（计算机系统结构专业论文）基于统一建模的虚拟实验数据管理系统.pdf

i 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 随着计算机技术的飞速发展，虚拟教学实验得到了越来越广泛的应用。然而， 传统虚拟实验的开发模式大多是从某一具体课程出发而开发的，开发周期长，开发 手段各异，形成的教育资源不能被其它系统共享，重复开发多，资源浪费严重。面 向对象的开发模式在一定程度上克服了上述不足，但是对象之间格式不统一，很难 存储和管理，扩展困难。 为了克服以上虚拟实验开发模式的不足，为不同学科的虚拟实验提供统一的底 层支撑，提出了基于多领域统一建模的数据管理（dmumvee，data management based on unified modeling of virtual education experiment）方法，为各类虚拟实验提 供一致的实验数据资源的存储，并支持大规模用户并发访问。在面向对象开发模式 的基础上，引进了虚拟实验数据规范管理机制，利用数据规范的一致性、灵活性和 可扩展性，为不同学科实验开发提供统一的数据管理方法。从不同学科的共性特点 出发，将虚拟实验抽象成实验环境、实验器件和实验配置三大模型，制定了虚拟实 验数据的统一管理框架。同时，考虑到不同学科、不同器件的个性特征，在建模时 设置了统一的属性扩展方案，容纳对象实体的差异。各类实验资源具有灵活的可配 置性。复杂器件可以由简单器件组合而成，各类实验器件可通过灵活的实验配置方 案组成不同的实验环境，标准统一，开发方便，共享性强。在统一数据规范的指导 下，数据管理采用存储管理、核心数据管理和接口管理的分层耦合架构，为不同学 科虚拟实验制定统一的存储模式，提供统一的底层支撑，实现一致的存储和访问， 实验数据能够有效共享。数据管理在不同层次进行性能优化，提高数据资源的并发 访问能力、负载均衡能力和快速响应能力。 通过测试表明在 dmumvee 支撑下开发的虚拟实验运行良好， 可配置功能非常 实用，证明了数据规范设计是合理的。数据管理各部分都能很好地支持实验平台的 应用，可扩展性好，具有多学科资源共享的能力，跨学科的实验开发容易。性能测 试表明此数据管理机制能够支持大规模用户的在线访问，整体性能好。 关键词：关键词：虚拟教学实验，统一建模，数据规范，数据管理，接口设计 ii 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 abstract virtual education experiments has become widespread. the existing virtual experiments mainly use the mode of single development with a long development cycle. the experiment resources developed cant be shared by other laboratory system. its very difficult to develop multi-disciplinary experiment in existed developing mode. in order to overcome the above limitations, someone proposed an object-oriented development mode, which abstracted the experiment device into object. it helped to facilitate the development of the experiment. but being the difference of objects format, the objects data had no uniform storage. this paper presents a new mechanism to develop virtual education experiment based on data standard and gives a set of data management method to manage the developed data in this method. in this new method, virtual experiment data standards are designed firstly. meta data standard is abstracted in the experiment layer. in this paper, we describe four core experiment modules data standard. each module designed independently, stored the designed data into our dmumvee (data management based on unified modeling of virtual education experiment), and assembled by experiment configuration. many data stored and many users visited, dmumvee proposes a distributed and object-oriented data management mechanism and gives a performance optimization mechanism to improve systems access speed. the test shows that the virtual experiment which is developed under the unified data standard guide works well, and the configurable function of experiment is very useful, it proves that the standard is designed correctly. each part of data management surports the experiment platform running well. the test shows that this data management mechanism can support large-scale online access of users and has the ability of multi-disciplinary resource sharing. key words：virtual education experiment, unified modelling, data standard, data management, interface design 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 本章首先提出虚拟实验支撑平台数据管理的研究背景，然后阐述虚拟实验系统 和虚拟实验数据管理在国内外的研究现状，随后给出课题的背景和研究内容，最后 描述论文的组织结构。 1.1 问题的提出问题的提出 随着仿真技术1、可视化技术2、网络技术、富互联网技术3以及远程教育的普 及，网络虚拟实验表现形式丰富4，提高了学生的参与感，越来越受欢迎和重视。虚 拟实验研究成为实验教学和远程教学中的国内外研究的热点4， 是教育发展的一种新 趋势，受到越来越多的关注。 目前，很多高校和企业都在开发自己的虚拟实验5,6，在网络上以收费的方式提 供给用户远程使用。但是，这种模式收费昂贵，用户并不多，开发的实验资源7没有 得到很好的利用。究其原因，主要存在以下几个问题： （1）开发周期长，功能单一。针对同一个实验，如电工电子实验，不同的机构 都从头开始研究仿真技术、可视化技术、智能指导技术和编程技术，开发周期长。 开发者针对自己熟悉的单一实验的特征总结仿真技巧和表现方式，很好地开发出这 门实验的虚拟实验内容。由于开发者只熟悉这一门实验的内容，其开发的目的也只 是为了提高本学科的教学质量，故没有继续发挥其虚拟实验开发的特长，造成很大 的人力浪费。其他学科的老师为了开发本专业的实验，只能重新摸索一套开发方法， 开发周期很长； （2）不同的实验选用不同的开发模式8。不同的实验具有不同的特点，开发者 都是针对本学科目前市场上比较成熟的仿真工具和指导方法9进行设计和开发10。 所 以，不同学科严重依赖底层的仿真工具。可移植性、可配置性11、可扩展性很差， 开发模式12也很难借鉴和扩充； （3）各自独立开发，独立运营。不同学校开发同一门学科的实验时选用的开发 技术13,14和侧重点不同，开发出来的器件不能共享使用。重复劳动多，硬件和软件资 源严重浪费。 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1996 年 wulf 等教授提出了网络虚拟实验15的概念，描述了基于网络的理想实 验环境。一个虚拟实验的框架应该是能够很容易创建实验并支持虚拟实验的有效运 行。并且，在一个开放式的学习环境中，学生需要能够从不同的侧面去探索实验， 通过修改参数提升学生的研究能力，增加对实验的理解。虚拟实验系统能够响应学 生的操作行为，并且在不同的环境状态下做出不同的响应，加深学生对自己操作行 为的理解。人们期待虚拟实验能够满足教学、科研和开发的需求，能够处理复杂的 问题。因此，现在的虚拟实验需要能够能够有效管理互联网上的实验资源和提供数 据存储能力。 虚拟实验的发展先后经历了原理演示、器件模拟和虚拟仿真16,17三个阶段。国 内外很多大学和研究机构都比较重视虚拟实验在教学应用中的重要作用，先后开发 出自己的虚拟实验平台。虚拟实验主要用来模拟一些无法用硬件实现或实现代价太 高的实验，利用了虚拟实验的仿真性和研究性去克服传统实验的这些缺点。虚拟实 验的仿真性和没有时间和空间的限制的特点，是它逐渐成为教育的一个研究热点。 密歇根大学的 vrichel 开发的化学工程虚拟实验18,19， 展示了不同环境下的化学反 应和变化。它采用虚拟现实技术，构造出具有 3d 效果的逼真实验场景，很好地提升 了用户体验。 美国simulation plus公司的futurelab虚拟实验室于1998年推出， 主要包括生物、 地理、自然、化学、物理等中学教育的虚拟实验室，学生可以在虚拟实验室尽可能 发挥自己的想象力，按自己的意愿去设计实验20，既可验证，更可创新；该公司目 前正在研究面向教育的工程热传递、电子电路、流体机构、动力学、热动力学、空 气动力学等虚拟实验室；futerelab 是一种教学模拟软件，采用多媒体技术，很好的 展现实验的内涵。futerelab 开发了十几个学科的虚拟实验，不同学科的实验都是针 对自身的特点而独立开发的，开发经验可以相互利用，但学科之间的数据格式不同， 没有统一的管理，不能够相互共享。同一个器件在不同学科的实验中使用也需要重 新开发。虚拟网络实验室（vint）是由 berbeley 大学为主开发的，主要用于网络协 议的研究与开发。vint 采用了软件体系结构的思想21，以网络仿真器作仿真引擎， 采用面向对象建模技术，较好地解决了系统结构和系统建模问题。vint 具有与真实 网络的接口通信的接口技术，可以作为真实网络的一个端点，可以对计算机底层资 3 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 源控制22。vint 采用集中的数据库来存储和处理实验中的数据，数据的格式与真实 网络具有相同的格式，与真实网络可以进行交互，对其它虚拟实验的开发具有很好 的借鉴意义。 北京邮电大学开发的远程访问的网络实验， 是采用 java 脚本语言编写 的，实验的数据从服务器发送到客户端机器上执行仿真过程，访问速度与用户的机 器有关，与网络状况没有太多的关系。它的网络实验采用了用户数据库，保存用户 的基本信息和用户的实验信息，实验器件是直接写入到程序中，不方便扩展。 国内外在电路模拟仿真23方面的研究非常多。spice 软件是 donald pederson1 于 1975 年在电子研究实验室首先建立的。该软件是一种用于电路描述与仿真的语言 与仿真器软件，用于检测电路的连接和功能的完整性。基于 spice，国内外很多大 学相继开发了自己的虚拟电路实验软件， 如 wake forest 大学的 circuitmaker、 virginia 大学的 circuit lab 等。国内的北京邮电大学开发的电子线路实验是采用 spice 开发 的，很方便开发实验的组件24,25，表述方法一致26，器件开发容易；器件都是以编 号组件的方式存在于仿真源码中，没有单独存储；实验的拓扑结构以文件的方式存 储到文件系统中。不便于移植到其它学科中。华中科技大学计算机学院欧阳星明等 开发的电子线路实验可以逼真地模拟电子线路实验过程，表现形式丰富，实验灵活， 具有故障排除和智能指导功能；采用单机模式开发，在国内以收费的方式提供给客 户使用。以上对虚拟实验系统的研究和建设，取得很多成果，但是普遍存在开发周 期长，功能单一，界面不友好，虚拟器件开发复杂，不能重用等问题。 虚拟实验在原理演示、器件模拟阶段，几乎所有的内容全部由编程实现，不存 在数据管理的需求。在虚拟仿真的桌面仿真系统和 c/s 模式的仿真系统阶段，虚拟 实验的主要器件都是由图片来表示，数据管理就是在系统中创建多个固定的目录来 保存实验器件的图片文件，实现非常容易，器件的所有方法和操作全部都固化到程 序27中。网络虚拟实验阶段，用户远程访问虚拟实验服务器提供的虚拟实验服务， 大量数据需要从服务器传送到客户端。目前主要有三种方式，一种是 c/s 模式，操 作和仿真计算在客户端，虚拟仪器存储在服务器端，另外一种是 c/b/s 模式，虚拟 仪器存放在服务器端，仿真计算在客户端，用户操作在浏览器上；另外一种是 b/s 模式28,29，将虚拟仪器存放在服务器上，仿真计算和用户操作环境在客户浏览器端。 这三种模式都非常流行，前两种安装有客户端，可以将环境内容写入到客户端，实 现网络上的虚拟实验。但是这也恰好是这两种模式的弊端，用户需要额外安装软件， 这对有些场合非常不适用，如机房不允许客户安装程序，限制了客户的使用。后一 4 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 种是将仿真计算利用 javascript 将仿真组件加载到客户端运行，利用客户机器的内存 资源来完成仿真计算30。这种方式非常方便，不需要用户安装任何程序即可以运行 实验，但是，这种模式对计算机的性能要求比较高，而且要求系统有支持系统仿真 运行的环境。教育系统中实验室的机器都比较陈旧，性能不高，要运行这种模式， 比较有挑战性。最后一种模式，就是将虚拟实验的虚拟仪器、仿真计算都放在服务 器端，用户端只需要浏览器来运行实验环境。 在最后这种模式中，数据管理31变得非常重要，不仅管理的内容越来越多，需 要传输的内容也越来越多。数据管理的从手工管理发展到文件管理、数据库管理和 分布式数据库管理系统，数据管理的功能越来越强大。在虚拟实验中数据管理也经 历了从无到有的过程。目前，可以应用到虚拟实验的数据管理方法基本上分为文件 管理、数据库管理和二者混合管理三种方式。 （1）文件管理。文件管理方式主要是管理非结构化数据，这种方式下的存储容 量与设备的最大存储容量相同，访问速度与系统的i/o能力一致。优点是扩展容易， 存储不受限制。缺点是：文件的一致性比较难以保证。 （2）数据库管理。数据库管理方式主要是管理结构化数据32,33。数据库中存储 结构化的内容，查找速度与库表中的记录条数和每条记录的大小有关。记录数据越 多，查找速度越慢。数据库管理系统的存储容量与所选用的数据库种类有很大的关 系。如mysql最大存储的条目数可以达到100万条，postgresql最大存储条目可以 达到10000万条34。数据管理系统的访问性能与选用的数据库系统的查找策略及性能 优化策略35,38息息相关。因此，需要根据具体的应用特点来选择适合自己的数据库管 理系统。数据库管理技术还包括集中式数据管理技术和分布式数据管理技术。集中 式的数据管理技术在一定规模的数据查询时具有很好地性能，但是无法应对大规模 的数据存储和访问。分布式数据库管理技术将一个个大的数据表采用横向分割或纵 向分割的方式，分开存储，多台机器相互备份，对统一查询请求并行访问，提高响 应速度，但是对小型系统来说，分布式数据库并不具备很好的性能。 （3）数据库管理和分布式管理相结合的管理方法。文件管理和数据库管理二者 具有各自的优势和劣势，可以将二者结合起来，发挥各自的优势，扬长避短，具有 比单一方式更好的性能。针对既有结构化数据，又有非结构化数据，而且数据量巨 大的应用，可以采用数据库系统存储结构化数据，文件系统存储非结构化数据。一 般非结构化数据所占空间较大，用文件系统来管理存储容量不受限制。而一般结构 5 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 化数据条目较多，查找频率高，用文件的方法管理需要重复的i/o操作，影响系统性 能，而数据库系统存储结构化数据非常方便，查找速度快。满足不同数据的访问需 求。 1.3 课题背景与研究内容课题背景与研究内容 本论文研究内容来源于国家科技支撑计划项目“虚拟实验教学环境关键技术研 究与应用示范”中的课题 5“开放式虚拟实验支撑平台的设计与开发”。 本研究小组属于课题 5：开放式虚拟实验支撑平台的设计与开发。课题 5 的主要 工作就是提供这样一个统一的虚拟实验平台：组合封装其他课题开发的工具；存储、 管理和维护其他课题开发的资源；为访问资源和工具提供接口。为了完成这些功能， 实验支撑平台又分了这样的四个层次：用户层、服务层、支撑层、接入层。图 1.2 给 出了支撑平台各层的内容。 图1.1 开放式虚拟实验支撑平台的四层结构 基于多领域统一建模39的数据管理是本课题研究的主要内容，它是支撑平台非 常重要的部分，本文从整个平台实现的高度去通盘考虑系统的总体需求，然后根据 系统需求设计接入层中各种数据的存储格式、存储规范40,41；实现支撑层中的数据 调用接口、数据交互格式，依靠安全、可靠的分布式数据库支持虚拟实验的实时、 可靠、高效、高并发的访问。 6 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1.4 论文的组织结构论文的组织结构 论文主要研究内容如下： 分析虚拟实验系统的数据流程，研究虚拟实验支撑平台数据管理的需求；设计 满足需求的虚拟实验数据规范； 提出虚拟实验数据管理的解决方案， 完成 dmumvee 的实现。 论文其他章节的内容组织如下： 第二章首先给出了虚拟实验支撑平台的总体框架，对框架中的模块间的数据交 互进行了描述，然后分析 dmumvee 的需求，得出 dmumvee 的系统结构和数据 流程。 第三章阐述虚拟实验核心数据的定义，核心数据结构和映射关系，然后详细地 对虚拟器件模型、虚拟实验模型、虚拟实验环境模型、实验管理模型和虚拟实验用 户模型的数据规范进行设计和定义。 第四章详细描述 dmumvee 的存储资源管理、 核心数据管理和数据访问接口进 行设计和实现，给出采用的关键技术。 第五章是系统功能测试与性能测试。根据功能测试的结果分析数据规范设计的 合理性和正确性；性能测试主要测试数据管理架构的稳定性和并发性，对性能进行 评估，判断是否达到系统需求的指标。 第六章对全文进行总结，指出系统存在的不足和未来工作展望。 最后是致谢和参考文献。 7 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 虚拟实验数据管理系统虚拟实验数据管理系统 dmumvee 的设计的设计 虚拟实验数据管理系统 dmumvee 是虚拟实验支撑平台中的一部分， 是对整个 虚拟实验支撑平台上运行的数据资源进行管理。本章首先给出了虚拟实验支撑平台 的总体框架，对框架中的模块间的数据交互进行了描述，然后分析 dmumvee 的需 求，得出 dmumvee 的系统结构和数据流程。 2.1 虚拟实验支撑平台总体框架虚拟实验支撑平台总体框架 虚拟实验支撑平台是虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范中的支撑部分 部分，通过平台管理与调度的手段为虚拟实验教学的提供运行支持，并提供与项目 中其它各个模块之间的接口与服务。 图 2.1 是整个虚拟实验支撑平台的总体框架结构。 虚拟实验支撑平台 服务封装虚拟实验 数据管理 仿真过程 管理 智能 指导 系统 前端 可视化 多领域 统一 建模 示范 工程 图 2.1 虚拟实验支撑平台总体框架 虚拟实验平台对运行其上的各个虚拟实验教学系统的部件提供各种各样的服务 支持。虚拟实验支撑由三个主要功能模块组成，包括服务封装，虚拟实验数据管理、 和仿真过程管理。这些功能部件对仿真平台之上的职能指导系统、前端可视化、多 领域统一建模与示范工程这四个子项目提供资源管理，计算管理、访问管理、协同 控制、服务包装等支撑功能。数据管理是虚拟实验支撑平台系统的主要功能模块， 它为其上的智能指导系统、前端可视化、多领域统一建模和示范工程提供资源管理 和数据访问服务。 虚拟实验数据管理为虚拟实验支撑平台所有数据资源提供统一的存储、维护和 8 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 访问管理。数据管理将智能指导系统的数据、前端可视化的数据、多领域统一建模 的数据和示范工程开发的数据按照以实验为主线贯穿起来，制定统一的实验数据规 范，不同部分的数据按照规范来开发和存储，并有效的应用到实验中。数据管理提 供透明的数据访问接口给支撑平台的其它模块访问。 仿真任务管理依据数据管理提供的数据支持成为仿真程序与实验前台之间的交 互接口，主要是完成对仿真程序的包装，将仿真程序的运算过程包装成能使虚拟实 验系统实时运行的过程，并向前端可视化部分提供可视化变化的仿真数据驱动。同 时接受前端用户操作的控制信息，改变仿真任务、控制仿真过程。 服务封装把数据管理和仿真过程以及上层的资源各自封装成可访问的服务，提 供给服务的请求方使用。 虚拟实验支撑平台是基于统一建模的虚拟实验系统，集成虚拟实验系统所有的 模块，并为上层功能组件提供服务。数据管理模块是支撑平台中非常重要的组成部 分之一，它与其它模块间的数据交互如图 2.2 所示，这里只考虑数据管理模块与其它 模块的交互情况。 智能指导子系统实验可视化 数据管理 仿真任务 管理 仿真程序 客户端 服务器端 可视化环境 支撑层 仿真 数据 驱动 仿 真 控 制 实验资源 开发系统 实验配置 管理 提 取 规 则 组 装 装 载 数据支持 资源存储实验存储 实验 过程 存储 仿真求解 模型提取 设计开发层 其它模块之间 的交互 数据管理与其 它模块的交互 交互指导 图 2.2 虚拟实验支撑平台中不同模块间的数据交互 虚拟实验支撑平台的中不同模块与数据管理模块的数据交互流程为： 第一部分：设计开发层 9 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 （1）实验资源设计人员利用集成的实验资源开发系统设计实验器件、实验环境 和实验方法，然后将实验资源存储到数据管理中； （2）课程设计人员课程专家通过实验配置，开发课程资源，存储到数据库管理 系统中。 第二部分：支撑层 （1）可视化环境在装载时，由数据管理组装数据发送给可视化环境，完成实验 场景的初始化； （2）仿真程序从数据管理中提取实验组成部件的建模信息进行仿真运行； （3）数据管理根据仿真任务的内容，分析可能需要的数据信息，对其提供数据 支持。 第三部分：客户端 （1） 智能指导子系统会根据需要， 发出数据请求， 从数据管理中提取指导规则； （2）实验可视化在执行“运行”或者“保存”操作时，会主动请求将实验信息 存储到数据管理中。根据课程配置的内容提取实验要用到的元器件加载到实验操作 环境。 2.2 系统系统 dmumvee 的需求分析的需求分析 虚拟实验支撑平台采用 b/s 结构的设计模式，模型图如图 2.3 所示。 server 虚拟实验仿真环境 操作系统 public static boolean deletecourseconfig(long courseid,long deviceid); public static int getnumberofdeviceandcourse(string coursename,long deviceid); public static arraylist getcourseconfigofcourse(long courseid); ; 41 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 4.4 小结小结 虚拟实验数据非常有特色， 这些特点决定了 dmumvee 采用分布式文件系统分 布式文件系统存储虚拟实验中的非结构化数据，用 postgresql 和它的集群组件 pgpool-ii构成的postgresql分布式数据库存储实验资源的结构化数据的组合存储架 构。充分利用集群系统提供的负载均衡能力和并发访问能力，提高系统的访问效率。 在数据规范的指导下，建立了虚拟实验系统的数据库系统，按照数据库设计规范， 建立虚拟实验系统的核心数据表。与 portal 业务相关的非核心数据的存储被略掉。 建立数据规范中指定对象的 schema 文件，将对象的 dtd 文件单独存放，实现格式 和数据的分离，易于维护和管理。同时，在数据管理系统建立了一个常驻内存的 memory cache 对象，减少系统 i/o 时间，提高访问速度。数据访问接口采用了分层 设计机制，上层的外部接口采用面向对象的方式设计，具有统一的对象访问接口。 下层接口面对具体的数据库系统和文件系统，采用通用的方式来访问数据库系统和 文件系统。两层访问机制对用户屏蔽了数据的底层物理结构，实现了透明访问。数 据的发送和接收都是采用对象的 xml 作为传递参数，采用基于 socket 和 http 协议 作为传输协议，数据的访问首先要对数据进行解析，并组织成对象数据，然后执行 访问底层数据的语句语句。对获得的结果按照 dtd 格式进行对象封装，以 xml 的 方式发送给请求方。 42 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 5 系统测试及性能分析系统测试及性能分析 本章首先介绍测试的软硬件环境， 然后在这个环境中对系统 dmumvee 进行功 能测试和性能测试。功能测试主要是测试在虚拟实验数据规范指导下设计的数据管 理模块对整个虚拟实验系统的支持，如实验和器件的动态加载、实验的保存和实验 场景恢复、虚拟实验课程配置、器件信息的录入和管理、用户信息管理、实验科目 和实验器件的查询等，验证数据设计的合理性和数据管理的有效性。性能测试主要 测试数据请求的响应时间、并发访问能力，通过不同的测试数据，证明系统的性能 满足设计的需求。 5.1 测试环境测试环境 数据管理模块是运行在安装了 linux 系统、分布式文件系统、postgresql 和 pgpool-ii 的软件环境之上。测试采用的服务器为集群与网格计算湖北省重点实验室 的四台机器，其网络环境为通过交换机连接的 100mbps 局域网。 系统测试的硬件环境和软件部署如表 5.1 和表 5.2 所示。 表 5.1 系统测试的硬件环境 机器名 cpu 内存(mb) 硬盘(gb) 操作系统 node1 intel e5200 2.5ghz*2 2048 160 redhat 9.0 node2 intel e5200 2.5ghz*2 1024 160 redhat 9.0 node3 intel pentium 4 2ghz 1024 80 windows xp node4 mobile intel 4 1.8ghz 512 20 windows xp 表 5.2 系统测试的软件部署 系统 模块 节点机 ip 地址 用户 portal node1 3 仿真调度 node2 7 虚拟实验系统 数据管理 node3 8 web browser 客户终端 node4 8 43 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 5.2 功能测试功能测试 dmumvee 模块的主要功能是提供统一的数据访问接口，支持数据的增加、删 除、修改、查询四种功能。这里通过一系列的功能测试来验证数据管理对外提供的 接口和支持的正确性。在实际实验系统中，这些过程会有专业的界面和内容，这里 的测试主要是测试系统的功能是否完善，操作是否合理。如图 5.1 所示，演示了虚拟 实验的录入过程，首先创建一个实验，给出描述信息和指导文件。 图 5.1 虚拟实验管理中的实验描述信息录入过程 这里增加的所有实验必须是符合规范的实验，所属课程需要经过数据规范的验 证。在投入使用后，只有通过维护合法的学科信息，才能增加相应学科的实验。如 图 5.2 所示，给出所创建的实验，全部是支撑平台规定的中学实验和电工电子、机械 工程、计算机和控制工程的实验课程，输入其它的课程，系统会报错。 图 5.2 实验管理中的实验课程基本信息维护结果 设备信息是虚拟实验的核心信息，数据管理在设计的时候按照数据库设计的 3n 规范，将设备信息分成 3 个不同的表来存储，有设备的基本信息，设备的属性表， 44 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 设备的可视化信息表，在这里分别进行维护。如图 5.3 所示，给出了给出了设备管理 中的结果，体现了实验器件基本信息和属性信息分开存储的思想。器件的基本信息 的框架是一致的，只是器件不同，设备的内容不同，器件的属性的框架可以涵盖设 备所有的可修改、可计算的属性，扩展性好。合法的器件都是可用的器件，只是器 件的运行需要相应的支持环境。 图 5.3 设备管理信息维护结果 实验课程配置是一个非常实用的功能模块，充分体现了实验的可配置性，图 5.4 是实验课程配置的过程。在课程配置中，选择已经存在基本信息的实验，然后为这 门实验选择合适的实验器材。然后在这门课的实验场景中就可以使用这些设置的器 件了。图 5.4 中显示了中学实验中的化学实验课程配置了烧杯和试管两个可用器件。 每当增加一个新的实验场景后，实验的器材是可以由课程的设置人员指定本次实验 的器材。同一个实验场景实验的器材可以是不一样的。当实验器材的设计人员不断 地开发出了新的实验器材，课程设置人员都可以通过实验配置将这些后开发的器材 加入到已有的实验场景中，不需要重新编译，这个功能非常灵活和实用。同样的， 实验场景也是可以不断地开发出新的功能， 然后将新功能打包成 fla 文件加入到原有 的实验场景中去，因为 flex 具有灵活的动态加载功能。这些新开发的场景必须是 按照实验规范设计的才能与原有的场景和器材兼容。 图 5.4 实验课程配置过程 45 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 随着设备数据和实验数据的增多，从设备列表中人工查找和定位一个想要的器 件或实验非常麻烦，效率很低。设置实验查找功能和器件查找功能是非常有用的， 可以迅速定位想要的内容。图 5.5 给出了按照学科名称、器件名称和实验名称查找的 结果。在学科名称中选择自己关心的学科，然后选择想要的实验，就可以查看这个 学科中所有的器件列表，当然也可以直接在器件名称中输入名字，直接查找，这个 功能非常方便实用。 图 5.5 实验查询结果 图 5.6 是虚拟实验的电工电子课程中搭建实验及运行实验的结果。 图 5.6 电工电子实验搭建及运行结果 图 5.6 左侧的器材框是运行环境发出电工电子实验访问请求后， 数据管理经过查 找并组装电工电子课程的器材信息、 运行环境信息、 操作方法信息， 然后封装成 xml 发送给运行环境，由运行环境加载生成图 5.6 中的左侧工具栏和右侧的操作台。用户 通过拖拉器件栏中的器件到实验操作台中，搭建电路实验。在用户点击“开始”按 46 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 钮，运行实验时，发送保存实验场景拓扑文件到数据管理，并且运行仿真求解得出 实验结果，然后在数据管理中调用“灯泡发亮渲染方法”来显示灯泡通电后发光的 实验现象方法，调整电阻值的大小，灯泡发光的强度会相应发生变化。实验的过程 和运行结果见图 5.6 所示。系统可以手动增加、删除和修改器件，查询和浏览器件属 性值。前台可以选择科目后自动加载数据文件，实验保存文件和恢复实验都是在数 据管理的支持下虚拟实验系统前台可以完成的内容。新增加的器件和实验场景在实 验配置下增加到新课程中，并且能够在被前台显示，过程和结果同图 5.6，测试证明 实验的配置接口非常灵活，可以实现动态增加器件和动态增加课程的能力。这些测 试都证明系统的设计正确、核心数据定义准确和可靠。 5.3 性能测试性能测试 性能测试主要测试数据请求的响应时间、并发访问能力。数据请求的相应时间 越短性能越好，支持的并发访问数越多，响应时间越短，性能越好。本测试主要包 括两个部分： （1）在数据库的单表有 10000 条记录的情况下，每个用户执行 10 个请 求，分别测试 1 个、10 个、100 个、1000 个、10000 个用户发出请求时的系统响应 时间； （2）测试方法同（1） ，但是改变数据库中单表的记录数，分别测试单表记录 数为 1000 条、10000 条、100000 条的情况下，用户查询的响应时间。记录测试时间 的结果如图 5.3 所示，图中数据的单位为毫秒（ms） 。 表 5.3 在不同记录数和用户请求数下的响应时间 请求的用户数（个） 记录数（条） 1 10 100 1000 10000 1000 40 533 2904 20796 199698 10000 103 1356 7431 41037 394166 100000 280 3957 21549 63214 607025 测试表明虚拟实验的查询时间与数据库单表的记录数有关。在相同个数的用户 请求下，数据库表中的记录数越多，查找速度越慢，花费的时间越长。当数据库表 的记录数量一致时，用户请求数越多，响应请求的时间越长。从表 5.3 中的数据可以 看出，在数据库表的记录数一定时，它的查询时间与用户请求的数量大致成正比， 查询时间随着请求数量的增大而变长。同时，表 5.3 还说明当用户请求数一定时，用 户请求的响应时间与记录的条数大致成正比，表中的记录数越大，响应时间越长。 47 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 5.4 小结小结 本章首先介绍测试的软硬件环境， 然后在这个环境中对系统 dmumvee 的功能 和性能进行详细测试。功能测试主要是测试在虚拟实验数据规范指导下设计的数据 管理模块对整个虚拟实验系统的支持，如实验和器件的动态加载、实验的保存和实 验场景恢复、虚拟实验课程配置、器件信息的录入和管理、用户信息管理、实验科 目和实验器件的查询等，验证数据设计的合理性和数据管理的有效性。通过功能测 试表明，该系统具备了动态增加器件、实验场景和实验课程的功能，能够很好地支 持系统中实验的运行。开发人员可以很方便的编写和加入器件、实验场景和管理、 配置实验课程，系统具有很好地扩展性。虚拟实验平台的数据具有统一的规范和格 式，可以支持实验资源的共享。性能测试主要测试 dmumvee 中数据请求的响应时 间、并发访问能力。通过性能测试表明，dmumvee 具有支持大规模用户并发访问 的能力，存储容量大，可扩展性好，在很大规模的数据存储时的查询响应速度能够 满足系统需要。多组数据表明 dmumvee 满足虚拟实验支撑平台的设计要求，总体 性能好。 48 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 6 总结及未来工作展望总结及未来工作展望 虚拟教育实验在互联网上广泛传播。虚拟实验弥补了传统教育的时空限制，提 高学生的动手能力和实践能力，受到人们越来越多的关心和重视，增加了虚拟实验 的需求。传统虚拟实验的开发模式是针对某一具体课程开发，开发周期长，开发的 教育资源不能被其它系统共享，重复开发多，资源浪费严重。没有考虑实验资源的 扩展和对其他课程的支持，多学科实验开发困难，很难开展跨学科的实验。传统实 验的开发方式越来越不能满足人们对虚拟实验的需求。为克服上述不足，有人提出 面向对象的开发方式，将实验器件抽象成对象，实验开发方便，但是对象是各自定 义，不同器件具有不同的格式，很难存储和管理，扩展困难，二次开发难度大。 针对以上问题，在开放的虚拟实验支撑平台中，综合考虑不同学科实验开发的 方法和特点，总结出实验开发的共性，提出基于统一数据标准的数据管理机制。该 机制吸取了面向对象开发的优点设计并实现了虚拟实验的数据标准和基于统一数据 标准的数据管理系统。 论文的主要工作为： （1） 完成了虚拟实验数据规范和数据管理的调研、 方案设计、 编程实现和测试。 （2）数据规范是在对各个学科实验需求的深入调研的基础上，从较高层次上抽 取不同学科实验开发的共性，兼容学科之间、器件之间的差异性，设计开发出满足 不同学科实验开发需求的数据规范。例如电工电子的电阻器件的长度，只是器件的 一个外观属性，用坐标即可表示；机械实验中杠杆器件的长度是个非常重要的属性， 必须用属性来表述它。在数据标准中，电阻和杠杆都有外观的长度，用来显示在合 适的实验环境中，而杠杆的真实长度数据作为杠杆的属性存储在属性表中，如同电 阻器件的电阻值存储在属性表中一样。这种从外观和建模隔离的抽象方式很好地涵 盖了多学科的实验数据。并且数据的非常灵活性，具有可扩展性，随着应用的推广， 在出现新情况新问题后，可以通过修改数据来实现对虚拟实验存储格式的修改，简 单易行。 （3）在统一数据标准的指导下，实现多学科实验的存储和管理。采用分布式数 据库和分布式文件系统来共同管理虚拟实验的结构化数据和非结构化数据。采用对 分布式文件系统中的文件路径建索引地方式提高非结构化数据的访问速度；在内存 49 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 中组织常用的模型对象，优化查询系统的性能；管理接口统一的采用面向对象的方 式来开发，数据的传输以 xml 为媒介，在数据的 dtd 模式的指导下，完成实验数 据的传输，符合开放、统一的系统需求。 （4）通过测试数据管理的功能和性能表明在该机制下开发的虚拟实验运行良好， 数据管理简单灵活，多学科器件的增加、删除、修改和查询操作方便，实验课程可 配置功能非常实用，课程开发容易，证明了数据规范设计的合理性。数据管理各部 分较好地支持实验平台的应用，响应迅速、可扩展性好，具有多学科实验资源共享 的能力，跨学科的实验开发容易。具有并发访问能力和负载均衡能力，整体性能较 好。 在以后的工作中，还需要从以下几个方面进行研究： （1）数据的裁剪策略研究。虚拟实验仿真计算后的数据流量非常大，实时性要 求高，当用户达到一定的数量，会造成网络拥塞。这些数据在实验场景表现上有用 的数据非常有限，完全是有规律可循的。可以设置数据裁剪策略，动态预测未来可 能需要的数据，然后定出取值 shema，过滤掉多余的信息，减少传输的数据量，减 轻网络负载，提高访问的质量。 （2）智能指导和实验考核研究。二者是虚拟实验支撑平台开发下一步需要注重 考虑的内容。在现有的元数据标准中为智能指导和实验考核预留了接口，在未来开 发中需要着重考虑智能指导和实验考核的的数据规范的制定。 （3）非结构化数据的管理研究。随着实验的开发，非结构化的数据越来越多， 依靠文件路径索引来快速定位需要花费较大的系统代价，需要研究扩展的解决方案。 （4）申请固定大小的内存缓冲，存储实验对象，提高访问速度。下一步可以考 虑根据实验重复访问速率频率和内存的大小，总结出对象换进换出的规律，将一部 分对象存储在内存，采用一定的置换策略来管理一段固定的内存缓冲区，提高数据 访问速度。这个机制与数据库的缓冲机制非常相似，只是数据库访问的随机性大， 内存 cache 存储的都是随机的内容，重复利用率不高。dmumvee 中重复访问的数 据相对集中，而且数据更新是读写分开存储的，写入的内容更新需要管理员的统一 管理，所以，不存在缓存中数据不同步的难题。 50 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 致致 谢谢 华中科技大学服务计算技术与系统教育部重点实验室暨集群与网格计算湖北 省重点实验室是个非常有魅力、充满朝气的地方。在这短短的两年时间，我非常幸 运的伴随着实验室一起成长