Nagios網絡監控系統在教育實驗室中的應用

摘要：隨著“互聯網+教育”的發展，教育實驗室應運而生，為了支撐數字化教學以及豐富多樣的教育研究，教育實驗室規模逐漸擴大，其擁有的數據中心的應用維護工作也不容小覷。因此，提高設備和信息系統的可用性，降低潛在風險，從而確保學校教育實驗室的穩定運行，是實驗室管理人員在新時代面臨的工作挑戰。Nagios網絡監控系統具有部署簡單靈活、易修改、輕量化等優點，為實驗室管理人員集中管理種類繁多的信息化設備提供了有利條件。本研究將Nagios網絡監控系統在教育實驗室中進行了應用，取得了效果顯著，為同類型實驗室的管理提供了參考。

關鍵詞：教育實驗室；實驗室管理；網絡監控；Nagios

中圖分類號：G482 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）16-0102-07

2019年4月，教育部等13個部門聯合啟動“六卓越一拔尖”計劃2.0，提出了包含“新文科”在內的“四新”建設。[1]“新文科”意在推動哲學社會科學與新科技革命的交叉融合，培養新時代的哲學社會科學家，這一目標讓高校文科實驗室受到更多重視，教育實驗室嶄露頭角。同時，新文科背景下的實驗室建設需要在管理方面利用好信息化手段，改變過去以人工操作為主的管理模式，實現真正的信息化管理。[2][3]而Nagios網絡監控系統將有效解決這一問題，其易部署、可修改的Web界面能給實驗室管理人員帶來很好的用戶體驗，將實驗室設備放在Nagios網絡監控系統之上，可以有效保障設備的正常運轉，維護教育實驗室的正常運行。Nagios網絡監控系統具備很強的靈敏性和實時性，即使管理人員不在實驗室內，也能夠遠程了解到設備的健康狀態，為故障處理提供了高效便捷的手段，其安全、靈活、低成本的特點符合智慧實驗室建設的各項需求。[4]同時，實驗室信息化管理的建設過程對其信息化管理的內涵、管理模式創新及管理平臺構建都有借鑒意義，它是實驗室滿足管理科學化、規范化、高效性需要所進行的一次深入探索與實踐，為開拓實驗室信息化管理模式提供了一種新的思路。[5]

教育實驗室管理

1.實驗室的組成

高校實驗室有教學實驗室、科研實驗室、虛擬實驗室、開放實驗室、創新創業實驗室等多種形式，已逐漸發展為集教學、科研于一體的人才培養和技術創新的主要基地。[6]

教育實驗室中的教學實驗室有微格教學實訓室、三筆字實訓室等師范技能訓練的場所，以及提供數字化教學環境的智慧教室、STEAM教學實驗室、數字化理科教學實驗室、機器人實驗室等。

教育實驗室中的科研實驗室與傳統的理科實驗室沒有什么區別，包含眼動分析實驗室、面部表情分析實驗室、行為分析實驗室、腦電分析實驗室等，經過數據采集、數據分析，為教育研究提供更為科學、周密的答案。此外，還有深度學習實驗室提供高速算力的GPU等。

2.實驗室設備

實驗室的硬件設備可以從樓層的網絡架構上來梳理，首先是參與到樓層基礎建設的交換機，出口交換機、樓層井道交換機、教室交換機……從上到下構成了實驗室的網絡拓撲，只有整體網絡架構明晰，才能在實驗室管理上更得心應手。其次是具體實驗室中的設備，微格實訓室中的中控面板、網絡攝像頭、投影儀、觸控一體機、教師電腦、功放、音響等設備，眼動實驗室中的主機設備、眼動儀等設備……各個實驗室中的設備既有共性也有特性。此外，還有公共區域的設備，如大廳的屏幕設備、樓道的廣告畫屏，以及每個實驗室的門禁設備和實驗室門口的班牌設備等，這些設備的管理與實驗室日常工作息息相關。

軟件部分主要是教學與科研的平臺，管理起來難度較大，需要定期以及長期地運行維護。同時，軟件需要具體硬件設備的支撐，而軟件與硬件設備的關系又并非一一對應，如一個服務器上可以運行多款軟件，一款軟件也可以運行在多個服務器之上，由此可見，管理服務器與管理服務平臺的關系并不能對等。

3.設備日常運維

設備的管理與日常維護并不簡單，教育教學中需要頻繁使用設備，也需要信息化手段來提供保障[7]，實驗室管理人員則需要充分了解實驗室的整體架構，以及設備與設備之間的關系。

硬件設備的運維相對簡單，出現的問題也較為直觀，如屏幕壞了等問題只需要及時換新或者返廠維修即可，但硬件設備管理得當與否也與設備故障頻率呈現一定相關性。[8]

平臺服務則更為復雜，需要排除硬件故障與系統錯誤等多方面原因。而選擇Nagios網絡監控系統，正是因為其可以將系統的正常運行還有設備的正常使用，以及IP還有端口之間的通訊關系十分簡單直觀地呈現出來。在筆者所在的實驗室中，微格預約系統IP為10.1.73.229，7000端口用于Web平臺接口，7001端口用于連接教室門牌設備端口，2013端口用于連接鎖相關設備，8080端口用于鎖平臺Web進程，8086端口則是與微格教室業務系統交互端口……這些端口都反映著微格教室管理系統的各個服務進程是否正常。若學校的網絡信息管理部門進行安全漏掃與巡檢，很可能臨時關閉某系統的某個服務端口，Nagios都能第一時間反映出來，且通知給相應的管理人員。

Nagios網絡監控系統概述

1.工作原理

Nagios網絡監控系統可以監控應用程序、服務、操作系統、網絡協議、系統度量標準和基礎設施組件，以確保所有系統、應用程序和服務都已啟動和運行。[9]利用簡單的網絡管理協議（SNMP）的關鍵技術來獲取被監控設備的信息，在不影響被監控設備的性能的情況下，通過協議層的互通和對接，可以獲得被監控設備的信息[10]，工作原理如圖1所示。Nagio允許多種監控方式并行，在服務設備或網絡服務異常時，通過自定義的短信和郵箱通知系統管理員。

傳統的基于簡單網絡管理協議實現的監控系統對支持SNMP的設備具有良好的管理性，但對于非標準SNMP設備則不可以管理，限制了系統的應用范圍，缺乏可擴展性。[11]而Nagios采用SNMP與非SNMP結合的參數采集方式，豐富了性能監測參數，實現了可擴展、通用的網絡性能監控系統。

Nagios-plugins作為Nagios系統中內置的插件，具備對服務器、交換機、網絡設備、網站以及信息系統的基礎監控功能，對高校現有網絡環境的適應性顯著，且在一定程度上降低了信息管理員的部署和后期管理壓力。常見的可選插件有NRPE（Nagios Remote Plugin Executor）、NSCA、NSClient++、NDOUtils等。Nagios所有監控檢測功能依賴于libexec文件夾里的插件完成，通過插件實現監控方式的靈活拓展，系統按需調用這些插件，通過命令行方式對主機及服務進行檢測，并將執行結果反饋至Nagios。

2.NRPE插件

筆者主要選用NRPE插件來構建所需的監控平臺，NRPE是Nagios的一個功能擴展，它允許在遠程Linux/Unix主機上執行插件程序。通過在監控目標安裝NRPE插件，可以向Nagios監控平臺提供該服務器的本地情況，如CPU負載、內存使用情況、磁盤容量、登錄用戶數、總進程數、僵尸進程數、Swap分區使用情況等信息。如圖2為NRPE的設計圖，在監控主機上通過Nagios的check_nrpe進程，調用被監控服務器上安裝的NRPE插件。

在監控目標上，被NRPE監控的服務或資源需要通過nrpe.conf文件使用命令進行定義，定義命令的語法格式為command[<command_name>]=<command_to_execute>，當NRPE收到命令后把結果在返回給監控主機，所以NRPE發送的命令，可根據實驗室設備的實際情況，定義上述相關監控參數的警告狀態（w）和嚴重狀態（c）。以下六項定義的命令對應釋義內容如表1所示。

command[check_users]=/usr/local/nagios/libexec/check_users -w 5 -c 10

command[check_load]=/usr/local/nagios/libexec/check_load -r -w .30，.25，.20 -c .80，.75，.70

command[check_disk]=/usr/local/nagios/libexec/check_disk -w 20% -c 10% -p /

command[check_zombie_procs]=/usr/local/nagios/libexec/check_procs -w 5 -c 10 -s Z

command[check_total_procs]=/usr/local/nagios/libexec/check_procs -w 150 -c 200

command[check_swap]=/usr/local/nagios/libexec/check_swap -w 20% -c 10%

3.主要優點

（1）部署簡單、安裝方便

選擇Nagios監控實驗室設備的最主要原因就是其部署簡單，一臺2核CPU、4G內存、100G存儲空間，并搭載Centos7.9操作系統的服務器即可完成Nagios服務搭建。筆者選用的軟件版本為Nagios4.5和nagios-plugins-2.4.8，確保網絡正常后即可開始安裝部署。

輸入如圖3所示的命令，即可進入Nagios軟件編譯和安裝環節，整個過程簡單、易上手，適合實驗室管理人員自行操作。

（2）易修改、便于管理

Nagios網絡監控系統是開源的免費網絡監控軟件，用C語言編寫，執行效率高，由不同的插件提供不同的監控功能，可以按需添加自己的插件，不用一次性全部添加，各種插件和自定義腳本有完美的兼容性。

在監控主機上，通過對監控目標的定義，構建監控主機與監控目標之間的關系，形成按功能劃分的監控集群，管理起來十分方便。再通過Web文件配置，在瀏覽器上便可知道所有設備的狀態。Apache的conf.d目錄下安裝Nagios的web配置文件也十分容易，僅需一行代碼：

#make install-webconf

再配置Nagios管理員的Web訪問賬號，通過Web界面查看監控狀況，簡化了對Linux字符操作的煩瑣性，配置代碼也十分簡單：

#htpasswd c /usr/local/nagios/etc/htpasswd.users nagiosadmin

（3）輕量化、資源占用少

Nagios網絡監控系統占用的系統資源少，整個安裝包和核心插件的容量大小不到20MB，且在Nagios編譯和安裝工作結束后，查看/usr/local/目錄，可以看到新生成了一個Nagios目錄，包含了bin、etc、sbin、share、libexec、var六個子目錄，這些目錄組成了Nagios的整個系統，所占空間資源非常小，且采用的主要監控方式是輪詢的方式，從而大量減少實時的網絡流量。這六個子目錄存放的內容各不相同，具體如表2所示。

進入/usr/local/nagios/etc目錄及子目錄objects中，可以看到眾多配置文件，這些配置文件多數為Nagios的默認配置模板，需要管理員按要求對其進行編寫，才能達到原設計的監控目的。在子目錄objects下的配置文件是確保Nagios監控運行的重中之重，管理員還可以在objects目錄下自己編寫添加配置文件，從而添加新的監控任務。

Nagios網絡監控系統的應用

1.設備的分組與歸類

在Nagios監控系統中，涉及廣泛的設備類型，好的分組與歸類，可以迅速定位相關設備，為設備管理提供便捷。在教育實驗室中，設備主要分為三大塊——基礎設備、實驗室設備和服務器設備。基礎設備主要包括樓層交換機、教室交換機、智能燈光、溫濕度傳感器等，其是樓層的基礎功能支撐設備；實驗室設備則是教室內部的教學設備和科研儀器，這個分支最大、最復雜，其中有教室電腦和微格攝像頭等教學實驗室設備、實驗室電腦和3D打印機等科研實驗室設備，還有實驗室預約系統等實驗室管理設備；服務器設備單列的原因在于其24小時運行的特殊性，所以它的監控報警需求是最高的。

為了更有效地管理和監控這些設備，總體設計中需要將其進行合理的分組歸類。表3為工作組分類表，hostgroups設備組名稱在hostgroups.cfg文件中修改，hosts具體設備內容在hosts.cfg文件中修改。這種分組和分類方式有助于實現對不同設備類型的有針對性監測和管理，提高了整個監控系統的操作效率和可讀性。

在設計好所有設備的分組歸類后，為了提高監控效率，每臺服務器、交換機等工作設備都需經過慎重的命名，設備被賦予明確而有意義的標識，以便迅速定位問題設備，高效地解決問題。

2.管理人員權限分配

在Nagios網絡監控系統的設計中，除了上文提到的設備分組歸類，還需要有一個合理的人員管理策略，以確保不同設備能夠得到專業、有針對性的管理。不同設備通常由不同的管理人員負責，為了實現更靈活的故障報警和處理，一般可將管理人員按照其負責的設備類型或區域進行分組。這樣，當特定設備組出現故障時，系統能夠有針對性地向相應管理人員發送及時準確的報警信息。

在實際工作中，系統使用和操作管理員分為最高系統管理員和普通管理員。最高系統管理員擁有系統最高的管理權限，能夠對系統的開發和使用進行統籌規劃。最高系統管理員具備服務器的登錄權限，可以修改登錄賬號和密碼，進入Nagios后臺進行系統配置，選擇被監控的設備和服務項目并為它們命名分組，還能設定Web登錄界面的賬號密碼等。

同時，還要充分考慮到每個服務設備都有自己的專屬分管人員，系統在設計時需要周密規劃，明確指定服務設備一旦出現異常能夠遠程通知到具體的管理人員。這種分組和分管策略有效提高了系統的管理效率和故障響應速度，使得監控系統更具智能化和人性化的特點。

通過Nagios網絡監控系統，改變了原本人和設備分離的狀態。如今，管理人員與分管的設備有著緊密聯系，當某一工作組中有設備發生故障告警時，管理人員不僅可在Nagios的Web平臺上查看，還能在非工作時間收到Nagios的郵件或短信通知，及時安排人員前往修復。管理權限的合理分配，既使實驗室的崗位職責與問題歸屬有明確的劃分，也讓設備的問題通知與故障修復更加有保障。

3.監控系統的主要配置

Nagios網絡監控系統的主要配置大部分都在objects目錄下面，hosts.cfg中定義設備，services.cfg中定義服務，hostgroups.cfg文件中定義設備分組，commands.cfg中定義報警命令……

圖4是名為“Research Server 1”的用于科研的服務器定義的相關代碼，該設備IP為10.1.176.241，Nagios對此設備的監控內容為觀察其是否存活，當設備異常時，Nagios對其最大檢測次數為3次，并對該工作組的管理員每10分鐘發出一次通知。發送通知的時間范圍為全天7*24小時，宕機（d）、不明狀態（u）、恢復狀態（r）都為設備異常。

在構建Nagios網絡監控系統過程中，為了方便管理人員可以針對性觀察到自己所管理設備的運行狀態，可根據表3將設備進行分組，只需在objects目錄下，新建hostgroups.cfg文件即可。圖5是組名為“Physical server group”的相關代碼。需要注意的是，該分組代碼定義成功的前提是，組里提及的設備名必須與之前的hosts.cfg一致。

服務項目定義的代碼也與此類似，語句簡單易懂。服務往往與主機對應，主機如果宕機，服務一定無法運行，但是服務如果異常，并不能判定主機問題。常用的端口也可以在Nagios中直接定義，如圖6代碼在commands.cfg中定義了80端口的HTTP服務，之后便可以直接調用。

在完成了Nagios的基本配置后，該監控平臺就可以投入工作。可以先使用“#/usr/local/nagios/bin/nagios -v /usr/local/nagios/etc/nagios.cfg”命令檢測Nagios的配置是否正確，如圖7所示，表示配置無誤。在監控主機處關閉防火墻后，輸入“#service nagios start”命令，即可啟動Nagios監控系統，從而更高效地保障實驗室的設備正常運行。

實驗結果與分析

在完成了Nagios網絡監控系統的整體設計后，打開瀏覽器，輸入監控主機的IP地址，即可進入Web界面，如上頁圖8所示。

可以看到Web頁面的右側有hosts、services、hostgroups等選項，點擊選項可以按要求進行查看。此外，上文中涉及的NRPE功能，也能在此體現，可以清楚地看到監控目標主動將其CPU、內存、磁盤以及相關進程的運行情況，上報至監控主機，如圖9所示。

在監控目標出現故障的情況下，上報至監控主機，監控主機會根據管理員分類，將其故障情況通過郵件形式通知相應管理員。

至此，Nagios網絡監控系統以及相應的管理模式就搭建完成，可一定程度提升高校實驗室管理的效率，可令管理人員及時發現故障并排除，為高校實驗室的信息化教學保駕護航。

結語

Nagios監控系統部署簡單，便于管理，且占用資源少，是實驗室自設監控系統的最佳選擇。通過Nagios監控系統，不僅提高了實驗室管理人員的工作效率，還為學校的教學和科研活動提供了更加穩定和可靠的技術支持。

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基金項目：浙江師范大學2023年度實驗技術開發項目“新文科背景下教師教育類實驗室的建設與思考”（項目編號：SJ202303）。

第一作者簡介：黃晨（1991—），男，浙江杭州人，碩士，主要從事高校信息化工作及網絡安全方面相關研究。