多系统实验环境的构建及其智能切换控制

路 遥, 范雪松, 丁万东

(北京大学 计算中心, 北京 100871)

多系统实验环境的构建及其智能切换控制

路 遥, 范雪松, 丁万东

(北京大学 计算中心, 北京 100871)

随着计算机学科教学实验的日益多样化,对实验环境的多元化提出了更高的要求。该文提出了一种多系统环境的解决方法,并实现智能切换控制,从而构建多系统实验环境,提高了教学实验的灵活性,为学生提供了更加广泛的计算机实验平台。

实验平台建设； 系统切换； 多系统环境

目前,各个高校的计算机学科教育都非常重视实践教学的建设,逐年加大对实验室的建设投入,其中既包括了兴建具有完备的水电设施,以及空调系统、安全监控系统的现代化实验室,采购大型设备仪器和高性能计算机等硬件设施,也包括了完善实验室人员队伍建设制度,培养了大批优秀实验教育教学工作者[1]。但必须看到的是,目前国内高校的实践教学还普遍存在诸多问题,特别是计算机学科,由于其自身学科具有技术更新速度快、实际动手能力要求高等特点,很多高校现有的计算机实践教学方法和模式并不能满足实际实践教学需求[2-3]。

1 实验平台多系统环境管理的原因及现状

计算机的实践教学呈现多样化、多角度、多层次的特点。多样化指的是计算机的实践教学方法不是唯一的,针对同一课程,甚至同一章节、同一知识点,可以设计不同的实践方式；多角度指的是在实践教学中,可以从一个问题的不同角度来设计实践环节,相互印证,从而构成网状知识体系；多层次是指可以从硬件、软件、网络架构等不同层面组织实践教学,从而得到更好的实验教学效果。这就势必对实验平台的建设和管理提出了更高的要求[4-6]。

目前很多高校硬件设施的建设发展迅速,但是实验室的管理模式及技术方法稍显滞后。实践教学的科目及实践方法逐年增多,并且实验种类呈多样化发展趋势,对于实验环境的安全性、性能指标、实验环境的搭建都提出了很高的要求[7]。高校实验室通常除满足为计算机应用基础理论教学或其他教育教学提供日常教学考试环境外,更要求为各类计算机专业教育提供实验环境。

我校的所有实验计算机设备现已经统一网络化管理,组建成为规模体系庞大的实验平台。日常教学考试及上机实验任务繁重,更承担了诸如高考语文网上阅卷、研究生考试网上阅卷、ACM程序设计大赛、ETS英语考试、数学建模大赛等各类特殊计算机上机任务,因此需要更加充分地利用实验平台资源,组建不同的系统环境,形成针对不同系统环境的应用软件群,来满足不同的教学、考试、实验、比赛、阅卷等多种需求。

一般来说,高校的多系统安装管理多采用在不同分区上安装不同的系统环境,或者采用虚拟机的方式实现[8-10]。采用多分区安装不同系统环境的方式有时会出现不同系统环境间相互干扰的情况。使用虚拟机虽然较为快捷方便,但是在兼容性、独立性和安全性上具有一定的缺陷[11]。以我校为例,由于部分教学实验和考试,以及网上阅卷等特殊的计算机上机需求,对计算机实验环境的安全性、保密性提出了较高的要求,因此需要使用独立系统环境才可以满足,这就需要计算机上并存多个系统环境且相互之间不能存在干涉。如何构建相互独立的系统环境并且高效智能切换不同系统环境是解决问题的关键[12]。

2 实验平台多系统环境和智能切换的建设思路

如果计算机的硬盘有充足的可用空间,则可以在不同的磁盘分区上安装不同的系统环境,并对不同的系统环境进行相应的软件配置和网络设置,这样可以满足实践教学的不同使用需求,组建多系统环境。

多系统环境的安装组建成功之后,更重要的是需要对多系统环境采用多重引导的方式来进行管理和启动。双系统环境切换是实现多系统环境切换的基础,本文主要用双系统环境切换举例进行阐述多系统环境切换的关键环节。我们通过反复实践测试,最终使用自主编写的JAVA程序和系统环境设置,实现了实验平台计算机系统环境的智能切换。

实验平台计算机在不同磁盘分区安装了2个系统环境。平时教学上机实习、学生自由上机等需求使用的系统环境,称为A系统环境。实验平台专用的具备特殊需求定制安装的系统环境称为B系统环境。在A系统环境中除了安装Office等常用应用软件外,还安装了大量的专业课程软件供日常上机教学实习使用。在B系统环境中需满足特殊的考试阅卷等要求,因此其中需要有自己独立的系统配置、安全的系统防护、隐蔽的系统登录、自定义的键盘设置、锁定的输入法设置、定制的语言设置、特殊的运行软件、特定的运行环境、专用的网络配置、关闭一切程序的智能升级服务、对用户权限进行限制等,安全等级、性能要求等均较高。计算机正常教学上机都需要使用A系统环境,只有在特殊应用需求时要将所有计算机集体快速切换到B系统环境。

通常使用的双系统切换是通过修改Windows系统依赖的Boot.ini文件来实现的。Boot.ini文件在缺省状态下被设定为隐藏属性和系统文件属性,属于只读文件。在只安装单一系统环境时不会出现系统环境列表选择的界面,当系统环境数量大于等于2个的时候,开机时会自动出现系统环境列表的选择界面,使我们可以手动进行选择系统环境进行引导。出于系统安全及使用便利性的考虑,我们不想让计算机用户看到系统环境列表,因此将Boot.ini文件中的引导系统等候时间timeout值设置为0,这样开机后系统环境选择菜单不会出现,系统将直接引导进入A系统环境,成功后会出现登录的对话框。A系统环境使用微软的活动目录技术,通过将所有实验平台计算机统一加入域环境来管理,用户账号存储在不同的域控制器上,不同的域控制器之间通过信任关系进行跨网段的身份验证,这样每个用户账号可以在实验平台中的任意计算机上进行登录。在A系统环境中通过对用户权限的设置,除管理员用户以外的使用者都无法看到隐藏的B系统环境内的资源,而此时隐藏B系统环境,只有在需要的时候才会被加载启动。

我们经过多次实践,通过设置系统环境切换标志符来开启双系统环境之间的智能切换。在系统环境中添加智能切换自定义名为Script_SRV的服务并设置为系统启动时自动运行,对Script_SRV服务设置服务之间的依赖关系。此服务依赖network connections -> remote procedure call (RPC)组件,如图1所示。

图1 Script_SRV服务的依赖关系

在系统的注册表中添加对应程序的设置,打开注册表定位到:HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMControlSet001ControlServiceGroupOrderLis

在数值数据列表中的最后面编辑添加Script_SRV。加在最后的原因是不会对系统预设的其他程序造成冲突,如图2所示。

图2 注册表中添加Script_SRV项

在实际需求中双系统环境切换主要是以各个实验室为单位进行操作的,所有计算机均使用固定IP地址,预先设定一台计算机作为参考机,作为切换程序执行的标志符,在参考机上启动自主编写的JAVA标志程序,相当于在参考机上启动了一个服务,打开参考机上的特定端口与同实验室计算机进行通信,这里设置的特定端口为3575,如图3所示。

图3 设置3575端口作为通信端口

由于考虑到网络设置可能会发生变化,对每个实验室的参考机分配了专用域名,在程序设定中是搜索参考机的域名而不是IP地址,防止以后网络设置发生临时变化而影响对参考机的网络通信链接。设置好参考机的切换标志符之后,打开需要双系统环境切换的计算机电源,开机后预先设置的切换程序会通过wget命令(命令行的下载工具)和参考机的3575端口进行通讯,命令为:

wget.exe http://ibt-%ROOM_NO%.pku.edu.cn:3575/%SWITCH_FLAG% -t 3 -T 3

如果参考机的JAVA标志程序已经启动,通信成功,每台计算机设置好的切换程序会通过修改Boot.ini文件内容实现A、B系统环境的启动菜单交替,切换程序将智能重启计算机,重启后进入到B系统环境界面。切换成功后切换程序将在后台进行还原工作,通过修改启动文件将A系统环境设置为默认启动系统,此次B系统环境应用结束后关闭计算机,只要参考机JAVA标志程序不启动,下次开机将直接进入A系统环境。整个切换过程只需要设置好参考机,其余智能切换执行过程无需人工干预。

为了观察和判断双系统环境切换程序执行的整个进程,我们将切换程序通过调用机箱喇叭发出蜂鸣声音作为程序执行到每一阶段的提醒,并且建立了程序日志文件夹,每一阶段执行都存入日志,便于执行查询和故障排除。这一细节的改进使得实验平台多系统环境的智能切换更加实用化和便捷化,非常有助于日常的实验室普通管理维护人员进行操作。尤其是计算机规模较大的实验室,不必一台一台计算机地检查系统切换是否成功,只需要注意计算机蜂鸣的声音即可。

以上介绍的切换方式也可以应用在多系统环境切换中,实验平台系统环境的智能切换过程因为内容较多,所以仅在关键环节做了较为详尽的阐述,这种多系统环境及智能切换的控制思路希望能够给大家以启发[13]。

3 结束语

多系统实验环境的构建及其智能切换控制,具有广泛的应用前景,也是计算机教学实践的实验环境建设的必备环节,不仅极大地提高了实验环境的灵活性,也较好地保障了实验的安全性,从而可以提供构建更加广阔的实验平台,推动计算机教学及实践教学的发展,具有非常积极的教学科研意义。

References)

[1] Introduction and System Requirements[EB/OL].(2005-01-01).http://www.vmware.com/.

[2] 张振,王亚青.国外高校计算机实验室建设及其对教学的作用[J].实验室研究与探索,2011,30(03):317-319,346.

[3] 陈伟.高校公共计算机机房多系统实验环境的构建[J].福建电脑,2006(8):153.

[4] 平寒,杨云.网络服务器搭建、配置与管理项目实训:Windows Server[M].北京:清华大学出版社,2010.

[5] 萧倩娴.高校公共计算机机房管理的探讨[J].东莞理工学院学报,2004(2):34-36.

[6] 李娜.高校院系机房的管理与维护探讨[J].中国信息科技,2009(3):92-93.

[7] 裴虹,裴波.相互独立的多操作系统[J].教育技术导刊,2007(2):43-44.

[8] Smith J E,Nair R.The architecture of virtual machines[J].IEEE Computer,2009,38(5):31-40.

[9] 舒云星,郑卫东.基于VMware的计算机虚拟系统[J].实验室研究与探索,2006,25(9):1086-1088.

[10] Jeremy Sugerman,Ganesh Venkitachalam,Beng-hong Lim.Virtualizing I/O Devices on VMware Workstation’s Hosted Virtual Machine Monitor[C]//Proc Usenix Annual Technical Conference.2009:53-58.

[11] 梁诚.VMware虚拟机技术在计算机实践教学中的应用[J].电脑开发与应用,2007 (8):34-35.

[12] 王恒青.微机硬盘管理实用详解[M].北京;清华大学出版社,2002.

[13] 任洪琴.浅析高校计算机实验室的管理与维护[J].实验室科学,2007(4):106-107.

Construction of multiple system experimental environment and its intelligent switching control

Lu Yao, Fan Xuesong, Ding Wandong

(Computer Center, Peking University, Beijing 100871, China)

With the diversification of teaching and experiment in computer subject, the higher requirements of diversification on the experimental environment are put forward. This paper presents a method to solve multiple system environment,and realizes its intelligent switching control,to construct the multiple system experimental environment and improve the experimental flexibility,which provides more extensive computer experimental platform for students.

construction of experimental platform; system switching; multiple system environment

2014- 11- 25 修改日期：2014- 12- 31

路遥(1985—),女,山东烟台，硕士,工程师,,主要研究方向为移动多媒体技术及计算机网络技术.

E-mail：luy@pku.edu.cn

TP316

A

1002-4956(2015)7- 0241- 03