計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)與管理方案研究

路 遙， 范雪松， 崔 建

（北京大學(xué)計(jì)算中心，北京100871）

0 引 言

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面對(duì)的是全校文、理、工、醫(yī)多專業(yè)多學(xué)科的本、研學(xué)生，面對(duì)不同學(xué)科知識(shí)體系的需求，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)也有著應(yīng)對(duì)不同需求的不同功能。其實(shí)教育在培養(yǎng)學(xué)生成長(zhǎng)的過程中，一直都在進(jìn)行著手和腦的實(shí)踐訓(xùn)練，從小先鍛煉孩子的認(rèn)知和手腳的靈活性，大一點(diǎn)的時(shí)候鍛煉手和腦配合的協(xié)調(diào)性，隨著孩子的不斷成長(zhǎng)對(duì)于體魄和心智的培養(yǎng)從未間斷過，而到了大學(xué)里的教學(xué)課程中，也應(yīng)該讓學(xué)生繼續(xù)著動(dòng)手實(shí)踐和理論學(xué)習(xí)的交融，這是經(jīng)過驗(yàn)證的培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、優(yōu)秀的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、開闊的創(chuàng)造創(chuàng)新能力最切實(shí)有效的方式方法。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心管理問題探析

高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心是開展計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要平臺(tái)，保證計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是實(shí)施實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的基礎(chǔ)，直接影響著教學(xué)工作的開展和實(shí)踐教學(xué)效果［1］。多年來高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室、多媒體教室都在信息技術(shù)的飛速發(fā)展中不斷升級(jí)更新，很多計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中嘗試應(yīng)用新的技術(shù)、新理念和新模式都來源于管理大型服務(wù)器機(jī)房中積累的經(jīng)驗(yàn)［2］。在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理中可以深刻地感受到隨著計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)模式的改變而日益增長(zhǎng)的多樣化需求，傳統(tǒng)管理模式在很多方面都有些力不從心，無法做到靈活高效應(yīng)對(duì)實(shí)際遇到的計(jì)算機(jī)教學(xué)應(yīng)用需求［3］。很多基于硬件的改造升級(jí)只能在環(huán)境或外圍淺層次去改善計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，而內(nèi)在的管理技術(shù)拓展和實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式融合才是計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升綜合能力，尋求機(jī)房發(fā)展瓶頸突破的關(guān)鍵［4］。

2 系統(tǒng)管理方案架構(gòu)設(shè)計(jì)

管理計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心中的計(jì)算機(jī)軟、硬件及網(wǎng)絡(luò)是很多管理工作員的基本任務(wù)之一，尤其是系統(tǒng)軟件是最繁瑣的一項(xiàng)任務(wù)，為了滿足上機(jī)教學(xué)用戶的多種需求和實(shí)驗(yàn)室承接各種不同應(yīng)用的實(shí)際運(yùn)營，多個(gè)不同的操作系統(tǒng)、多種不同應(yīng)用軟件以及快速響應(yīng)的系統(tǒng)切換、更新和還原都是管理工作人員在實(shí)際工作中天天面臨的問題。眾所周知，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理和系統(tǒng)智能應(yīng)用被熱推虛擬化技術(shù)，其在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用大有顛覆傳統(tǒng)機(jī)房系統(tǒng)管理模式的趨勢(shì)［5］。大家熟知機(jī)房使用的虛擬化技術(shù)主要可以分為VDI（虛擬桌面架構(gòu)Virtual Desktop Infrastructure）和VOI（虛擬系統(tǒng)架構(gòu)Virtual OS Infrastructure）［6］。在實(shí)際使用中可以簡(jiǎn)單地根據(jù)各自特性歸結(jié)為VOI趨向于系統(tǒng)部署管理，VDI 趨向于云桌面應(yīng)用管理，所以本文探討的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)管理與部署最適合使用的虛擬化技術(shù)就是基于VOI的［7-8］。目前商業(yè)化的解決辦法是通過購買基于VOI的虛擬化系統(tǒng)管理軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)部署和管理。但商業(yè)軟件價(jià)格不菲，對(duì)于經(jīng)費(fèi)緊張和需求并不是非常迫切的實(shí)驗(yàn)室來說可能不是好的選擇，因此我校設(shè)計(jì)并完善了一套使用免費(fèi)應(yīng)用程序、自主編寫代碼，并成功部署運(yùn)行的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)管理方案［9-10］（以下簡(jiǎn)稱綜合系統(tǒng)管理方案）（見圖1）。

圖1 綜合實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)管理方案

該方案充分考慮了不同角色的使用者對(duì)于實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的不同需求，并且進(jìn)行相應(yīng)的權(quán)限分配，同時(shí)兼顧到了課程教學(xué)、上機(jī)實(shí)驗(yàn)、考試培訓(xùn)等諸多靈活的系統(tǒng)使用模式，對(duì)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)進(jìn)行了分層次分步驟地建設(shè)與管理，可以靈活滿足各方面需求，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的效用。

3 系統(tǒng)管理方案實(shí)現(xiàn)

綜合系統(tǒng)管理方案包含了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的制作配置、軟件安裝和設(shè)置、系統(tǒng)鏡像制作分發(fā)、系統(tǒng)自動(dòng)初始化配置、不同系統(tǒng)之間的自動(dòng)切換控制等五部分。

3.1 系統(tǒng)的制作與配置

要建立管理系統(tǒng)，首先需要完成所需的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的制作與配置。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多安裝微軟的操作系統(tǒng)，目前比較普遍的是Windows7 和Windows10，大部分的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室采用1 到2 個(gè)系統(tǒng)即可滿足大部分使用需求，一個(gè)系統(tǒng)用于正常教學(xué)使用，一個(gè)用于特殊的使用需求。

3.2 軟件安裝和設(shè)置

軟件安裝和設(shè)置，除了大量開源軟件以外，商業(yè)正版軟件的安裝建議都使用網(wǎng)絡(luò)版許可的認(rèn)證方式，后期便于多系統(tǒng)的部署及激活。個(gè)別軟件需要的運(yùn)行權(quán)限較大，在安裝完畢后建議在對(duì)應(yīng)的文件夾中提升權(quán)限。目前我校的使用環(huán)境是操作系統(tǒng)采用KMS 機(jī)制進(jìn)行注冊(cè)激活。購買的商業(yè)軟件均使用網(wǎng)絡(luò)版許可方式進(jìn)行認(rèn)證運(yùn)行，開源軟件種類繁多，版本升級(jí)較快，與授課教師協(xié)商后選用主流穩(wěn)定版本，每學(xué)期進(jìn)行更新升級(jí)。在安裝好系統(tǒng)軟件后需要設(shè)置好計(jì)算機(jī)自動(dòng)配置系統(tǒng)參數(shù)的無人應(yīng)答響應(yīng)程序和文件，做好上述工作后再使用Windows 自帶的Sysprep 命令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化封裝，這也是在制作系統(tǒng)鏡像前的最后一步。

3.3 系統(tǒng)鏡像的制作和分發(fā)

系統(tǒng)鏡像的制作和分發(fā)，這是商業(yè)軟件最突出的優(yōu)勢(shì)環(huán)節(jié)，我校使用過兩種免費(fèi)方案，第1 種采用傳統(tǒng)的較早版本的GHOST軟件通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)客戶端和教師端的磁盤映射連接，每臺(tái)客戶端運(yùn)行GHOST程序可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)制作上傳到服務(wù)器和從服務(wù)器上讀取鏡像文件進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)。第2 種采用目前最流行的免費(fèi)開源的FOG軟件，對(duì)準(zhǔn)備好的客戶端系統(tǒng)通過PXE 與服務(wù)器連接并上傳封裝好的系統(tǒng)鏡像，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)分發(fā)部署系統(tǒng)。

采用GHOST的方案比較簡(jiǎn)單，客戶端通過USB啟動(dòng)盤加載網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，通過命令行NET USE命令與服務(wù)器磁盤進(jìn)行映射連接，運(yùn)行提前配置好的批處理文件。

該方案對(duì)于管理人員的技術(shù)水平要求不高，只要第一次配置完，平時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)只用插拔個(gè)USB 啟動(dòng)盤即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù)，但傳輸速度較慢，服務(wù)器壓力大。

采用FOG的方案運(yùn)行效率更高，F(xiàn)OG是一個(gè)基于Linux的免費(fèi)、開源、圖形界面的應(yīng)用程序，支持計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室使用最多的微軟Windows系統(tǒng)（XP、Vista、7、8/8.1、10）以及Linux 和Mac OS X，并且支持Web 界面的管理操作，其摒棄傳統(tǒng)的磁盤、光盤、U 盤等引導(dǎo)介質(zhì)，客戶端計(jì)算機(jī)通過PXE引導(dǎo)連接到服務(wù)器后自動(dòng)下載一個(gè)小型的Linux 客戶端程序，實(shí)現(xiàn)后續(xù)的系統(tǒng)備份和恢復(fù)等功能，本文使用的是REDHAT Linux，同樣的硬件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下FOG方案比GHOST的方案效率高出100%，但對(duì)系統(tǒng)管理員技術(shù)要求較高［11］。比較有意思的是在我校舉行的第42 屆ACM-ICPC 國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽全球總決賽期間，與ICPC 組委會(huì)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)（來自美國、俄羅斯、加拿大、德國、瑞士、意大利等多個(gè)國家高校的技術(shù)人員）一起工作，他們都反饋?zhàn)约涸谑褂肍OG 程序進(jìn)行各種場(chǎng)合下的系統(tǒng)備份、恢復(fù)和部署工作，對(duì)于FOG的評(píng)價(jià)極高，因此實(shí)驗(yàn)室采用FOG 的方案用于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的部署與管理［12］。

3.4 系統(tǒng)自動(dòng)初始化配置

系統(tǒng)自動(dòng)初始化配置，這部分編寫了相應(yīng)的配置程序（見圖1）。

圖1 自動(dòng)初始化配置

根據(jù)當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡的MAC地址進(jìn)行匹配，從提前編排好的系統(tǒng)配置信息清單中讀取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過運(yùn)行命令行去配置當(dāng)前計(jì)算機(jī)的機(jī)器名、IP 地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、DNS、加域環(huán)境、配置權(quán)限等內(nèi)容（見圖2）。

圖2 配置信息列表

程序自動(dòng)運(yùn)行過程中安排了多次計(jì)算機(jī)的自動(dòng)重啟，保證每一步配置的生效，根據(jù)程序運(yùn)行最后一步是通過kms命令去激活Windows 系統(tǒng)和Office 軟件（見圖3），代碼設(shè)計(jì)在系統(tǒng)環(huán)境變量中可以查看當(dāng)前自動(dòng)配置進(jìn)行的步驟是否順利完成，所有操作均寫入自定義的日志文件中。

圖3 操作日志記錄

系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行完配置程序后將會(huì)停留在Windows登陸界面，如果配置成功將可以看到域用戶登錄的選項(xiàng)，多個(gè)系統(tǒng)情況下每個(gè)系統(tǒng)的配置方式一樣，至此此臺(tái)計(jì)算機(jī)可以投入使用。

3.5 自動(dòng)切換控制

不同系統(tǒng)之間的自動(dòng)切換控制，這部分也是自主編寫的代碼進(jìn)行操作，通過Windows系統(tǒng)中的bcdedit命令進(jìn)行修改系統(tǒng)中的標(biāo)識(shí)和默認(rèn)順序，實(shí)現(xiàn)了開機(jī)直接進(jìn)入系統(tǒng)，不給用戶提供系統(tǒng)選擇菜單，做到其他非當(dāng)前選擇的系統(tǒng)對(duì)用戶隱身。控制開機(jī)進(jìn)入到哪個(gè)系統(tǒng)是通過Java程序編寫系統(tǒng)標(biāo)識(shí)，預(yù)先設(shè)定一臺(tái)服務(wù)器作為目標(biāo)機(jī)器，該服務(wù)器可以和計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，這里設(shè)置的特定端口為3575，通信過程中發(fā)現(xiàn)服務(wù)器給的指令標(biāo)識(shí)要切換進(jìn)入特定系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的計(jì)算機(jī)將自動(dòng)重啟切換（見圖4）。

圖4 系統(tǒng)自動(dòng)切換

4 結(jié) 語

由于篇幅有限不在此展開闡述全部流程的運(yùn)行細(xì)節(jié)，以上5 步可組成一套綜合的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)部署和管理方案。在多年計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理工作中，技術(shù)人員的工作經(jīng)常是要不停地更新計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)，盡管有各種輔助的商用軟件，但對(duì)于新產(chǎn)品的調(diào)研往往并不能完全滿足日益增長(zhǎng)的使用需求，這時(shí)候就需要有自身具備以開源應(yīng)用為基礎(chǔ)，二次開發(fā)尋求更適合自身使用環(huán)境的綜合方案［13］，需換位思考，將發(fā)展重點(diǎn)重新回歸到最初的發(fā)展、建設(shè)、服務(wù)理念上，針對(duì)老師和學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)中遇到的問題進(jìn)行總結(jié)，如何提高計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)效率［14］，如果集中讓學(xué)生同步進(jìn)行授課與動(dòng)手實(shí)踐的融合，如何更充分地發(fā)揮計(jì)算機(jī)機(jī)房在實(shí)踐教學(xué)中的功能［15］，如何更好地運(yùn)用熱點(diǎn)技術(shù)、新理念和現(xiàn)有資源，以計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的溯源需求為切入點(diǎn)［16］，為老師和學(xué)生提供更便利的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)功能、支持和服務(wù)是我們真正要解決和攻克的問題。