基于KMAX一体机的虚拟仿真实训室系统优化设计

王 磊

(深圳职业技术大学 人工智能学院,广东 深圳 518055)

0 引言

虚拟仿真实训室是高等教育信息化建设和实训教学示范中心建设的重要组成部分,是学科专业知识与多媒体虚拟化技术深度融合的产物,更是实验教学的发展方向,其重点是建设虚拟化实验教学环境与资源。教育部在2017年发布的《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》[1]和 2018 年发布的《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》[2]分别对高职、高校开展虚拟仿真实验教学项目建设做出明确规定。

KMAX桌面VR一体机作为建设虚拟仿真实训室的一种主流硬件终端设备,源自美国硅谷公司生产的zSpace 虚拟交互一体机,硬件部分由带有头部追踪的全彩色、高清、沉浸式立体感显示器、红外光学追踪3D眼镜以及红外光学追踪操控笔组成[3],软件系统使用微软Windows 10 操作系统、内置Nvida 3D Vision系统。

1 KMAX桌面VR一体机与传统PC、工作站的系统管理方式不适配

KMAX桌面VR一体机与传统PC、工作站在设计架构上的不同,导致硬件保护卡模式及云桌面系统保护方式都不能较好地适用于其管理系统,主要体现在两个方面:

(1)KMAX一体机无法加装硬件还原卡。KMAX一体机的机身包含摄像头、红外感应装置,这种集成度较高的一体化设计,在后期加装硬件还原卡时会变得极为困难。

(2)KMAX一体机对网络要求不高,其使用的是百兆网卡,而现有机房网络基本上都升级到了千兆网络。这种网络速率上的不适配,导致现有一体机无法使用云桌面系统对其进行管理。

使用基于软件的系统保护机制能够对KMAX一体机的系统进行管理,但是单机版的保护方式却不适用于实训室环境。因此,需要对KMAX一体机虚拟仿真实训系统进行优化设计,使其更好地满足实训室教学与管理的需要。

2 KMAX一体机的虚拟仿真实训系统

针对上述的两个问题,结合传统硬件保护卡模式与云桌面系统在实训环境中的优点,笔者认为将KMAX一体机的虚拟仿真实训系统设计为主控端+被控端的架构,通过分组管理的模式,可以在不增加任何硬件设备的前提下,以软件的形式实现对KMAX一体机的批量化管理。主控端可以与被控端共同部署在实训室的本地网络环境中,也可以部署到中心机房,实现跨网段的集中管理。其网络部署拓扑如图1所示。

图1 KMAX一体机虚拟仿真实训系统网络部署拓扑

2.1 KMAX一体机虚拟仿真实训系统被控端

KMAX一体机虚拟仿真实训系统被控端的主要功能与硬件保护卡类似,主要实现KMAX一体机本地系统保护、网络对拷、主控端连接和配置网络属性等功能。KMAX一体机虚拟仿真实训系统被控端的软件功能架构如图2所示。

图2 KMAX一体机虚拟仿真实训系统被控端软件功能架构

2.1.1 还原点管理

KMAX一体机自带的系统中集成了多种硬件驱动、内置Nvida 3D Vision系统,如果在实训过程中系统发生损坏,将会导致机器在短时间内无法恢复使用。在实际的使用场景中,虚拟仿真实训室面对的需求不仅有公共课,还有各种专业课需求,不同类型的课程使用的应用环境各不相同。如果将所有的应用软件都安装到同一个系统中,会极大地降低系统性能,并且还会导致无法预知的软件冲突问题。引入云桌面系统“系统快照”的概念,可以为每一个专业的课程创建不同的还原点,实现系统之间的快速切换。

被控端程序支持将硬盘某一时刻的状态动态保存下来,生成还原点。还原点分为两类,分别是ROOT还原点和动态还原点。

ROOT还原点是一种特殊的还原点,是被控端程序安装到系统中后自动生成的还原点,其状态不可改变,在实际应用中可以作为系统的基础还原点(纯净系统,只安装各种硬件驱动,不包含任何应用环境)。

动态还原点是以ROOT还原点为基础,根据需要手动创建的还原点。例如安装了公共课教学软件后,用户通过手动创建还原点将此时的应用环境保存下来作为公共课的授课与实训环境。

针对不同的实训环境,例如公共课、专业课、实验课,用户可以分别创建相应的还原点,方便KMAX一体机系统在不同课程之间进行切换。

2.1.2 还原模式

还原模式用于提供不同类型的系统还原方式,一般与还原点配合使用。当进行系统还原时,还原模式确定了对还原点采取的操作类型。被控端支持实时对还原模式进行切换,还原模式包括以下6类。

(1)自动还原:每次启动电脑或重新开机时系统会自动还原到当前状态。

(2)不还原:系统处于开放状态,任何操作都会被保留。

(3)定时还原:根据需要可每隔几天还原一次。

(4)自动保留:每次启动电脑或重新开机时系统都不会还原之前的操作。

(5)自动保存:每次启动电脑都将自动创建一个新的还原点。

(6)定时保存:每隔几天保存一次当前的硬盘状态。

在KMAX实训室日常使用场景中,自动还原为默认还原方式,用于保障KMAX一体机实训系统,避免其因为系统升级中断、非法关机、误删除文件等行为而遭到损坏。

2.1.3 主控端设置与网络属性设置

当系统原有主控端出现故障时,设置主控端的IP地址及端口,能够快速将被控端连接到备用主控端,从而增强系统整体的可靠性。

被控端通过网络属性设置功能,能够快速更改被控端的网络环境(主机名称、IP地址、子网掩码、网关、DNS),使其能够在不同的实训室网络环境中进行切换。

2.1.4 目录设置

在整周实训应用场景中,系统需要临时保留学生作业、实训参考资料等,因此需要在还原系统的前提下,保留学生对指定目录的修改。目录设置包括“目录不还原”以及“目录同步”。

选择“目录不还原”,用户可以设置文件夹在任何还原模式下都不会被还原,从而在实训过程中最大限度地保留学生的个人文件。

选择“目录同步”,用户可以自动同步文件到个人移动存储设备上,通过设置“同步类型”“源路径”“目标路径”,实现自动完成文件同步。

2.1.5 网络对拷

网络对拷是KMAX一体机虚拟仿真实训系统中被控端的核心功能,对于实现集中、批量部署KMAX系统至关重要。在网络对拷功能中,客户端可分为两种运行模式,分别是发送端与接收端。发送端自带PXE服务器,接收端可设置为从网络启动后,自动登录发送端。发送端能够批量修改接收端的主机地址、IP地址、子网掩码、网关与DNS。

网络对拷功能可以让发送端硬盘上的数据与接收端进行同步。第一次网络对拷采用全盘复制的模式,其后采用增量对拷的模式(当发送端的起始还原点数据与接收端的起始还原点数据一致时),可最大限度地减少数据传输量,节省网络对拷时间。发送端能够针对不同的网络带宽环境,设置压缩算法与传输算法,提升数据传输效率。该特性能够有效解决KMAX一体机的百兆网卡与机房千兆网络环境之间不适配的问题。网络对拷功能架构如图3所示。

图3 网络对拷功能架构

2.2 KMAX一体机虚拟仿真实训系统主控端

KMAX一体机虚拟仿真实训系统主控端的核心功能是实现被控端分组管理与批量远程操作,主控端能够与被控端部署于同一局域网段,也能够实现跨网段部署。主控端与被控端之间通过TCP/IP协议进行通信,通过将主控端部署到中心机房,能够实现随时随地对实训室内的被控端进行批量远程操作。KMAX一体机虚拟仿真实训系统主控端的软件功能架构如图4所示。

图4 KMAX一体机虚拟仿真实训系统主控端的软件功能架构

2.2.1 被控端分组管理与用户管理

管理员登录主控端后,使用实训室编号新建分组,根据被控端所处的IP网段将其分配到各自所属的实训室分组之中,实现对实训室中KMAX一体机的集中管理。针对实训室中KMAX一体机使用者的不同,可以新建KMAX-Teacher与KMAX-Student分组,实现教师机与学生机的分类管理。

用户管理功能支持新建不同角色类型的系统账户及相应的功能执行权限,系统账户分为超级管理员、普通管理员、实训室值班员,执行功能包含远程唤醒、重启、关机、远程还原、远程控制、网络拷贝等。例如新建普通管理员账户“admin-01”,设置其具有远程唤醒与重启的执行权限,当使用“admin-01”账户登录主控端时,其只能对被控端执行上述允许的功能,其他的执行功能将会自动隐藏。通过绑定用户角色与功能执行权限,主控端能够实现不同角色用户对被控端的精细化控制,满足不同场景下的实训室系统管理需要。

2.2.2 远程还原功能中心

远程还原功能中心是KMAX一体机虚拟仿真实训系统主控端的核心组成部分。主控端能够对被控端的还原模式、还原点管理、目录管理进行批量更改操作。

主控端能够实时批量更改被控端使用的还原模式,系统重启后生效。

主控端通过发送远程命令将被控端系统批量还原到其保存的任一还原点状态,从而实现对实训室中所有KMAX一体机系统应用环境的动态转换,满足不同课程需求。

学生在实训过程中会配置或修改KMAX一体机系统的应用环境,在不使用网络对拷的前提下,管理员可以通过主控端的新增还原点功能,快速地对被控端当前硬盘的状态进行批量保存。学期教学结束后,管理员通过删除还原点功能,批量删除不再使用的还原点,可将系统恢复到初始状态并且释放相应的硬盘使用空间。当教师或学生需要临时存放实训文档时,通过主控端批量将被控端的指定目录设置为“目录不还原”,即可满足各种场景下的文档临时存放需求。

系统日志功能详细记录管理员对被控端系统的所有还原操作,包括还原模式的改变、还原点的新建与删除、指定还原点操作、指定目录还原操作以及相应的时间戳,方便查询与管理。

通过设置计划任务,管理员可以定期对实训室中的被控端系统进行日常维护工作。例如定期执行还原点删除操作、释放硬盘空间、学期末自动将系统还原到初始状态等。

2.2.3 网络对拷功能中心与远程控制功能中心

主控端在设置网络对拷功能时,只能在被控端分组中选择一个被控端作为数据发送端,剩余被控端都可作为接收端。设置完成后,所有机器将重启,发送端会自动开启PXE服务器,接收端从网络启动后自动登录到发送端,后续操作与设置被控端网络拷贝功能一致。

通过远程控制功能中心,主控端能够对选定的被控端执行远程唤醒、关机和重启命令,能够远程查看桌面,能够通过Windows10系统中自带的mstsc命令远程连接到被控端以及设置被控端的主机名称、IP地址、子网掩码、通信端口信息和DNS服务器。

3 结语

KMAX一体机的虚拟仿真实训室系统优化设计采用“主控端+被控端”的管理模式,以分组的形式实现对KMAX一体机的批量管理。被控端不仅具有传统还原卡提供的硬盘还原功能、还能通过创建还原点实现云桌面的“系统快照”功能,在网络对拷功能中设置压缩算法和传输算法,较好地解决了KMAX网卡性能与机房网络不适配的问题。

针对KMAX一体机的虚拟仿真实训室系统优化,为高校构建虚拟仿真实训室、提高KMAX一体机的管理效率、降低KMAX一体机系统的故障率提供了有力的保障。