基于盤網雙待的公共計算機實驗室系統維護方案

劉傳堯++謝火木+施芝元

摘 要：計算機系統的維護是高校公共計算機實驗室面臨的一大難題。基于單機或網絡的多種系統維護方法存在缺陷，盤網雙待技術實現了服務器中的系統鏡像與本機緩存的系統自動同步。系統的啟動可以根據故障智能識別與切換，在單機硬盤出現故障時系統從網絡啟動，網絡出現故障時從本地硬盤啟動，是一種高可用性和高可靠性的系統解決方案，可以作為公共計算機實驗室系統維護較為有效的解決方法。

關鍵詞：盤網雙待；虛擬桌面；無盤；保護卡；系統維護

隨著信息技術高速發展，計算機已經滲透到我們的學習、生活、工作中，并成為一個不可或缺的工具，這也使得計算機的應用在高校人才培養中都滲透到了各個學科。交叉學科的發展，綜合型人才培養更進一步要求學校在培養人才方面要能適應現代信息技術的發展要求。高校各專業都開設了與計算機相關的課程，在計算機實驗室的建設方面也都有著自己的要求。為了讓其充分利用，目前建設都由教育技術部門統一實施，并在全校范圍內統一安排課程，但是這種集中式的大規模實驗室帶來了很多管理上的問題，而且每臺計算機的軟件安裝還要滿足全校不同專業的需求，如何管理好這些計算機實驗室就成為每個教育技術部門面臨的重要問題。

一、高校公共計算機實驗室特點

目前我國高校公共計算機實驗室普遍采用了集中建設并由指定部門進行集中管理，這種方式不僅可以為學校節約投入成本，還可以大大提高設備的利用率以及實驗室的管理水平。由于采用了集中管理，使其具有如下幾個特點：

（1）計算機軟硬件容易損壞[1]。在計算機實驗室上課的學生來自全校不同專業，學生之間計算機使用習慣差距較大，一些學生在使用的過程中還存在很多不良習慣，例如強制關機、刪除系統文件、設置系統密碼等；有些學生在入校之前已經具備一定的計算機知識，上課時常自帶U盤、移動硬盤等外接設備，并隨意接入計算機；有些學生在上課過程中由于缺乏相關計算機與網絡安全意識，隨意瀏覽各種網站，面臨著隨時感染病毒和木馬的可能性，這些問題都極有可能造成計算機軟硬件系統的損壞。

（2）面向全校各專業，環境個性化。不同的實踐課程對計算機系統有不同的環境要求[2]，如不同的操作系統支持、不同的應用軟件版本、不同的系統環境設置等，這就要求同一臺計算機的操作系統和軟件的部署要根據每門課程的具體要求來實現個性化安裝配置。

（3）計算機數量較多，實驗室管理工作量繁重[1]。計算機系統的日常維護內容雖然簡單，但是當面對的計算機數量較多的時候，在人員相對緊缺的情況下工作量繁重，管理人員忙于奔波在各個實驗室，處理問題效率低下，有時甚至影響到了教學的順利開展。

（4）系統全面開放。在計算機實踐課程中，為了更好地培養學生使用計算機的能力，提高學生實踐效果，通常計算機的系統在安裝時要全面開放，不加限制，讓學生在實踐過程中最大限度接近真實環境，這必然降低了系統的安全性。

二、計算機系統維護常見方法及特點

計算機系統的維護工作主要涉及硬盤中安裝的操作系統與應用軟件，為了保證計算機的可用性和可靠性以及系統的安全性，同時還要提高維護效率，降低維護成本，公共計算機實驗室系統管理也都采用了不同的方法，目前主要有如下幾種方法：

（1）裸機運行。這是最原始的系統維護方法，每臺計算機安裝好系統及軟件之后不做任何防護直接投入使用，學生在使用計算機的過程中可能有意或無意對系統造成破壞，這種破壞輕則使系統運行不正常，重則使系統崩潰，維護工作無法及時保障，直接影響了教學的正常進行。

（2）集成Windows域管理功能。Windows在服務器版本中集成了活動目錄和域的功能，活動目錄用來為網絡中的用戶和管理員提供對網絡資源的訪問、管理和控制，在活動目錄中通過身份驗證及目錄對象的訪問控制集成實現安全性。域是活動目錄的基本管理單位，任何用戶只要在域中有賬號，就可以漫游網絡，一個域又可以分成若干個組織單元，它是域中一些用戶和組、文件與打印機等資源對象的集合[3，4]。基于這些原理，在域中以每個班級為單位建立組織單元，每個來實驗室上課的學生分配一個域賬號，通過這個賬號登錄域后有限制地訪問域中的資源，包括本地計算機的資源。這種方法理論上可以增加系統的安全性，但由于訪問的權限受到了限制，系統缺少開放性，無法滿足所有學生實踐課程，特別是對計算機系統本身進行操作的實踐課程受到限制后就無法繼續開展。

（3）安裝硬盤保護卡。硬盤保護卡也叫還原卡，其核心部件是一片內置有備份恢復程序的芯片，保護卡是插在計算機的主板上通過接管操作系統的硬盤讀寫操作并采用“假寫”的工作原理來實現硬盤數據保護的功能，用戶在安裝有保護卡的計算機上對硬盤進行破壞時只要重新啟動即可還原到原先的狀態[5]。由于這種維護方式可以真實地還原操作系統的環境，同時還提供了很多附加的功能，比如多分區獨立管理、網絡系統克隆等，被計算機系統維護廣泛地采用。但也存在幾個問題：由于對操作系統進行保護，使計算機性能下降；采用硬盤插卡，增加故障點；每次軟件安裝或是系統更新都要做網絡拷貝操作，操作繁瑣。

（4）無盤工作站。所謂的無盤工作站就是計算機本身不帶硬盤，所有的程序和數據都存儲在服務器共享的鏡像文件中，而計算實現本地化的一種網絡架構[6]。目前所采用的技術主要是基于遠程引導技術（Preboot Execute Environment，PXE）來實現操作系統的加載[7]，以Client/Server的工作模式把遠程服務器上的鏡像文件虛擬成本地磁盤來運行程序[8]。由于客戶機共享同一個共享鏡像文件，充分體現了集中管理，系統維護只要針對一個鏡像文件即可管理一大間實驗室，管理工作極其方便。正因為這種過度集中的管理模式，產生了兩個主要問題：一是系統完全依賴網絡和服務器，網絡的帶寬和服務器讀寫性能直接影響到系統的正常運行；二是網絡和服務器出現故障將導致所有的客戶機無法使用[9]。endprint

（5）桌面虛擬化。隨著云計算和虛擬化技術的不斷發展與創新，虛擬化產品在高校計算機實驗教學環境中也得到了廣泛應用，通過虛擬化技術使計算機物理資源轉變為邏輯上可管理，最大限度地屏蔽軟硬件資源的差異性，并根據需要實現資源靈活分配、利用最大化[10]。

虛擬桌面實現了個人計算機桌面的虛擬化。虛擬桌面基礎設施（Vitual Desktop Infrastructure，VDI）作為了桌面虛擬化的一種實現技術，是將桌面操作系統托管在一臺運行在遠程集中化的服務器上，用戶可以在任何時候、任何地點，采用任何設備對個人桌面進行訪問[11]。由于桌面所有程序的存儲和運行都在服務器中，它是一種理想的系統管理和應用模式。但它除了具備無盤工作站一樣的風險外，還由于所有計算機的運算都在服務端進行，對服務器硬件性能要求較高，但像3DMAX、AutoCAD等圖像密集型運算實踐課程卻無法滿足需求[12]。

以上這些方法在實踐時，雖然在一定程度上保護了系統，有的也提高了工作效率，但在總體上還存在很多缺陷，沒有從根本上解決系統維護的困難。

三、系統管理與維護要解決的關鍵問題

各高校也都在嘗試各種解決方案來實現計算機實驗室的這些大量的計算機管理，以尋求一種最佳的解決方法，確保在實現方便管理的同時還能最大限度還原真實系統環境。綜合分析目前所采用的系統管理方案，取其優點，旨在解決以下幾個方面的問題[13，14]：

（1）軟件和操作系統實現集中管理。集中體現了管理的科學性，這種集中管理使得系統在日常維護的過程中只要維護好一臺計算機，其他計算機就可以自動分發受益，可以大大降低維護成本。

（2）解決硬件配置的透明性。當實驗室中的計算機硬件配置不同時，對系統管理員來說要實現其透明性，通過有效的個性化配置后，日常維護的過程中只要維護一個系統即可，而忽略不同硬件配置的差異化。

（3）提供桌面和應用程序的持續安全訪問。管理系統要能真實還原單機的環境，讓師生感覺不到環境的變化。在向學生開放的過程中，要滿足各種學生的操作要求，即使對系統做了致命的破壞也能保證下次上課的學生在重新開機后自動還原。

（4）充分發揮本地計算機硬件資源。系統要能滿足各種課程要求，適應各種實驗環境。不僅可以滿足一些基本的應用，還要滿足高性能運算的實驗，同時還可以全面兼容各種教學管理軟件和教學外設。這就要求系統在運行的過程中充分發揮本地計算機內存、CPU、顯卡等硬件的資源，全面實現運算本地化。

（5）系統快速啟動和高效運行。要能適應在上課時間學生同時開機啟動，有效解決“啟動風暴”，讓系統在可接受的時間內完成計算機的啟動過程，同時還要保證在運行程序過程中操作流暢。

（6）確保系統的高可用性。計算機實驗室不僅作為課程實踐的場所，還接受各種考試任務，要確保計算機安全可靠的運行，并在運行的過程中最大限度地降低故障率，即使在出現故障時也要有冗余的解決方案。

（7）日常維護實現遠程管理。要適應互聯網的發展，使系統管理員可以在任何地方都可以方便地對實驗室內的計算機進行遠程安裝軟件、更改配置信息等，實現終端免維護功能。

四、盤網雙待系統實現

高校公共計算機實驗室一種有效的系統維護方案是在滿足師生使用習慣的前提下，要將分散的終端軟資源（含操作系統、客戶應用策略、應用軟件、客戶數據）集中地管理起來，并可以充分利用本地硬件資源，同時還要確保系統的高可靠性和高可用性。一種基于盤網雙待的系統維護方案很好地解決了這些關鍵問題。

盤網雙待主要是基于VOI（Virtual OS Infrastructure，虛擬操作系統基礎設施）技術來實現的。它采用虛擬容器概念為客戶機提供一個虛擬的磁盤存儲空間，客戶機的存儲介質由物理轉為虛擬，操作系統就放置在這個虛擬存儲空間里。客戶機在I/O層實現對物理存儲介質的數據重定向，并在引導階段就開始接管計算機硬件平臺，完全工作于本機物理硬件之上，從而達到了操作系統的虛擬化[15]。

1.盤網雙待系統的主要技術特點

（1）首次部署終端時，終端本地鏡像的緩存數據可以從已經下載完成的終端中采用點對點方式下載，從而減少服務器的負擔。

（2）實現終端啟動完成之后，能在靜默狀態下，將服務器上的鏡像以“邊用邊下”的方式緩存到本地硬盤，緩存到本地硬盤的系統作為可啟動的一個完整系統，同時服務器上的鏡像可設置處于保護的狀態。

（3）當服務器上的鏡像數據有更新時（主要是安裝軟件，設置軟件參數），本地緩存鏡像也能同步更新，確保服務器上的鏡像數據與本地緩存鏡像的數據一致。

（4）終端在啟動時會根據網絡和本地硬盤狀況自動選擇啟動方式。當服務器出現宕機或者網絡出現故障時，自動選擇從緩存在本地硬盤的鏡像系統啟動；當本地硬盤出現故障時，自動選擇通過網絡以無盤的模式啟動系統。

（5）終端在啟動時自動檢測本地緩存鏡像是否完整且數據與服務器上的鏡像是否一致。如果一致，自動從本地緩存鏡像啟動系統，這樣可以節省網絡帶寬，減少服務器的壓力，同時保證較少系統啟動時間；當檢測到本地緩存鏡像不完整時，可以自動從服務器上的鏡像啟動系統，然后在后臺靜默地繼續緩存下載系統鏡像，這樣可以節省一直等待下載完成才去啟動的等待時間。

（6）實現終端系統快速冗余參照還原。當終端本地緩存的鏡像被改寫或是被破壞時，終端下一次重啟后，系統會同服務器上標準鏡像進行差異化校驗，如果不一致，終端會以服務器標準鏡像為參照快速重置系統或者去除、恢復差異化部分鏡像數據，實現終端系統快速還原。

（7）本地硬盤的系統鏡像采用雙備份，確保處在斷網狀態下終端本地緩存鏡像也能還原。例如，服務器上推送給終端的緩存鏡像為20G，則終端必須提供至少40G的本地磁盤空間緩存服務器推送的鏡像及鏡像備份。當服務器斷網時，本地系統的檢驗與參照還原可以通過本地硬盤的備份鏡像來完成。endprint

2.“盤網雙待”實現過程

基于“盤網雙待”的系統維護方案實施部署過程簡單，主要有如下幾個步驟：

（1）根據課程情況規劃系統鏡像數量[16]。對學生來說服務器就相當于一個提供豐富軟件的資源池，為了滿足不同專業課程實踐需求，每個系統鏡像除了安裝基本的軟件外，要根據課程特點把軟件分別安裝到不同的系統鏡像中，最大限度保證系統運行的性能。

（2）根據服務器推送的系統鏡像的大小，結合本地磁盤空間容量，計算并建立本地磁盤分區的MBR表，分區的大小要大于2倍的系統鏡像空間。

（3）服務器安裝DHCP服務，規劃終端IP地址段，用于為客戶端分配IP以及收集網卡MAC地址，終端計算機要設置成網卡PXE優先啟動。

（4）終端通過PXE遠程啟動后，輸入本機要設置的IP地址，在彈出的選擇本地硬盤緩存分區列表中，選擇緩存分區盤。

（5）利用服務器磁盤空間，為學生配置個人網絡磁盤。學生可以漫游到同一服務器的不同客戶端上，通過賬號、密碼登錄后，即可在Windows的資源管理器中進行訪問，數據隨身而行，且被加密存儲在服務器中，安全可靠。

在一個規模為1 000臺左右的公共計算機實驗室中、劃分了14個VLAN，通過2臺服務器分別部署盤網雙待系統進行管理。經過近兩個學期的調試運行，確實解決了以往使用保護卡管理工作量大和使用無盤啟動運行效率低的兩大主要問題。盤網雙待的方案保證了系統在正常環境下啟動時，通過讀取本地緩存的數據來啟動系統和運行程序，充分發揮了本機硬件性能；啟動時如果檢測到本地緩存數據和服務器鏡像數據不一致或本地硬盤出現故障就從網絡讀取數據，有效避免了“啟動風暴”問題，真正意義上實現了“盤網雙待”的高可用性和高可靠性，是高校公共計算機實驗室維護的高效方案。

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[責任編輯：余大品]endprint