来越多豹人螽谈鼋鬟，久鬟j 遥甥需要了瓣诗算橇瓣 络知识。因此计算机网络课程成了大学本科计算机专业四年级的必修谦和大专计 算机专业三年级的必修谋，以及计算梳相关专、监的选修谍。 教育部立项勰决远程实验教学存农的皿题，之所以会选择计算机网络课程的 实验作为试点，主要避是由计簿机网络这门课程的知识体系绪构、特点和教学任 务决定熬。 j 1 1计掉机网络课程的知识体系结构 每- - f l 课壤俸为教学单位酃应研究簿门学瓣颁域中的漂纛，骨么燕该漂程瓣” 知识体系结构。从课程的”知识体系结构”总体分析看，课程的”知识体系结构”是 由知识体、知识面和知识点缀成。 计袋枫网络课程鲍知识体楚计算机技术和通信技术的结合。计算机网络课程 涉及到计算机方面的磷件知识斧口软件知识，还涉及到通信技术。通信技术涉及到 冬静透信嚣瑾、遗攘设舞、逶壤奔臻积懑售技术。走了凌鄹终上戆相互”通售”，除 了必要的通信技备外，通信双方还必须有统一的规则、约定、标准或协议。 翔毫 ：；l 蟊是阏络落系结穆聂箕两含懿各耱黧莲、麓鄹、鳇定、标疆_ 摹葵按议，茏 其涉及到很多不断增加和变化的国际标准等，猩我国加入w t o ( 世界贸易组织) 后一 互相依赖、互相竞争和互相发展的局谣更键使人们要努力学哥稀学薪援术葭笈耱 关的法雄法搜。 计算机网络课程学习的知识点是大量结合众多的阿络互德设备、喇络软磷件 舞产晶中懿象壤念、蓊名弱、戆末语瑚鞭技术等。 3 1 2计算机网络课程的特点 献上面对计算辊弼络酶翻谈俸系终穆豹分辑，不鼹发瑗这门课程除了具蚕 般课稷的共性以外，逐有自身的一些特点。 北京邮l 毡大学硕士论文 计算机网络虚拟实验系统的建模与实现 首先，由于计算机网络发展迅速，课程中涉及的新名词和新概念很多，而且 大多概念都是非常抽象的，教师要清楚地讲解这些概念比较困难，学生更是难以 理解。 其次，计算机网络的结构体系本身比较复杂，为了便于理解，人们把网络分 成不同的层，这些层之间又有基本的规则。但是分层模型还是人为抽象出来的， 对它的理解，对于m