基于KMAX一體機(jī)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

王 磊

(深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué) 人工智能學(xué)院,廣東 深圳 518055)

0 引言

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要組成部分,是學(xué)科專業(yè)知識與多媒體虛擬化技術(shù)深度融合的產(chǎn)物,更是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向,其重點(diǎn)是建設(shè)虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境與資源。教育部在2017年發(fā)布的《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》[1]和 2018 年發(fā)布的《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》[2]分別對高職、高校開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)做出明確規(guī)定。

KMAX桌面VR一體機(jī)作為建設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室的一種主流硬件終端設(shè)備,源自美國硅谷公司生產(chǎn)的zSpace 虛擬交互一體機(jī),硬件部分由帶有頭部追蹤的全彩色、高清、沉浸式立體感顯示器、紅外光學(xué)追蹤3D眼鏡以及紅外光學(xué)追蹤操控筆組成[3],軟件系統(tǒng)使用微軟Windows 10 操作系統(tǒng)、內(nèi)置Nvida 3D Vision系統(tǒng)。

1 KMAX桌面VR一體機(jī)與傳統(tǒng)PC、工作站的系統(tǒng)管理方式不適配

KMAX桌面VR一體機(jī)與傳統(tǒng)PC、工作站在設(shè)計架構(gòu)上的不同,導(dǎo)致硬件保護(hù)卡模式及云桌面系統(tǒng)保護(hù)方式都不能較好地適用于其管理系統(tǒng),主要體現(xiàn)在兩個方面:

(1)KMAX一體機(jī)無法加裝硬件還原卡。KMAX一體機(jī)的機(jī)身包含攝像頭、紅外感應(yīng)裝置,這種集成度較高的一體化設(shè)計,在后期加裝硬件還原卡時會變得極為困難。

(2)KMAX一體機(jī)對網(wǎng)絡(luò)要求不高,其使用的是百兆網(wǎng)卡,而現(xiàn)有機(jī)房網(wǎng)絡(luò)基本上都升級到了千兆網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)速率上的不適配,導(dǎo)致現(xiàn)有一體機(jī)無法使用云桌面系統(tǒng)對其進(jìn)行管理。

使用基于軟件的系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制能夠?qū)MAX一體機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行管理,但是單機(jī)版的保護(hù)方式卻不適用于實(shí)訓(xùn)室環(huán)境。因此,需要對KMAX一體機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,使其更好地滿足實(shí)訓(xùn)室教學(xué)與管理的需要。

2 KMAX一體機(jī)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

針對上述的兩個問題,結(jié)合傳統(tǒng)硬件保護(hù)卡模式與云桌面系統(tǒng)在實(shí)訓(xùn)環(huán)境中的優(yōu)點(diǎn),筆者認(rèn)為將KMAX一體機(jī)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計為主控端+被控端的架構(gòu),通過分組管理的模式,可以在不增加任何硬件設(shè)備的前提下,以軟件的形式實(shí)現(xiàn)對KMAX一體機(jī)的批量化管理。主控端可以與被控端共同部署在實(shí)訓(xùn)室的本地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,也可以部署到中心機(jī)房,實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)段的集中管理。其網(wǎng)絡(luò)部署拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 KMAX一體機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署拓?fù)?/p>

2.1 KMAX一體機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)被控端

KMAX一體機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)被控端的主要功能與硬件保護(hù)卡類似,主要實(shí)現(xiàn)KMAX一體機(jī)本地系統(tǒng)保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)對拷、主控端連接和配置網(wǎng)絡(luò)屬性等功能。KMAX一體機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)被控端的軟件功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 KMAX一體機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)被控端軟件功能架構(gòu)

2.1.1 還原點(diǎn)管理

KMAX一體機(jī)自帶的系統(tǒng)中集成了多種硬件驅(qū)動、內(nèi)置Nvida 3D Vision系統(tǒng),如果在實(shí)訓(xùn)過程中系統(tǒng)發(fā)生損壞,將會導(dǎo)致機(jī)器在短時間內(nèi)無法恢復(fù)使用。在實(shí)際的使用場景中,虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室面對的需求不僅有公共課,還有各種專業(yè)課需求,不同類型的課程使用的應(yīng)用環(huán)境各不相同。如果將所有的應(yīng)用軟件都安裝到同一個系統(tǒng)中,會極大地降低系統(tǒng)性能,并且還會導(dǎo)致無法預(yù)知的軟件沖突問題。引入云桌面系統(tǒng)“系統(tǒng)快照”的概念,可以為每一個專業(yè)的課程創(chuàng)建不同的還原點(diǎn),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的快速切換。

被控端程序支持將硬盤某一時刻的狀態(tài)動態(tài)保存下來,生成還原點(diǎn)。還原點(diǎn)分為兩類,分別是ROOT還原點(diǎn)和動態(tài)還原點(diǎn)。

ROOT還原點(diǎn)是一種特殊的還原點(diǎn),是被控端程序安裝到系統(tǒng)中后自動生成的還原點(diǎn),其狀態(tài)不可改變,在實(shí)際應(yīng)用中可以作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)還原點(diǎn)(純凈系統(tǒng),只安裝各種硬件驅(qū)動,不包含任何應(yīng)用環(huán)境)。

動態(tài)還原點(diǎn)是以ROOT還原點(diǎn)為基礎(chǔ),根據(jù)需要手動創(chuàng)建的還原點(diǎn)。例如安裝了公共課教學(xué)軟件后,用戶通過手動創(chuàng)建還原點(diǎn)將此時的應(yīng)用環(huán)境保存下來作為公共課的授課與實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

針對不同的實(shí)訓(xùn)環(huán)境,例如公共課、專業(yè)課、實(shí)驗(yàn)課,用戶可以分別創(chuàng)建相應(yīng)的還原點(diǎn),方便KMAX一體機(jī)系統(tǒng)在不同課程之間進(jìn)行切換。

2.1.2 還原模式

還原模式用于提供不同類型的系統(tǒng)還原方式,一般與還原點(diǎn)配合使用。當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)還原時,還原模式確定了對還原點(diǎn)采取的操作類型。被控端支持實(shí)時對還原模式進(jìn)行切換,還原模式包括以下6類。

(1)自動還原:每次啟動電腦或重新開機(jī)時系統(tǒng)會自動還原到當(dāng)前狀態(tài)。

(2)不還原:系統(tǒng)處于開放狀態(tài),任何操作都會被保留。

(3)定時還原:根據(jù)需要可每隔幾天還原一次。

(4)自動保留:每次啟動電腦或重新開機(jī)時系統(tǒng)都不會還原之前的操作。

(5)自動保存:每次啟動電腦都將自動創(chuàng)建一個新的還原點(diǎn)。

(6)定時保存:每隔幾天保存一次當(dāng)前的硬盤狀態(tài)。

在KMAX實(shí)訓(xùn)室日常使用場景中,自動還原為默認(rèn)還原方式,用于保障KMAX一體機(jī)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),避免其因?yàn)橄到y(tǒng)升級中斷、非法關(guān)機(jī)、誤刪除文件等行為而遭到損壞。

2.1.3 主控端設(shè)置與網(wǎng)絡(luò)屬性設(shè)置

當(dāng)系統(tǒng)原有主控端出現(xiàn)故障時,設(shè)置主控端的IP地址及端口,能夠快速將被控端連接到備用主控端,從而增強(qiáng)系統(tǒng)整體的可靠性。

被控端通過網(wǎng)絡(luò)屬性設(shè)置功能,能夠快速更改被控端的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(主機(jī)名稱、IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、DNS),使其能夠在不同的實(shí)訓(xùn)室網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行切換。

2.1.4 目錄設(shè)置

在整周實(shí)訓(xùn)應(yīng)用場景中,系統(tǒng)需要臨時保留學(xué)生作業(yè)、實(shí)訓(xùn)參考資料等,因此需要在還原系統(tǒng)的前提下,保留學(xué)生對指定目錄的修改。目錄設(shè)置包括“目錄不還原”以及“目錄同步”。

選擇“目錄不還原”,用戶可以設(shè)置文件夾在任何還原模式下都不會被還原,從而在實(shí)訓(xùn)過程中最大限度地保留學(xué)生的個人文件。

選擇“目錄同步”,用戶可以自動同步文件到個人移動存儲設(shè)備上,通過設(shè)置“同步類型”“源路徑”“目標(biāo)路徑”,實(shí)現(xiàn)自動完成文件同步。

2.1.5 網(wǎng)絡(luò)對拷

網(wǎng)絡(luò)對拷是KMAX一體機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中被控端的核心功能,對于實(shí)現(xiàn)集中、批量部署KMAX系統(tǒng)至關(guān)重要。在網(wǎng)絡(luò)對拷功能中,客戶端可分為兩種運(yùn)行模式,分別是發(fā)送端與接收端。發(fā)送端自帶PXE服務(wù)器,接收端可設(shè)置為從網(wǎng)絡(luò)啟動后,自動登錄發(fā)送端。發(fā)送端能夠批量修改接收端的主機(jī)地址、IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)與DNS。

網(wǎng)絡(luò)對拷功能可以讓發(fā)送端硬盤上的數(shù)據(jù)與接收端進(jìn)行同步。第一次網(wǎng)絡(luò)對拷采用全盤復(fù)制的模式,其后采用增量對拷的模式(當(dāng)發(fā)送端的起始還原點(diǎn)數(shù)據(jù)與接收端的起始還原點(diǎn)數(shù)據(jù)一致時),可最大限度地減少數(shù)據(jù)傳輸量,節(jié)省網(wǎng)絡(luò)對拷時間。發(fā)送端能夠針對不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬環(huán)境,設(shè)置壓縮算法與傳輸算法,提升數(shù)據(jù)傳輸效率。該特性能夠有效解決KMAX一體機(jī)的百兆網(wǎng)卡與機(jī)房千兆網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之間不適配的問題。網(wǎng)絡(luò)對拷功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)對拷功能架構(gòu)

2.2 KMAX一體機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主控端

KMAX一體機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主控端的核心功能是實(shí)現(xiàn)被控端分組管理與批量遠(yuǎn)程操作,主控端能夠與被控端部署于同一局域網(wǎng)段,也能夠?qū)崿F(xiàn)跨網(wǎng)段部署。主控端與被控端之間通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信,通過將主控端部署到中心機(jī)房,能夠?qū)崿F(xiàn)隨時隨地對實(shí)訓(xùn)室內(nèi)的被控端進(jìn)行批量遠(yuǎn)程操作。KMAX一體機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主控端的軟件功能架構(gòu)如圖4所示。

圖4 KMAX一體機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主控端的軟件功能架構(gòu)

2.2.1 被控端分組管理與用戶管理

管理員登錄主控端后,使用實(shí)訓(xùn)室編號新建分組,根據(jù)被控端所處的IP網(wǎng)段將其分配到各自所屬的實(shí)訓(xùn)室分組之中,實(shí)現(xiàn)對實(shí)訓(xùn)室中KMAX一體機(jī)的集中管理。針對實(shí)訓(xùn)室中KMAX一體機(jī)使用者的不同,可以新建KMAX-Teacher與KMAX-Student分組,實(shí)現(xiàn)教師機(jī)與學(xué)生機(jī)的分類管理。

用戶管理功能支持新建不同角色類型的系統(tǒng)賬戶及相應(yīng)的功能執(zhí)行權(quán)限,系統(tǒng)賬戶分為超級管理員、普通管理員、實(shí)訓(xùn)室值班員,執(zhí)行功能包含遠(yuǎn)程喚醒、重啟、關(guān)機(jī)、遠(yuǎn)程還原、遠(yuǎn)程控制、網(wǎng)絡(luò)拷貝等。例如新建普通管理員賬戶“admin-01”,設(shè)置其具有遠(yuǎn)程喚醒與重啟的執(zhí)行權(quán)限,當(dāng)使用“admin-01”賬戶登錄主控端時,其只能對被控端執(zhí)行上述允許的功能,其他的執(zhí)行功能將會自動隱藏。通過綁定用戶角色與功能執(zhí)行權(quán)限,主控端能夠?qū)崿F(xiàn)不同角色用戶對被控端的精細(xì)化控制,滿足不同場景下的實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)管理需要。

2.2.2 遠(yuǎn)程還原功能中心

遠(yuǎn)程還原功能中心是KMAX一體機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主控端的核心組成部分。主控端能夠?qū)Ρ豢囟说倪€原模式、還原點(diǎn)管理、目錄管理進(jìn)行批量更改操作。

主控端能夠?qū)崟r批量更改被控端使用的還原模式,系統(tǒng)重啟后生效。

主控端通過發(fā)送遠(yuǎn)程命令將被控端系統(tǒng)批量還原到其保存的任一還原點(diǎn)狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)訓(xùn)室中所有KMAX一體機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的動態(tài)轉(zhuǎn)換,滿足不同課程需求。

學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中會配置或修改KMAX一體機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境,在不使用網(wǎng)絡(luò)對拷的前提下,管理員可以通過主控端的新增還原點(diǎn)功能,快速地對被控端當(dāng)前硬盤的狀態(tài)進(jìn)行批量保存。學(xué)期教學(xué)結(jié)束后,管理員通過刪除還原點(diǎn)功能,批量刪除不再使用的還原點(diǎn),可將系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)并且釋放相應(yīng)的硬盤使用空間。當(dāng)教師或?qū)W生需要臨時存放實(shí)訓(xùn)文檔時,通過主控端批量將被控端的指定目錄設(shè)置為“目錄不還原”,即可滿足各種場景下的文檔臨時存放需求。

系統(tǒng)日志功能詳細(xì)記錄管理員對被控端系統(tǒng)的所有還原操作,包括還原模式的改變、還原點(diǎn)的新建與刪除、指定還原點(diǎn)操作、指定目錄還原操作以及相應(yīng)的時間戳,方便查詢與管理。

通過設(shè)置計劃任務(wù),管理員可以定期對實(shí)訓(xùn)室中的被控端系統(tǒng)進(jìn)行日常維護(hù)工作。例如定期執(zhí)行還原點(diǎn)刪除操作、釋放硬盤空間、學(xué)期末自動將系統(tǒng)還原到初始狀態(tài)等。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)對拷功能中心與遠(yuǎn)程控制功能中心

主控端在設(shè)置網(wǎng)絡(luò)對拷功能時,只能在被控端分組中選擇一個被控端作為數(shù)據(jù)發(fā)送端,剩余被控端都可作為接收端。設(shè)置完成后,所有機(jī)器將重啟,發(fā)送端會自動開啟PXE服務(wù)器,接收端從網(wǎng)絡(luò)啟動后自動登錄到發(fā)送端,后續(xù)操作與設(shè)置被控端網(wǎng)絡(luò)拷貝功能一致。

通過遠(yuǎn)程控制功能中心,主控端能夠?qū)x定的被控端執(zhí)行遠(yuǎn)程喚醒、關(guān)機(jī)和重啟命令,能夠遠(yuǎn)程查看桌面,能夠通過Windows10系統(tǒng)中自帶的mstsc命令遠(yuǎn)程連接到被控端以及設(shè)置被控端的主機(jī)名稱、IP地址、子網(wǎng)掩碼、通信端口信息和DNS服務(wù)器。

3 結(jié)語

KMAX一體機(jī)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計采用“主控端+被控端”的管理模式,以分組的形式實(shí)現(xiàn)對KMAX一體機(jī)的批量管理。被控端不僅具有傳統(tǒng)還原卡提供的硬盤還原功能、還能通過創(chuàng)建還原點(diǎn)實(shí)現(xiàn)云桌面的“系統(tǒng)快照”功能,在網(wǎng)絡(luò)對拷功能中設(shè)置壓縮算法和傳輸算法,較好地解決了KMAX網(wǎng)卡性能與機(jī)房網(wǎng)絡(luò)不適配的問題。

針對KMAX一體機(jī)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)優(yōu)化,為高校構(gòu)建虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室、提高KMAX一體機(jī)的管理效率、降低KMAX一體機(jī)系統(tǒng)的故障率提供了有力的保障。