（教育技術(shù)學(xué)專業(yè)論文）虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)設(shè)計(jì)的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁(yè) 摘要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、通訊技術(shù)在教育領(lǐng)域的不斷推廣，虛擬實(shí)驗(yàn)室在 教育領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。虛擬實(shí)驗(yàn)室除了可以有效輔助高校開(kāi)展科研工作，在 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面也有顯著的作用。本文針對(duì)現(xiàn)有虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)設(shè)計(jì)的不足，就虛擬實(shí) 驗(yàn)室平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，提出了一套可行的虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)構(gòu)建 方案，并根據(jù)方案設(shè)計(jì)，在平臺(tái)中構(gòu)建了一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)例。 本文首先介紹了課題的研究背景、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀；隨后，本文分別從w e b 服務(wù) 構(gòu)建技術(shù)、單點(diǎn)登錄模型、虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建技術(shù)等方面對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)設(shè)計(jì)中涉及的 相關(guān)技術(shù)做了分析探討；本文第三章在分析虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)功能需求的基礎(chǔ)上，重點(diǎn) 針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)通用服務(wù)和統(tǒng)一身份認(rèn)證對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)以及接口 做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并對(duì)平臺(tái)涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)做了相應(yīng)的設(shè)計(jì)；本文的第四章集中介 紹了虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)功能開(kāi)發(fā)的細(xì)節(jié)，應(yīng)用w e b 服務(wù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了部分虛擬實(shí)驗(yàn)室通用 服務(wù)，詳細(xì)介紹了基于耶魯大學(xué)c a s 認(rèn)證模型的統(tǒng)一身份認(rèn)證模塊在虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái) 服務(wù)器端的部署情況；為了驗(yàn)證本文對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)設(shè)計(jì)的可行性，本文在第五章 構(gòu)建了基于大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的計(jì)算機(jī)硬件組成虛擬實(shí)驗(yàn)室，分別從調(diào)用虛擬實(shí)驗(yàn) 室平臺(tái)通用服務(wù)、統(tǒng)一身份認(rèn)證客戶端部署、虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真設(shè)計(jì)等方面加以實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵字虛擬實(shí)驗(yàn)室；通用服務(wù)：統(tǒng)一身份認(rèn)證 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第1 i 頁(yè) a b s t r a c t a l o n gw i t h t h ec o n s t a n t p o p u l a r i z a t i o np r a c t i c e so fc o m p u t e r , m u l t i m e d i aa n d t e l e c o m m u n i c a t i o ni nt h ef i e l do fe d u c a t i o n , v i r t u a ll a b o r a t o r yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d v i r t u a ll a b o r a t o r yc a nn o to n l yb eau s e f u lt o o lt os u p p o r tt h er e s e a r c hw o r ko fu n i v e r s i t i e s ， b u ta l s op l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei ne x p e r i m e n t a lt e a c h i n g h o w e v e r ，d e f i c i e n c i e ss t i l le x i s ti n t h ep r o g r e s so fd e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n gt h i sn e wt e a c h i n gm e t h o d t h ep u r p o s eo ft h i s t h e s i sw a st om a k ei n t e n s i v es t u d yo nk e yt e c h n o l o g i e si nd e s i g n i n gv i r t u a ll a b o r a t o r y p l a t f o r m ，d e m o n s t r a t eaf e a s i b l ep r o p o s a lf o rv i r t u a ll a b o r a t o r yp l a t f o r ma n di m p l e m e n ta v i r t u a ll a b o r a t o r yo nt h ep l a t f o r m t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs t a t u sb o t hd o m e s t i ca n d a b r o a d f o l l o w i n gi nt h i st h e s i s ，w e bs e r v i c e s ，s i n g l es i g n o n , t e c h n o l o g i e si ni m p l e m e n t i n g v i r t u a le x p e r i m e n t sw e r er e f e r r e d t h et 1 1 i r dc h a p t e ra n a l y z e dt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to f v i r t u a ll a b o r a t o r i e s ，o nt o po ft h a t ，c o m m o ns e r v i c e sa n dc a s ( c e n t r a la u t h e n t i c a t i o ns e r v i c e ) w e r ee x p l i c i t l yd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ei n f r a s t m c t u r eo fv i r t u a ll a b o r a t o r yp l a t f o r m ， p r i m a r y i n t e r f a c e sa n dd a t a b a s ed e s i g nw e r ei n c l u d e da sw e l l r e l a t e df e a t u r e i m p l e m e n t a t i o n sw e r ei n v o l v e di nt h ef o n l lp a r t c o n c e r n i n gd e t a i l so fu t i l i z i n gw e b s e r v i c e s a n dy a l ec a st oc o n f i g u r et h ev i r t u a ll a b o r a t o r yp l a t f o r m i no r d e rt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t y o ft h ep r o p o s e dp l a t f o r md e s i g nf o rv i r t u a ll a b o r a t o r y , ac o m p o n e n to fc o m p u t e rh a r d w a r e b a s e do nf u n d a m e n t a lo fu n i v e r s i t yc o m p u t e rw a sd e s i g n e d ，w h i c hw a sm a i n l yi m p l e m e n t e d b yi n v o k i n gc o m m o ns e r v i c e s ，d e p l o y i n gc a sc l i e n t ，a n df i x i n gaw e l ld e s i g n e dv i r t u a l e x p e r i m e n t k e yw o r d sv i z t u a ll a b o r a t o r y , c o m m o ns e r v i c e s ，c e n t r a la u t h e n t i c a t i o ns e r v i c e 西南交通大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并 向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授 權(quán)西南交通大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用 影印、縮印或掃描等復(fù)印手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1 保密口，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)； 2 不保密馬使用本授權(quán)書(shū)。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“4 ”) 一毖名見(jiàn) 日期： d - 。 層 彭一 贅 一r ， 一i 葉 名 ， 讎 舡 艴 州 柳 導(dǎo) 期 憎 日 西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文主要工作( 貢獻(xiàn)) 聲明 本人在學(xué)位論文中所做的主要工作或貢獻(xiàn)如下： 1 在虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)通用功能的設(shè)計(jì)方面，本文提出了應(yīng)用w e b 服務(wù)技術(shù)構(gòu)建 虛擬實(shí)驗(yàn)室通用服務(wù)的構(gòu)想，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了部分虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)通用功 能。 2 為了提升用戶體驗(yàn)，方便用戶在虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)中快速、有效地訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)室資 源，本文設(shè)計(jì)了基于耶魯大學(xué)單點(diǎn)登錄模型的虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)統(tǒng)一身份認(rèn)證模 塊，并分別在平臺(tái)服務(wù)器和客戶端進(jìn)行了部署。 3 構(gòu)建了基于平臺(tái)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，驗(yàn)證了驗(yàn)證通用服務(wù)、統(tǒng)一身份認(rèn)證服務(wù)在虛 擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)中應(yīng)用的可行性，在此基礎(chǔ)上，在虛擬實(shí)驗(yàn)仿真部分，本文根據(jù) 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真實(shí)例。 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所得的成 果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰 寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確說(shuō)明。 本人完全了解違反上述聲明所引起的一切法律責(zé)任將由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 名 幽4 歹 1 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁(yè) 1 1 研究背景 第一章緒論 信息技術(shù)應(yīng)用在提高信息傳遞速度和質(zhì)量的同時(shí)，正快速?gòu)V泛地滲透著人類社會(huì) 的各個(gè)領(lǐng)域。在教育領(lǐng)域，信息技術(shù)已經(jīng)引起了從教育觀念、教育模式到教育過(guò)程的 巨大變革。目前，伴隨信息技術(shù)發(fā)展起來(lái)的e - l e a r n i n g 1 】在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛， 特別是在i t 學(xué)位課程的設(shè)置中，e l e a r n i n g 的支撐作用顯得更加顯著。【2 】 j w r i c k e l 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，單純通過(guò)聽(tīng)覺(jué)獲取知識(shí)，學(xué)生能獲取總知識(shí)量的2 5 ； 結(jié)合視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)，知識(shí)獲取量可以達(dá)到4 5 ；而如果使用“在實(shí)踐中學(xué)習(xí) 的方法， 知識(shí)的獲取量則高達(dá)7 0 ?！? 】在現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中，理論課的許多課程需要借助各種多 媒體實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)，而實(shí)驗(yàn)的出發(fā)點(diǎn)是學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐，因此相對(duì)于遠(yuǎn)程教 育的理論教學(xué)模式而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是近距離性的，這樣一來(lái)，在遠(yuǎn)程教育中就出現(xiàn)了 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與遠(yuǎn)程教學(xué)模式不適應(yīng)的狀況。此外，目前教育網(wǎng)站中真正的教學(xué)內(nèi)容相對(duì) 匱乏，并且靜態(tài)教程是主要的教學(xué)資源，動(dòng)態(tài)教學(xué)內(nèi)容僅占極小一部分，這已成為制 約現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育質(zhì)量的一個(gè)重要因烈4 1 。 虛擬實(shí)驗(yàn)室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) 的概念最早在1 9 8 9 年由弗吉尼亞大學(xué)的w i l l i a m w r u l f 教授提出，用來(lái)描述一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境【5 】，是一個(gè)“無(wú)墻的研 究中心 【6 】。聯(lián)合國(guó)教科文組織于1 9 9 9 年8 月在美國(guó)依阿華州立大學(xué)召開(kāi)的會(huì)議確定 了“虛擬科學(xué)研究中心 和“虛擬研究實(shí)驗(yàn)室科研和教學(xué)模式的構(gòu)想，此次會(huì)議對(duì) “虛擬實(shí)驗(yàn)室”的定義如下：為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)作、實(shí)驗(yàn)研究或其他創(chuàng)新活動(dòng)，通過(guò)分 布式信息通訊技術(shù)產(chǎn)生并發(fā)布結(jié)果的電子工作室。【7 】借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、通訊技術(shù)和數(shù)字化信息等技術(shù)構(gòu)建而成的虛擬實(shí)驗(yàn)室，是一種基于計(jì) 算機(jī)虛擬原型系統(tǒng)的全新科學(xué)研究與工程設(shè)計(jì)方法，是除理論與實(shí)物實(shí)驗(yàn)之外的第三 種研究設(shè)計(jì)手段和形式【8 】。虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)利用不僅可以輔助高校有效開(kāi)展科研工 作，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面也有顯著的作用【9 】，一個(gè)設(shè)備良好、管理先進(jìn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)是 學(xué)習(xí)者快速、深刻地獲取各種知識(shí)和技能的重要場(chǎng)所，對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革具有重要的 應(yīng)用價(jià)值，在提高遠(yuǎn)程教育的教學(xué)質(zhì)量方面也具有重要意義。 1 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)初衷是為了方便科研人員使用遠(yuǎn)程儀器設(shè)備，共享數(shù)據(jù)資源， 達(dá)到遠(yuǎn)程進(jìn)行科研工作的目的。虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)質(zhì)上是個(gè)分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)【1 01 1 1 ，在 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 頁(yè) 該系統(tǒng)中配備有具有遙控能力的網(wǎng)絡(luò)化研究設(shè)備和數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，以及支持協(xié)作活動(dòng) 的各種工具?！緇 2 j 在虛擬實(shí)驗(yàn)室概念提出至今的近2 0 年來(lái)，因其誘入的應(yīng)用前景，各國(guó)均在大力開(kāi) 發(fā)，并取得了些進(jìn)展。目前，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)在發(fā)達(dá)國(guó)家比較普及，特別是在教 育領(lǐng)域，為數(shù)不少的一些大學(xué)均組建了與學(xué)科領(lǐng)域相關(guān)的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室，這些網(wǎng)絡(luò) 實(shí)驗(yàn)室已廣泛地應(yīng)用于教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)方法的改革和創(chuàng)新，例如，美國(guó)卡耐基一 梅隆大學(xué)將計(jì)算機(jī)控制的示波器、函數(shù)發(fā)生器等設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生遠(yuǎn)程學(xué) 習(xí)和操作；密歇根大學(xué)的v i c h e r 系統(tǒng)【l3 】將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在化學(xué)工程教育的領(lǐng)域， 實(shí)現(xiàn)了催化劑鈍化和非恒溫反應(yīng)等虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)用于化學(xué)工程教育和設(shè)計(jì)；加拿大 l i c e f 研究中心則設(shè)計(jì)了一套通用的遠(yuǎn)程交互式虛擬電子工程實(shí)驗(yàn)軟件【“1 5 1 6 1 ，簡(jiǎn)化了 電子工程虛擬實(shí)驗(yàn)在配黃和設(shè)計(jì)方面的工作流程；此外，意大利帕瓦多大學(xué)建立的遠(yuǎn) 程虛擬教育實(shí)驗(yàn)室、新加坡國(guó)立大學(xué)的遠(yuǎn)程示波器實(shí)驗(yàn)和壓力容器實(shí)驗(yàn) 6 06 1 】，均被引 入到課程學(xué)習(xí)中，極大地促進(jìn)了教學(xué)方式多樣性的變革。 相對(duì)來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室研究的高校比較少，比較成熟的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí) 驗(yàn)室有清華大學(xué)的工程力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室【6 2 1 ，華中科技大學(xué)的測(cè)試工程網(wǎng)【1 7 1 ，浙江大學(xué) 的大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室【6 3 等。 常見(jiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)根據(jù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不同可大致分為兩大類：一類是以純軟件 方式開(kāi)發(fā)；另一類是軟硬件結(jié)合的方式： 1 以純軟件方式開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)大多是采用了h t m l 、c g i 、j a v a a p p l e t 、 j a v as e r v l e t 等與w e b 相關(guān)的技術(shù)，如：約翰霍普金斯大學(xué)的虛擬工程科學(xué)實(shí) 驗(yàn)室f 18 1 ，由r s u b r a m a n i a n 等設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的虛擬生物學(xué)實(shí)驗(yàn) 1 9 1 ，均是以j a v a a p p l e t 作為客戶端，j a v ab e a n 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組件的構(gòu)建，x m l ( e x t e n s i b l em a k e u p l a n g u a g e ，擴(kuò)展性標(biāo)識(shí)語(yǔ)言) 用于描述應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；卡羅萊納州立大學(xué)的 l a a p ( l e a r na n y t i m ea n y w h e r ep h y s i c s ) 【3 0 3 13 2 1 ，則是使用j a v a 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的 基于w e b 的探索式虛擬物理實(shí)驗(yàn)室，使用j a v aa p p l e t 構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)相關(guān)的器 材和設(shè)備；清華大學(xué)的工程力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)的大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室 則使用f l a s h 技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程控制和實(shí)驗(yàn)仿真。 2 。以軟硬件結(jié)合的方式所開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)室在客戶端一般也是采用h t m l 、j a v a a p p l e t 等技術(shù)，不同的是，在服務(wù)器端需要使用真實(shí)的硬件設(shè)備作支撐以完成 虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，如：l f a b r e g a 等設(shè)計(jì)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí) 驗(yàn)室【2 0 j 以一臺(tái)e t h e r n e ts w i t c h 和多臺(tái)運(yùn)行l(wèi) i n u x 操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)作為仿真設(shè) 備，用戶遠(yuǎn)程輸入l i n u x 網(wǎng)絡(luò)操作命令，服務(wù)器端在接到客戶端數(shù)據(jù)后，使用 本地的仿真硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理完數(shù)據(jù)后再將仿真結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)返回 給用戶。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 頁(yè) 在前文的介紹中可以看到，在虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面，雖然已經(jīng)出現(xiàn)了一 些成熟、商業(yè)化的產(chǎn)品，但是，在不同專業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域，由于虛擬實(shí)驗(yàn)仿真的復(fù)雜性、 實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)形式的多樣性以及運(yùn)行模式的差異性等因素，導(dǎo)致了目前尚未出現(xiàn)完全通用 的虛擬實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行平臺(tái)。此外，由于還沒(méi)有國(guó)際化的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和應(yīng)用 方面做統(tǒng)一的規(guī)范，容易使現(xiàn)在的虛擬實(shí)驗(yàn)室淪為i n t e m e t 世界中的孤立小島，大量的 資源被“鎖”在各個(gè)小島的中央數(shù)據(jù)庫(kù)中，虛擬實(shí)驗(yàn)室間的信息交互存在很大困難。 因此，雖然虛擬實(shí)驗(yàn)室在全球范圍內(nèi)呈快速發(fā)展的趨勢(shì)，但是也存在諸多需要解決的 問(wèn)題：【2 12 2 】 1 缺少通用平臺(tái)方面的應(yīng)用研究以及廣泛的資源合作 虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心和精髓之一是資源的共享，而目前雖然很多高校都建立起了自 己的虛擬實(shí)驗(yàn)室，但共享的深度和廣度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。大多數(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室是針對(duì)特定的 應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)的，缺少對(duì)于具有一定通用性和集成性的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研 究和應(yīng)用。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)室大多是自行建立各校、各系甚至是各課程的虛擬實(shí)驗(yàn)室 系統(tǒng)，分散而孤立，處于一種低水平的共享( 僅僅是虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)內(nèi)部的集中共享) ， 缺乏實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部成員之間資源的共享，學(xué)校之間虛擬實(shí)驗(yàn)室的共享和交流更是障礙重 重。 2 虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的表現(xiàn)力和過(guò)程的交互性有待進(jìn)一步增強(qiáng) 目前比較常用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)大部分采用j a v a 語(yǔ)言或者f l a s h 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，由于j a v a 的圖形化開(kāi)發(fā)工具不多，功能上的不盡完善，在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的表現(xiàn)能 力，而且在解決用戶對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)交互性需求等方面還存在不足【5 0 5 1 1 ，而f l a s h 技術(shù)雖 然動(dòng)畫(huà)制作方面表現(xiàn)卓越，由于程序設(shè)計(jì)能力有限，交互功能和仿真能力略顯不足。 3 異構(gòu)系統(tǒng)的大量存在使虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是典型的異構(gòu)系統(tǒng)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，不同時(shí)期的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 要求共存，不同的機(jī)型、操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言，使開(kāi)發(fā)分布式系統(tǒng)軟件十分困難。一 個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)移植到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)時(shí)，不兼容的現(xiàn)象普遍存在，導(dǎo)致的結(jié)果很 可能是重新開(kāi)發(fā)新的滿足需求的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，這樣來(lái)，虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的功能 重復(fù)開(kāi)發(fā)工作顯得非常普遍。 綜上所述，研究構(gòu)建將虛擬實(shí)驗(yàn)管理、虛擬實(shí)驗(yàn)室管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、網(wǎng)上協(xié)作等 作為公共支撐功能集成于一個(gè)通用的虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，降低開(kāi)發(fā)網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的難 度和工作量，實(shí)現(xiàn)大范圍的資源共享，可以更好地推動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用【2 3 2 4 2 52 6 1 。 1 3 論文的研究?jī)?nèi)容與組織結(jié)構(gòu) 虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的設(shè)計(jì)既要考慮滿足虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用方面的要求，又要考慮對(duì)己有 的虛擬實(shí)驗(yàn)的集成和未來(lái)功能、規(guī)模擴(kuò)展方面的要求。針對(duì)以上問(wèn)題，論文提出了虛 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第4 頁(yè) 擬實(shí)驗(yàn)通用平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，并圍繞以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究工作： 1 功能的通用性。功能的通用性指的是虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)可以為不同類型的虛擬實(shí) 驗(yàn)時(shí)提供通用功能服務(wù)。為了使平臺(tái)通用功能可以被基于不同平臺(tái)、不同語(yǔ)言 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)而成的虛擬實(shí)驗(yàn)室調(diào)用，通過(guò)細(xì)致的研究分析，本論文將與學(xué)科領(lǐng)域 無(wú)關(guān)的用戶管理、實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理和實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理設(shè)計(jì)成w e b 服務(wù)，以減少相 似功能模塊開(kāi)發(fā)的重復(fù)性。 2 用戶身份認(rèn)證的便捷性?？紤]到用戶在進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室之前需要進(jìn)行身份驗(yàn)證 以及虛擬實(shí)驗(yàn)室需要各自建立用戶信息管理機(jī)制的現(xiàn)狀，本文在虛擬實(shí)驗(yàn)室平 臺(tái)的設(shè)計(jì)中提出了基于耶魯大學(xué)c a s 模型的統(tǒng)一身份認(rèn)證方案，以減少用戶 在虛擬實(shí)驗(yàn)室間穿梭的門(mén)戶障礙，提升用戶體驗(yàn)。 3 虛擬實(shí)驗(yàn)交互的友好性。為了吸引學(xué)生的注意力，使學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)掌握更 多的知識(shí)，發(fā)展更多的能力，本論文對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行了分析研究， 使用3 d sm a x 以及v r m l 設(shè)計(jì)了虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真實(shí)例。 4 部署維護(hù)的方便性。為減少部署與維護(hù)時(shí)的工作量，本論文對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)室平 臺(tái)的架構(gòu)采用b s 架構(gòu)體系。 整個(gè)論文的結(jié)構(gòu)分為以下五個(gè)部分： 第一章：緒論 介紹本課題的研究背景，并對(duì)目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。 第二章：虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù) 本章首先簡(jiǎn)要介紹w e b 服務(wù)模型，w e b 服務(wù)開(kāi)發(fā)框架x f i r e ，單點(diǎn)登錄的模型分類、 實(shí)現(xiàn)機(jī)制，虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建技術(shù)，在本章的最后，介紹了本文對(duì)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)時(shí)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具。 第三章：虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)分析設(shè)計(jì) 本章首先提出了平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)原則，隨后對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的功能需求做了分 析，針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室通用功能模塊、統(tǒng)一身份認(rèn)證模塊、虛擬實(shí)驗(yàn)仿真模塊進(jìn)行了詳 細(xì)的探討，在此基礎(chǔ)上，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn) 室平臺(tái)通用服務(wù)和虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)統(tǒng)一身份認(rèn)證的體系結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)流程、接口以及數(shù) 據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)作了詳盡說(shuō)明。 第四章：虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的部署實(shí)現(xiàn) 本章首先分別詳細(xì)闡述了虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)通用服務(wù)、虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)統(tǒng)一身份認(rèn) 證服務(wù)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，包括通用服務(wù)的接口設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)、統(tǒng)一身份認(rèn)證服務(wù)在服務(wù)器 端的部署配置步驟。 第五章：基于虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建實(shí)例 為了驗(yàn)證虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的實(shí)用價(jià)值，本章基于大學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)了基 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5 頁(yè) 于虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)主板實(shí)驗(yàn)，分別從統(tǒng)一身份認(rèn)證客戶端配黃、虛擬實(shí) 驗(yàn)室通用服務(wù)調(diào)用、虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、計(jì)算機(jī)硬件組成與其他實(shí)驗(yàn)室之間的交互等 方面進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第6 頁(yè) 第二章虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù) 2 1w e b 服務(wù) 2 1 1w e b 服務(wù)的起源和基本原理 在早期的軟件開(kāi)發(fā)中，為了方便系統(tǒng)維護(hù)和代碼重用，常采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方式， 這種方式往往將程序分成多個(gè)功能相對(duì)簡(jiǎn)單的模塊，常用功能則以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)， 屬性比較接近的函數(shù)則集合形成函數(shù)庫(kù)，在調(diào)用的過(guò)程中，函數(shù)或函數(shù)庫(kù)通常會(huì)受限 于特定的程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言或平臺(tái)。隨著面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想的深入，原先的函數(shù)被封 裝成類，繼承方法的使用增強(qiáng)了代碼的重用與易維護(hù)性，但是，功能的調(diào)用仍受到程 序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和平臺(tái)相關(guān)性的限制。為了實(shí)現(xiàn)基于不同開(kāi)發(fā)語(yǔ)言程序間的相互調(diào)用，需 要有更新的技術(shù)，組件技術(shù)則可以達(dá)到這個(gè)目的。從技術(shù)層面上來(lái)說(shuō)，軟件開(kāi)發(fā)強(qiáng)調(diào) 二進(jìn)制級(jí)別的重用和集成以及程序語(yǔ)言的無(wú)關(guān)性、面向?qū)ο蟮?，盡管d c o m c o m + 技 術(shù)可以輕易跨越位于不同w i n d o w s 平臺(tái)中的應(yīng)用系統(tǒng)，但是對(duì)于異構(gòu)平臺(tái)之間的交互 仍然存在困難。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和x m l 應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，由于x m l 具有程序語(yǔ)言無(wú)關(guān)性和跨平臺(tái) 的特點(diǎn)，研究人員開(kāi)始試圖以x m l 描述在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，從而解決了異構(gòu)平 臺(tái)中的系統(tǒng)交互問(wèn)題。隨著這個(gè)理念的持續(xù)發(fā)展，w e b 服務(wù)應(yīng)運(yùn)而生。w e b 服務(wù)作為 一種編程模型，是對(duì)象組件技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的延伸，是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的w e b 協(xié)議可編程 訪問(wèn)的w e b 組件，以提高在可縮放的、松耦合的環(huán)境下交換信息的能力。w 3 c 組織對(duì) w e b 服務(wù)的定義是：w e b 服務(wù)是一個(gè)用u r i ( u n i f o r mr e s o u r c ei d e n t i f i e r ，統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)) 標(biāo)識(shí)的軟件實(shí)體，其接口和綁定可以用x m l 協(xié)議定義、描述和發(fā)現(xiàn)，它支持通過(guò)i n t e r n e t 協(xié)議以及基于x m l 消息和松散耦合的方式與其它軟件實(shí)體或服務(wù)直接通訊。【2 7 1 在w e b 服務(wù)中，信息交換依靠h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e r p r o t o c o l ，超文本傳輸協(xié) 議) 、x m l 、x s d ( x m ls c h e m a sd e f i n i t i o n ，x m l 結(jié)構(gòu)定義) 、s o a p ( s i m p l eo b j e c t a c c e s sp r o t o c o l ，簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議) 和w s d l ( w e bs e r v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ， w e b 服務(wù)描述語(yǔ)言) 等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。【2 8 j w e b 服務(wù)將功能業(yè)務(wù)邏輯分解為服務(wù)，而這些服 務(wù)是可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行發(fā)布、發(fā)現(xiàn)和引用，w e b 服務(wù)客戶端則利用標(biāo)準(zhǔn)化的x m l 消息 傳遞機(jī)制訪問(wèn)w e b 服務(wù)接口。w e b 服務(wù)接口包含了與服務(wù)交互所需的細(xì)節(jié)，包括消息 格式( 詳細(xì)描述操作的輸入輸出消息格式) 、傳輸協(xié)議和位置，該接口隱藏了服務(wù)實(shí)現(xiàn)的 具體細(xì)節(jié)，允許通過(guò)獨(dú)立于軟硬件平臺(tái)、獨(dú)立于開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的方式調(diào)用該目艮務(wù)。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第7 頁(yè) w e b 服務(wù)包括三種類型的角色：服務(wù)提供者( s e r v i c ep r o v i d e r ) ，服務(wù)使用者( s e r v i c e c o n s u m e r ) ，服務(wù)注冊(cè)中心( s e r v i c eu d d i ) 。圖2 1 展示了服務(wù)提供者、服務(wù)使用者、 服務(wù)注冊(cè)中心之間的交互過(guò)程。 壁箜墊述 ( s e r v i c ed i s c r i p t i o n ) 圖2 - 1w e b 服務(wù)模型1 2 9 】 三個(gè)角色間協(xié)作操作如下： 發(fā)布撤銷服務(wù)：為了使服務(wù)可被發(fā)現(xiàn)并使用，需要發(fā)布服務(wù)描述以使服務(wù)使用者 發(fā)現(xiàn)和調(diào)用服務(wù)。 發(fā)現(xiàn)服務(wù)：服務(wù)請(qǐng)求者查詢服務(wù)注冊(cè)中心，查找滿足需求的服務(wù)并定位服務(wù)地址。 綁定服務(wù)：服務(wù)請(qǐng)求者從服務(wù)注冊(cè)中心查找到服務(wù)描述之后，服務(wù)使用者根據(jù)服 務(wù)描述中的信息，調(diào)用服務(wù)提供者提供的服務(wù)。 2 1 2x f i r ew e b 服務(wù)構(gòu)建框架 作為w e b 服務(wù)框架的后起之秀，x f i r e 從現(xiàn)有的框架中借鑒了許多優(yōu)秀的理念， 提供了各種綁定技術(shù)，支持多種傳輸協(xié)議，對(duì)w e b 服務(wù)體系中許多新的規(guī)范提供了支 持。x f i r e 是一個(gè)免費(fèi)的開(kāi)源s o a p 框架，它為w e b 服務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)環(huán)境， 并且可以提供許多w e b 服務(wù)規(guī)范中的高級(jí)特征，這些特征在多數(shù)的商業(yè)或者開(kāi)源工具 都沒(méi)有提供。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它具有以下一些特性【3 3 】： 1 支持重要的w e b 服務(wù)規(guī)范，如s o a p 、w s d l 、w s ib a s i cp r o f i l e 、 w s a d d r e s s i n g 、w s - s e c u r i t y 等； 2 高性能的s o a p 棧設(shè)計(jì)： 3 可插拔的綁定，支持p o j o 、x m lb e a n s 、j a x b l 1 、j j 6 b 2 以及c a s t o r ； 4 支持j s r1 8 1 規(guī)范，該規(guī)范通過(guò)j d k5 0 注解將p o j o 導(dǎo)出為w e bs e r v i c e ； 5 支持多種傳輸協(xié)議，如h t l l p 、j m s 、x m p p 、i n j v m 等； 6 x f i r ea p i 簡(jiǎn)潔明了，便于使用； 7 支持s p r i n g 、p i c o 、p l e x u s 、l o o m 等容器； 8 支持j b i ( j a v ab u s i n e s si n t e g r a t i o n ，j a v a 業(yè)務(wù)整合) 規(guī)范； 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第8 頁(yè) 9 能夠根據(jù)w s d l 創(chuàng)建客戶端和服務(wù)器端的存根代碼； 1 0 率先對(duì)j a x w s 提供了支持。 x f i r e 是完全基于流數(shù)據(jù)處理的框架，這意味著在工作進(jìn)程中，x f i r e 不是將整個(gè) s o a p 文檔緩存在內(nèi)存中，而是以管道的方式接收s o a p 流數(shù)據(jù)，這種工作方式可以 節(jié)省大量的內(nèi)存占用。一般來(lái)說(shuō)，在s o a p 請(qǐng)求消息對(duì)w e b 服務(wù)發(fā)起真正調(diào)用之前， 通常會(huì)經(jīng)過(guò)傳輸、預(yù)轉(zhuǎn)發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)、策略實(shí)施、用戶信息處理、預(yù)調(diào)用、服務(wù)調(diào)用等過(guò) 程。 2 2 單點(diǎn)登錄 單點(diǎn)登錄( s s o ，s i n g l es i g no n ) 是在相互信任的應(yīng)用系統(tǒng)之間只需進(jìn)行一次登 錄，并將這次主要的登錄映射到其他應(yīng)用中用于同一個(gè)用戶的登錄的機(jī)制【5 5 - 5 8 。單點(diǎn) 登錄的目的是在某個(gè)環(huán)境內(nèi)，使用該單點(diǎn)認(rèn)證( 針對(duì)會(huì)話過(guò)程) 作為訪問(wèn)其他應(yīng)用程 序、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，從而消除了用戶在一個(gè)會(huì)話中切換不同應(yīng)用時(shí)的重復(fù)認(rèn)證過(guò) 程，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，可以在各個(gè)系統(tǒng)間無(wú)縫的穿梭，同時(shí)減少密碼記憶等安全信息， 提升了用戶體驗(yàn)。 2 2 1 單點(diǎn)登錄的模型分類 單點(diǎn)登錄模型根據(jù)認(rèn)證信息存儲(chǔ)地的不同可以分為三類：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，客戶服務(wù)器模式的單點(diǎn)登錄 3 4 】。這三種類型的單 點(diǎn)登錄模型在認(rèn)證信息存儲(chǔ)、認(rèn)證過(guò)程等方面有所區(qū)別，如表2 1 所示t 表2 1 三種單點(diǎn)登錄模型的比較 單點(diǎn)登錄認(rèn)證信 模型圖示優(yōu)缺點(diǎn) 模型名稱息存儲(chǔ)地 用戶合法性 以服務(wù)器 函一固 控制比較容 易；服務(wù)器需 s s o n t 務(wù)器 外部主機(jī)系統(tǒng) 要考慮負(fù)載均為中心的 s s o 服務(wù)器 單點(diǎn)登錄 丫 。 太l 衡和備份；需 模型 要為端到端的 集成進(jìn)行定制 開(kāi)發(fā) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第9 頁(yè) 表2 1 三種單點(diǎn)登錄模型的比較( 續(xù)) 單點(diǎn)登錄認(rèn)證信 模型圖示優(yōu)缺點(diǎn) 模型名稱息存儲(chǔ)地 不需要后端集 成；容易造成非授 s s o 服務(wù)器 外部t 機(jī)系統(tǒng) 權(quán)的訪問(wèn)；很難對(duì) 以客戶端為中心 客戶端 毋一 用戶進(jìn)行細(xì)粒度 的單點(diǎn)登錄模型 的訪問(wèn)控制 客戶服務(wù)器模式 客戶端同一 便于集成主機(jī)和 s s o 服務(wù)器，lj 外部主機(jī)系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：便于實(shí) + 牟 現(xiàn)集中、細(xì)粒度的 的單點(diǎn)登錄模型 一 權(quán)限管理 s s o 服務(wù)器 2 2 2 單點(diǎn)登錄的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和實(shí)現(xiàn)技術(shù) 常見(jiàn)的單點(diǎn)登錄實(shí)現(xiàn)機(jī)制包括【3 5 】： 1 基于經(jīng)紀(jì)入( b r o k e r - b a s e d ) 的實(shí)現(xiàn)，這種技術(shù)的特點(diǎn)是，有一個(gè)服務(wù)器集中 進(jìn)行身份認(rèn)證和用戶憑證信息的管理，經(jīng)紀(jì)人則被用于電子身份的存取。中央 數(shù)據(jù)庫(kù)的使用減少了管理的代價(jià)，并為認(rèn)證提供一個(gè)公共和獨(dú)立的“第三方”， k e r b e r o s 、s e s a m e 、i b mk a y p t o k n i g h t 等就是這類實(shí)現(xiàn)機(jī)制的代表。 2 基于代理人( a g e n t - b a s e d ) 的實(shí)現(xiàn)，在這種解決方案中，需要設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)為 不同的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)用戶身份認(rèn)證的代理程序。這個(gè)代理程序需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多 個(gè)功能，如，使用口令表或加密密鑰自動(dòng)將認(rèn)證的負(fù)擔(dān)從用戶端分離出去。代 理人需要放在服務(wù)器端，在服務(wù)器的認(rèn)證系統(tǒng)和客戶端認(rèn)證方法之間充當(dāng)一個(gè) “翻譯”，s s h ( s e c u r es h e l l ) 就是此種機(jī)制的代表。 3 基于令牌( t o k e n - b a s e d ) 的實(shí)現(xiàn)，這是一種簡(jiǎn)單易用的方式，實(shí)現(xiàn)一個(gè)口令 在多種應(yīng)用當(dāng)中使用，如s e c u r l d 、w e b l d ，f t p 和郵件服務(wù)器的登錄認(rèn)證等。 4 基于網(wǎng)關(guān)( g a t e w a y - b a s e d ) 的實(shí)現(xiàn)，在這種方案中，所有的響應(yīng)服務(wù)局限在 一個(gè)被網(wǎng)關(guān)隔離的受信任網(wǎng)段里，客戶端通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行認(rèn)證后獲得接受服務(wù)的 授權(quán)。這種方案對(duì)企業(yè)中現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求比較嚴(yán)格，同時(shí)，要求已有的企 業(yè)應(yīng)用來(lái)適應(yīng)單點(diǎn)登錄系統(tǒng)，所以，這種方案的實(shí)際應(yīng)用范圍并不廣。 5 基于代理人和經(jīng)紀(jì)人( a g e n ta n db r o k e r - b a s e d ) 的實(shí)現(xiàn)，該方案是a g e n t b a s e d 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第10 頁(yè) 和b r o k e r - b a s e d 解決方案的結(jié)合，既具有前者的靈活性又能受益于后者中央式 管理方案的優(yōu)勢(shì)。 而s s o 在實(shí)現(xiàn)技術(shù)上則大體分為c o o k i e t 5 9 】和s e s s i o n 兩大類。s e s s i o n 是一種服務(wù) 器端機(jī)制，當(dāng)客戶端訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器端為客戶端創(chuàng)建一個(gè)唯一的s e s s i o n l d ，以 使在整個(gè)交互過(guò)程中始終保持狀態(tài)，而交互的信息則可由應(yīng)用自行指定。也就是說(shuō)， 用s e s s i o n 方式實(shí)現(xiàn)s s o 時(shí)，不能在多個(gè)瀏覽器間實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)登錄，但可以跨域?！? 6 c o o k i e 則是一種客戶端機(jī)制，它存儲(chǔ)的內(nèi)容主要包括：名字、值、過(guò)期時(shí)間、路徑和域，路 徑和域合在一起就構(gòu)成了c o o k i e 的作用范圍，因此c o o k i e 方式可實(shí)現(xiàn)s s o ，但是域 名必須相同。目前大部分s s o 產(chǎn)品采用的是c o o k i e 機(jī)制【3 7 1 ，耶魯大學(xué)的c a s ( c e n t r a l a u t h e n t i c a t i o ns e r v i c e ) 也是如此。不同的是，c a s 可以很簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)跨域的s s o ， 因?yàn)閱吸c(diǎn)認(rèn)證被控制在c a s 服務(wù)器端，用戶最有價(jià)值的t g c ( t i c k e tg r a n t i n gc o o k i e ) 只跟c a s 服務(wù)器相關(guān)，而c a s 服務(wù)器是唯一的，從而解決了c o o k i e 不能跨域的問(wèn)題。 目前己經(jīng)有不少成熟的單點(diǎn)登錄產(chǎn)品，主要的開(kāi)源s s o 軟件包括： 1 w e b a u m ，這是一種早期的s s o 方案，支持c 什，p e r l 等客戶端。但是由于 w e b a u t h 使用了s h a r es e c r e t ，即s s o 服務(wù)器端和客戶端之間使用對(duì)稱密鑰 ( s y m m e t r i ck e y ) 進(jìn)行通信，因此在共享用戶身份信息時(shí)存在一定的安全隱患。 2 o p c n s s o ，它是基于s u nj a v as y s t e ma c c e s sm a n a g e ：5 4 】的一個(gè)開(kāi)源的s s o 項(xiàng) 目，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能比較強(qiáng)大，缺點(diǎn)是客戶端支持不夠廣泛。 3 j o s s o ，這是另一個(gè)使用j a v a 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的單點(diǎn)登錄產(chǎn)品，j o s s o 支持的客戶 端包括j a v a ，p h p 和a s p 。但是，由于j o s s o 沒(méi)有將后臺(tái)認(rèn)證與s s o 分離， 以及過(guò)分強(qiáng)調(diào)j a a s ，a x i s 導(dǎo)致其在應(yīng)用的廣泛性上略有不足。此外，j o s s o 因?yàn)樗褂昧斯蚕韈 o o k i e 導(dǎo)致其不能支持跨域的單點(diǎn)登錄。 4 c a s ，這是耶魯大學(xué)開(kāi)發(fā)的單點(diǎn)登錄產(chǎn)品，c a s 設(shè)計(jì)理念先進(jìn)、體系結(jié)構(gòu)合 理、配置簡(jiǎn)單、客戶端支持廣泛、技術(shù)成熟等等，目前c a s 支持( 某些在完 善中) 非常多的客戶端開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，包括j a v a 、n e t 、i s a p i 、p h p 、p e r l 、u p o r t a l 、 a c e g i 、r u b y 、v b s c r i p t 等。 5 c o s i g n ，這是m i c h i g a n 大學(xué)的一個(gè)s s o 項(xiàng)目，c o s i g n 跟c a s 比較相似， 都是基于k e r b e r o s 方式的協(xié)議，一個(gè)最大的不同是c o s i g n 的s s os e r v e r 是 基于c g i ，對(duì)c c + + 的群體應(yīng)該是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。c o s i g n 協(xié)議的u s e c a s e 跟c a s 很相似，c o s i g n 的客戶端雖然也支持j 2 e e a p a c h e m s a p i ( i i s ) ，但 它的s e r v e r 端使用c 來(lái)編寫(xiě)，影響了在j a v a 群體中的使用。 2 2 3y a l ec a s 模型介紹 y a l ec a s 認(rèn)證模型是耶魯大學(xué)開(kāi)發(fā)的一個(gè)比較典型的以服務(wù)器為中心的單點(diǎn)登錄 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 1 頁(yè) 模型，認(rèn)證服務(wù)器集中存儲(chǔ)用戶的認(rèn)證信息。該模型能為多個(gè)應(yīng)用提供單點(diǎn)登錄基礎(chǔ) 架構(gòu)，同時(shí)可以為非w e b 應(yīng)用但擁有w e b 前端的功能服務(wù)提供單點(diǎn)登錄功能。在適用 性上，由于它支持多種客戶端，可以方便的在不同平臺(tái)中進(jìn)行部署。該模型的設(shè)計(jì)思 路是，將多個(gè)w e b 應(yīng)用系統(tǒng)的用戶認(rèn)證信息存儲(chǔ)在一個(gè)身份認(rèn)證服務(wù)器上，且該信息 只用于驗(yàn)證用戶身份的合法性，也就是說(shuō)，用戶憑證信息不會(huì)在應(yīng)用系統(tǒng)間傳遞，由 服務(wù)器為每個(gè)w e b 應(yīng)用生成唯一不可篡改的票據(jù)，以保證w e b 應(yīng)用的訪問(wèn)者身份是合 法有效的。 4 發(fā)送s e r v i c et i c k e t 圖2 2c a s 基礎(chǔ)模式圖【5 2 l 圖2 2 為c a s 的基礎(chǔ)模式圖。c a s 客戶端首先過(guò)濾從用戶瀏覽器傳過(guò)來(lái)的每一個(gè) w e b 請(qǐng)求，在w e b 應(yīng)用的受保護(hù)資源與用戶之間構(gòu)建起一道屏障。對(duì)于首次登錄系統(tǒng) 的情況，c a s 客戶端會(huì)重定向用戶請(qǐng)求到c a s 服務(wù)器( 圖中的步驟2 ) ，并傳遞該項(xiàng) 服務(wù)信息( 也就是要訪問(wèn)的目的資源地址) ，以便登錄成功過(guò)后轉(zhuǎn)回該地址。步驟3 是用戶認(rèn)證過(guò)程，如果用戶提供了正確的登錄信息( c r e d e n t i a l s ) ，c a s 服務(wù)器會(huì)產(chǎn)生 一個(gè)隨機(jī)的相當(dāng)長(zhǎng)度、唯一、不可偽造的s t ( s e r v i c et i c k e t ，服務(wù)票據(jù)) ，用戶將使用 這張票據(jù)訪問(wèn)指定服務(wù)應(yīng)用。然后，緩存該t i c k e t ，并且重定向用戶到c a s 客戶端( 附 帶剛才產(chǎn)生的s t ) ，同時(shí)發(fā)送一個(gè)t g c 給用戶瀏覽器。下次當(dāng)用戶被其他應(yīng)用重定向 到c a s 服務(wù)器時(shí)，c a s 服務(wù)器會(huì)主動(dòng)獲取到瀏覽器中t g c ，如果持有t g c 且還沒(méi)失 效，那么進(jìn)入步驟4 ，c a s 服務(wù)器向該應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送s t ，達(dá)到了單點(diǎn)登錄的效果； 如果t g c 失效，那么用戶還是要重新認(rèn)證( 回到步驟3 ) 。最后，第5 步和第6 步 是c a s 客戶端和c a s 服務(wù)器之間完成一個(gè)對(duì)用戶的身份核實(shí)，以確保s t 的合法性。 2 3 虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建技術(shù) 虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)應(yīng)有具體的虛擬實(shí)驗(yàn)作為支撐，否則軟件平臺(tái)就是一個(gè)空架子，形 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第12 頁(yè) 同虛設(shè)。在基于虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，虛擬環(huán)境的仿真、實(shí)驗(yàn)器材的造型建模、實(shí) 驗(yàn)器材間的交互性操作是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。 虛擬實(shí)驗(yàn)中涉及到的設(shè)備、設(shè)施分成兩類：一類是不需要交互操作的普通設(shè)施， 另一類是可進(jìn)行交互性操作的儀器設(shè)備。對(duì)于第一類實(shí)驗(yàn)器材可以利用建模工具進(jìn)行 模型構(gòu)造，然后將其置于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中即可。后一類儀器設(shè)備則應(yīng)在構(gòu)建逼真的外部模 型的基礎(chǔ)上，需要對(duì)虛擬儀器的各種開(kāi)關(guān)、旋鈕、接口等進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，此外，還需 對(duì)各操作相關(guān)的數(shù)字或模擬量的顯示進(jìn)行編程處理。 在虛擬實(shí)驗(yàn)器材仿真部分，為了能夠反映真實(shí)儀器設(shè)備的特性，通常采用3 d m a x 等建模工具對(duì)設(shè)備進(jìn)行模型的構(gòu)建，而為了增加沉浸感，常采用v r m l ( v i r t u a lr e a l i t y m o d e l i n gl a n g u a g e ，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言) 技術(shù)來(lái)構(gòu)建三維場(chǎng)景，v r m l 的動(dòng)態(tài)交互能力 使得三維場(chǎng)景可以根據(jù)用戶的動(dòng)作實(shí)時(shí)變化，使用戶真正獲得現(xiàn)場(chǎng)操作的感覺(jué)，同時(shí)， 二維到三維的變化也使縟用戶看到的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)材料更加逼真。此外，j a v a 3 d 、 f l a s h 等技術(shù)也常被用于虛擬實(shí)驗(yàn)器材的模擬【3 8 3 9 4 0 4 1 4 2 4 3 1 。f l a s h 技術(shù)在動(dòng)畫(huà)制作方面 表現(xiàn)卓越，具有運(yùn)行效果出色、兼容性好的特點(diǎn)，但其程序設(shè)計(jì)能力有限，交互功能 和仿真能力不夠強(qiáng)，適宜做演示性實(shí)驗(yàn)；雖然j a v a 技術(shù)現(xiàn)在支持三維場(chǎng)景的創(chuàng)建，但 是使用j a v a 3 d 創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景并不容易，和v r m l 相比，它的開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，也沒(méi)有 v i 蝴l 技術(shù)那么成熟。 2 3 1 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言v r m l v r m l 最初出現(xiàn)在1 9 9 4 年的瑞士日內(nèi)瓦w 3 會(huì)議上，是一種描述因特網(wǎng)上交互式 三維多媒體的標(biāo)準(zhǔn)文件格式m 】，是一項(xiàng)和多媒體通訊、因特網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域密切 相關(guān)的技術(shù)，其基本目標(biāo)是建立因特網(wǎng)上的交互式三維多媒體。v r m l 在電子商務(wù)、 教育、工程技術(shù)、建筑、娛樂(lè)、藝術(shù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使其成為目前構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí) 應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)工具之一。 v r m l 作為一種虛擬現(xiàn)實(shí)三維立體網(wǎng)絡(luò)程序語(yǔ)言，可以在網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建逼真的三維 場(chǎng)景，使虛擬世界的真實(shí)性和交互性得到更充分的體現(xiàn)【4 5 1 。其基本原理是用文本信息 描述三維場(chǎng)景在互進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)上傳輸，利用三維圖形生成技術(shù)在本地機(jī)上利用多傳感交 互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，由v r m l 瀏覽器解釋生成逼真三維虛擬場(chǎng)景，使用者通 ，過(guò)使用特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套傳感設(shè)備，或利用鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，進(jìn)行實(shí)時(shí)交 互，感知和操作虛擬世界中的各種對(duì)象，從而獲得身臨其境的感受和體會(huì)。 v r m l 綜合了現(xiàn)有三維軟件的景象描述語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，包含基本元素、頂點(diǎn)、線和 面的定義；可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換的縮放、旋轉(zhuǎn)和平移；擁有優(yōu)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；采用基于 文件的運(yùn)行機(jī)制，其程序不必經(jīng)過(guò)任何編譯、連接等處理；采用a s c i i 碼格式的文本 文件，在機(jī)器之間傳送的是對(duì)象描述，而不是對(duì)象完整的圖形化表示，因此可以大幅 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第13 頁(yè) 減少在發(fā)布虛擬場(chǎng)景時(shí)占用的帶寬。 但是，v r m l 在構(gòu)造三維場(chǎng)景需要錄入較多規(guī)范的數(shù)據(jù)，不能高效快捷地建立復(fù) 雜物體的三維模型，此時(shí)，可以運(yùn)用第三方的造型軟件【4 6 ，現(xiàn)在很多三維軟件都支持 以v r m l 格式輸出特定場(chǎng)景( 如u g ，p r o e ，3 d sm a x 等都提供v r m l 的接口) 。其 中，三維動(dòng)畫(huà)軟件3 d sm a x 可以高效快捷地建立復(fù)雜物體的三維模型，從而彌補(bǔ) v r m l 建立復(fù)雜的三維模型這方面的不足【4 7 4 8 1 ，但用3 d