頻道技術(shù)在高校計算機實驗室建設(shè)中的應用

邵 林，辜 媛

（武漢紡織大學 傳媒學院，湖北 武漢430073）

隨著持續(xù)多年的投入與建設(shè)，目前國內(nèi)高校以計算機為應用平臺的各類實驗室從滿足基本教學，逐步發(fā)展到常規(guī)教學與平臺開放并舉，這對計算機的設(shè)備性能和日常管理維護工作提出了更高要求。近年來在實驗室建設(shè)和改造中，解決上述問題的思路目前主要集中在云技術(shù)和無盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。然而，它們在實際應用中仍存在一些不足或局限性［1］。本文介紹一種基于還原卡的延伸技術(shù)——頻道技術(shù)，通過對其工作原理、應用優(yōu)勢等方面的分析，就高校計算機實驗室建設(shè)改造提出一個差異化的思路。

1 頻道技術(shù)工作原理

頻道技術(shù)，是一種可以在較短時間內(nèi)基于已有單個真實操作系統(tǒng)或頻道創(chuàng)建出眾多與真實系統(tǒng)或頻道相同操作系統(tǒng)環(huán)境的技術(shù)。

頻道技術(shù)借鑒了虛擬機當中的快照原理，其本質(zhì)上是一種基于底層硬件和驅(qū)動的虛擬化技術(shù)。當基礎(chǔ)操作系統(tǒng)環(huán)境搭建完成后，根據(jù)實際應用需要，短時間內(nèi)通過快照技術(shù)生成若干個頻道。從用戶的角度看，這些頻道的系統(tǒng)環(huán)境跟基礎(chǔ)操作系統(tǒng)是相同的。每個頻道對應一個應用環(huán)境，僅按寫時分配原則存儲該頻道下新增應用軟件數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)。但從邏輯上看，進入該頻道的用戶可以讀取包含基礎(chǔ)操作系統(tǒng)在內(nèi)的全量數(shù)據(jù)。頻道內(nèi)，用戶對基礎(chǔ)操作系統(tǒng)的修改，并非直接修改其對應分區(qū)的原始數(shù)據(jù)，而是采用了指針重映射技術(shù)，即當涉及修改基礎(chǔ)操作系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)實際上直接將新數(shù)據(jù)寫入頻道內(nèi)的新分配空間，并將分配表的數(shù)據(jù)指針指向新分配區(qū)域，從而實現(xiàn)了頻道與基礎(chǔ)操作系統(tǒng)的隔離。簡單而言，每個頻道僅存儲自身相對于基礎(chǔ)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)的差異部分和增量部分，從而大大提高了磁盤空間利用率。

頻道技術(shù)對系統(tǒng)的還原與保護，是基于底層硬件和驅(qū)動來實現(xiàn)的。它在操作系統(tǒng)啟動之前獲得機器的控制權(quán)，使得用戶對硬盤的操作實際上并非對原有數(shù)據(jù)進行修改，而是在虛擬空間中操作，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的保護。在相應規(guī)則下，用戶可以選擇是否將虛擬空間中的數(shù)據(jù)真實寫入原有數(shù)據(jù)區(qū)域。

2 頻道技術(shù)應用優(yōu)勢

2.1 與常規(guī)軟、硬件技術(shù)比較

為解決多教學環(huán)境和不同開放應用環(huán)境下的多操作系統(tǒng)平臺和應用軟件配置需求，從軟件技術(shù)方面來看，主要采用虛擬機技術(shù)，主流常用的軟件有Vmware，VirtualBox，Virtual pc等。它們都能以較少的硬件資源消耗而在原有系統(tǒng)上虛擬出多個計算機，但仍然存在以下不足：一是規(guī)模效益差，不能有效解決實驗室數(shù)十上百臺計算機統(tǒng)一部署和集中管理的問題；二是運行效率低，特別是在宿主操作系統(tǒng)上同時運行多個虛擬機的情況下，運行效率會明顯降低；三是對系統(tǒng)的保護能力差，幾乎不具備系統(tǒng)還原保護功能。

從硬件技術(shù)方面看，主要就是硬盤還原卡（保護卡），目前其廣泛應用在高校計算機實驗室、圖書館等教學及公共服務場合。它支持多操作系統(tǒng)功能，通過磁盤分區(qū)能夠在一臺電腦上安裝多個操作系統(tǒng)，多重引導，并且互相隔離，互不影響?；谶€原卡的網(wǎng)絡(luò)拷貝功能，可以進行操作系統(tǒng)和應用軟件的快速部署，此外，延伸的遠程管理功能，可以在局域網(wǎng)內(nèi)對全部計算機進行網(wǎng)絡(luò)控制、程序限制、端口控制、屏幕監(jiān)控等集中管理。但其主要問題是新增系統(tǒng)應用環(huán)境靈活性差；其次，磁盤空間利用率低，需要為特定應用環(huán)境單獨分配磁盤空間，易導致系統(tǒng)重復安裝，磁盤空間浪費大，缺乏硬件資源共享機制。

而簡單地看，頻道技術(shù)可以說是虛擬機技術(shù)和硬盤還原卡二者的整合，它通過融合彼此的優(yōu)勢，有針對性地解決了上述雙方在功能上的不足之處。

2.2 與云技術(shù)比較

從解決多教學環(huán)境和不同應用環(huán)境的快速部署、集中管理等問題的可行性上看，頻道技術(shù)與云技術(shù)均能以較低的硬件資源消耗來有效實現(xiàn)。但兩者的實現(xiàn)路徑有差異，前者重在以單機為基礎(chǔ)進行資源劃分和數(shù)據(jù)管理，而后者將資源遷向服務器端，在服務器端集中數(shù)據(jù)管理、資源調(diào)配等，讓客戶端精簡化，并支持包括單機以外的智能手機、平板電腦等。此外，兩種技術(shù)應用模式在成本、穩(wěn)定性等方面也有差異（見表1）［1］。

總體而言，兩種應用模式不同的技術(shù)特點，決定了各自發(fā)揮優(yōu)勢的不同應用場合。然而，當前國內(nèi)高校建成的以計算機為主要設(shè)備的實驗室，普遍采用“傳統(tǒng)PC機或高性能工作站+百兆局域網(wǎng)”的模式。面對如此大的存量空間，要解決技術(shù)性能提升和管理水平提高的問題，頻道模式的成本優(yōu)勢顯得尤為突出。即便在進行新建實驗室方案規(guī)劃時，頻道模式也有其特定的優(yōu)勢應用場合，例如圖形圖像處理、影視編輯制作、三維建模設(shè)計與制作等等。這些教學應用需求對單機性能，特別是顯卡性能要求很高，是云桌面模式目前難以低成本有效解決的。而云桌面模式更適合對客戶端多樣性有較高要求的應用場合，例如圖書館、電子閱覽室、移動辦公等等。當然，隨著顯卡虛擬化技術(shù)提升，云桌面部署模式從VDI模式向VOI模式的優(yōu)化轉(zhuǎn)變，以及云桌面軟、硬件成本下降等等，云技術(shù)應用將會成為未來的主要發(fā)展趨勢［2］。

表1 頻道技術(shù)與云技術(shù)比較

2.3 與無盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)比較

無盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)下，所有用戶端計算機均不安裝硬盤，通過訪問并加載局域網(wǎng)內(nèi)服務器端的操作系統(tǒng)和應用軟件鏡像到本地系統(tǒng)來進行工作。它的主要優(yōu)勢是減輕了系統(tǒng)維護人員的負擔，使得對局域網(wǎng)內(nèi)每一臺計算機的維護，轉(zhuǎn)變?yōu)閷€別或少數(shù)服務器的維護。但這種模式下，系統(tǒng)運行的流暢度和穩(wěn)定性很大程度依賴于服務器和局域網(wǎng)的性能。在用戶端與服務器之間需要頻繁、大規(guī)模數(shù)據(jù)交換的應用場景下，例如視頻編輯、圖形渲染等設(shè)計類課程，無盤網(wǎng)絡(luò)負載過重會嚴重影響其它應用系統(tǒng)的運行，甚至影響無盤系統(tǒng)自身正常運行。在無盤系統(tǒng)中，用戶端的運算處理能力本質(zhì)上并沒有提高，而且缺乏用戶自主構(gòu)建應用環(huán)境的靈活性。此外，從實驗室改造的角度來看，由于有盤系統(tǒng)已經(jīng)存在，無盤化改造的硬件經(jīng)濟效益是不存在的，而其在服務器購置和網(wǎng)絡(luò)性能提升方面的成本支出會成為較大負擔［3-4］。

由于頻道技術(shù)應用是基于還原卡功能的延伸擴展，它本身繼承了還原卡的所有優(yōu)點，無論是從日常管理維護的便捷性、應用的穩(wěn)定性考慮，還是從自主應用環(huán)境搭建的靈活性，以及改造成本等方面考慮，較之無盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都有相對優(yōu)勢。再者，無盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的改造、配置相對復雜，對于早已熟悉了還原卡使用模式的廣大高校實驗技術(shù)人員而言，頻道技術(shù)更容易熟練掌握應用。

3 結(jié)語

頻道技術(shù)作為基于還原卡的延伸技術(shù)，其工作原理和應用特點還不為廣大高校實驗室工作者所熟悉和了解，它在解決計算機類實驗室日常教學與管理中所面臨核心問題上的有效性往往被忽視，或者說是被云技術(shù)或無盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所掩蓋，有待進一步發(fā)掘和利用。