基于無盤網絡技術的高校計算機實驗室改造

郭學英， 姜 穎

(中國民航大學 a. 基礎實驗中心； b. 航空工程學院, 天津 300300)

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基于無盤網絡技術的高校計算機實驗室改造

郭學英a， 姜 穎b

(中國民航大學 a. 基礎實驗中心； b. 航空工程學院, 天津 300300)

隨著計算機使用年限的增長，特別是在接近設備報廢期限時，其性能差、故障率高、管理維護成本及工作量居高不下，甚至配件停產,機器得不到修復等問題凸現出來，嚴重影響正常教學。針對以上出現的問題，提出基于無盤網絡技術的高校計算機實驗室改造方案，該方案在我校計算機實驗室進行了實施，結果表明：該方案不僅將大量報廢計算機最大限度地再利用，緩解教學設備方面的壓力，而且使得實驗室的管理維護成本及工作量大大降低。

無盤網絡； PXE； 工作站； 服務器

0 引 言

隨著計算機技術的普及，高校越來越多的公共課需要使用計算機進行授課，而計算機實驗室承擔著全校的公共課教學任務，因此實驗室的運轉負荷量非常高。經過幾年的高負荷運轉后，大量的機器出現硬盤老化問題，由硬盤導致計算機死機、藍屏等故障的發生頻率比較高，使得計算機管理和維護工作量逐漸增大，出現這樣的問題不能及時的解決將直接影響教學的進行。當硬盤徹底壞掉需要更換硬盤的時候，由于售后服務站已經購買不到與低配置計算機配套的硬盤，會導致大量計算機報廢。

針對目前高校計算機實驗室出現的問題，提出一種基于無盤網絡技術的高校計算機實驗室改造方案。此方案只需要一臺服務器，所有客戶端都不需要安裝硬盤，通過網絡從服務器端下載系統數據完成啟動。所有客戶端都省去了硬盤，因此延長了機器的使用年限，提高了資源利用率，降低了實驗室運行的成本。目前計算機實驗室廣泛采用硬盤保護卡技術，以往安裝更新教學軟件時需要全部的計算機進行網絡同傳,而無盤網絡中客戶端的操作系統和軟件，是以共用鏡像包的形式存放在服務器上，因此軟件的安裝和升級都只需要在服務器上完成，降低了實驗室管理和維護工作量。經過此方案改造后的計算機對病毒免疫，所有客戶端的操作系統和應用軟件存儲在網絡中的服務器上，用戶無法操作服務器端的系統和軟件，即便用戶通過互聯網或其他介質導致機器感染了病毒，只要重啟，就能恢復如初，仍然能夠確保正常工作，完全不用擔心計算機病毒的威脅。因此機器不用安裝任何殺毒軟件，既降低了系統資源的占用，也確保了處理任務的最快速度[1]。

1 無盤網絡技術

無盤網絡就是一個網絡中的所有工作站客戶端都不需要安裝硬盤，所有數據讀寫都通過網絡中的一臺服務器來完成，這臺服務器上除了有其本身運行所需要的操作系統外還需要有工作站運行需要的操作系統，這樣的網絡就是無盤網絡，這些工作站稱為無盤工作站，基于這樣網絡的技術稱之為無盤技術[2]。

無盤技術主要以RPL和PXE為主，RPL是靜態路由，根據網卡上ID號再加上其它信息組成數據幀向服務器發出請求，服務器中已有該ID數據，匹配后進行遠程啟動；PXE則是動態路由，它的原理是根據服務端收到的工作站網卡的MAC地址，使用DHCP服務給MAC指定一個IP地址，因此每次重新啟動時，同一臺工作站可能分配不同的IP地址，PXE在安裝和操作上更簡單、快捷[3]。

(1) 基于PXE的無盤工作站原理。遠程引導技術(Preboot Execute Environment, PXE)是由Intel公司開發，用于計算機通過網絡遠程啟動。它工作于Client/Server的網絡模式，當工作站通過CMOS設置為以LAN方式啟動時，會通過網卡內置的啟動芯片連接到服務器，然后下載啟動數據，完成系統啟動。PXE可以引導多種操作系統，如：Windows2000/XP、Linux等。網絡中的工作站可以省去硬盤，使用該技術的計算機在網絡方式下的運行速度要比有盤計算機快3倍以上。而使用了PXE的無盤工作站并不消耗服務器的CPU、RAM等資源[4]。

(2) 基于PXE無盤的管理方式。基于PXE的無盤啟動不要求計算機的硬件配置完全一致，也不需要在每臺計算機上安裝各種軟件，只需要在1臺工作站上安裝所需要的操作系統和應用軟件，通過無盤軟件的客戶端將這臺工作站上的系統和應用軟件上傳到服務器上，而無盤網絡中的其它工作站都無須重復安裝系統和軟件，由服務器控制和管理整個無盤網絡中計算機工作站的正常啟動和運行[3]。

2 基于無盤網絡技術的實驗室改造方案

基于無盤網絡技術的實驗室改造方案，首選要確認實驗室中計算機的網卡是否支持PXE啟動。其次選擇一款技術比較成熟的無盤網絡系統軟件和購置一臺配置比較高的服務器。最后優化目前實驗室的網絡環境，進行無盤網絡系統的搭建。

(1) 無盤網絡系統軟件的選取。無盤網絡系統軟件是無盤網絡的關鍵，當前國內影響較大的無盤產品有湖南阿拉丁神盤(ALD)、湖南斯普林(MZD)、上海銳起(RICHTECH)、上海網眾(NETZONESOFT)、武漢深度(DEEPIN)等，以上幾家無盤產品中，銳起是基于PXE啟動方式用于遠程啟動的網絡系統軟件，在網吧中的應用比較廣泛，且支持客戶端啟動網卡技術也比較成熟。所以選擇銳起來搭建無盤網絡系統[1]。

(2) 無盤網絡服務器。在無盤網絡中，服務器是核心，因為工作站運行所需要的系統及應用軟件鏡像包都存儲在服務器硬盤上，所有工作站上的各種操作都要對服務器的硬盤系統進行讀、寫，因此服務器在硬盤配置上必須考慮到其負載能力[5]。

無盤服務器網卡和硬盤的速度會影響到整個網絡的運行速度，因此網卡和硬盤的選擇非常重要。在網卡方面，千兆網卡要優于百兆，有條件的話使用雙網卡，實現對網絡壓力的分流，提高網絡速度；在硬盤方面，利用磁盤陣列卡將幾塊硬盤做成磁盤陣列，實現服務器硬盤的“讀寫分離”，這樣既提高了存儲容量又提高了硬盤的讀寫能力，實現了無盤系統的提速。

(3) 網絡環境。無盤網絡系統啟動、運行依靠局域網，因此網絡環境的優劣直接影響無盤網絡系統工作的狀況。目前，高校的計算機實驗室大部分是全百兆的網絡環境，這種情況極易形成服務器與網絡主干道、工作站與網絡主干道之間的瓶頸問題[6]。因此優化目前的網絡環境，應將與無盤服務器相連的交換機使用千兆模塊。

3 具體實現

3.1 無盤服務器的配置與架構

無盤服務器在配置與架構之前，首先要進行硬盤的“讀寫分離”的規劃，在無盤網絡中，工作站需要讀的數據如系統鏡像，及工作站使用過程中要寫的數據都要存儲在服務器的硬盤上，為了提高無盤系統的讀寫速度，通常將硬盤的讀出數據和寫入數據分開。

3.1.1 服務器系統安裝與配置

在服務器上首先安裝操作系統Windows Server 2003或2008，并將服務器授權模式設為“每服務器同時連接數”為“9999”。設置服務器計算機名為“NXPSER”，所屬工作組為“SUBOY”。將管理員用戶“Administrator”改為“lsuboy”,并新建“Administrator”用戶，將其他多余的用戶全部刪除只留下“lsuboy”，“Administrator”，“Guests”這三個用戶，并將“Guests”用戶禁用。安全選項設置，在“安全選項”下面，停用“使用空白密碼的本地用戶只允許控制臺登錄”，清空“可遠程訪問的注冊表路徑”、“可匿名訪問的共享”、“可匿名訪問的命名管道”三項中的所有內容，啟用“允許未登錄前關機”，在“用戶權利指派”里找到“拒絕從網絡訪問這臺計算機”項中添加“lsuboy”這個用戶。停止危險服務，將服務“Remote Registry”、“Task Scheduler”、“Telnet”、“Terminal Services”停止并由“自動”改為“禁用”[10]。配置TCP/IP協議(設置雙網卡IP地址分別為10.1.37.250，10.1.37.251)。

圖1 銳起服務端默認目錄設置界面

圖2 銳起管理器主界面

3.1.2 銳起服務端安裝與配置

在服務器上安裝銳起服務端程序，裝完以后，停止“銳起無盤XP輔助服務”和“銳起無盤XP數據服務”，破解銳起服務端程序。然后啟動剛才停止的兩個銳起服務，打開“銳起無盤管理器”，因為是第一次打開所以會出現“設置默認目錄”的對話框，如圖 1所示，在此對話框設置“默認磁盤目錄”，“默認工作站目錄”，“默認還原點目錄”。默認目錄設置完畢，會出現“銳起無盤管理器”的主界面，如圖 2所示，在此界面完成銳起服務端的配置操作，工作站分組管理：對該服務器所帶動的工作站進行分組管理；磁盤管理：依據工作站啟動時所使用的磁盤映像文件，進行網絡磁盤的增加、刪除、修改操作，并非對磁盤映像內包含的文件的修改；選項配置：主要用于設定工作站的預設配置方式和配置規則；服務器設置：對于雙網卡服務器，為了均衡網絡負載，對所有工作站的服務器選項進行相應的設置，首選服務器設置為“未設置首選服務器”，備份服務器要全部勾上，這樣設置才能真正均衡無盤網絡中服務器所承受的網絡負載。

3.2 無盤工作站的配置與架構

3.2.1 工作站系統安裝與配置

準備一臺有盤客戶機，作為無盤網絡的模板工作站，在該模板上裝好WinXP系統及必需的教學應用軟件，添加必要的網絡組件和TCP/IP協議，設置好IP地址，卸載QOS數據包計劃程序；禁用“Server”、“Computer Browser”、“Task Scheduler”這三個服務；更改IDE驅動器模式：打開“計算機管理”—“設備管理器”將“IDE ATA/ATAPI控制器”下面的“IDE控制器”更改為“標準雙通道PCI IDE控制器”；更改電源模式：打開“計算機管理”—“設備管理器”將“計算機”下面的“ACPI Uniprocessor PC”更改為“Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) PC”[10]。

3.2.2 銳起客戶端安裝與配置

在模板工作站上安裝銳起無盤客戶端，安裝完成以后，在出現的“系統配置”對話框中選擇“使用網絡連接”為“本地連接”，在“服務器IP地址”處輸入銳起無盤服務器的IP地址(10.1.37.250，10.1.37.251)，為了設置客戶機多配置功能需要勾選“啟用換主板及換網卡啟動功能”，以保證以后換主板或不同的網卡上面能夠正常啟動工作站。全部設置完成以后單擊“確定”完成安裝過程。

3.2.3 工作站系統上傳及調試

將模板工作站由硬盤啟動改為網絡啟動，這時，在服務器的“銳起無盤管理器”界面應該能夠看到有一臺工作站名為“WKS001”的機子，然后關閉模板工作站電源，在無盤管理器界面選擇模板工作站，單擊工具欄上面的“超級用戶”按鈕，出現“選擇磁盤”對話框，在該對話框中選中系統磁盤(如WINXP20130926)，如圖3所示。接著將模板工作站由網絡啟動改為硬盤啟動，啟動以后，打開“計算機管理”—“磁盤管理”，將會看到一個新的硬盤(即網絡磁盤)，按正常方式分區、格式化。運行銳起客戶端的“系統上傳”工具，軟件會自動檢查硬盤中的系統和網絡磁盤，并確定需要上傳的源盤和目標盤，如圖4所示，按“開始”按鈕完成系統的上傳。如果在整個無盤網絡環境內存在硬件配置不相同的工作站，銳起無盤系統可通過“加”、“減”法[11]來實現不同硬件的工作站同時使用一個磁盤映像進行啟動。

圖3 磁盤選擇界面圖4 系統上傳界面

系統上傳結束后關閉模板工作站，拔掉硬盤，再次開啟，工作站應能正常啟動，進入操作系統。驗證工作站在無盤狀態下能正常啟動后關機，然后在服務端管理器內將該工作站設回普通用戶，并對系統鏡像包進行備份。

依次將其他工作站的啟動方式設為網絡啟動并開啟，銳起服務端會自動為工作站分配相應的IP和名稱，這些工作站應能正常啟動進入操作系統，服務端管理器主界面應能自動顯示出無盤工作站的信息。

3.3 改造后的實驗室的維護

高校公共計算機實驗室管理與維護的核心是保證系統軟件和應用軟件的正常使用，因此，軟件的升級、安裝是主要的工作量。在無盤網絡中，客戶端軟件的升級安裝工作非常簡單，首先在服務器端的“銳起無盤管理器”界面找到模板工作站，將其權限設置為“超級用戶”，其次將模板工作站以網絡方式啟動，然后在該工作站上完成所有軟件的升級更新工作，同時在模板工作站上進行的操作都同步保存到服務器端的系統鏡像包，這樣整個無盤網絡中所有工作站就都完成了軟件的升級更新工作，最后關掉模板工作站，在服務端將其權限設回“普通用戶”。

當改造后的實驗室需要增加或替換工作站時，只要將該工作站連接到無盤網絡中，啟動方式設置為網絡啟動，服務器端會自動檢測和識別新的工作站并自動分配該工作站IP地址，該工作站通過網絡從服務端下載系統數據完成啟動。

銳起客戶端有切換超級用戶的功能，為了防止用戶將工作站切換為超級用戶，然后對工作站的操作同步保存到服務端的系統鏡像包中，從而破壞共用鏡像包，影響整個無盤網絡中其他工作站，需要在銳起服務端設置切換超級用戶密碼，這樣用戶就不能隨意在客戶端切換超級用戶。

4 實驗與結果分析

目前我校有三個公共計算機實驗室的機器已經運轉了8年，配置比較低，大部分機器因硬盤出現故障的頻率非常高，實驗技術人員的維護工作量非常大，這三個實驗室主要是用于保障大學英語視聽說教學的，學生通過瀏覽器訪問大學英語服務器進行英語視聽，機器問題嚴重時會影響教學的正常進行。運用此方案對這三個實驗室進行了改造，用一臺配置比較高的雙網卡DELL服務器帶動三個實驗室共130臺工作站，服務器硬盤規劃為“兩讀三寫”。服務器和工作站硬件配置如下：服務器：CPU 2顆E5-2630(2.30 GHz，15MB緩存)；內存8條8GB RDIMM，1 333 MHz；硬盤6塊300GB 15K RPM 6Gbps SAS 3.5英寸熱插拔硬盤；RAID控制器PERC H310 (集成 RAID 控制器)；網卡雙網卡 100/1000 Mb自適應。工作站：CPU Intel(R) Pentium(R) 4 CPU 2.93 GHz；內存256 MB DDR；網卡100 Mb/s。

基于這三個實驗室組建的無盤網絡拓撲結構示意圖如圖5所示。

圖5 無盤網絡拓撲結構示意圖

基于此方案對這三個實驗室成功改造后達到的效果如下：

(1) 開機速度快，系統運行流暢。無盤服務器與千兆交換機連接，優化工作站和服務器操作系統，無盤工作站的開啟速度和訪問速度超過普通本地硬盤,如表1所示。

表1 實驗室效果對比表

(2) 故障率下降，資源得到充分利用。工作站的硬盤被屏蔽掉，廢棄的機器得到充分利用，延長了計算機的使用年限，提高了資源利用率，降低了機器的故障率，保障了大學英語的視聽說教學。

(3) 減少了實驗室改造開支。只需要投資一臺服務器就能帶動三個實驗室的工作站同時運行，大大減少了實驗室改造的開支。

(4) 易維護，更新簡單。整個無盤網絡中工作站運行的操作系統和應用軟件都存儲在服務器硬盤上，網絡中軟件的安裝和升級工作，只需要在一臺模板工作站上操作就可實現，大大降低了維護工作量。

(5) 系統擴展性好。無盤服務器可自動識別和添加不同配置的新工作站，服務器可建立多個磁盤映像，工作站可方便地選擇不同操作系統和教學應用軟件。

5 結 語

本文分析目前高校計算機公共實驗室存在的問題，提出一種基于無盤網絡技術的計算機實驗室改造方案。并對該方案的具體實現進行了詳細描述，通過對本校的三個大學英語視聽說教學實驗室進行該方案的實施，結果驗證了該方案具有投資少、組網方便靈活、管理維護方便、客戶端易于擴展等特點，該方案除了可應用于高校計算機實驗室改造外，在多媒體教學、電子閱覽室、圖書館等場所也具有廣泛的應用價值。

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Reconstruction of College Computer Laboratory Based on Diskless Network Technology

GUOXue-yinga,JIANGYingb

(a. Basic Experiment Center; b. College of Aeronautical Engineering , CAUC, Tianjin 300300, China)

At present, public computer laboratory of college is mostly used to guarantee the school teaching. But, with the growth of computer age, especially in the near term that computer equipment is obsolete, the performance of laboratory is decline, the stability is poor, the failure rate is high, the cost of management and maintenance is high, even the parts of computer have been stopped production, so that the machine cannot be repaired. These problems seriously affect the normal teaching. In view of the above problems, this paper proposes the scheme of college computer laboratory reconstruction based on diskless network, and this scheme is implemented in our college computer laboratory. The experimental results show that the scheme not only makes a lot of obsolete computers to maximize reuse, but also alleviates the pressure of teaching equipment, it also greatly reduces the cost and workload of the laboratory management.

diskless network; PXE; workstation; server

2014-04-10

中央高校基本科研業務費專項資金(ZXH2012D003)

郭學英(1983-)，女，河北邯鄲人，碩士，助理實驗師，主要研究方向：計算機網絡技術、實驗室管理技術。

Tel.:15620625931；E-mail:ying19831229@126.com

TP 391

A

1006-7167(2015)01-0242-05