PXE无盘网络技术的高校计算机实验室改造

林　榕，　盘炜生，　陈守宽

(肇庆学院 教育技术与计算机中心，广东 肇庆 526061)

0　引　言

计算机实验室是引导学生理论联系实际，培养学生实践能力和创新精神的重要教学场所，承载着无法替代的责任，发挥着至关重要的作用[1]。随着地方院校向应用型本科院校转型的不断深入，加强实践教学体系建设，提高实验实训教学在应用型人才培养中的地位，全面提高实验实训教学水平，保障计算机实验教学有序进行，是应用型本科院校计算机实验教学改革的重要目标[2]。

开放的实验教学体系对计算机实验室建设提出了更高的要求，计算机实验室管理维护手段也必须适应这种要求，否则会严重影响应用型本科教学目标的实现。针对这种需求，经过对云桌面技术和无盘网络技术的实践论证后，根据实际情况，提出一种基于无盘网络技术的计算机实验室改造方案。这种方案在较少投入资金的情况下，既能够极大降低计算机实验室系统升级、软件安装等维护的时间成本，又能够在现有条件下，最大化提供实践教学所需的软、硬件环境，为计算机实验室的全面开放提供了技术保障[3]。

1　无盘网络技术

无盘网络就是局域网中所有客户机都通过网络从服务器磁盘上获取操作系统和应用软件并运行的一种计算机网络架构，因为网络中的客户机都不安装磁盘而得名，基于这种计算机网络结构的技术就是无盘网络技术[4]。客户机不安装磁盘驱动器仅是表面现象，不具有实质意思。

无盘网络技术经过多年的发展，目前主要以PXE技术为主，它采用动态路由，在安装和操作上更简单、快捷[5]，其优越性已经超过有盘网络[6]。

1.1　PXE基本原理

预启动执行环境(Pre-boot Execution Environment，PXE)是由Intel公司开发的一种无盘启动技术，用于计算机通过网络远程启动，工作在Client/Server的软件系统体系结构下。当计算机设置以LAN方式启动时，就会通过网卡内置的启动芯片发出请求，要求服务器分配IP地址，建立联系后，再用TFTP(Trivial File Transfer Protocol)协议将预先存储在服务器中的终端操作系统镜像包下载到本机内存中执行，完成终端操作系统的远程启动[7]。

使用PXE技术的客户机通过网络远程启动操作系统后，所有操作和运算都由客户机本身完成，运行速度要比有盘PC快3倍以上[8]。

1.2　基于PXE无盘的管理方式

(1) 在客户机上安装好操作系统和应用软件后上传至服务器生成系统镜像文件，就可以由服务器控制和管理全体实验室客户机的正常启动和运行。

(2) 可以将客户机的驱动与镜像分离，使网络环境中存在不同硬件配置的客户机可以共用一个镜像文件而不产生驱动冲突。可以延长计算机的使用寿命，缓解资金投入不足的压力。

(3) 在服务器中可以创建多个磁盘组(可包含DOS、Windows和Linux等多个系统)，客户机启动时可选择任意磁盘组进入相应的系统，彻底解决了传统模式下无法使用多系统环境的难题。

2　基于PXE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，主要需要考虑的是网络环境、服务器和无盘网络系统软件的选择。

(1) 网络环境。无盘网络中，客户机的系统启动、运行都依赖局域网进行，网络环境的优劣和稳定性都直接关系着整个无盘网络系统的运行状态。1GB到桌面的高校计算机实验室网络环境已经非常普及，这也是无盘网络技术能够快速发展的主要原因。

计算机实验室的网络结构如图1所示。

图1　计算机实验室拓扑结构图

(2) 服务器。服务器是整个无盘网络系统的承载者，是核心的核心，它为客户机的运行提供远程引导服务和磁盘IO服务，这两个服务都依赖于网络进行数据传输和交换。因而无盘网络对服务器硬件需求主要是考虑网卡和磁盘的性能，并且无盘网络中客户机的运行不消耗服务器的CPU、RAM等资源[9-10]，对于一般应用或较小的网络环境，现在一般配置的PC就可以作为服务器使用[11]。

对应用或网络要求较高时，就需要有专业服务器来保障更好的稳定性和速度。在其他条件相同时，使用高磁盘IO处理能力的SAS 15KB硬盘或SSD硬盘能够保证客户机的处理速度。如果客户机数量较多，则应考虑使用多块硬盘实现服务器硬盘的“读写分离”，进一步提升无盘系统的运行速度[12]。

(3) 无盘网络系统软件。经过多年的发展，无盘网络系统软件的功能越来越强大，安装配置越来越简单，产品也越来越多。上海锐起信息技术有限公司作为国内较早从事无盘网络系统开发的公司，其锐起BSD虚拟化平台比较成熟，是基于PXE的无盘网络系统软件，支持服务器多网卡、支持服务器集联等功能，适合高校计算机实验室无盘网络改造。

(4) 客户机。无盘网络系统虽然对客户机硬件无特殊要求，只需网卡支持PXE启动，在有盘环境中能流畅运行Windows 7即可。但是要发挥出无盘网络系统的性能，客户机的网卡也需要支持千兆传输。为了将锐起BSD系统软件“本地写缓存”性能充分发挥出来，以达到提高无盘网络系统带机量或加快客户机运行速度的目的，客户机使用2GB以上内存，并将512MB～1GB的内存空间划作客户机的“本地写缓存”。

(5) 操作系统选用。Windows Server 2008 R2新加入的Hyper-V 2.0具有可对虚拟磁盘动态调整容量、具备VM内存动态配置等新功能更适合用作无盘网络系统的服务器操作系统。客户机的操作系统则选用64位的Windows 7。

3　具体实现

3.1　服务器安装与配置

服务器上安装操作系统Windows Server 2008 R2，配置好TCP/IP协议，根据规划指定静态IP地址。安装锐起无盘BSD主服务器端程序，分别为客户机系统盘镜像、客户机软件盘镜像和客户机临时回写盘创建目录，为了提高客户机运行速度，可规划为“两读一写”3个固态硬盘，对应设置为3个固态盘的根目录。需要注意的是，3个固态硬盘在分区和格式化时必须设置为NTFS文件系统格式。

3.2　客户机安装与配置

(1) 模板客户机安装与配置。选取1台客户机安装好64位Windows 7，配置好T CP/IP协议，并根据规划指定静态IP地址。将另一硬盘分区设置为“S盘”并将应用软件全部安装至此分区中。安装锐起BSD客户端，结束后会弹出“初始配置”对话框，如图2所示，此界面“启用换主板及网络启动功能”就是启用PNP功能，允许不同硬件配置在同一镜像中启动，为默认勾选。点击“系统优化”按钮，会弹出“系统优化”对话框，如图3所示，根据使用需求，对系统优化的内容进行选择，一般“全选”即可。在“服务器IP地址”框内填入正确的服务器IP地址，点击“确定”按钮，会自 动进行虚拟磁盘驱动程序的安装，安装结束后会要求重启计算机。

图2　锐起客户端配置界面

(2) 加入模板客户机。在锐起无盘BSD管理器新增工作站，填入模板客户机的MAC地址等相应信息，选择之前设置好的回写目录和创建的磁盘镜像，完成模板客户机的添加，并将其设置为“超级用户”。

(3) 上传客户机系统。客户机经过刚才的重启后，会提示找到新硬件并自动安装驱动程序后要求再次重启。根据提示重启后，进入“磁盘管理”完成虚拟网络磁盘的初始化、格式化、盘符分配等，就可以运行“上传工具”进行客户机操作系统和应用软件两个镜像的上传。

(4) 启动模板客户机。镜像上传结束后，将模板客户机关机，移除硬盘，再开机进入COMS设置，将启动设置为网络启动，并关闭所有硬盘通道，再次重启，这时模板客户机应该能在没有硬盘的情况下正常从网络启动进入操作系统。验证模板客户机在无盘状态下正常启动，运行系统后关机，在服务端将模板客户机设置成“普通”。

(5) 加入其他客户机。在锐起无盘BSD服务端设置客户机加入方式为全自动加入后，依次将其他客户机的启动方式设置为网络启动就可以正常启动进入操作系统了。此时与模板客户机相同硬件配置的客户机加入时，无需再关闭所有硬盘通道和移除硬盘。

4　无盘网络技术在计算机实验室管理中的应用

我校计算机实验教学示范中心的计算机实验室都是2010年左右改建或新建的实验室。计算机实验室为了保护系统和硬盘数据，确保实验教学正常有序进行，全部采用了硬盘保护卡技术。该技术可以防止包括学生恶意操作或病毒攻击等行为对硬盘数据的修改，还可以实现一对多的智能网络同传，快速完成系统的安装、升级和软件更新等维护工作[13-14]。然而，硬盘保护卡技术在在许多情况下，仍然必须逐台机器操作，维护和更新的工作量依然极大[15-16]。

近些年，随着往应用型本科院校的转型，学校加强了实践教学体系建设，众多专业、学科已经展开了以“课程为导向”向以“应用为导向”的转变，一些课程从以前的“理论+实验”的课程结构向全部或增加实验课程进行改革。使用计算机实验室的课程数量、学生数量明显增加，对计算机软、硬件的需求明显提高。硬盘保护卡技术已经捉襟见肘，不能满足改革对计算机实验室的更高需求。同时，由于计算机实验室建设滞后，计算机实验室数量少，长期高负荷运转，计算机更新周期长，大量机器出现硬盘等故障引起的频繁死机甚至无法运行，严重影响了正常教学，阻碍了实践教学体系建设。

中心针对现状，整合现有设备，运用无盘网络技术对中心实验室进行了整合改造，实现了故有资源的充分利用，降低了故障率，提升了实验室维护效率，为开放的实验体系建设提供了技术保障。

4.1　整合服务器资源

计算机实验教学示范中心一直承担着全校的省计算机等级考试的任务，每间实验室都配置了一台入门级服务器或工作组级服务器。这些服务器在进行少量投入改造后，就可以充分利用虚拟化技术，根据实际使用情况进行调配，只使用其中若干台服务器就可以实现原来的所有功能，剩余部分就可以用作无盘网络系统的服务器。

4.2　整合客户机缓解资金投入和实验室数量的压力

一间早于2010年建设的实验室由于使用年限长，机器故障频繁，完好率低，维护难度大且周期长，需要整体进行更新改造。运用无盘网络技术将该实验室整合成了Windows XP无盘实验室。改造后，该实验室机器故障率下降，资源得到充分利用，缓解了资金投入和实验室数量少的压力。

这间实验室的改造主要利用了锐起无盘BSD的驱动分离技术，很好地将多种配置的客户机整合在一起却不增加维护的时间成本。不同硬件配置的客户机加入时，要注意每种配置加入的第一台客户机仍需关闭硬盘通道和移除硬盘后再加入，能顺利进入无盘系统后，在服务端将客户机勾选“设为参照工作站”，再添加与此相同配置的客户机；相同配置的客户机添加完成后，服务端在同一配置的分组中任选一台客户机设置“驱动管理”中的“进入驱动安装模式”，开启客户机，进入系统安装硬件驱动。由于锐起无盘BSD在安装时默认勾选了“启用客户机网卡PNP”，系统本身自带的几千款各种类型的网卡驱动就能供绝大多数客户机直接启动，如果缺少所需的客户机网卡驱动，需要在服务端的“网卡驱动管理”中添加，而不是在客户机进入驱动安装模式下进行。所以客户机进入驱动安装模式下，一定要注意不能安装网卡驱动，不要安装其他任何与驱动无关的信息。驱动安装完毕，关闭客户机，“退出驱动安装模式”，系统将自动提取此类客户机的硬件驱动到存储目录。至此，一类配置的客户机添加完成，按同样方法可以继续添加下一类配置的客户机。

无盘系统中有多类硬件配置的客户机存在时，进行系统升级或软件安装等维护时，为避免各硬件配置分离的驱动与系统镜像包合并，因此尽量避免每种配置的客户机都去切换“超级用户”，以免导致镜像包中安装的驱动太多引起客户机兼容问题和系统镜像增大。建议只使用模板客户机为“超级用户”进行操作或直接在服务器上利用Virtualbox虚拟机软件进行操作。

4.3　新建实验室采用网络汇聚，提升无盘系统性能

无盘网络服务器和交换机在条件允许的情况下，可以把网卡和交换机端口进行汇聚，以达到提升网卡和交换机的吞吐量，增加网络容错能力，提升批量客户机同时启动和大数据读写时的速度和稳定性，以最经济的方式提高无盘网络的性能,如图4、5所示。该图是在对无盘系统服务器4个网络端口分别进行分流和汇聚的不同设置时，全体客户机同时开机加载系统的情况。分流设置时，4个网络端口分流时的网络使用率分别是73.78%，66.15%，67.74%，68.15%；CPU使用率35%；内存使用率20%。网络使用率相对较低，网络容错能力有限，个别客户机出现获取镜像缓慢，甚至不成功，停留在获取界面，需要人为干预重新获取。汇聚设置时，4个网络端口汇聚时网络使用率长时间在99%左右；CPU使用率53%，内存使用率39%。网络使用率相对较高，网络容错能力强，个别客户机获取镜像缓慢时，会自动重启，重新获取，不会出现停留获取界面的情况。

5　改造效果对比分析

(1) 改造后实验室维护时间对比。经过无盘改造后，实验室维护的时间成本大大降低，与硬盘保护卡技术在维护效果上的对比如表1所示。

(2) 改造后使用效果对比。以动画创作专业实验室为例，完成同一个动画作品制作，不同的老师和学生，可能使用不同的插件，甚至使用不同的软件。而这些同类的软件或插件往往不能同时安装，否则容易出现冲突，造成系统不稳定。解决办法一般是多系统共存，把这些软件分别安装在不同的系统中。动画创作所需的软件更新频繁，且绝大多数需要逐台注册，注册后就不能再进行网络同传，硬盘保护卡除了保护系统数据外，没有任何作用，更新维护都要逐台机器操作，工作量极大，多系统共存基本不可能。

图4　四网络端口分流

图5　四网络端口汇聚

在无盘网络改造前的教学过程中，老师对一些软件或插件只能靠PPT讲解或演示，学生无法在课堂上进行实际操作，不能及时发现问题，解决问题，教学效果大打折扣。改造完成后，所有的维护只需要做一次，更新、安装、卸载软件及插件都在几分钟内完成，而且这些操作进行时不影响当前的使用，多系统共存只需要增加服务器硬盘，维护所需的时间几乎没有增加。动画创作过程中，不同的学生可以选择不同的系统，从而选择适合自己的软件或插件进行创作，极大的提高了实践教学效果，师生对改造效果赞不绝口。

表1　两种方案效果对比表

6　结　语

在“动画专业实验室无盘网络改造”取得良好效果的基础上，计算机实验教学示范中心根据现有条件，在进行了很少投入后，对几间实验室作了无盘网络的改造，极大简化了计算机实验室的维护工作，提高了实验室的使用率，缓解了资金投入和实验室数量偏少的压力。中心已明确地将无盘网络技术定位为未来实验室改造和建设的优选方案。随着云计算技术的成熟，云计算虚拟化应用之一的云桌面也正在逐渐兴起。云桌面具有像无盘网络技术一样的维护方式，能轻易实现无盘网络难以实现的个性化软件需求，没有了无盘网络相对集中的地域限制。但由于云桌面终端的所有运算都由服务器完成，因而对服务器硬件配置要求极高。要达到相对较高要求的使用，其服务器的投入不是一般地方院校所能承担的。以虚拟服务器技术替代实体服务器的无盘网络技术已经出现，相信随着技术的发展和硬件成本的降低，云桌面技术将得到更快推广和应用。

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