摘要：隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的發(fā)展，教育實驗室應(yīng)運而生，為了支撐數(shù)字化教學(xué)以及豐富多樣的教育研究，教育實驗室規(guī)模逐漸擴大，其擁有的數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用維護工作也不容小覷。因此，提高設(shè)備和信息系統(tǒng)的可用性，降低潛在風(fēng)險，從而確保學(xué)校教育實驗室的穩(wěn)定運行，是實驗室管理人員在新時代面臨的工作挑戰(zhàn)。Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)具有部署簡單靈活、易修改、輕量化等優(yōu)點，為實驗室管理人員集中管理種類繁多的信息化設(shè)備提供了有利條件。本研究將Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)在教育實驗室中進行了應(yīng)用，取得了效果顯著，為同類型實驗室的管理提供了參考。

關(guān)鍵詞：教育實驗室；實驗室管理；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控；Nagios

中圖分類號：G482 文獻標(biāo)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(lián)合啟動“六卓越一拔尖”計劃2.0，提出了包含“新文科”在內(nèi)的“四新”建設(shè)。[1]“新文科”意在推動哲學(xué)社會科學(xué)與新科技革命的交叉融合，培養(yǎng)新時代的哲學(xué)社會科學(xué)家，這一目標(biāo)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(shè)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(xiàn)真正的信息化管理。[2][3]而Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)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(shè)備放在Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)之上，可以有效保障設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，維護教育實驗室的正常運行。Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)具備很強的靈敏性和實時性，即使管理人員不在實驗室內(nèi)，也能夠遠程了解到設(shè)備的健康狀態(tài)，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(shè)的各項需求。[4]同時，實驗室信息化管理的建設(shè)過程對其信息化管理的內(nèi)涵、管理模式創(chuàng)新及管理平臺構(gòu)建都有借鑒意義，它是實驗室滿足管理科學(xué)化、規(guī)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(xué)實驗室、科研實驗室、虛擬實驗室、開放實驗室、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗室等多種形式，已逐漸發(fā)展為集教學(xué)、科研于一體的人才培養(yǎng)和技術(shù)創(chuàng)新的主要基地。[6]

教育實驗室中的教學(xué)實驗室有微格教學(xué)實訓(xùn)室、三筆字實訓(xùn)室等師范技能訓(xùn)練的場所，以及提供數(shù)字化教學(xué)環(huán)境的智慧教室、STEAM教學(xué)實驗室、數(shù)字化理科教學(xué)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(tǒng)的理科實驗室沒有什么區(qū)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(jīng)過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析，為教育研究提供更為科學(xué)、周密的答案。此外，還有深度學(xué)習(xí)實驗室提供高速算力的GPU等。

2.實驗室設(shè)備

實驗室的硬件設(shè)備可以從樓層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上來梳理，首先是參與到樓層基礎(chǔ)建設(shè)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(gòu)成了實驗室的網(wǎng)絡(luò)拓撲，只有整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)明晰，才能在實驗室管理上更得心應(yīng)手。其次是具體實驗室中的設(shè)備，微格實訓(xùn)室中的中控面板、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、投影儀、觸控一體機、教師電腦、功放、音響等設(shè)備，眼動實驗室中的主機設(shè)備、眼動儀等設(shè)備……各個實驗室中的設(shè)備既有共性也有特性。此外，還有公共區(qū)域的設(shè)備，如大廳的屏幕設(shè)備、樓道的廣告畫屏，以及每個實驗室的門禁設(shè)備和實驗室門口的班牌設(shè)備等，這些設(shè)備的管理與實驗室日常工作息息相關(guān)。

軟件部分主要是教學(xué)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(shè)備的支撐，而軟件與硬件設(shè)備的關(guān)系又并非一一對應(yīng)，如一個服務(wù)器上可以運行多款軟件，一款軟件也可以運行在多個服務(wù)器之上，由此可見，管理服務(wù)器與管理服務(wù)平臺的關(guān)系并不能對等。

3.設(shè)備日常運維

設(shè)備的管理與日常維護并不簡單，教育教學(xué)中需要頻繁使用設(shè)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(gòu)，以及設(shè)備與設(shè)備之間的關(guān)系。

硬件設(shè)備的運維相對簡單，出現(xiàn)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(shè)備管理得當(dāng)與否也與設(shè)備故障頻率呈現(xiàn)一定相關(guān)性。[8]

平臺服務(wù)則更為復(fù)雜，需要排除硬件故障與系統(tǒng)錯誤等多方面原因。而選擇Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，正是因為其可以將系統(tǒng)的正常運行還有設(shè)備的正常使用，以及IP還有端口之間的通訊關(guān)系十分簡單直觀地呈現(xiàn)出來。在筆者所在的實驗室中，微格預(yù)約系統(tǒng)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(shè)備端口，2013端口用于連接鎖相關(guān)設(shè)備，8080端口用于鎖平臺Web進程，8086端口則是與微格教室業(yè)務(wù)系統(tǒng)交互端口……這些端口都反映著微格教室管理系統(tǒng)的各個服務(wù)進程是否正常。若學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)信息管理部門進行安全漏掃與巡檢，很可能臨時關(guān)閉某系統(tǒng)的某個服務(wù)端口，Nagios都能第一時間反映出來，且通知給相應(yīng)的管理人員。

Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)概述

1.工作原理

Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)控應(yīng)用程序、服務(wù)、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、系統(tǒng)度量標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)設(shè)施組件，以確保所有系統(tǒng)、應(yīng)用程序和服務(wù)都已啟動和運行。[9]利用簡單的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）的關(guān)鍵技術(shù)來獲取被監(jiān)控設(shè)備的信息，在不影響被監(jiān)控設(shè)備的性能的情況下，通過協(xié)議層的互通和對接，可以獲得被監(jiān)控設(shè)備的信息[10]，工作原理如圖1所示。Nagio允許多種監(jiān)控方式并行，在服務(wù)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)異常時，通過自定義的短信和郵箱通知系統(tǒng)管理員。

傳統(tǒng)的基于簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議實現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)對支持SNMP的設(shè)備具有良好的管理性，但對于非標(biāo)準(zhǔn)SNMP設(shè)備則不可以管理，限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，缺乏可擴展性。[11]而Nagios采用SNMP與非SNMP結(jié)合的參數(shù)采集方式，豐富了性能監(jiān)測參數(shù)，實現(xiàn)了可擴展、通用的網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控系統(tǒng)。

Nagios-plugins作為Nagios系統(tǒng)中內(nèi)置的插件，具備對服務(wù)器、交換機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)站以及信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)監(jiān)控功能，對高校現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)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(jiān)控檢測功能依賴于libexec文件夾里的插件完成，通過插件實現(xiàn)監(jiān)控方式的靈活拓展，系統(tǒng)按需調(diào)用這些插件，通過命令行方式對主機及服務(wù)進行檢測，并將執(zhí)行結(jié)果反饋至Nagios。

2.NRPE插件

筆者主要選用NRPE插件來構(gòu)建所需的監(jiān)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(zhí)行插件程序。通過在監(jiān)控目標(biāo)安裝NRPE插件，可以向Nagios監(jiān)控平臺提供該服務(wù)器的本地情況，如CPU負載、內(nèi)存使用情況、磁盤容量、登錄用戶數(shù)、總進程數(shù)、僵尸進程數(shù)、Swap分區(qū)使用情況等信息。如圖2為NRPE的設(shè)計圖，在監(jiān)控主機上通過Nagios的check_nrpe進程，調(diào)用被監(jiān)控服務(wù)器上安裝的NRPE插件。

在監(jiān)控目標(biāo)上，被NRPE監(jiān)控的服務(wù)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(dāng)NRPE收到命令后把結(jié)果在返回給監(jiān)控主機，所以NRPE發(fā)送的命令，可根據(jù)實驗室設(shè)備的實際情況，定義上述相關(guān)監(jiān)控參數(shù)的警告狀態(tài)（w）和嚴(yán)重狀態(tài)（c）。以下六項定義的命令對應(yīng)釋義內(nèi)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(yōu)點

（1）部署簡單、安裝方便

選擇Nagios監(jiān)控實驗室設(shè)備的最主要原因就是其部署簡單，一臺2核CPU、4G內(nèi)存、100G存儲空間，并搭載Centos7.9操作系統(tǒng)的服務(wù)器即可完成Nagios服務(wù)搭建。筆者選用的軟件版本為Nagios4.5和nagios-plugins-2.4.8，確保網(wǎng)絡(luò)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(huán)節(jié)，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(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是開源的免費網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件，用C語言編寫，執(zhí)行效率高，由不同的插件提供不同的監(jiān)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(jiān)控主機上，通過對監(jiān)控目標(biāo)的定義，構(gòu)建監(jiān)控主機與監(jiān)控目標(biāo)之間的關(guān)系，形成按功能劃分的監(jiān)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(shè)備的狀態(tài)。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(jiān)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(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)占用的系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)，所占空間資源非常小，且采用的主要監(jiān)控方式是輪詢的方式，從而大量減少實時的網(wǎng)絡(luò)流量。這六個子目錄存放的內(nèi)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(shù)為Nagios的默認(rèn)配置模板，需要管理員按要求對其進行編寫，才能達到原設(shè)計的監(jiān)控目的。在子目錄objects下的配置文件是確保Nagios監(jiān)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(jiān)控任務(wù)。

Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

1.設(shè)備的分組與歸類

在Nagios監(jiān)控系統(tǒng)中，涉及廣泛的設(shè)備類型，好的分組與歸類，可以迅速定位相關(guān)設(shè)備，為設(shè)備管理提供便捷。在教育實驗室中，設(shè)備主要分為三大塊——基礎(chǔ)設(shè)備、實驗室設(shè)備和服務(wù)器設(shè)備?；A(chǔ)設(shè)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(chǔ)功能支撐設(shè)備；實驗室設(shè)備則是教室內(nèi)部的教學(xué)設(shè)備和科研儀器，這個分支最大、最復(fù)雜，其中有教室電腦和微格攝像頭等教學(xué)實驗室設(shè)備、實驗室電腦和3D打印機等科研實驗室設(shè)備，還有實驗室預(yù)約系統(tǒng)等實驗室管理設(shè)備；服務(wù)器設(shè)備單列的原因在于其24小時運行的特殊性，所以它的監(jiān)控報警需求是最高的。

為了更有效地管理和監(jiān)控這些設(shè)備，總體設(shè)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(shè)備組名稱在hostgroups.cfg文件中修改，hosts具體設(shè)備內(nèi)容在hosts.cfg文件中修改。這種分組和分類方式有助于實現(xiàn)對不同設(shè)備類型的有針對性監(jiān)測和管理，提高了整個監(jiān)控系統(tǒng)的操作效率和可讀性。

在設(shè)計好所有設(shè)備的分組歸類后，為了提高監(jiān)控效率，每臺服務(wù)器、交換機等工作設(shè)備都需經(jīng)過慎重的命名，設(shè)備被賦予明確而有意義的標(biāo)識，以便迅速定位問題設(shè)備，高效地解決問題。

2.管理人員權(quán)限分配

在Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中，除了上文提到的設(shè)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(shè)備能夠得到專業(yè)、有針對性的管理。不同設(shè)備通常由不同的管理人員負責(zé)，為了實現(xiàn)更靈活的故障報警和處理，一般可將管理人員按照其負責(zé)的設(shè)備類型或區(qū)域進行分組。這樣，當(dāng)特定設(shè)備組出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠有針對性地向相應(yīng)管理人員發(fā)送及時準(zhǔn)確的報警信息。

在實際工作中，系統(tǒng)使用和操作管理員分為最高系統(tǒng)管理員和普通管理員。最高系統(tǒng)管理員擁有系統(tǒng)最高的管理權(quán)限，能夠?qū)ο到y(tǒng)的開發(fā)和使用進行統(tǒng)籌規(guī)劃。最高系統(tǒng)管理員具備服務(wù)器的登錄權(quán)限，可以修改登錄賬號和密碼，進入Nagios后臺進行系統(tǒng)配置，選擇被監(jiān)控的設(shè)備和服務(wù)項目并為它們命名分組，還能設(shè)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(wù)設(shè)備都有自己的專屬分管人員，系統(tǒng)在設(shè)計時需要周密規(guī)劃，明確指定服務(wù)設(shè)備一旦出現(xiàn)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(tǒng)的管理效率和故障響應(yīng)速度，使得監(jiān)控系統(tǒng)更具智能化和人性化的特點。

通過Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，改變了原本人和設(shè)備分離的狀態(tài)。如今，管理人員與分管的設(shè)備有著緊密聯(lián)系，當(dāng)某一工作組中有設(shè)備發(fā)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(fù)。管理權(quán)限的合理分配，既使實驗室的崗位職責(zé)與問題歸屬有明確的劃分，也讓設(shè)備的問題通知與故障修復(fù)更加有保障。

3.監(jiān)控系統(tǒng)的主要配置

Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的主要配置大部分都在objects目錄下面，hosts.cfg中定義設(shè)備，services.cfg中定義服務(wù)，hostgroups.cfg文件中定義設(shè)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(wù)器定義的相關(guān)代碼，該設(shè)備IP為10.1.176.241，Nagios對此設(shè)備的監(jiān)控內(nèi)容為觀察其是否存活，當(dāng)設(shè)備異常時，Nagios對其最大檢測次數(shù)為3次，并對該工作組的管理員每10分鐘發(fā)出一次通知。發(fā)送通知的時間范圍為全天7*24小時，宕機（d）、不明狀態(tài)（u）、恢復(fù)狀態(tài)（r）都為設(shè)備異常。

在構(gòu)建Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)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(shè)備的運行狀態(tài)，可根據(jù)表3將設(shè)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(guān)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(shè)備名必須與之前的hosts.cfg一致。

服務(wù)項目定義的代碼也與此類似，語句簡單易懂。服務(wù)往往與主機對應(yīng)，主機如果宕機，服務(wù)一定無法運行，但是服務(wù)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(wù)，之后便可以直接調(diào)用。

在完成了Nagios的基本配置后，該監(jiān)控平臺就可以投入工作?？梢韵仁褂谩?/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(jiān)控主機處關(guān)閉防火墻后，輸入“#service nagios start”命令，即可啟動Nagios監(jiān)控系統(tǒng)，從而更高效地保障實驗室的設(shè)備正常運行。

實驗結(jié)果與分析

在完成了Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計后，打開瀏覽器，輸入監(jiān)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(cè)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(xiàn)，可以清楚地看到監(jiān)控目標(biāo)主動將其CPU、內(nèi)存、磁盤以及相關(guān)進程的運行情況，上報至監(jiān)控主機，如圖9所示。

在監(jiān)控目標(biāo)出現(xiàn)故障的情況下，上報至監(jiān)控主機，監(jiān)控主機會根據(jù)管理員分類，將其故障情況通過郵件形式通知相應(yīng)管理員。

至此，Nagios網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)以及相應(yīng)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(fā)現(xiàn)故障并排除，為高校實驗室的信息化教學(xué)保駕護航。

結(jié)語

Nagios監(jiān)控系統(tǒng)部署簡單，便于管理，且占用資源少，是實驗室自設(shè)監(jiān)控系統(tǒng)的最佳選擇。通過Nagios監(jiān)控系統(tǒng)，不僅提高了實驗室管理人員的工作效率，還為學(xué)校的教學(xué)和科研活動提供了更加穩(wěn)定和可靠的技術(shù)支持。

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基金項目：浙江師范大學(xué)2023年度實驗技術(shù)開發(fā)項目“新文科背景下教師教育類實驗室的建設(shè)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(wǎng)絡(luò)安全方面相關(guān)研究。