摘要:隨著計算機機房規(guī)模和功能的擴(kuò)展，計算機機房設(shè)備的維護(hù)和管理難度越來越大。本文根據(jù)機房維護(hù)和管理的實際，對機房自主維護(hù)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了分析和設(shè)計，結(jié)合硬盤保護(hù)卡的功能，提出了由單系統(tǒng)多頻道、虛擬系統(tǒng)、差異拷貝、資產(chǎn)監(jiān)管、系統(tǒng)保護(hù)、課堂行為管理、遠(yuǎn)程管理和計費擴(kuò)展等模塊組成的機房自主維護(hù)系統(tǒng)方案。

關(guān)鍵詞:保護(hù)卡;機房;自主維護(hù)

計算機機房是學(xué)校計算機教學(xué)和實驗的場所，承擔(dān)著學(xué)生上機實驗、機房開放、各種計算機培訓(xùn)和科研實驗等任務(wù)。計算機機房的維護(hù)非常煩瑣，因為人員流動大，教學(xué)任務(wù)類型多，對計算機軟件的要求不斷變化，機房管理人員經(jīng)常要重新安裝系統(tǒng)、查殺病毒等，維護(hù)時不得不花費大量時間和精力[1]。雖然計算機硬盤保護(hù)卡已在教育行業(yè)、網(wǎng)吧等大型計算機機房得到了廣泛應(yīng)用，但隨著計算機的普及程度越來越高，對機房的維護(hù)要求也越來越高，機房的統(tǒng)一布署與自主維護(hù)的難點一直沒有解決[2]。各類大型計算機機房都需要一個經(jīng)濟(jì)、安全可靠、靈活性強、便于使用的計算機機房自主維護(hù)系統(tǒng)。

筆者與武漢噢易科技有限公司聯(lián)合開發(fā)并完成了噢易Free卡電腦教室自主維護(hù)系統(tǒng)，在硬盤保護(hù)卡的基礎(chǔ)上，利用差異拷貝、單系統(tǒng)多頻道、多賬戶管理、資產(chǎn)監(jiān)管和虛擬系統(tǒng)等多項技術(shù)，開發(fā)了統(tǒng)一部署與自主維護(hù)相結(jié)合的機房自主維護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)的各項功能和性能都經(jīng)過了嚴(yán)格的測試，已于2008年10月通過湖北省軟件測評中心的軟件測試，2009年5月通過湖北省科技廳組織的鑒定。

噢易Free卡電腦教室自主維護(hù)系統(tǒng)為電腦教室中的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等集中性教學(xué)環(huán)節(jié)軟件安裝和維護(hù)提供了完整的解決方案，與聯(lián)想、方正等國內(nèi)著名PC機生產(chǎn)廠家結(jié)成合作聯(lián)盟，得到國內(nèi)外教育屆的普遍認(rèn)可，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1設(shè)計思想

本軟件系統(tǒng)采用分層設(shè)計的思想，根據(jù)系統(tǒng)運行的時間分為四層次，即底層功能程序、INT13保護(hù)程序、磁盤過濾驅(qū)動程序和上層功能程序，層次關(guān)系如圖1所示。下層為上層提供服務(wù)，并隱藏下層的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。與四個層次相對應(yīng)，從整體運行邏輯出發(fā)，根據(jù)本軟件系統(tǒng)發(fā)揮功能的不同時段，劃分為四個場景，如圖1所示。

底層功能程序:對應(yīng)于場景一，負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)啟動以前本系統(tǒng)應(yīng)完成的底層功能。

INT13保護(hù)程序:對應(yīng)于場景二，負(fù)責(zé)在磁盤過濾驅(qū)動未加載時實現(xiàn)磁盤數(shù)據(jù)保護(hù)。

磁盤過濾驅(qū)動程序:對應(yīng)于場景三，在磁盤驅(qū)動加載完成后，負(fù)責(zé)對磁盤數(shù)據(jù)的保護(hù)。

上層功能程序:對應(yīng)于場景四，完成本系統(tǒng)上層的功能，包括單系統(tǒng)多頻道、虛擬系統(tǒng)、差異拷貝、資產(chǎn)監(jiān)管、系統(tǒng)保護(hù)、課堂行為管理、遠(yuǎn)程管理和計費擴(kuò)展功能。

為了使系統(tǒng)的功能能夠更好地擴(kuò)展，在界面邏輯與業(yè)務(wù)邏輯之間建立一個中間層，使系統(tǒng)擴(kuò)充業(yè)務(wù)邏輯時無需更改界面邏輯，同時統(tǒng)一了上下層調(diào)用通用模塊的接口，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

2系統(tǒng)功能模塊的分析與設(shè)計

機房自主維護(hù)系統(tǒng)的上層功能模塊包括單系統(tǒng)多頻道、虛擬系統(tǒng)、差異拷貝、資產(chǎn)監(jiān)管、系統(tǒng)保護(hù)、課堂行為管理、遠(yuǎn)程管理和計費擴(kuò)展等，如圖2所示。

2.1單系統(tǒng)多頻道

為了提高機房的利用率，一個機房的計算機往往用于多個課程的上機練習(xí)，比如在一臺Windows XP操作系統(tǒng)計算機中安裝Microsoft SQL 2000、Visual C++6.0、Photoshop CS2和CoolEdit2.0軟件，分別用于數(shù)據(jù)庫課程、程序設(shè)計課程、圖像處理課程和音頻處理課程的實踐教學(xué)任務(wù)。傳統(tǒng)的做法是將他們一并安裝在一個操作系統(tǒng)中，這一方面可能導(dǎo)致計算機啟動速度慢和軟件之間的沖突;另一方面學(xué)生上機時可以使用多種軟件，增加了教師的管理難度。

一個頻道是指在一個真實操作系統(tǒng)基礎(chǔ)之上安裝的一種軟件應(yīng)用環(huán)境。從機房實際情況出發(fā)，機房管理人員可以在單個操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上快速創(chuàng)建多個頻道，各頻道之間相互獨立，互不影響，且都能保護(hù)和還原。每個頻道可以按需安裝不同軟件，搭建專門的軟件教學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)相互獨立的一機多用功能。此外，頻道可以由管理員自由設(shè)定顯示或隱藏，設(shè)置進(jìn)入頻道時是否驗證密碼，方便管理和使用。這樣各頻道滿足不同課程的教學(xué)需求，從根本上避免單個操作系統(tǒng)安裝多種軟件后相互沖突以及計算機啟動速度慢的現(xiàn)象，另一方面無需安裝多個操作系統(tǒng)，大大降低了管理員的勞動強度，同時也盡量讓學(xué)生在一次實驗課上做與課程相關(guān)的練習(xí)。

2.2虛擬系統(tǒng)

一個機房除了滿足課程教學(xué)的需要以外，很多時候還要承擔(dān)集中性實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)任務(wù)，比如畢業(yè)設(shè)計，每個學(xué)生對計算機操作系統(tǒng)和開發(fā)軟件平臺的要求是不一樣的，具有很強的個性化。傳統(tǒng)做法是在計算機實驗室分出一部分計算機，專門用于這些集中性實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)，學(xué)生根據(jù)設(shè)計的需要安裝操作系統(tǒng)和開發(fā)軟件平臺，這就必然導(dǎo)致計算機利用率低下和機房管理的困難。

虛擬系統(tǒng)允許使用者在受保護(hù)的真實操作系統(tǒng)上快速創(chuàng)建多個虛擬操作系統(tǒng)，得到授權(quán)的學(xué)生可以創(chuàng)建虛擬系統(tǒng)，并設(shè)置密碼，只有管理員和虛擬系統(tǒng)創(chuàng)建者可以進(jìn)入或刪除該虛擬系統(tǒng)，不同的學(xué)生在同一臺電腦上能創(chuàng)建不同的虛擬系統(tǒng)，每個虛擬系統(tǒng)相互獨立共存，互不影響虛擬系統(tǒng)功能，也不影響機房的統(tǒng)一管理和維護(hù);未授權(quán)學(xué)生仍然使用統(tǒng)一的真實系統(tǒng)環(huán)境。管理員擁有最大權(quán)限，可以監(jiān)督和管理所有虛擬系統(tǒng)。虛擬系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)變化可以被永久保留，但是不會影響到真實系統(tǒng)的還原和保護(hù)。這樣得到授權(quán)的學(xué)生等于擁有了一臺個性化很強的計算機，一方面為學(xué)生提供了開放、自由的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率;另一方面依然能夠?qū)崿F(xiàn)機房真實系統(tǒng)的保護(hù)和統(tǒng)一管理。

2.3差異拷貝

一個擁有幾十臺、幾百臺乃至上千臺計算機的機房或者計算中心，在管理維護(hù)上的工作量是非常龐大的，一般的硬盤保護(hù)卡具有網(wǎng)絡(luò)拷貝與增量拷貝的功能，給機房的維護(hù)帶來了極大便利，但不夠靈活、快捷，實際使用中也有各種各樣的問題。

在計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，不論各接收端有無操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)是否一致，均可實現(xiàn)接收端與發(fā)射端數(shù)據(jù)完美統(tǒng)一，即為差異拷貝。管理人員可以選擇全盤、單個操作系統(tǒng)、單個分區(qū)或自定義分區(qū)組合等多種拷貝模式，并僅僅拷貝各接收端與發(fā)射端有差異的數(shù)據(jù)，輕松實現(xiàn)機房軟件環(huán)境完美統(tǒng)一。差異拷貝包括全盤數(shù)據(jù)快速統(tǒng)一、單個分區(qū)數(shù)據(jù)快速統(tǒng)一、不同系統(tǒng)分區(qū)自由組合差異拷貝、統(tǒng)一安裝/卸載軟件、軟件升級及安裝各種補丁、更改和優(yōu)化系統(tǒng)及軟件設(shè)置、查殺病毒并升級病毒庫、拷貝單個文檔、科研/培訓(xùn)/考試環(huán)境臨時部署和單臺計算機的硬盤復(fù)制等。

此外，差異拷貝還可以提供如下人性化功能:

(1)IP地址占位:當(dāng)機房個別電腦出現(xiàn)硬件故障或網(wǎng)絡(luò)故障，導(dǎo)致不能使用或連線，在給計算機分配IP地址時，為故障機預(yù)留IP地址。

(2) 多系統(tǒng)自動分配不同IP地址:批量為同一機器的多個操作系統(tǒng)分配統(tǒng)一的IP地址和計算機名，也為不同操作系統(tǒng)自動分配不同網(wǎng)段的IP地址和計算機名。

(3) 斷點續(xù)傳:在進(jìn)行差異拷貝時，由于某些意外導(dǎo)致個別接收端斷線，發(fā)射端智能識別并向斷線接收端發(fā)送斷點后的數(shù)據(jù)，無需拷貝斷點前已經(jīng)接收過的數(shù)據(jù)。

(4) 跨網(wǎng)段:支持，實現(xiàn)多臺電腦跨網(wǎng)段同時進(jìn)行差異拷貝。

(5) 分組對拷:支持網(wǎng)內(nèi)分組對拷，不同分組互不影響。

(6)故障定位:在差異拷貝過程中，實時檢查網(wǎng)絡(luò)連線中每一臺電腦的運行狀況，在發(fā)射端動態(tài)顯示速度最慢的機器，準(zhǔn)確找到故障點并及時采取措施。

(7) 網(wǎng)絡(luò)喚醒:網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程喚醒，開機自動連線完成對拷，不需逐臺開啟計算機的電源即可進(jìn)行維護(hù)。

2.4資產(chǎn)監(jiān)管

大型計算機機房機器分布廣，機房人員流動性強，資產(chǎn)管理是一個不容忽視的問題。管理員可以在機房設(shè)置一臺管理機，對每一臺計算機進(jìn)行遠(yuǎn)程實時的軟件、硬件資產(chǎn)監(jiān)控及管理，管理員足不出戶實時了解、監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有計算機的相關(guān)配置與變更情況，快速進(jìn)行統(tǒng)計、查詢、存檔等工作，及時做出反應(yīng)。

資產(chǎn)監(jiān)管需要具有如下功能:

(1) 資產(chǎn)查看:在控制端實時查看客戶端計算機的軟件、硬件資產(chǎn)情況。

(2) 資產(chǎn)變更警報:實時監(jiān)控客戶端計算機的軟件、硬件資產(chǎn)的變更情況，當(dāng)被控端計算機軟、硬件資產(chǎn)發(fā)生變化時，可自動識別并在主控端計算機快速、明顯地反映出來，方便管理員進(jìn)行下一步操作。

(3) 設(shè)備禁用:方便實現(xiàn)客戶端計算機USB、光驅(qū)、軟驅(qū)等設(shè)備的禁用，并可有效進(jìn)行斷網(wǎng)鎖屏等操作。

(4) 資產(chǎn)查詢:全面記錄所有客戶端的資產(chǎn)內(nèi)容及資產(chǎn)變更情況，可自定義查詢所有日志記錄，管理員對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各客戶端電腦的運行狀態(tài)一目了然;

(5) 資產(chǎn)更新:經(jīng)管理員確認(rèn)，硬件資產(chǎn)正常變更，可方便快捷地執(zhí)行資產(chǎn)更新操作。

2.5系統(tǒng)保護(hù)

除了計算機機房整體的維護(hù)和管理以外，單臺計算機的保護(hù)也特別重要，管理員可以利用硬盤保護(hù)卡芯片內(nèi)置的“底層I/O攔截”技術(shù)防御機器狗類穿透型病毒，實現(xiàn)主動式非補丁防御功能;方便、靈活地更改各個操作系統(tǒng)分區(qū)及資料盤的屬性和還原方式，在不影響操作系統(tǒng)及軟件資料的情況下實現(xiàn)硬盤各分區(qū)的不同組合和保護(hù)，自由修改分區(qū)屬性;建立多個管理員賬號，不同賬號分配不同的保護(hù)卡操作權(quán)限，實現(xiàn)多賬號管理;為了避免共享資料盤上的數(shù)據(jù)感染病毒，提供共享資料盤定時自動清除功能。

2.6課堂行為管理

機房是學(xué)生學(xué)習(xí)和實踐的場所，根據(jù)教學(xué)需要，有時學(xué)生到機房僅僅是上機做練習(xí)，有時教師需要在機房集中講解，有時需要學(xué)生上網(wǎng)練習(xí)，有時又需要屏蔽上網(wǎng)功能。教師可以根據(jù)教學(xué)需要對學(xué)生學(xué)習(xí)或者練習(xí)行為實施管理措施，比如打開/屏蔽上網(wǎng)功能、將客戶端鎖定、限制客戶端能夠使用的軟件、實時向客戶端發(fā)送文件資料和信息等。

具體來說，課堂行為管理包括如下功能:

(1) 客戶端上網(wǎng)限制:不需要上網(wǎng)時，教師可限制客戶端上網(wǎng)，維護(hù)課堂秩序，且不影響局域網(wǎng)的教學(xué)工作。

(2) 客戶端進(jìn)程限制:只允許(或不允許)學(xué)生計算機運行某些軟件，避免學(xué)生上課做不相關(guān)的事情。

(3) 監(jiān)控客戶端屏幕:遠(yuǎn)程監(jiān)看客戶端屏幕或直接操作客戶端，對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。

(4) 鎖定客戶端:教師講授時鎖定客戶端鍵盤和鼠標(biāo)，顯示鎖定屏幕，使學(xué)生無法操作，專心聽講。

(5) 遠(yuǎn)程向客戶端發(fā)送文件:實時遠(yuǎn)程向客戶端發(fā)送文件或其他資料，方便教學(xué)資料的資源共享。

(6) 向客戶端發(fā)送即時消息:實時遠(yuǎn)程向客戶端發(fā)送消息，加強師生的交流與互動。

2.7遠(yuǎn)程管理

機房自主維護(hù)系統(tǒng)充分利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，發(fā)揮遠(yuǎn)程管理的作用，包括遠(yuǎn)程控制客戶端，保護(hù)或開放模式進(jìn)入系統(tǒng);遠(yuǎn)程控制客戶端進(jìn)行系統(tǒng)備份還原或暫時保留;遠(yuǎn)程控制客戶端進(jìn)入指定操作系統(tǒng);遠(yuǎn)程控制客戶端進(jìn)入接收端或發(fā)射端;遠(yuǎn)程查看客戶端操作系統(tǒng)及保護(hù)卡的工作模式和緩沖區(qū)情況;遠(yuǎn)程進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及移除;遠(yuǎn)程喚醒或注銷;遠(yuǎn)程查看或修改客戶端的IP地址及計算機名并同步計算機時間，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理跨路由、跨VLan。

2.8計費擴(kuò)展

為了滿足特定用戶機房收費的需求，計費擴(kuò)展使第三方計費軟件與機房自主維護(hù)系統(tǒng)完美結(jié)合，避免計費軟件與硬盤保護(hù)卡沖突。同時讓原本不支持底層登陸功能的計費系統(tǒng)實現(xiàn)底層登陸，大大提高了軟件計費系統(tǒng)的安全性。此外還可以讓只能支持Windows系統(tǒng)計費的計費系統(tǒng)實現(xiàn)在DOS、Linux系統(tǒng)平臺下的計費。

3主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

將不同使用頻率的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別存放，使用頻率低的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)放在硬盤上，提供接口函數(shù)訪問，常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則在緩存中，使用時直接從內(nèi)存中拷貝，提高訪問速度和系統(tǒng)性能。系統(tǒng)主要使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:

(1) 頻道和虛擬系統(tǒng)管理信息:包括名稱、創(chuàng)建用戶、創(chuàng)建時間、描敘、類型等字段。

(2) 硬盤數(shù)據(jù)的映射信息:包括源映射位置、目標(biāo)映射位置等字段。

(3) 分區(qū)表信息:描述分區(qū)表的基本信息及硬盤保護(hù)卡使用的一些特殊字段，包括分區(qū)類型、分區(qū)大小、分區(qū)起始位置和分區(qū)結(jié)束位置等字段。

(4) 分區(qū)的保護(hù)信息:記錄分區(qū)保護(hù)信息的基本結(jié)構(gòu)，包括分區(qū)是否保護(hù)、分區(qū)的盤符、分區(qū)的保護(hù)方式、記錄分區(qū)保護(hù)信息的結(jié)構(gòu)和位置等字段;用另外一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述實現(xiàn)INT13保護(hù)相關(guān)的分區(qū)信息，包括分區(qū)的起始地址、分區(qū)的類型以及分區(qū)的參數(shù)信息等字段，實現(xiàn)INT13保護(hù)的相關(guān)保護(hù)信息。

(5)CMOS的相關(guān)信息:協(xié)助完成CMOS保護(hù)功能。

(6) 操作系統(tǒng)特性的基本信息:包括操作系統(tǒng)是否可見、操作系統(tǒng)是否設(shè)置為默認(rèn)等字段。

(7) 保護(hù)卡的全局信息:描述保護(hù)卡的全局信息，包括保護(hù)卡標(biāo)記、保護(hù)卡安裝ID以及保護(hù)卡的全局配置信息等字段;用另外的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別描述保護(hù)卡硬件模式設(shè)置的基本信息、保護(hù)卡執(zhí)行操作時全局的臨時信息和保護(hù)卡使用的NDIS網(wǎng)卡驅(qū)動庫的基本信息。

(8) 計算機的基本信息:包括機器的名稱、分組號、機器號、MAC地址等字段。

4結(jié)語

基于Free卡的電腦教室自主維護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)100余所高等學(xué)校和網(wǎng)吧等大型計算機應(yīng)用場所，該系統(tǒng)在教育行業(yè)、培訓(xùn)機構(gòu)中的應(yīng)用必將減輕機房管理人員的工作量，提高工作效率。

參考文獻(xiàn):

[1] 李全忠，張軍本. 硬盤保護(hù)卡設(shè)置信息的安全恢復(fù)[J]. 計算機工程，2008，34(6):281-283.

[2] 謝建全. 一種對公用機房硬盤進(jìn)行有效保護(hù)的實現(xiàn)機制[J]. 計算機工程，2003，29(5):177-179.

Design and Analysis of Computer Room Self-maintenance System Based on Protection Card

FENG Hong-cai， XIANG Yun-zhu， LI Ya-qin

(Department of Computer and Information Engineering， Wuhan Polytechnic University， Wuhan 430023，China)

Abstract:With the computer room expanding its Scale and function， the maintenance and management of computer room become more difficult. According to practicality of computer room， the paper proposes a self-maintenance system which be made up of single system multi-channel， virtual systems， differences in copy， asset monitoring， system protection， classroom behavior management， remote management and billing modules， the whole implementation are on the base of analysising and using the basic function of hard disk protection card.

Key words: protection card;computer room;self-maintenance

(編輯:張玥)