基于无盘网络技术的高校计算机实验室改造

郭学英， 姜 颖

(中国民航大学 a. 基础实验中心； b. 航空工程学院, 天津 300300)



基于无盘网络技术的高校计算机实验室改造

郭学英a， 姜 颖b

(中国民航大学 a. 基础实验中心； b. 航空工程学院, 天津 300300)

随着计算机使用年限的增长，特别是在接近设备报废期限时，其性能差、故障率高、管理维护成本及工作量居高不下，甚至配件停产,机器得不到修复等问题凸现出来，严重影响正常教学。针对以上出现的问题，提出基于无盘网络技术的高校计算机实验室改造方案，该方案在我校计算机实验室进行了实施，结果表明：该方案不仅将大量报废计算机最大限度地再利用，缓解教学设备方面的压力，而且使得实验室的管理维护成本及工作量大大降低。

无盘网络； PXE； 工作站； 服务器

0 引 言

随着计算机技术的普及，高校越来越多的公共课需要使用计算机进行授课，而计算机实验室承担着全校的公共课教学任务，因此实验室的运转负荷量非常高。经过几年的高负荷运转后，大量的机器出现硬盘老化问题，由硬盘导致计算机死机、蓝屏等故障的发生频率比较高，使得计算机管理和维护工作量逐渐增大，出现这样的问题不能及时的解决将直接影响教学的进行。当硬盘彻底坏掉需要更换硬盘的时候，由于售后服务站已经购买不到与低配置计算机配套的硬盘，会导致大量计算机报废。

针对目前高校计算机实验室出现的问题，提出一种基于无盘网络技术的高校计算机实验室改造方案。此方案只需要一台服务器，所有客户端都不需要安装硬盘，通过网络从服务器端下载系统数据完成启动。所有客户端都省去了硬盘，因此延长了机器的使用年限，提高了资源利用率，降低了实验室运行的成本。目前计算机实验室广泛采用硬盘保护卡技术，以往安装更新教学软件时需要全部的计算机进行网络同传,而无盘网络中客户端的操作系统和软件，是以共用镜像包的形式存放在服务器上，因此软件的安装和升级都只需要在服务器上完成，降低了实验室管理和维护工作量。经过此方案改造后的计算机对病毒免疫，所有客户端的操作系统和应用软件存储在网络中的服务器上，用户无法操作服务器端的系统和软件，即便用户通过互联网或其他介质导致机器感染了病毒，只要重启，就能恢复如初，仍然能够确保正常工作，完全不用担心计算机病毒的威胁。因此机器不用安装任何杀毒软件，既降低了系统资源的占用，也确保了处理任务的最快速度[1]。

1 无盘网络技术

无盘网络就是一个网络中的所有工作站客户端都不需要安装硬盘，所有数据读写都通过网络中的一台服务器来完成，这台服务器上除了有其本身运行所需要的操作系统外还需要有工作站运行需要的操作系统，这样的网络就是无盘网络，这些工作站称为无盘工作站，基于这样网络的技术称之为无盘技术[2]。

无盘技术主要以RPL和PXE为主，RPL是静态路由，根据网卡上ID号再加上其它信息组成数据帧向服务器发出请求，服务器中已有该ID数据，匹配后进行远程启动；PXE则是动态路由，它的原理是根据服务端收到的工作站网卡的MAC地址，使用DHCP服务给MAC指定一个IP地址，因此每次重新启动时，同一台工作站可能分配不同的IP地址，PXE在安装和操作上更简单、快捷[3]。

(1) 基于PXE的无盘工作站原理。远程引导技术(Preboot Execute Environment, PXE)是由Intel公司开发，用于计算机通过网络远程启动。它工作于Client/Server的网络模式，当工作站通过CMOS设置为以LAN方式启动时，会通过网卡内置的启动芯片连接到服务器，然后下载启动数据，完成系统启动。PXE可以引导多种操作系统，如：Windows2000/XP、Linux等。网络中的工作站可以省去硬盘，使用该技术的计算机在网络方式下的运行速度要比有盘计算机快3倍以上。而使用了PXE的无盘工作站并不消耗服务器的CPU、RAM等资源[4]。

(2) 基于PXE无盘的管理方式。基于PXE的无盘启动不要求计算机的硬件配置完全一致，也不需要在每台计算机上安装各种软件，只需要在1台工作站上安装所需要的操作系统和应用软件，通过无盘软件的客户端将这台工作站上的系统和应用软件上传到服务器上，而无盘网络中的其它工作站都无须重复安装系统和软件，由服务器控制和管理整个无盘网络中计算机工作站的正常启动和运行[3]。

2 基于无盘网络技术的实验室改造方案

基于无盘网络技术的实验室改造方案，首选要确认实验室中计算机的网卡是否支持PXE启动。其次选择一款技术比较成熟的无盘网络系统软件和购置一台配置比较高的服务器。最后优化目前实验室的网络环境，进行无盘网络系统的搭建。

(1) 无盘网络系统软件的选取。无盘网络系统软件是无盘网络的关键，当前国内影响较大的无盘产品有湖南阿拉丁神盘(ALD)、湖南斯普林(MZD)、上海锐起(RICHTECH)、上海网众(NETZONESOFT)、武汉深度(DEEPIN)等，以上几家无盘产品中，锐起是基于PXE启动方式用于远程启动的网络系统软件，在网吧中的应用比较广泛，且支持客户端启动网卡技术也比较成熟。所以选择锐起来搭建无盘网络系统[1]。

(2) 无盘网络服务器。在无盘网络中，服务器是核心，因为工作站运行所需要的系统及应用软件镜像包都存储在服务器硬盘上，所有工作站上的各种操作都要对服务器的硬盘系统进行读、写，因此服务器在硬盘配置上必须考虑到其负载能力[5]。

无盘服务器网卡和硬盘的速度会影响到整个网络的运行速度，因此网卡和硬盘的选择非常重要。在网卡方面，千兆网卡要优于百兆，有条件的话使用双网卡，实现对网络压力的分流，提高网络速度；在硬盘方面，利用磁盘阵列卡将几块硬盘做成磁盘阵列，实现服务器硬盘的“读写分离”，这样既提高了存储容量又提高了硬盘的读写能力，实现了无盘系统的提速。

(3) 网络环境。无盘网络系统启动、运行依靠局域网，因此网络环境的优劣直接影响无盘网络系统工作的状况。目前，高校的计算机实验室大部分是全百兆的网络环境，这种情况极易形成服务器与网络主干道、工作站与网络主干道之间的瓶颈问题[6]。因此优化目前的网络环境，应将与无盘服务器相连的交换机使用千兆模块。

3 具体实现

3.1 无盘服务器的配置与架构

无盘服务器在配置与架构之前，首先要进行硬盘的“读写分离”的规划，在无盘网络中，工作站需要读的数据如系统镜像，及工作站使用过程中要写的数据都要存储在服务器的硬盘上，为了提高无盘系统的读写速度，通常将硬盘的读出数据和写入数据分开。

3.1.1 服务器系统安装与配置

在服务器上首先安装操作系统Windows Server 2003或2008，并将服务器授权模式设为“每服务器同时连接数”为“9999”。设置服务器计算机名为“NXPSER”，所属工作组为“SUBOY”。将管理员用户“Administrator”改为“lsuboy”,并新建“Administrator”用户，将其他多余的用户全部删除只留下“lsuboy”，“Administrator”，“Guests”这三个用户，并将“Guests”用户禁用。安全选项设置，在“安全选项”下面，停用“使用空白密码的本地用户只允许控制台登录”，清空“可远程访问的注册表路径”、“可匿名访问的共享”、“可匿名访问的命名管道”三项中的所有内容，启用“允许未登录前关机”，在“用户权利指派”里找到“拒绝从网络访问这台计算机”项中添加“lsuboy”这个用户。停止危险服务，将服务“Remote Registry”、“Task Scheduler”、“Telnet”、“Terminal Services”停止并由“自动”改为“禁用”[10]。配置TCP/IP协议(设置双网卡IP地址分别为10.1.37.250，10.1.37.251)。

图1 锐起服务端默认目录设置界面

图2 锐起管理器主界面

3.1.2 锐起服务端安装与配置

在服务器上安装锐起服务端程序，装完以后，停止“锐起无盘XP辅助服务”和“锐起无盘XP数据服务”，破解锐起服务端程序。然后启动刚才停止的两个锐起服务，打开“锐起无盘管理器”，因为是第一次打开所以会出现“设置默认目录”的对话框，如图 1所示，在此对话框设置“默认磁盘目录”，“默认工作站目录”，“默认还原点目录”。默认目录设置完毕，会出现“锐起无盘管理器”的主界面，如图 2所示，在此界面完成锐起服务端的配置操作，工作站分组管理：对该服务器所带动的工作站进行分组管理；磁盘管理：依据工作站启动时所使用的磁盘映像文件，进行网络磁盘的增加、删除、修改操作，并非对磁盘映像内包含的文件的修改；选项配置：主要用于设定工作站的预设配置方式和配置规则；服务器设置：对于双网卡服务器，为了均衡网络负载，对所有工作站的服务器选项进行相应的设置，首选服务器设置为“未设置首选服务器”，备份服务器要全部勾上，这样设置才能真正均衡无盘网络中服务器所承受的网络负载。

3.2 无盘工作站的配置与架构

3.2.1 工作站系统安装与配置

准备一台有盘客户机，作为无盘网络的模板工作站，在该模板上装好WinXP系统及必需的教学应用软件，添加必要的网络组件和TCP/IP协议，设置好IP地址，卸载QOS数据包计划程序；禁用“Server”、“Computer Browser”、“Task Scheduler”这三个服务；更改IDE驱动器模式：打开“计算机管理”—“设备管理器”将“IDE ATA/ATAPI控制器”下面的“IDE控制器”更改为“标准双通道PCI IDE控制器”；更改电源模式：打开“计算机管理”—“设备管理器”将“计算机”下面的“ACPI Uniprocessor PC”更改为“Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) PC”[10]。

3.2.2 锐起客户端安装与配置

在模板工作站上安装锐起无盘客户端，安装完成以后，在出现的“系统配置”对话框中选择“使用网络连接”为“本地连接”，在“服务器IP地址”处输入锐起无盘服务器的IP地址(10.1.37.250，10.1.37.251)，为了设置客户机多配置功能需要勾选“启用换主板及换网卡启动功能”，以保证以后换主板或不同的网卡上面能够正常启动工作站。全部设置完成以后单击“确定”完成安装过程。

3.2.3 工作站系统上传及调试

将模板工作站由硬盘启动改为网络启动，这时，在服务器的“锐起无盘管理器”界面应该能够看到有一台工作站名为“WKS001”的机子，然后关闭模板工作站电源，在无盘管理器界面选择模板工作站，单击工具栏上面的“超级用户”按钮，出现“选择磁盘”对话框，在该对话框中选中系统磁盘(如WINXP20130926)，如图3所示。接着将模板工作站由网络启动改为硬盘启动，启动以后，打开“计算机管理”—“磁盘管理”，将会看到一个新的硬盘(即网络磁盘)，按正常方式分区、格式化。运行锐起客户端的“系统上传”工具，软件会自动检查硬盘中的系统和网络磁盘，并确定需要上传的源盘和目标盘，如图4所示，按“开始”按钮完成系统的上传。如果在整个无盘网络环境内存在硬件配置不相同的工作站，锐起无盘系统可通过“加”、“减”法[11]来实现不同硬件的工作站同时使用一个磁盘映像进行启动。

图3 磁盘选择界面图4 系统上传界面

系统上传结束后关闭模板工作站，拔掉硬盘，再次开启，工作站应能正常启动，进入操作系统。验证工作站在无盘状态下能正常启动后关机，然后在服务端管理器内将该工作站设回普通用户，并对系统镜像包进行备份。

依次将其他工作站的启动方式设为网络启动并开启，锐起服务端会自动为工作站分配相应的IP和名称，这些工作站应能正常启动进入操作系统，服务端管理器主界面应能自动显示出无盘工作站的信息。

3.3 改造后的实验室的维护

高校公共计算机实验室管理与维护的核心是保证系统软件和应用软件的正常使用，因此，软件的升级、安装是主要的工作量。在无盘网络中，客户端软件的升级安装工作非常简单，首先在服务器端的“锐起无盘管理器”界面找到模板工作站，将其权限设置为“超级用户”，其次将模板工作站以网络方式启动，然后在该工作站上完成所有软件的升级更新工作，同时在模板工作站上进行的操作都同步保存到服务器端的系统镜像包，这样整个无盘网络中所有工作站就都完成了软件的升级更新工作，最后关掉模板工作站，在服务端将其权限设回“普通用户”。

当改造后的实验室需要增加或替换工作站时，只要将该工作站连接到无盘网络中，启动方式设置为网络启动，服务器端会自动检测和识别新的工作站并自动分配该工作站IP地址，该工作站通过网络从服务端下载系统数据完成启动。

锐起客户端有切换超级用户的功能，为了防止用户将工作站切换为超级用户，然后对工作站的操作同步保存到服务端的系统镜像包中，从而破坏共用镜像包，影响整个无盘网络中其他工作站，需要在锐起服务端设置切换超级用户密码，这样用户就不能随意在客户端切换超级用户。

4 实验与结果分析

目前我校有三个公共计算机实验室的机器已经运转了8年，配置比较低，大部分机器因硬盘出现故障的频率非常高，实验技术人员的维护工作量非常大，这三个实验室主要是用于保障大学英语视听说教学的，学生通过浏览器访问大学英语服务器进行英语视听，机器问题严重时会影响教学的正常进行。运用此方案对这三个实验室进行了改造，用一台配置比较高的双网卡DELL服务器带动三个实验室共130台工作站，服务器硬盘规划为“两读三写”。服务器和工作站硬件配置如下：服务器：CPU 2颗E5-2630(2.30 GHz，15MB缓存)；内存8条8GB RDIMM，1 333 MHz；硬盘6块300GB 15K RPM 6Gbps SAS 3.5英寸热插拔硬盘；RAID控制器PERC H310 (集成 RAID 控制器)；网卡双网卡 100/1000 Mb自适应。工作站：CPU Intel(R) Pentium(R) 4 CPU 2.93 GHz；内存256 MB DDR；网卡100 Mb/s。

基于这三个实验室组建的无盘网络拓扑结构示意图如图5所示。

图5 无盘网络拓扑结构示意图

基于此方案对这三个实验室成功改造后达到的效果如下：

(1) 开机速度快，系统运行流畅。无盘服务器与千兆交换机连接，优化工作站和服务器操作系统，无盘工作站的开启速度和访问速度超过普通本地硬盘,如表1所示。

表1 实验室效果对比表

(2) 故障率下降，资源得到充分利用。工作站的硬盘被屏蔽掉，废弃的机器得到充分利用，延长了计算机的使用年限，提高了资源利用率，降低了机器的故障率，保障了大学英语的视听说教学。

(3) 减少了实验室改造开支。只需要投资一台服务器就能带动三个实验室的工作站同时运行，大大减少了实验室改造的开支。

(4) 易维护，更新简单。整个无盘网络中工作站运行的操作系统和应用软件都存储在服务器硬盘上，网络中软件的安装和升级工作，只需要在一台模板工作站上操作就可实现，大大降低了维护工作量。

(5) 系统扩展性好。无盘服务器可自动识别和添加不同配置的新工作站，服务器可建立多个磁盘映像，工作站可方便地选择不同操作系统和教学应用软件。

5 结 语

本文分析目前高校计算机公共实验室存在的问题，提出一种基于无盘网络技术的计算机实验室改造方案。并对该方案的具体实现进行了详细描述，通过对本校的三个大学英语视听说教学实验室进行该方案的实施，结果验证了该方案具有投资少、组网方便灵活、管理维护方便、客户端易于扩展等特点，该方案除了可应用于高校计算机实验室改造外，在多媒体教学、电子阅览室、图书馆等场所也具有广泛的应用价值。

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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

中央高校基本科研业务费专项资金(ZXH2012D003)

郭学英(1983-)，女，河北邯郸人，硕士，助理实验师，主要研究方向：计算机网络技术、实验室管理技术。

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

TP 391

A

1006-7167(2015)01-0242-05