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Einrichtung eines EDV-Labors für Bauingenieure

Christian Schranz, Institut für Hochbau und Technologie
Klaus Egler, Paul Torzicky
Die Fakultät für Bauingenieurwesen hat sich entschieden, ein zentrales EDV-Labor einzurichten. Diese Einrichtung gab es bis dato noch nicht. Es soll den Studierenden und Lehrenden im Bereich Bauingenieurwesen Arbeitsplatzrechner mit fachspezifischer Software anbieten. Das EDV-Labor soll für Lehrveranstaltungen, Übungen sowie Seminare mit/von Fremdfirmen eingesetzt werden.
Zwei Kriterien waren bei der Planung maßgebend: Einerseits soll sich die Verwaltung aller Arbeitsplätze möglichst einfach gestalten. Andererseits hat die Hardwarestruktur des EDV-Labors den Anforderungen der Benutzersoftware zu genügen. Zu dieser zählt neben dem üblichen Office-Paket und mathematischen Softwareprodukten, wie Wolfram Mathematica und Matlab, vor allem bauingenieurspezifische Software. Einige Beispiele seien angeführt:
Aufgrund der Benutzersoftware ist die Verwendung von MS Windows XP als Betriebssystem erforderlich.

Struktur des EDV-Labors

Während der Planung des EDV-Labors gab es Gespräche mit dem ZID über dessen Erfahrungen zu vorhandenen Systemen. Die Entscheidung fiel auf eine Server-Client- Lösung der Firma Ardence, Ardence Desktop Edition (s. http://www.ardence.com/enterprise/products.aspx?ID=83#), mit der einer der Autoren schon positive Erfahrungen in einem der ZID-Internet-Räume hat.
Dabei booten von einem entsprechend leistungsstarken Server alle Clients. Diese Lösung vereinfacht nicht nur den Installationsprozess sondern auch den Software-Update sowie die Neuinstallation von zusätzlicher Software. Diese Software zeichnet sich durch verschiedene Image-Modi aus, deren zwei normalerweise zum Einsatz kommen: Shared-Image Mode und Private-Image Mode.
Im Shared-Image Mode, auch als Virtual Disk Mode bezeichnet, können alle Arbeitsplatzrechner von diesem Image booten. Ardence Desktop Edition verwendet eindeutige Merkmale der Arbeitsplatzrechner für die Lizenzverwaltung (normalerweise mac-Adressen). Dadurch scheint jeder Arbeitsplatzrechner wie ein spezifischer Rechner auf, läuft aber nur von einem Image.
Im Private-Image Mode hat ein Arbeitsplatzrechner die Schreibberechtigung für das Image. Es kann dann natürlich nur ein Arbeitsplatzrechner mit diesem Image gebootet werden. Dieser Mode dient zur Veränderung des Images, z.B. für Betriebssystemupdates oder Softwareinstallationen.
Damit auf dem Server nur ein Arbeitsplatz-Image eingerichtet werden muss und somit die Verwaltung vereinfacht wird, müssen alle Arbeitsplatzrechner komplett gleich ausgestattet sein. Im EDV-Labor kommen daher 25 HP DC7600 (2,8 GHz und 1,0 GB RAM) zum Einsatz. Die eingebaute Festplatte ist deaktiviert, da sie für den Normalbetrieb eigentlich nicht erforderlich ist. Die Userdaten der Studenten werden auf den Studentenservern stud3.tuwien.ac.at und stud4.tuwien.ac.at unter den jeweiligen Studentenaccounts gespeichert. Dazu wird die Verbindung zu diesen Studentenservern via smb aufgebaut. Somit haben die Studenten alle ihre Daten zentral gespeichert und müssen sich nicht auf zusätzlichen Servern einloggen.
Damit die Leistungsfähigkeit im Netzwerk gegeben ist, wurde ein eigener Gbit-Switch angeschafft. Die Arbeitsplatzrechner sind mit Gbit-Verbindung an den Server angeschlossen.
Der eingesetzte Server muss entsprechend leistungsfähig sein. Es wird ein HP DL360 mit zwei Xeon-Prozessoren (3,0 GHz und 2,0 GB RAM) eingesetzt. Auf Redundanz wird besonders Wert gelegt. Daher sind zwei 72 GB Festplatten als gespiegelte Platten eingesetzt, das Netzgerät sowie die Kühler sind ebenfalls in doppelter Ausführung vorhanden. Als Betriebssystem wird Windows 2003 Server eingesetzt.
Der Server ist in diesem System ein single point of failure. Daher müssen "Notfall-Szenarien" für einen Serverausfall geplant werden.
Von besonderer Wichtigkeit ist dabei die gewählte Backup-Strategie unter der Prämisse einer möglichst hohen Verfügbarkeit des Systems. Nicht alle beschriebenen Backup-Strategien konnten komplett durchgetestet werden, da einerseits die entsprechende Hardware zum gegebenen Zeitpunkt noch nicht zur Verfügung stand bzw. die hohe Auslastung des EDV-Labors die notwendigen Testzeiten nicht gestattet. Dies wird in der vorlesungsfreien Zeit nachgeholt.
BI-Lab  BI-Lab
Das EDV-Labor für Bauingenieure
Im beschriebenen Labor wird in regelmäßigen Intervallen eine Sicherung des Gesamtsystems vorgenommen. Dazu wird ein Ghost-Image der Festplatte des Servers auf einem ZID-Server abgelegt. Bei einem Test im EDV-Labor dauerte sowohl das Backup aber vor allem das Recovery mindestens drei Stunden, weshalb diese Strategie für absolute Notfallszenarien ungeeignet ist. Sie kommt daher nur für Archivzwecke zur Anwendung.
Alternativ bietet sich die Anschaffung von Ersatzplatten der gespiegelten Platten an. Auf die Ersatzplatten wird regelmäßig über den Raidmechanismus der aktuelle Datenbestand gespeichert. Im Falle eines Datenverlustes auf den Orginalplatten kann der Betrieb durch einen Tausch der Platten sofort wieder aufgenommen werden.
Um für einen Totalausfall des Servers gewappnet zu sein, steht einer der Arbeitsplatzrechner als Ersatzserver zur Verfügung, der immer eine aktuelle Version des Datenbestandes des Servers enthält. Ein Arbeitsplatzrechner als Ersatzserver muss wegen der eingeschränkten Leis- tungsfähigkeit als Notlösung betrachtet werden. Die Anschaffung eines gleichwertigen Ersatzservers erscheint sinnvoll.
Eine weitere Möglichkeit bei einem Totalausfall des Servers wird durch Ardence Desktop Edition geboten. Dabei kopiert man die Images regelmäßig auf die lokale Festplatte der Arbeitsplatzrechner. Bei einem Totalausfall des Servers müssen nur die lokalen Festplatten der Arbeitsplatzrechner aktiviert werden. Einige Softwarepakete benötigen jedoch den Server als Lizenzserver. Während dieses absoluten Notbetriebes stehen diese Softwarepakete nicht zur Verfügung.
Es muss nicht gesondert darauf hingewiesen werden, dass die verwendeten Images immer auf aktuellem Stand gehalten werden müssen.

Aufbau und Installation

Die Aufbau- und Installationsarbeiten erfolgten in mehreren Schritten unter tatkräftiger Unterstützung mehrerer ZID-Mitarbeiter.

Schritt 1: Installation eines Arbeitsplatzes

Als Betriebssystem wurde auf diesem Arbeitsplatz MS Windows XP installiert. Dies ist notwendig, da bauingenieurspezifische Software fast gänzlich dieses Betriebssystem erfordert. Soweit schon bekannt wurde die Benutzersoftware installiert. Für die Validierung der Studentenaccounts wurde ein eigener Validierungsmodul des ZID installiert. Dies wird weiter unten noch genauer beschrieben. Die Studentenaccounts sind hiebei derzeit nur als Standardaccounts verfügbar. Vereinzelte Software-Pakete (wie Nemetschek Allplan) erfordern jedoch Hauptbenutzer-Rechte für die Benutzer. Daher wurden einige generelle Accounts eingerichtet, unter anderem einer mit Hauptbenutzer-Rechten. Danach wurden auch alle aktuellen Treiber und Patches sowie die Ardence Client Software installiert.

Schritt 2: Server einrichten

Als Betriebssystem wurde MS Windows 2003 Server verwendet. Für einige Softwarepakete waren noch einzelne Lizenzserver notwendig. Das Hauptaugenmerk galt aber der Installation der Distributionssoftware Ardence Desktop Edition.
Die Software Ardence Desktop Edition beinhaltet auch einen dhcp-Server sowie einen boot-PXE-Server für die Arbeitsplatzrechner. In der entsprechenden Konfigurationsdatei des dhcp-Servers wurden die mac-Adressen aller Rechner eingetragen und mit fixen IP-Adressen belegt. Somit kann jeder Rechner mittels seiner IP-Adresse identifiziert werden.

Schritt 3: Image erzeugen

Im dritten Schritt wurde das Image des bereits installierten Arbeitsplatzrechners am Server erzeugt. Für die Arbeitsplatzrechner musste eine Image-Größe festgelegt werden; diese beinhaltet das zu installierende Betriebssystem, die Benutzersoftware sowie eventuelle Benutzerdaten. Danach wurde eine Virtuelle Disk erzeugt; ein Schritt, der längere Zeit beanspruchte. Die Virtuelle Disk wurde dann am Server gemountet und formatiert. Auch hier sollte man eine längere Zeitdauer einplanen. Während dieses Schrittes durften keine USB-Dongles angesteckt sein, da diese denselben Laufwerksbuchstaben wie die Virtuelle Disk beanspruchten. Ein Formatieren hätte dann den Dongle beschädigen können. Die Virtuelle Disk musste dann den zuerst installierten und in der dhcp- Konfigurationsdatei definierten Arbeitsplatzrechnern zugeordnet werden. Die Virtuelle Disk wurde danach in Ardence Desktop Edition auf Harddisk First umgestellt.
Der Arbeitsplatzrechner musste nun auf Remote Boot umgestellt werden. Danach konnte das Image des Arbeitsplatzrechners mittels Ardence Desktop Edition auf die Virtuelle Disk geschrieben werden.

Schritt 4: Aktivierung des Images für alle Arbeitsplatzrechner

Im vierten Schritt wurde der Arbeitsplatzrechner in Ardence Desktop Edition von Harddisk First auf Virtual Disk umgestellt, und danach das Image von Private-Image Mode auf Shared-Image Mode. Somit war das Image für alle Arbeitsplatzrechner verfügbar. Danach konnten alle Rechner gestartet werden.

User-Validierung über TU-Passwort

Das Programm Gina von XPA-Systems (http://pgina. xpasystems.com/) kommt zum Einsatz. Beim Login des Benutzers werden nacheinander die Studentenserver stud3.tuwien.ac.at und stud4.tuwien.ac.at abgefragt. Falls auf einem der beiden Server ein erfolgreiches Login möglich ist, wird die Nutzung des Rechners gestattet. Secure Pop oder SFTP können dabei als Validierungsprotokoll verwendet werden. Alle Studierenden mit gültigem Studentenaccount können somit validiert werden, ohne eigene Accounts im EDV-Labor anlegen zu müssen. Dieser Validierungs- und Authentifizierungsablauf ist derzeit noch in Diskussion und kann sich noch ändern.
Eine direkte Beschränkung auf eine Studienrichtung ist noch nicht möglich. Es wird aber daran gearbeitet, dies zu ändern. Eine diskutierte Möglichkeit beinhaltet den Gruppenmodus im TUWIS++. Bei dieser Möglichkeit muss eine Gruppe eingerichtet werden, deren darin angemeldete Studenten dann bestätigt werden müssen. Nach dieser Bestätigung sollten diese Studentenaccounts vom ZID als zulässige für die Validierung verwendet werden. Dies böte die Möglichkeit, noch vor Anmeldungsbeginn diverse Vorbedingungen zu verlangen, die dann automatisch kontrolliert werden sollten. Dies entspricht in etwa der TU Wien E-Learning Authentifizierung (tuwel.tuwien.ac.at). Diese Möglichkeit ist jedoch erst in Diskussion und kann so leider noch nicht eingesetzt werden.

Erfahrungen und Probleme

Ein nunmehr schon dreimonatiger Betrieb verläuft zur vollsten Zufriedenheit. Es sind keine systembedingten Probleme aufgetreten. Besonders die Wartung stellte sich als besonders einfach dar.
Während dieser Zeit wurde schon mehrmals zusätzliche Software installiert. Dabei müssen alle Rechner ausgeschaltet werden. Danach wird das Image auf Private-Image Mode umgestellt. Nun kann ein Rechner wieder im Private-Image Mode gestartet werden. Dieser greift nun schreibberechtigt auf das Image am Server zu. Nachdem die Software installiert, eingerichtet und getestet ist, wird der Rechner wieder heruntergefahren. Das Image kann wieder in den Shared-Image Mode umgestellt werden. Die Software ist nun nach einem Neustart auf allen Rechnern verfügbar. Dieser Vorgang bewegt sich im Minuten-Bereich.
Im Folgenden sind einige Probleme, die während des Betriebes auftraten, aufgelistet. Diese sind jedoch rein logistischer Natur, und hätten schon im Vorhinein verhindert werden können. Die Auflistung dient hier daher dem Erfahrungsaustausch.

Zusammenfassung

Der Betrieb des EDV-Labors läuft zur absoluten Zufriedenheit. Alle bis jetzt aufgetretenen Probleme waren rein logistischer Natur, welche im Voraus hätten verhindert werden können. Da es sich dabei noch dazu nur um Kleinigkeiten handelte, konnten diese auch rasch beseitigt werden. Im laufenden Betrieb traten wie erwartet keinerlei systembedingte Probleme auf.
Das geplante und hier eingesetzte Konzept hat sich als absolut passend für EDV-Labors erwiesen. Die Vorteile seien hier nochmals aufgelistet:
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