PXE無盤網絡技術的高校計算機實驗室改造

林　榕，　盤煒生，　陳守寬

(肇慶學院 教育技術與計算機中心，廣東 肇慶 526061)

0　引　言

計算機實驗室是引導學生理論聯系實際，培養學生實踐能力和創新精神的重要教學場所，承載著無法替代的責任，發揮著至關重要的作用[1]。隨著地方院校向應用型本科院校轉型的不斷深入，加強實踐教學體系建設，提高實驗實訓教學在應用型人才培養中的地位，全面提高實驗實訓教學水平，保障計算機實驗教學有序進行，是應用型本科院校計算機實驗教學改革的重要目標[2]。

開放的實驗教學體系對計算機實驗室建設提出了更高的要求，計算機實驗室管理維護手段也必須適應這種要求，否則會嚴重影響應用型本科教學目標的實現。針對這種需求，經過對云桌面技術和無盤網絡技術的實踐論證后，根據實際情況，提出一種基于無盤網絡技術的計算機實驗室改造方案。這種方案在較少投入資金的情況下，既能夠極大降低計算機實驗室系統升級、軟件安裝等維護的時間成本，又能夠在現有條件下，最大化提供實踐教學所需的軟、硬件環境，為計算機實驗室的全面開放提供了技術保障[3]。

1　無盤網絡技術

無盤網絡就是局域網中所有客戶機都通過網絡從服務器磁盤上獲取操作系統和應用軟件并運行的一種計算機網絡架構，因為網絡中的客戶機都不安裝磁盤而得名，基于這種計算機網絡結構的技術就是無盤網絡技術[4]。客戶機不安裝磁盤驅動器僅是表面現象，不具有實質意思。

無盤網絡技術經過多年的發展，目前主要以PXE技術為主，它采用動態路由，在安裝和操作上更簡單、快捷[5]，其優越性已經超過有盤網絡[6]。

1.1　PXE基本原理

預啟動執行環境(Pre-boot Execution Environment，PXE)是由Intel公司開發的一種無盤啟動技術，用于計算機通過網絡遠程啟動，工作在Client/Server的軟件系統體系結構下。當計算機設置以LAN方式啟動時，就會通過網卡內置的啟動芯片發出請求，要求服務器分配IP地址，建立聯系后，再用TFTP(Trivial File Transfer Protocol)協議將預先存儲在服務器中的終端操作系統鏡像包下載到本機內存中執行，完成終端操作系統的遠程啟動[7]。

使用PXE技術的客戶機通過網絡遠程啟動操作系統后，所有操作和運算都由客戶機本身完成，運行速度要比有盤PC快3倍以上[8]。

1.2　基于PXE無盤的管理方式

(1) 在客戶機上安裝好操作系統和應用軟件后上傳至服務器生成系統鏡像文件，就可以由服務器控制和管理全體實驗室客戶機的正常啟動和運行。

(2) 可以將客戶機的驅動與鏡像分離，使網絡環境中存在不同硬件配置的客戶機可以共用一個鏡像文件而不產生驅動沖突。可以延長計算機的使用壽命，緩解資金投入不足的壓力。

(3) 在服務器中可以創建多個磁盤組(可包含DOS、Windows和Linux等多個系統)，客戶機啟動時可選擇任意磁盤組進入相應的系統，徹底解決了傳統模式下無法使用多系統環境的難題。

2　基于PXE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，主要需要考慮的是網絡環境、服務器和無盤網絡系統軟件的選擇。

(1) 網絡環境。無盤網絡中，客戶機的系統啟動、運行都依賴局域網進行，網絡環境的優劣和穩定性都直接關系著整個無盤網絡系統的運行狀態。1GB到桌面的高校計算機實驗室網絡環境已經非常普及，這也是無盤網絡技術能夠快速發展的主要原因。

計算機實驗室的網絡結構如圖1所示。

圖1　計算機實驗室拓撲結構圖

(2) 服務器。服務器是整個無盤網絡系統的承載者，是核心的核心，它為客戶機的運行提供遠程引導服務和磁盤IO服務，這兩個服務都依賴于網絡進行數據傳輸和交換。因而無盤網絡對服務器硬件需求主要是考慮網卡和磁盤的性能，并且無盤網絡中客戶機的運行不消耗服務器的CPU、RAM等資源[9-10]，對于一般應用或較小的網絡環境，現在一般配置的PC就可以作為服務器使用[11]。

對應用或網絡要求較高時，就需要有專業服務器來保障更好的穩定性和速度。在其他條件相同時，使用高磁盤IO處理能力的SAS 15KB硬盤或SSD硬盤能夠保證客戶機的處理速度。如果客戶機數量較多，則應考慮使用多塊硬盤實現服務器硬盤的“讀寫分離”，進一步提升無盤系統的運行速度[12]。

(3) 無盤網絡系統軟件。經過多年的發展，無盤網絡系統軟件的功能越來越強大，安裝配置越來越簡單，產品也越來越多。上海銳起信息技術有限公司作為國內較早從事無盤網絡系統開發的公司，其銳起BSD虛擬化平臺比較成熟，是基于PXE的無盤網絡系統軟件，支持服務器多網卡、支持服務器集聯等功能，適合高校計算機實驗室無盤網絡改造。

(4) 客戶機。無盤網絡系統雖然對客戶機硬件無特殊要求，只需網卡支持PXE啟動，在有盤環境中能流暢運行Windows 7即可。但是要發揮出無盤網絡系統的性能，客戶機的網卡也需要支持千兆傳輸。為了將銳起BSD系統軟件“本地寫緩存”性能充分發揮出來，以達到提高無盤網絡系統帶機量或加快客戶機運行速度的目的，客戶機使用2GB以上內存，并將512MB～1GB的內存空間劃作客戶機的“本地寫緩存”。

(5) 操作系統選用。Windows Server 2008 R2新加入的Hyper-V 2.0具有可對虛擬磁盤動態調整容量、具備VM內存動態配置等新功能更適合用作無盤網絡系統的服務器操作系統。客戶機的操作系統則選用64位的Windows 7。

3　具體實現

3.1　服務器安裝與配置

服務器上安裝操作系統Windows Server 2008 R2，配置好TCP/IP協議，根據規劃指定靜態IP地址。安裝銳起無盤BSD主服務器端程序，分別為客戶機系統盤鏡像、客戶機軟件盤鏡像和客戶機臨時回寫盤創建目錄，為了提高客戶機運行速度，可規劃為“兩讀一寫”3個固態硬盤，對應設置為3個固態盤的根目錄。需要注意的是，3個固態硬盤在分區和格式化時必須設置為NTFS文件系統格式。

3.2　客戶機安裝與配置

(1) 模板客戶機安裝與配置。選取1臺客戶機安裝好64位Windows 7，配置好T CP/IP協議，并根據規劃指定靜態IP地址。將另一硬盤分區設置為“S盤”并將應用軟件全部安裝至此分區中。安裝銳起BSD客戶端，結束后會彈出“初始配置”對話框，如圖2所示，此界面“啟用換主板及網絡啟動功能”就是啟用PNP功能，允許不同硬件配置在同一鏡像中啟動，為默認勾選。點擊“系統優化”按鈕，會彈出“系統優化”對話框，如圖3所示，根據使用需求，對系統優化的內容進行選擇，一般“全選”即可。在“服務器IP地址”框內填入正確的服務器IP地址，點擊“確定”按鈕，會自 動進行虛擬磁盤驅動程序的安裝，安裝結束后會要求重啟計算機。

圖2　銳起客戶端配置界面

(2) 加入模板客戶機。在銳起無盤BSD管理器新增工作站，填入模板客戶機的MAC地址等相應信息，選擇之前設置好的回寫目錄和創建的磁盤鏡像，完成模板客戶機的添加，并將其設置為“超級用戶”。

(3) 上傳客戶機系統。客戶機經過剛才的重啟后，會提示找到新硬件并自動安裝驅動程序后要求再次重啟。根據提示重啟后，進入“磁盤管理”完成虛擬網絡磁盤的初始化、格式化、盤符分配等，就可以運行“上傳工具”進行客戶機操作系統和應用軟件兩個鏡像的上傳。

(4) 啟動模板客戶機。鏡像上傳結束后，將模板客戶機關機，移除硬盤，再開機進入COMS設置，將啟動設置為網絡啟動，并關閉所有硬盤通道，再次重啟，這時模板客戶機應該能在沒有硬盤的情況下正常從網絡啟動進入操作系統。驗證模板客戶機在無盤狀態下正常啟動，運行系統后關機，在服務端將模板客戶機設置成“普通”。

(5) 加入其他客戶機。在銳起無盤BSD服務端設置客戶機加入方式為全自動加入后，依次將其他客戶機的啟動方式設置為網絡啟動就可以正常啟動進入操作系統了。此時與模板客戶機相同硬件配置的客戶機加入時，無需再關閉所有硬盤通道和移除硬盤。

4　無盤網絡技術在計算機實驗室管理中的應用

我校計算機實驗教學示范中心的計算機實驗室都是2010年左右改建或新建的實驗室。計算機實驗室為了保護系統和硬盤數據，確保實驗教學正常有序進行，全部采用了硬盤保護卡技術。該技術可以防止包括學生惡意操作或病毒攻擊等行為對硬盤數據的修改，還可以實現一對多的智能網絡同傳，快速完成系統的安裝、升級和軟件更新等維護工作[13-14]。然而，硬盤保護卡技術在在許多情況下，仍然必須逐臺機器操作，維護和更新的工作量依然極大[15-16]。

近些年，隨著往應用型本科院校的轉型，學校加強了實踐教學體系建設，眾多專業、學科已經展開了以“課程為導向”向以“應用為導向”的轉變，一些課程從以前的“理論+實驗”的課程結構向全部或增加實驗課程進行改革。使用計算機實驗室的課程數量、學生數量明顯增加，對計算機軟、硬件的需求明顯提高。硬盤保護卡技術已經捉襟見肘，不能滿足改革對計算機實驗室的更高需求。同時，由于計算機實驗室建設滯后，計算機實驗室數量少，長期高負荷運轉，計算機更新周期長，大量機器出現硬盤等故障引起的頻繁死機甚至無法運行，嚴重影響了正常教學，阻礙了實踐教學體系建設。

中心針對現狀，整合現有設備，運用無盤網絡技術對中心實驗室進行了整合改造，實現了故有資源的充分利用，降低了故障率，提升了實驗室維護效率，為開放的實驗體系建設提供了技術保障。

4.1　整合服務器資源

計算機實驗教學示范中心一直承擔著全校的省計算機等級考試的任務，每間實驗室都配置了一臺入門級服務器或工作組級服務器。這些服務器在進行少量投入改造后，就可以充分利用虛擬化技術，根據實際使用情況進行調配，只使用其中若干臺服務器就可以實現原來的所有功能，剩余部分就可以用作無盤網絡系統的服務器。

4.2　整合客戶機緩解資金投入和實驗室數量的壓力

一間早于2010年建設的實驗室由于使用年限長，機器故障頻繁，完好率低，維護難度大且周期長，需要整體進行更新改造。運用無盤網絡技術將該實驗室整合成了Windows XP無盤實驗室。改造后，該實驗室機器故障率下降，資源得到充分利用，緩解了資金投入和實驗室數量少的壓力。

這間實驗室的改造主要利用了銳起無盤BSD的驅動分離技術，很好地將多種配置的客戶機整合在一起卻不增加維護的時間成本。不同硬件配置的客戶機加入時，要注意每種配置加入的第一臺客戶機仍需關閉硬盤通道和移除硬盤后再加入，能順利進入無盤系統后，在服務端將客戶機勾選“設為參照工作站”，再添加與此相同配置的客戶機；相同配置的客戶機添加完成后，服務端在同一配置的分組中任選一臺客戶機設置“驅動管理”中的“進入驅動安裝模式”，開啟客戶機，進入系統安裝硬件驅動。由于銳起無盤BSD在安裝時默認勾選了“啟用客戶機網卡PNP”，系統本身自帶的幾千款各種類型的網卡驅動就能供絕大多數客戶機直接啟動，如果缺少所需的客戶機網卡驅動，需要在服務端的“網卡驅動管理”中添加，而不是在客戶機進入驅動安裝模式下進行。所以客戶機進入驅動安裝模式下，一定要注意不能安裝網卡驅動，不要安裝其他任何與驅動無關的信息。驅動安裝完畢，關閉客戶機，“退出驅動安裝模式”，系統將自動提取此類客戶機的硬件驅動到存儲目錄。至此，一類配置的客戶機添加完成，按同樣方法可以繼續添加下一類配置的客戶機。

無盤系統中有多類硬件配置的客戶機存在時，進行系統升級或軟件安裝等維護時，為避免各硬件配置分離的驅動與系統鏡像包合并，因此盡量避免每種配置的客戶機都去切換“超級用戶”，以免導致鏡像包中安裝的驅動太多引起客戶機兼容問題和系統鏡像增大。建議只使用模板客戶機為“超級用戶”進行操作或直接在服務器上利用Virtualbox虛擬機軟件進行操作。

4.3　新建實驗室采用網絡匯聚，提升無盤系統性能

無盤網絡服務器和交換機在條件允許的情況下，可以把網卡和交換機端口進行匯聚，以達到提升網卡和交換機的吞吐量，增加網絡容錯能力，提升批量客戶機同時啟動和大數據讀寫時的速度和穩定性，以最經濟的方式提高無盤網絡的性能,如圖4、5所示。該圖是在對無盤系統服務器4個網絡端口分別進行分流和匯聚的不同設置時，全體客戶機同時開機加載系統的情況。分流設置時，4個網絡端口分流時的網絡使用率分別是73.78%，66.15%，67.74%，68.15%；CPU使用率35%；內存使用率20%。網絡使用率相對較低，網絡容錯能力有限，個別客戶機出現獲取鏡像緩慢，甚至不成功，停留在獲取界面，需要人為干預重新獲取。匯聚設置時，4個網絡端口匯聚時網絡使用率長時間在99%左右；CPU使用率53%，內存使用率39%。網絡使用率相對較高，網絡容錯能力強，個別客戶機獲取鏡像緩慢時，會自動重啟，重新獲取，不會出現停留獲取界面的情況。

5　改造效果對比分析

(1) 改造后實驗室維護時間對比。經過無盤改造后，實驗室維護的時間成本大大降低，與硬盤保護卡技術在維護效果上的對比如表1所示。

(2) 改造后使用效果對比。以動畫創作專業實驗室為例，完成同一個動畫作品制作，不同的老師和學生，可能使用不同的插件，甚至使用不同的軟件。而這些同類的軟件或插件往往不能同時安裝，否則容易出現沖突，造成系統不穩定。解決辦法一般是多系統共存，把這些軟件分別安裝在不同的系統中。動畫創作所需的軟件更新頻繁，且絕大多數需要逐臺注冊，注冊后就不能再進行網絡同傳，硬盤保護卡除了保護系統數據外，沒有任何作用，更新維護都要逐臺機器操作，工作量極大，多系統共存基本不可能。

圖4　四網絡端口分流

圖5　四網絡端口匯聚

在無盤網絡改造前的教學過程中，老師對一些軟件或插件只能靠PPT講解或演示，學生無法在課堂上進行實際操作，不能及時發現問題，解決問題，教學效果大打折扣。改造完成后，所有的維護只需要做一次，更新、安裝、卸載軟件及插件都在幾分鐘內完成，而且這些操作進行時不影響當前的使用，多系統共存只需要增加服務器硬盤，維護所需的時間幾乎沒有增加。動畫創作過程中，不同的學生可以選擇不同的系統，從而選擇適合自己的軟件或插件進行創作，極大的提高了實踐教學效果，師生對改造效果贊不絕口。

表1　兩種方案效果對比表

6　結　語

在“動畫專業實驗室無盤網絡改造”取得良好效果的基礎上，計算機實驗教學示范中心根據現有條件，在進行了很少投入后，對幾間實驗室作了無盤網絡的改造，極大簡化了計算機實驗室的維護工作，提高了實驗室的使用率，緩解了資金投入和實驗室數量偏少的壓力。中心已明確地將無盤網絡技術定位為未來實驗室改造和建設的優選方案。隨著云計算技術的成熟，云計算虛擬化應用之一的云桌面也正在逐漸興起。云桌面具有像無盤網絡技術一樣的維護方式，能輕易實現無盤網絡難以實現的個性化軟件需求，沒有了無盤網絡相對集中的地域限制。但由于云桌面終端的所有運算都由服務器完成，因而對服務器硬件配置要求極高。要達到相對較高要求的使用，其服務器的投入不是一般地方院校所能承擔的。以虛擬服務器技術替代實體服務器的無盤網絡技術已經出現，相信隨著技術的發展和硬件成本的降低，云桌面技術將得到更快推廣和應用。

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