无盘网络实验室的设计与应用

唐子蛟，杨善红

（四川理工学院计算机学院，四川自贡643000）

无盘网络实验室的设计与应用

唐子蛟，杨善红

（四川理工学院计算机学院，四川自贡643000）

网络实验室管理和维护工作主要采用硬件保护卡或软件还原管理系统来进行，在应用中暴露出启动慢、易中病毒、管理繁琐等问题，对此设计了一套无盘网络实验室系统，通过应用测试，能够高效地完成教学管理维护和网络考试任务.

无盘技术；网络实验室；设计

随着现代计算机技术和网络技术快速地朝纵深发展，高等学校计算机实验室的管理也更加方便.实验室管理是学校教学管理的一个重要方面，具有举足轻重的地位，衡量一个学校教育管理是否合理，实验室教学维护管理水平是评判的重要指标之一.当前，对于实验室教学维护管理基本上都采用硬件保护卡或者软件保护系统来管理，前者能够防止病毒入侵，但要更改大量账户设置，较麻烦，后者则相反.网络实验室规模不断扩大，承担了不同功能的工作，采用保护卡和软件保护系统来管理存在以下弊端：

（1）软件维护问题.在对系统软件进行升级和维护时，需要对其他工作站进行网络拷贝，采用硬件保护卡拷贝，完成拷贝后还需逐台更改计算机名称，软件保护系统虽然具有增量拷贝功能，但维护时间不灵活，对于网络实验室存在维护工作量大的情况.

（2）账户设置问题.对于多功能网络实验室来说，它不仅要承担实验教学任务，而且还要负责无纸化考试和培训工作，系统登陆账户在局域网内必须具有唯一性，无论是硬件保护卡还是软件保护系统，都不具备这样的功能，需要逐台更改登陆账户名.

（3）安全性问题.软件保护系统功能上要强于硬件保护卡，但存在安全性问题，比如：容易感染病毒、管理密码容易被破译等.

（4）稳定性问题.在系统维护过程中，容易出现蓝屏和进不了系统的情况，稳定性不高.

（5）老旧机问题.对于即将淘汰或配置较低的计算机，其型号和配置相差大，品牌各不相同，使用保护卡或软件保护系统更会增加维护工作量[1].

1 无盘技术的工作原理

无盘技术是基于网络的具有C/S(客户/服务)模式的一种网络管理技术，客户机不挂载硬盘，而是在服务端挂载一个虚拟硬盘，通过专业的软件来维护和管理客户机.这种技术最大的优势在于管理方便，工作效率高，适用于企业、学校、网吧等.

1.1 PXE的工作原理

远程引导技术(PXE，Preboot Execute Environment)是由Intel公司开发，用于计算机通过网络远程启动.它工作于C/S的网络模式，支持工作站通过网络从远端服务器下载映像，并由此支持来自网络操作系统的启动过程[2-3].PXE协议包含用于查找启动服务器的DHCP协议和用于下载初始化引导程序和附加文件的TFTP协议，客户机首先开始一个自检测试，然后带有PXE-ROM的网卡固件会广播一个请求包（包含本机MAC地址信息），当PXE服务器收到这个请求包后，发送一个明确的PXE选项DHCPDISCOVER包（包含IP地址、通讯通道号、镜像文件）到客户机，客户机分析返回的数据包，再一次向服务器发送请求启动文件数据包，经过几次的请求应答来决定启动参数，并通过TFTP协议下载镜像文件到客户机内存中，最后将控制权移交给客户机.

1.2 无盘技术的功能优势

有盘网络考试的维护管理和安全是一个比较冲突的问题，为了考试过程的安全和稳定，每次考试必须要维护系统及软件，使用网络拷贝方式来维护不同类型计算机的工作量也非常繁重[4].对无盘网络实验室的管理，由于不要求客户机配置必须统一，可对老旧、配置不同的客户机进行统一管理和维护，提高这些设备的利用率.组建无盘网络系统的大部分工作在模板机和服务器上进行.只需要在模板机上安装所需要的全部软件，制作镜像文件并上传至服务器网络磁盘，由服务器负责管理整个实验室工作站的正常启动和运行.由于操作系统和数据都集中存储于服务器，整个网络实验室的管理只需要在服务器上操作，成本较低，易于维护.无盘网络实验室在实验教学中也很适用，可以通过无盘与虚拟机相结合的方式来满足不同课程的需求[5].另外，无盘网络平台管理优势结合无纸化考试管理系统还能更好地完成考前和考后的任务，避免以前考试过程中系统维护量大、资源耗费较高、工作效率低的问题[6].

图1 PXE工作原理图

2 无盘网络实验室设计

2.1 硬件需求

(1)教学服务器：选用IBM X3100M4塔式服务器2582C2C，标配4个硬盘,支持软RAID 0,1,10；带2个PCIE千兆网卡接口；CPU采用Xeon E3-1230 V2，3.3GHz频率，8MB缓存；内存使用2块4GBDDR3.

(2)考试服务器：选用技嘉GA-7PESLX主板；配置4块DDR3-1600 4GB内存；2块千兆网卡；4块SATA接口硬盘.

(3)交换机：接入层采用H3C-S1526和H3C-1024系列组合，具有24个10/100Mbps自适应以太网端口和2个10/100/1 000Mbps自适应以太网口；核心层交换机采用H3C-S5024P系列，它具有端口双向镜像、端口和MAC地址绑定，以及端口聚合等功能.

(4)工作站：奔腾双核5200(2.5GHz)CPU，金士顿DDR2 800 MHz 4 GB内存，英特尔G33/G31 ExpressChipset Family(256MB显存).

2.2 软件需求

服务器软件主要采用Windows 2003操作系统、锐起网络管理系统、虚拟内存盘工具RamDisk 9.0和超级缓存软件SuperCache.

(1)RamDisk是一种把内存模拟为硬盘使用的技术，能够提高系统、文件的访问速度.无盘服务器使用这种技术能够加快对系统访问的速度.

(2)SuperCache是一个用内存来保存读取过的硬盘数据的软件，它将计算机由硬盘读取过的文件保存在指定的内存中，若需再读这些文件，能够直接在内存中读取，加快了文件的读取速度.

(3)锐起无盘管理系统是基于PXE的用于远程启动的网络平台软件系统.对系统的安装使用有以下几个步骤:安装服务器→安装模板工作站→加入启动模板工作站→网络磁盘分区→上传模板镜像.2.3网络配置

由于无盘网络实验室承担了较多的实验教学任务和无纸化网络考试任务，要求网络具有较快的速度和较好的稳定性，整个系统如图2中的拓扑结构所示[7]，接入层交换机有8台（图中只画出4台），每2台一组并进行堆叠，可以接入45台无盘工作站，48个以太网口采用百兆网络连接，通过千兆网口向上级联到核心层交换机，接入层和核心层均采用六类千兆网线进行连接，考试服务器和教学资源服务器各自2个千兆网口连接到核心交换机，实现网络分流的作用，保障服务器收发数据流畅稳定.

3 无盘网络实验室的应用

图2 网络环境拓扑图

(1)当前，网络实验室承担实验教学，包括计算机网络通信、无线网络技术、网络程序设计、网络仿真、网络操作系统，以及VS2010、3DMAX等大型软件设计类课程.大型设计类软件通过硬盘启动时存在速度慢和占用系统资源高的问题，使用无盘网络结合超级缓存技术可以解决这个问题，工作站资源消耗对比见表1.

表1 网络实验室资源消耗对比

从表1可以看出，有盘和无盘系统在同样的配置下启动，无盘在CPU利用率、内存、启动时间上都占有绝对的优势.对于网络组网实验，无盘网络具有更多优势，结合自身的内存和CPU，可以使用GNS3软件来仿真网络，如：在一台工作站中使用3台路由器和3台PC机进行仿真实验，无盘和有盘的CPU利用率分别为68%和94%，内存利用为1.47GB和1.18GB，同时，无盘运行时间和运行速度效率都更高，这也说明了使用超级缓存技术来运行大型专业软件的效率是非常高的.

(2)无盘网络系统结合无忧网络考试系统，通过网络传输客户端考试信息并在服务器硬盘进行存储的方式来保存考试信息，可以保证考试的安全性和稳定性.服务器资源消耗对比见表2.

通过对公共基础课考试进行网络测试，能够按每批次200～250人的规模进行考试，考试服务器稳定，网络安全性高,达到了预期的效果.

表2 考试服务器资源消耗对比

4 测试结果

通过对实验室维护和管理中存在问题的分析，结合实际情况，对网络实验室进行了技术改进，设计了一套能满足教学和网络考试的无盘网络系统方案，经过测试表明：(1)改进后的无盘网络实验室能够承担更多学科专业的实验教学和管理工作，管理方便，操作灵活.(2)通过无盘网络考试系统进行考试，是对传统考试方式的一种改进，能够最大程度节约考试资源.

[1]张楠.无盘网络技术应用多媒体网络教室建设[J].实验室研究与探索,2013,3(32):117-119.

[2]王亚林,张伟民.基于PXE终端无盘网络在机房改造中的应用[J].实验室研究与探索,2012,31(4):207-210.

[3]董延华,李晓佳,李爽,等.基于PXE模式的微机维护策略研究[J].吉林大学学报,2012,30(4):441-443.

[4]文骆璇,崔鹏.无盘技术应用于高校计算机实验室的关键点分析[J].计算机技术应用,2011,28(1):215.

[5]孙辉,张锐,赵桂娟,等.基于虚拟磁盘技术的无盘实验室管理模式配套技术改革方案研究[J].现代科学仪器,2013,4(4):247-249.

[6]彭仁明,李岷.基于PXE的远程数据清理系统[J].重庆师范大学学报,2012,23(6):59-63.

[7]周明塋,刘翔,唐全旺,等.基于PXE的无盘工作站网络系统设计与实现[J].情报探索,2012,2(2):97-100.

【编校：李青】

The Design and Application of Netw ork Laboratory Based on Diskless Technology

TANGZijiao,YANGShanhong
(SchoolofComputerScience,Sichuan University ofScience&Engineering,Zigong,Sichuan 643000,China)

In view of the fact that network laboratorymanagement and maintenance work aremainly dependent on the hardware protection card or restore softwaremanagementsystem,which bear problems such as slowness in start,vulnerability to virusand complicacy ofmanagement in the application,a setof disklessnetwork laboratory system was designed, through the application ofwhich efficient completion of the teachingmanagementwas realized and the network examination task can beaccomplished.

diskless technology;network laboratory;design

TP393.07献标识码：A

1671-5365(2014)12-0082-03

2014-05-21修回：2014-06-09

四川理工学院科研资助项目(2012ky10)

唐子蛟(1982-)，男，实验师，本科，研究方向为计算机网络与通信、信息处理技术

时间：2014-09-05 13:40

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20140905.1340.002.html