劉傳堯++謝火木+施芝元

摘 要：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的維護(hù)是高校公共計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室面臨的一大難題?；趩螜C(jī)或網(wǎng)絡(luò)的多種系統(tǒng)維護(hù)方法存在缺陷，盤網(wǎng)雙待技術(shù)實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器中的系統(tǒng)鏡像與本機(jī)緩存的系統(tǒng)自動同步。系統(tǒng)的啟動可以根據(jù)故障智能識別與切換，在單機(jī)硬盤出現(xiàn)故障時系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)啟動，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)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(tǒng)解決方案，可以作為公共計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)維護(hù)較為有效的解決方法。

關(guān)鍵詞：盤網(wǎng)雙待；虛擬桌面；無盤；保護(hù)卡；系統(tǒng)維護(hù)

隨著信息技術(shù)高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)滲透到我們的學(xué)習(xí)、生活、工作中，并成為一個不可或缺的工具，這也使得計(jì)算機(jī)的應(yīng)用在高校人才培養(yǎng)中都滲透到了各個學(xué)科。交叉學(xué)科的發(fā)展，綜合型人才培養(yǎng)更進(jìn)一步要求學(xué)校在培養(yǎng)人才方面要能適應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展要求。高校各專業(yè)都開設(shè)了與計(jì)算機(jī)相關(guān)的課程，在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方面也都有著自己的要求。為了讓其充分利用，目前建設(shè)都由教育技術(shù)部門統(tǒng)一實(shí)施，并在全校范圍內(nèi)統(tǒng)一安排課程，但是這種集中式的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)室?guī)砹撕芏喙芾砩系膯栴}，而且每臺計(jì)算機(jī)的軟件安裝還要滿足全校不同專業(yè)的需求，如何管理好這些計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室就成為每個教育技術(shù)部門面臨的重要問題。

一、高校公共計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)

目前我國高校公共計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室普遍采用了集中建設(shè)并由指定部門進(jìn)行集中管理，這種方式不僅可以為學(xué)校節(jié)約投入成本，還可以大大提高設(shè)備的利用率以及實(shí)驗(yàn)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(diǎn)：

（1）計(jì)算機(jī)軟硬件容易損壞[1]。在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室上課的學(xué)生來自全校不同專業(yè)，學(xué)生之間計(jì)算機(jī)使用習(xí)慣差距較大，一些學(xué)生在使用的過程中還存在很多不良習(xí)慣，例如強(qiáng)制關(guān)機(jī)、刪除系統(tǒng)文件、設(shè)置系統(tǒng)密碼等；有些學(xué)生在入校之前已經(jīng)具備一定的計(jì)算機(jī)知識，上課時常自帶U盤、移動硬盤等外接設(shè)備，并隨意接入計(jì)算機(jī)；有些學(xué)生在上課過程中由于缺乏相關(guān)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)安全意識，隨意瀏覽各種網(wǎng)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(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的損壞。

（2）面向全校各專業(yè)，環(huán)境個性化。不同的實(shí)踐課程對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有不同的環(huán)境要求[2]，如不同的操作系統(tǒng)支持、不同的應(yīng)用軟件版本、不同的系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置等，這就要求同一臺計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)和軟件的部署要根據(jù)每門課程的具體要求來實(shí)現(xiàn)個性化安裝配置。

（3）計(jì)算機(jī)數(shù)量較多，實(shí)驗(yàn)室管理工作量繁重[1]。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的日常維護(hù)內(nèi)容雖然簡單，但是當(dāng)面對的計(jì)算機(jī)數(shù)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(shí)驗(yàn)室，處理問題效率低下，有時甚至影響到了教學(xué)的順利開展。

（4）系統(tǒng)全面開放。在計(jì)算機(jī)實(shí)踐課程中，為了更好地培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)的能力，提高學(xué)生實(shí)踐效果，通常計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)在安裝時要全面開放，不加限制，讓學(xué)生在實(shí)踐過程中最大限度接近真實(shí)環(huán)境，這必然降低了系統(tǒng)的安全性。

二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)維護(hù)常見方法及特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的維護(hù)工作主要涉及硬盤中安裝的操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件，為了保證計(jì)算機(jī)的可用性和可靠性以及系統(tǒng)的安全性，同時還要提高維護(hù)效率，降低維護(hù)成本，公共計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)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(jī)運(yùn)行。這是最原始的系統(tǒng)維護(hù)方法，每臺計(jì)算機(jī)安裝好系統(tǒng)及軟件之后不做任何防護(hù)直接投入使用，學(xué)生在使用計(jì)算機(jī)的過程中可能有意或無意對系統(tǒng)造成破壞，這種破壞輕則使系統(tǒng)運(yùn)行不正常，重則使系統(tǒng)崩潰，維護(hù)工作無法及時保障，直接影響了教學(xué)的正常進(jìn)行。

（2）集成Windows域管理功能。Windows在服務(wù)器版本中集成了活動目錄和域的功能，活動目錄用來為網(wǎng)絡(luò)中的用戶和管理員提供對網(wǎng)絡(luò)資源的訪問、管理和控制，在活動目錄中通過身份驗(yàn)證及目錄對象的訪問控制集成實(shí)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)，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(jī)等資源對象的集合[3，4]?；谶@些原理，在域中以每個班級為單位建立組織單元，每個來實(shí)驗(yàn)室上課的學(xué)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(jì)算機(jī)的資源。這種方法理論上可以增加系統(tǒng)的安全性，但由于訪問的權(quán)限受到了限制，系統(tǒng)缺少開放性，無法滿足所有學(xué)生實(shí)踐課程，特別是對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身進(jìn)行操作的實(shí)踐課程受到限制后就無法繼續(xù)開展。

（3）安裝硬盤保護(hù)卡。硬盤保護(hù)卡也叫還原卡，其核心部件是一片內(nèi)置有備份恢復(fù)程序的芯片，保護(hù)卡是插在計(jì)算機(jī)的主板上通過接管操作系統(tǒng)的硬盤讀寫操作并采用“假寫”的工作原理來實(shí)現(xiàn)硬盤數(shù)據(jù)保護(hù)的功能，用戶在安裝有保護(hù)卡的計(jì)算機(jī)上對硬盤進(jìn)行破壞時只要重新啟動即可還原到原先的狀態(tài)[5]。由于這種維護(hù)方式可以真實(shí)地還原操作系統(tǒng)的環(huán)境，同時還提供了很多附加的功能，比如多分區(qū)獨(dú)立管理、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)克隆等，被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)維護(hù)廣泛地采用。但也存在幾個問題：由于對操作系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，使計(jì)算機(jī)性能下降；采用硬盤插卡，增加故障點(diǎn)；每次軟件安裝或是系統(tǒng)更新都要做網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)本身不帶硬盤，所有的程序和數(shù)據(jù)都存儲在服務(wù)器共享的鏡像文件中，而計(jì)算實(shí)現(xiàn)本地化的一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[6]。目前所采用的技術(shù)主要是基于遠(yuǎn)程引導(dǎo)技術(shù)（Preboot Execute Environment，PXE）來實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的加載[7]，以Client/Server的工作模式把遠(yuǎn)程服務(wù)器上的鏡像文件虛擬成本地磁盤來運(yùn)行程序[8]。由于客戶機(jī)共享同一個共享鏡像文件，充分體現(xiàn)了集中管理，系統(tǒng)維護(hù)只要針對一個鏡像文件即可管理一大間實(shí)驗(yàn)室，管理工作極其方便。正因?yàn)檫@種過度集中的管理模式，產(chǎn)生了兩個主要問題：一是系統(tǒng)完全依賴網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)的帶寬和服務(wù)器讀寫性能直接影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行；二是網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器出現(xiàn)故障將導(dǎo)致所有的客戶機(jī)無法使用[9]。endprint

（5）桌面虛擬化。隨著云計(jì)算和虛擬化技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，虛擬化產(chǎn)品在高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中也得到了廣泛應(yīng)用，通過虛擬化技術(shù)使計(jì)算機(jī)物理資源轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬌峡晒芾?，最大限度地屏蔽軟硬件資源的差異性，并根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)資源靈活分配、利用最大化[10]。

虛擬桌面實(shí)現(xiàn)了個人計(jì)算機(jī)桌面的虛擬化。虛擬桌面基礎(chǔ)設(shè)施（Vitual Desktop Infrastructure，VDI）作為了桌面虛擬化的一種實(shí)現(xiàn)技術(shù)，是將桌面操作系統(tǒng)托管在一臺運(yùn)行在遠(yuǎn)程集中化的服務(wù)器上，用戶可以在任何時候、任何地點(diǎn)，采用任何設(shè)備對個人桌面進(jìn)行訪問[11]。由于桌面所有程序的存儲和運(yùn)行都在服務(wù)器中，它是一種理想的系統(tǒng)管理和應(yīng)用模式。但它除了具備無盤工作站一樣的風(fēng)險(xiǎn)外，還由于所有計(jì)算機(jī)的運(yùn)算都在服務(wù)端進(jìn)行，對服務(wù)器硬件性能要求較高，但像3DMAX、AutoCAD等圖像密集型運(yùn)算實(shí)踐課程卻無法滿足需求[12]。

以上這些方法在實(shí)踐時，雖然在一定程度上保護(hù)了系統(tǒng)，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(tǒng)維護(hù)的困難。

三、系統(tǒng)管理與維護(hù)要解決的關(guān)鍵問題

各高校也都在嘗試各種解決方案來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的這些大量的計(jì)算機(jī)管理，以尋求一種最佳的解決方法，確保在實(shí)現(xiàn)方便管理的同時還能最大限度還原真實(shí)系統(tǒng)環(huán)境。綜合分析目前所采用的系統(tǒng)管理方案，取其優(yōu)點(diǎn)，旨在解決以下幾個方面的問題[13，14]：

（1）軟件和操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中管理。集中體現(xiàn)了管理的科學(xué)性，這種集中管理使得系統(tǒng)在日常維護(hù)的過程中只要維護(hù)好一臺計(jì)算機(jī)，其他計(jì)算機(jī)就可以自動分發(fā)受益，可以大大降低維護(hù)成本。

（2）解決硬件配置的透明性。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室中的計(jì)算機(jī)硬件配置不同時，對系統(tǒng)管理員來說要實(shí)現(xiàn)其透明性，通過有效的個性化配置后，日常維護(hù)的過程中只要維護(hù)一個系統(tǒng)即可，而忽略不同硬件配置的差異化。

（3）提供桌面和應(yīng)用程序的持續(xù)安全訪問。管理系統(tǒng)要能真實(shí)還原單機(jī)的環(huán)境，讓師生感覺不到環(huán)境的變化。在向?qū)W生開放的過程中，要滿足各種學(xué)生的操作要求，即使對系統(tǒng)做了致命的破壞也能保證下次上課的學(xué)生在重新開機(jī)后自動還原。

（4）充分發(fā)揮本地計(jì)算機(jī)硬件資源。系統(tǒng)要能滿足各種課程要求，適應(yīng)各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境。不僅可以滿足一些基本的應(yīng)用，還要滿足高性能運(yùn)算的實(shí)驗(yàn)，同時還可以全面兼容各種教學(xué)管理軟件和教學(xué)外設(shè)。這就要求系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中充分發(fā)揮本地計(jì)算機(jī)內(nèi)存、CPU、顯卡等硬件的資源，全面實(shí)現(xiàn)運(yùn)算本地化。

（5）系統(tǒng)快速啟動和高效運(yùn)行。要能適應(yīng)在上課時間學(xué)生同時開機(jī)啟動，有效解決“啟動風(fēng)暴”，讓系統(tǒng)在可接受的時間內(nèi)完成計(jì)算機(jī)的啟動過程，同時還要保證在運(yùn)行程序過程中操作流暢。

（6）確保系統(tǒng)的高可用性。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室不僅作為課程實(shí)踐的場所，還接受各種考試任務(wù)，要確保計(jì)算機(jī)安全可靠的運(yùn)行，并在運(yùn)行的過程中最大限度地降低故障率，即使在出現(xiàn)故障時也要有冗余的解決方案。

（7）日常維護(hù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。要適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使系統(tǒng)管理員可以在任何地方都可以方便地對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程安裝軟件、更改配置信息等，實(shí)現(xiàn)終端免維護(hù)功能。

四、盤網(wǎng)雙待系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

高校公共計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室一種有效的系統(tǒng)維護(hù)方案是在滿足師生使用習(xí)慣的前提下，要將分散的終端軟資源（含操作系統(tǒng)、客戶應(yīng)用策略、應(yīng)用軟件、客戶數(shù)據(jù)）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(tǒng)的高可靠性和高可用性。一種基于盤網(wǎng)雙待的系統(tǒng)維護(hù)方案很好地解決了這些關(guān)鍵問題。

盤網(wǎng)雙待主要是基于VOI（Virtual OS Infrastructure，虛擬操作系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。它采用虛擬容器概念為客戶機(jī)提供一個虛擬的磁盤存儲空間，客戶機(jī)的存儲介質(zhì)由物理轉(zhuǎn)為虛擬，操作系統(tǒng)就放置在這個虛擬存儲空間里?？蛻魴C(jī)在I/O層實(shí)現(xiàn)對物理存儲介質(zhì)的數(shù)據(jù)重定向，并在引導(dǎo)階段就開始接管計(jì)算機(jī)硬件平臺，完全工作于本機(jī)物理硬件之上，從而達(dá)到了操作系統(tǒng)的虛擬化[15]。

1.盤網(wǎng)雙待系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)

（1）首次部署終端時，終端本地鏡像的緩存數(shù)據(jù)可以從已經(jīng)下載完成的終端中采用點(diǎn)對點(diǎn)方式下載，從而減少服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。

（2）實(shí)現(xiàn)終端啟動完成之后，能在靜默狀態(tài)下，將服務(wù)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(tǒng)作為可啟動的一個完整系統(tǒng)，同時服務(wù)器上的鏡像可設(shè)置處于保護(hù)的狀態(tài)。

（3）當(dāng)服務(wù)器上的鏡像數(shù)據(jù)有更新時（主要是安裝軟件，設(shè)置軟件參數(shù)），本地緩存鏡像也能同步更新，確保服務(wù)器上的鏡像數(shù)據(jù)與本地緩存鏡像的數(shù)據(jù)一致。

（4）終端在啟動時會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和本地硬盤狀況自動選擇啟動方式。當(dāng)服務(wù)器出現(xiàn)宕機(jī)或者網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，自動選擇從緩存在本地硬盤的鏡像系統(tǒng)啟動；當(dāng)本地硬盤出現(xiàn)故障時，自動選擇通過網(wǎng)絡(luò)以無盤的模式啟動系統(tǒng)。

（5）終端在啟動時自動檢測本地緩存鏡像是否完整且數(shù)據(jù)與服務(wù)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(tǒng)，這樣可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，減少服務(wù)器的壓力，同時保證較少系統(tǒng)啟動時間；當(dāng)檢測到本地緩存鏡像不完整時，可以自動從服務(wù)器上的鏡像啟動系統(tǒng)，然后在后臺靜默地繼續(xù)緩存下載系統(tǒng)鏡像，這樣可以節(jié)省一直等待下載完成才去啟動的等待時間。

（6）實(shí)現(xiàn)終端系統(tǒng)快速冗余參照還原。當(dāng)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(tǒng)會同服務(wù)器上標(biāo)準(zhǔn)鏡像進(jìn)行差異化校驗(yàn)，如果不一致，終端會以服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)鏡像為參照快速重置系統(tǒng)或者去除、恢復(fù)差異化部分鏡像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)終端系統(tǒng)快速還原。

（7）本地硬盤的系統(tǒng)鏡像采用雙備份，確保處在斷網(wǎng)狀態(tài)下終端本地緩存鏡像也能還原。例如，服務(wù)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(wù)器推送的鏡像及鏡像備份。當(dāng)服務(wù)器斷網(wǎng)時，本地系統(tǒng)的檢驗(yàn)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(wǎng)雙待”實(shí)現(xiàn)過程

基于“盤網(wǎng)雙待”的系統(tǒng)維護(hù)方案實(shí)施部署過程簡單，主要有如下幾個步驟：

（1）根據(jù)課程情況規(guī)劃系統(tǒng)鏡像數(shù)量[16]。對學(xué)生來說服務(wù)器就相當(dāng)于一個提供豐富軟件的資源池，為了滿足不同專業(yè)課程實(shí)踐需求，每個系統(tǒng)鏡像除了安裝基本的軟件外，要根據(jù)課程特點(diǎn)把軟件分別安裝到不同的系統(tǒng)鏡像中，最大限度保證系統(tǒng)運(yùn)行的性能。

（2）根據(jù)服務(wù)器推送的系統(tǒng)鏡像的大小，結(jié)合本地磁盤空間容量，計(jì)算并建立本地磁盤分區(qū)的MBR表，分區(qū)的大小要大于2倍的系統(tǒng)鏡像空間。

（3）服務(wù)器安裝DHCP服務(wù)，規(guī)劃終端IP地址段，用于為客戶端分配IP以及收集網(wǎng)卡MAC地址，終端計(jì)算機(jī)要設(shè)置成網(wǎng)卡PXE優(yōu)先啟動。

（4）終端通過PXE遠(yuǎn)程啟動后，輸入本機(jī)要設(shè)置的IP地址，在彈出的選擇本地硬盤緩存分區(qū)列表中，選擇緩存分區(qū)盤。

（5）利用服務(wù)器磁盤空間，為學(xué)生配置個人網(wǎng)絡(luò)磁盤。學(xué)生可以漫游到同一服務(wù)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(jìn)行訪問，數(shù)據(jù)隨身而行，且被加密存儲在服務(wù)器中，安全可靠。

在一個規(guī)模為1 000臺左右的公共計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中、劃分了14個VLAN，通過2臺服務(wù)器分別部署盤網(wǎng)雙待系統(tǒng)進(jìn)行管理。經(jīng)過近兩個學(xué)期的調(diào)試運(yùn)行，確實(shí)解決了以往使用保護(hù)卡管理工作量大和使用無盤啟動運(yùn)行效率低的兩大主要問題。盤網(wǎng)雙待的方案保證了系統(tǒng)在正常環(huán)境下啟動時，通過讀取本地緩存的數(shù)據(jù)來啟動系統(tǒng)和運(yùn)行程序，充分發(fā)揮了本機(jī)硬件性能；啟動時如果檢測到本地緩存數(shù)據(jù)和服務(wù)器鏡像數(shù)據(jù)不一致或本地硬盤出現(xiàn)故障就從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)，有效避免了“啟動風(fēng)暴”問題，真正意義上實(shí)現(xiàn)了“盤網(wǎng)雙待”的高可用性和高可靠性，是高校公共計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室維護(hù)的高效方案。

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[責(zé)任編輯：余大品]endprint