基于KMAX一體機的虛擬仿真實訓室系統優化設計

王 磊

(深圳職業技術大學 人工智能學院,廣東 深圳 518055)

0 引言

虛擬仿真實訓室是高等教育信息化建設和實訓教學示范中心建設的重要組成部分,是學科專業知識與多媒體虛擬化技術深度融合的產物,更是實驗教學的發展方向,其重點是建設虛擬化實驗教學環境與資源。教育部在2017年發布的《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》[1]和 2018 年發布的《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》[2]分別對高職、高校開展虛擬仿真實驗教學項目建設做出明確規定。

KMAX桌面VR一體機作為建設虛擬仿真實訓室的一種主流硬件終端設備,源自美國硅谷公司生產的zSpace 虛擬交互一體機,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、紅外光學追蹤3D眼鏡以及紅外光學追蹤操控筆組成[3],軟件系統使用微軟Windows 10 操作系統、內置Nvida 3D Vision系統。

1 KMAX桌面VR一體機與傳統PC、工作站的系統管理方式不適配

KMAX桌面VR一體機與傳統PC、工作站在設計架構上的不同,導致硬件保護卡模式及云桌面系統保護方式都不能較好地適用于其管理系統,主要體現在兩個方面:

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

(2)KMAX一體機對網絡要求不高,其使用的是百兆網卡,而現有機房網絡基本上都升級到了千兆網絡。這種網絡速率上的不適配,導致現有一體機無法使用云桌面系統對其進行管理。

使用基于軟件的系統保護機制能夠對KMAX一體機的系統進行管理,但是單機版的保護方式卻不適用于實訓室環境。因此,需要對KMAX一體機虛擬仿真實訓系統進行優化設計,使其更好地滿足實訓室教學與管理的需要。

2 KMAX一體機的虛擬仿真實訓系統

針對上述的兩個問題,結合傳統硬件保護卡模式與云桌面系統在實訓環境中的優點,筆者認為將KMAX一體機的虛擬仿真實訓系統設計為主控端+被控端的架構,通過分組管理的模式,可以在不增加任何硬件設備的前提下,以軟件的形式實現對KMAX一體機的批量化管理。主控端可以與被控端共同部署在實訓室的本地網絡環境中,也可以部署到中心機房,實現跨網段的集中管理。其網絡部署拓撲如圖1所示。

圖1 KMAX一體機虛擬仿真實訓系統網絡部署拓撲

2.1 KMAX一體機虛擬仿真實訓系統被控端

KMAX一體機虛擬仿真實訓系統被控端的主要功能與硬件保護卡類似,主要實現KMAX一體機本地系統保護、網絡對拷、主控端連接和配置網絡屬性等功能。KMAX一體機虛擬仿真實訓系統被控端的軟件功能架構如圖2所示。

圖2 KMAX一體機虛擬仿真實訓系統被控端軟件功能架構

2.1.1 還原點管理

KMAX一體機自帶的系統中集成了多種硬件驅動、內置Nvida 3D Vision系統,如果在實訓過程中系統發生損壞,將會導致機器在短時間內無法恢復使用。在實際的使用場景中,虛擬仿真實訓室面對的需求不僅有公共課,還有各種專業課需求,不同類型的課程使用的應用環境各不相同。如果將所有的應用軟件都安裝到同一個系統中,會極大地降低系統性能,并且還會導致無法預知的軟件沖突問題。引入云桌面系統“系統快照”的概念,可以為每一個專業的課程創建不同的還原點,實現系統之間的快速切換。

被控端程序支持將硬盤某一時刻的狀態動態保存下來,生成還原點。還原點分為兩類,分別是ROOT還原點和動態還原點。

ROOT還原點是一種特殊的還原點,是被控端程序安裝到系統中后自動生成的還原點,其狀態不可改變,在實際應用中可以作為系統的基礎還原點(純凈系統,只安裝各種硬件驅動,不包含任何應用環境)。

動態還原點是以ROOT還原點為基礎,根據需要手動創建的還原點。例如安裝了公共課教學軟件后,用戶通過手動創建還原點將此時的應用環境保存下來作為公共課的授課與實訓環境。

針對不同的實訓環境,例如公共課、專業課、實驗課,用戶可以分別創建相應的還原點,方便KMAX一體機系統在不同課程之間進行切換。

2.1.2 還原模式

還原模式用于提供不同類型的系統還原方式,一般與還原點配合使用。當進行系統還原時,還原模式確定了對還原點采取的操作類型。被控端支持實時對還原模式進行切換,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時系統會自動還原到當前狀態。

(2)不還原:系統處于開放狀態,任何操作都會被保留。

(3)定時還原:根據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時系統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建一個新的還原點。

(6)定時保存:每隔幾天保存一次當前的硬盤狀態。

在KMAX實訓室日常使用場景中,自動還原為默認還原方式,用于保障KMAX一體機實訓系統,避免其因為系統升級中斷、非法關機、誤刪除文件等行為而遭到損壞。

2.1.3 主控端設置與網絡屬性設置

當系統原有主控端出現故障時,設置主控端的IP地址及端口,能夠快速將被控端連接到備用主控端,從而增強系統整體的可靠性。

被控端通過網絡屬性設置功能,能夠快速更改被控端的網絡環境(主機名稱、IP地址、子網掩碼、網關、DNS),使其能夠在不同的實訓室網絡環境中進行切換。

2.1.4 目錄設置

在整周實訓應用場景中,系統需要臨時保留學生作業、實訓參考資料等,因此需要在還原系統的前提下,保留學生對指定目錄的修改。目錄設置包括“目錄不還原”以及“目錄同步”。

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

選擇“目錄同步”,用戶可以自動同步文件到個人移動存儲設備上,通過設置“同步類型”“源路徑”“目標路徑”,實現自動完成文件同步。

2.1.5 網絡對拷

網絡對拷是KMAX一體機虛擬仿真實訓系統中被控端的核心功能,對于實現集中、批量部署KMAX系統至關重要。在網絡對拷功能中,客戶端可分為兩種運行模式,分別是發送端與接收端。發送端自帶PXE服務器,接收端可設置為從網絡啟動后,自動登錄發送端。發送端能夠批量修改接收端的主機地址、IP地址、子網掩碼、網關與DNS。

網絡對拷功能可以讓發送端硬盤上的數據與接收端進行同步。第一次網絡對拷采用全盤復制的模式,其后采用增量對拷的模式(當發送端的起始還原點數據與接收端的起始還原點數據一致時),可最大限度地減少數據傳輸量,節省網絡對拷時間。發送端能夠針對不同的網絡帶寬環境,設置壓縮算法與傳輸算法,提升數據傳輸效率。該特性能夠有效解決KMAX一體機的百兆網卡與機房千兆網絡環境之間不適配的問題。網絡對拷功能架構如圖3所示。

圖3 網絡對拷功能架構

2.2 KMAX一體機虛擬仿真實訓系統主控端

KMAX一體機虛擬仿真實訓系統主控端的核心功能是實現被控端分組管理與批量遠程操作,主控端能夠與被控端部署于同一局域網段,也能夠實現跨網段部署。主控端與被控端之間通過TCP/IP協議進行通信,通過將主控端部署到中心機房,能夠實現隨時隨地對實訓室內的被控端進行批量遠程操作。KMAX一體機虛擬仿真實訓系統主控端的軟件功能架構如圖4所示。

圖4 KMAX一體機虛擬仿真實訓系統主控端的軟件功能架構

2.2.1 被控端分組管理與用戶管理

管理員登錄主控端后,使用實訓室編號新建分組,根據被控端所處的IP網段將其分配到各自所屬的實訓室分組之中,實現對實訓室中KMAX一體機的集中管理。針對實訓室中KMAX一體機使用者的不同,可以新建KMAX-Teacher與KMAX-Student分組,實現教師機與學生機的分類管理。

用戶管理功能支持新建不同角色類型的系統賬戶及相應的功能執行權限,系統賬戶分為超級管理員、普通管理員、實訓室值班員,執行功能包含遠程喚醒、重啟、關機、遠程還原、遠程控制、網絡拷貝等。例如新建普通管理員賬戶“admin-01”,設置其具有遠程喚醒與重啟的執行權限,當使用“admin-01”賬戶登錄主控端時,其只能對被控端執行上述允許的功能,其他的執行功能將會自動隱藏。通過綁定用戶角色與功能執行權限,主控端能夠實現不同角色用戶對被控端的精細化控制,滿足不同場景下的實訓室系統管理需要。

2.2.2 遠程還原功能中心

遠程還原功能中心是KMAX一體機虛擬仿真實訓系統主控端的核心組成部分。主控端能夠對被控端的還原模式、還原點管理、目錄管理進行批量更改操作。

主控端能夠實時批量更改被控端使用的還原模式,系統重啟后生效。

主控端通過發送遠程命令將被控端系統批量還原到其保存的任一還原點狀態,從而實現對實訓室中所有KMAX一體機系統應用環境的動態轉換,滿足不同課程需求。

學生在實訓過程中會配置或修改KMAX一體機系統的應用環境,在不使用網絡對拷的前提下,管理員可以通過主控端的新增還原點功能,快速地對被控端當前硬盤的狀態進行批量保存。學期教學結束后,管理員通過刪除還原點功能,批量刪除不再使用的還原點,可將系統恢復到初始狀態并且釋放相應的硬盤使用空間。當教師或學生需要臨時存放實訓文檔時,通過主控端批量將被控端的指定目錄設置為“目錄不還原”,即可滿足各種場景下的文檔臨時存放需求。

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

通過設置計劃任務,管理員可以定期對實訓室中的被控端系統進行日常維護工作。例如定期執行還原點刪除操作、釋放硬盤空間、學期末自動將系統還原到初始狀態等。

2.2.3 網絡對拷功能中心與遠程控制功能中心

主控端在設置網絡對拷功能時,只能在被控端分組中選擇一個被控端作為數據發送端,剩余被控端都可作為接收端。設置完成后,所有機器將重啟,發送端會自動開啟PXE服務器,接收端從網絡啟動后自動登錄到發送端,后續操作與設置被控端網絡拷貝功能一致。

通過遠程控制功能中心,主控端能夠對選定的被控端執行遠程喚醒、關機和重啟命令,能夠遠程查看桌面,能夠通過Windows10系統中自帶的mstsc命令遠程連接到被控端以及設置被控端的主機名稱、IP地址、子網掩碼、通信端口信息和DNS服務器。

3 結語

KMAX一體機的虛擬仿真實訓室系統優化設計采用“主控端+被控端”的管理模式,以分組的形式實現對KMAX一體機的批量管理。被控端不僅具有傳統還原卡提供的硬盤還原功能、還能通過創建還原點實現云桌面的“系統快照”功能,在網絡對拷功能中設置壓縮算法和傳輸算法,較好地解決了KMAX網卡性能與機房網絡不適配的問題。

針對KMAX一體機的虛擬仿真實訓室系統優化,為高校構建虛擬仿真實訓室、提高KMAX一體機的管理效率、降低KMAX一體機系統的故障率提供了有力的保障。