Один из подходов к организации лаборатории для изучения

ОДИН ИЗ ПОДХОДОВ К ОРГАНИЗАЦИИ ЛАБОРАТОРИИ ДЛЯ
ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИН, ТРЕБУЮЩИХ ПОЛНОГО ДОСТУПА К
ПРОГРАММНОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ НА КОМПЬЮТЕРЕ
Дрючатый Г.Ф., Шалкин А.В.
Оренбургский государственный университет
При подготовке специалистов в области информационных технологий
(ИТ) необходимо изучение дисциплин, требующих практической работы на
компьютере. Некоторые дисциплины, такие как “Многопользовательские ОС”,
“Защита информации”, “Системное ПО”, “Сети”, “Базы данных” и др.
предполагают работу с системным программным обеспечением (ПО) с
полными правами доступа. В то же время предоставление полного доступа к
системному ПО неквалифицированному пользователю зачастую приводит к
нарушению функционирования всей вычислительной системы. Аналогичная
ситуация возникает и при проведении экспериментов над вычислительной
системой, что зачастую происходит при изучении вышеуказанных дисциплин.
Причины системных сбоев в данном случае заключаются в том, что происходит
изменение важных системных файлов и параметров. Такие изменения
практически трудно идентифицировать и, как следствие, исправить. В
большинстве случаев объем работ по восстановлению работоспособности
системы путем поиска и исправления сбоев превышает объем работ по
переустановке всего программного обеспечения в целом. Поэтому наиболее
часто используемым способом восстановления является переустановка
необходимого программного обеспечения.
Вышеупомянутый способ очень трудоемок. Например, переустановка и
настройка операционной системы (ОС) Windows 2000 с пакетом прикладных
программ занимает не менее одного человеко-дня. А для переустановки ОС
семейства UNIX может потребоваться от трех и более человеко-дней. Поэтому
данный подход неприемлем в учебных лабораториях, для которых характерно
большое
количество
обучающихся
и
недостаточное
количество
квалифицированного обслуживающего персонала.
Стремясь избежать частых нарушений работы вычислительных систем,
преподаватели ограничивают доступ обучающихся к критичным областям ПО
программным или административным методами. Нередко административный
метод не приводит к желаемому результату в силу ряда причин. Те или иные
ограничения доступа негативно влияют на качество обучения ИТ специалиста.
Работа учебных лабораторий предполагает занятия по различным
дисциплинам, требующим различного, несовместимого между собой ПО.
Выделение отдельных компьютеров для каждой ОС, используемой в процессе
обучение, неоправданно, так как требует больших расходов на приобретение
техники и создает дополнительную нагрузку на обслуживающий персонал.
В учебных лабораториях занимаются несколько параллельных потоков
обучающихся. Каждому обучающемуся необходимо сохранять результаты его
работы в течение всего периода обучения. Но результаты работы обучающегося
влияют на состояние всей вычислительной системы, что отражается на работе
других обучающихся.
Очевидно, что существует необходимость в разработке более
совершенного подхода к организации работы данных лабораторий. Поскольку
невозможно защитить вычислительную систему от сбоев при доступе к ней
неопытных пользователей с полными правами, следует разработать способ
оперативной установки требуемого комплекта ПО на компьютер перед
занятием и сохранения результатов работы после занятия для использования в
дальнейшем.
Задачу оперативной установки частично решают различные способы
автоматизации установки, такие как использование сценариев установки. Но не
все ПО допускает установку таким методом, и требует ручной настройки. Более
того, несмотря на частичную автоматизацию, такая установка не укладывается
в допустимые временные рамки.
Наиболее приемлемым представляется способ оперативной установки
ПО, в основе которого лежит принцип сохранения образа диска, содержащего
полностью сконфигурированное ПО системы, с последующим его
восстановлением.
На основе этого принципа нами разработан и более года успешно
используется программный комплекс, предназначенный для облегчения
процесса типовой установки ОС и пакета прикладного ПО на машины
одинаковой конфигурации. Необходимость в таком комплексе возникла при
вводе в эксплуатацию дисплейного класса в аудитории №3311 Оренбургского
государственного университета, содержащего более сорока однотипных
компьютеров. В существующей конфигурации данный программный комплекс
позволяет за достаточно короткий срок провести тиражирование установки
любой операционной системы на большое количество одинаковых машин.
Основной идеей является то, что при одинаковой аппаратной конфигурации
нескольких машин не обязательно проводить установку и настройку ПО на
каждую из них. Достаточно сконфигурировать одну машину и скопировать
побайтно образ жесткого диска в файл. Последующее тиражирование ПО
производится путем побайтного копирования образа из файла на жесткий диск
заданной машины, что можно сделать сколько угодно большое число раз для
любого количества одинаковых машин. Безусловно, потребуется некоторая
ручная настройка системы, в частности, смена IP-адреса и имени машины, ввод
ее в домен (для Windows NT и Windows 2000). Но трудоемкость изменения
сетевых настроек машины гораздо меньше трудоемкости полной установки и
настройки всего программного обеспечения.
Нами было выбрано сетевое хранение образов дисков. Использование
локальной сети облегчает процесс установки тем, что не требуется внешнего
носителя для переноса образов дисков с машины на машину. Пропускной
способности сети Fast Ethernet вполне достаточно для одновременного
копирования образов дисков на 10-12 компьютеров.
В качестве основной среды тиражирования нами используется
облегченная версия ОС Linux. Выбор данной ОС обусловило наличие в ней
развитых средств по работе с жесткими дисками, а также ее гибкость и
возможность по сетевой загрузке. При необходимости проведения работ с
жестким диском, в частности, копирования образа диска, компьютер
загружается по сети. Загрузка по сети осуществляется путем использования
открытой технологии PXE (Preboot Execution Environment), разработанной
компанией Intel , реализация которой в BIOS является стандартной для
большинства
современных
компьютеров.
После
загрузки
среды
тиражирования, оператор получает возможность создавать и удалять разделы
на жестком диске, форматировать его, работать с отдельными файлами на
большинстве из известных файловых систем, а также копировать образы как
всего диска, так и заданных разделов на сервер образов, содержимое которого
доступно по сети с помощью сетевой файловой системы NFS.
Первоначальная установка требуемой операционной системы пакета
прикладного ПО на компьютер-мастер производится обычным способом.
Единственная дополнительная операция, требуемая перед установкой – это
заполнение жесткого диска нулевыми байтами до создания разделов. При
копировании образа происходит компрессия данных, а, поскольку некоторая
часть файловой системы не содержит файлов, такая предварительная
подготовка диска позволяет уменьшить размер файла с образом на 40-50% по
сравнению с образом неподготовленного диска. После завершения установки и
настройки следует произвести загрузку на компьютер по сети среды
тиражирования. Далее оператор инициирует копирование образа диска, его
компрессию и запись в файл на диске сервера образов. Вся операция занимает
около 30 минут (для компьютеров PIII-833 МГц и сети Fast Ethernet).
При необходимости провести установку или переустановку системы на
каком-либо компьютере, оператор загружает на нем по сети среду
тиражирования. Далее он инициирует процедуру копирования, декомпрессии и
записи заданного образа диска с сервера на обслуживаемый компьютер. В
наших условиях (компьютеры PIII-833 МГц, 256 Мбайт ОЗУ; сервер PIII-833
МГц, 512 Мбайт ОЗУ, жесткий диск SCSI; локальная сеть разделяемый Fast
Ethernet) операция копирования занимает в среднем 10 минут. Причем, при
одновременном копировании образов дисков на несколько компьютеров, время
копирования практически не увеличивалось при увеличении числа
компьютеров до 10-12.
Аналогичный подход предлагается применить и при организации
учебной лаборатории для проведения лабораторных работ, требующих полного
доступа к системному ПО на компьютере. В качестве рабочих станций
рекомендуем использовать такие компьютеры, BIOS которых позволяет
осуществлять загрузку ОС по сети. Использование компьютеров одинаковой
конфигурации даст возможность создавать одинаковые образы дисков для
всего парка машин, что позволит уменьшить объем требуемого дискового
пространства на сервере и даст возможность обучающемуся работать со своим
комплектом ПО на любом компьютере в лаборатории. Для хранения образов
дисков желательно иметь отдельный сервер с высокоскоростной дисковой
подсистемой. Основное требование к такому серверу – большая емкость
дисковых накопителей. При среднем размере раздела, выделяемого на
установку ОС, 1 Гбайт и при компрессии образа 40%, требуемое место на
сервере для одного обучающегося составляет 400 Мбайт. Таким образом, для
потока из 30 человек на сервере образов требуется 12 Гбайт.
Для избежания конфликта IP адресов необходимо использование DHCP
сервера как во время загрузки среды копирования, так и при работе
установленной ОС. Использование LDAP сервера позволит производить
авторизацию пользователей централизованно, что позволит избежать
регистрации пользователей на каждом комплекте ПО и дополнительных
настроек.
При реализации данного подхода возможен следующий алгоритм работы.
Обучающийся или лаборант перед занятием запускает систему с
конфигурированной BIOS на загрузку по сети. В случае, если BIOS системы не
поддерживает данную функцию, то возможна загрузка через программу,
реализующую клиентскую часть протокола PXE. Далее предоставляется выбор
различных конфигураций системы из меню, а также предоставляется
возможность загрузки среды, которая позволит сохранить текущий образ диска
на сервере, или записать образа диска с нужной конфигурацией ОС с сервера.
Возможен и вариант, когда ОС небольшого объема может быть загружена в
память компьютера без изменения установленной системы. Далее, если
произошла перестановка ОС, необходимо перезапустить компьютер с текущей
конфигурацией. Затем обучающийся сможет приступать к работе. После
завершения работы, в случае необходимости, можно запустить среду, которая
сохранит измененный образ диска на сервере для дальнейшего использования.
Таким образом, использование данного подхода позволяет:
 оперативно менять системное и прикладное программное обеспечение в
лаборатории, для различных потоков обучающихся;
 дает возможность предоставлять работающим на компьютере полные права
доступа к системе, не опасаясь выхода системы из строя;
 сохранять и восстанавливать изменения в ПО системы для дальнейшей
работы.