使用树莓派4B作为一台服务器

本文最后更新于：2023年2月9日 下午

树莓派是个一直听说，但是一直没玩过的东西，所以在今年年初搞了一块折腾了一段时间。在上面起了一些服务，确实很好玩。在上面搭建了私有网盘、Minecraft、SageMath还有几个密码学题目。这篇博客记录了我折腾树莓派的经历～

解决公网IP问题

我想在公网连接到家里的树莓派，访问到上面的服务，所以需要有公网IP或者使用frp内网穿透。当然如果不需要让树莓派暴露在公网下，就不需要搞公网IP了。

静态公网IP

如果有角度可以搞到企业专线，那还是很香的，不仅拥有运营商分配的静态公网IP，还有上下行相等的大带宽，当然费用也很高，也需要注册的企业资质。所以我是搞不到静态的公网IP。

动态公网IP

没有静态的，可以退而求其次搞动态的，跟运营商交涉一下是可以得到动态的公网IP的，虽然是上下行不对等的家庭带宽，但是作为服务器来说绰绰有余，已经远超很多便宜的云服务器了。

第一次我直接跟人工客服打电话申请要一个静态公网IP被拒绝了；然后第二天我又一次联系了人工客服，询问能不能申请动态的公网IP（可以说装摄像头要用到，不能说在家里搭建服务器），结果很快就回电通知我已经给了动态的公网IP，还算顺利～

Dynamic DNS

后面使用发现，我们这边的动态的公网IP大约2～3天变动一次，这就可以通过 Dynamic DNS（DDNS） 将动态的IP解析到固定的域名，就能通过固定的域名访问到服务器了。

DDNS需要服务端和本地各运行一个服务：本地的树莓派或路由器上运行一个服务，每隔一段时间（几分钟）就获取一下自己的公网IP，判断一下有没有发生改变，如果发生改变就将新的IP发送给服务端，服务端得到新的IP，就重新将域名解析到新的IP，所以是动态DNS。

DDNS的服务端只提供域名的动态解析服务，所以服务端的带宽对访问树莓派的速度没有影响（但是可能会影响到延时？实际使用没有明显感觉到）

DDNS服务：

  1. 直接使用一些网站（oray.com/3322.org/Dyndns.com/No-ip.com）免费提供的DDNS服务，但是他们给的域名都是比较杂乱的三级域名，需要再把自己租的阿里云/腾讯云域名CNAME解析到这个三级域名。花生壳（oray.com）可以免费使用；而No-ip.com免费版需要每30天登录上去手动续约。
  2. 使用自己的vps运行脚本为树莓派提供DDNS服务，由于需要通过脚本进行域名解析，所以需要在vps上安装对应的SDK，然后开发对应的脚本，可以直接将自己的阿里云/腾讯云域名解析到家里的公网IP。

我现在是选择使用花生壳（oray.com）的DDNS服务，只需要注册即可得到一个三级域名，通过控制台->域名->壳域名来查看。我的路由器是小米4A，可以在后台设置DDNS，选择“花生壳”并输入账号密码域名和检查IP的时间间隔即可。路由器不支持的话就需要在树莓派上运行一个脚本来发送新的IP。

也有很多树莓派玩家通过每次变动IP时，让树莓派将新IP发送给自己的邮箱，使自己总是可以知道最新的IP地址。

frp内网穿透

如果也申请不到动态IP，那就只能用frp做内网穿透了，需要借助一台有公网IP的vps，流量也都需要经过这台vps，所以享受不到家庭宽带的低价大带宽了。

测试上下行带宽

可以在 speedtest.cn 测试下行带宽和上行带宽（最好直接连网线测）。

从公网访问树莓派下载文件需要的是家里的上行带宽，而家庭宽带的上行都是很低的，只能去升级下行带宽，上行才能对应的提升一点。。。。所以如果感觉带宽不太够还是要去升级一下宽带的。

我家的联通宽带就不太行，一开始是100M下行，20M上行，实测大约下行90~100M，上行20~40M。于是换了500M下行，50M上行的宽带，实测大约下行450～550M，上行60～70M。

组装树莓派和安装Ubuntu

我的是树莓派4B。启动树莓派还需要有5V3A的电源和一张TF卡。

各版本树莓派的对照表：https://shumeipai.nxez.com/wp-content/uploads/2017/03/raspberrypi-version-compare-4b.png

然后就是愉快的组装环节，树莓派PCB边缘是有毛糙的，最好用砂纸磨光滑再装到壳子里。

写入Ubuntu镜像

树莓派支持安装很多种系统，我选择的是 Ubuntu Server 20.04.2 LTS 64-bit，可以在这里下载：https://ubuntu.com/download/raspberry-pi，先把镜像下载到本地，把TF卡插到读卡器里，再把读卡器插在这台电脑上。

电脑上需要安装 balenaEtcher 来为TF卡写入Ubuntu镜像，balenaEtcher 支持MacOS/Windows/Linux，可以在官网下载：https://www.balena.io/etcher/

写入镜像过程很简单，跟着点就可以，下图这样就是写入成功了。

写入完成后不需要手动推出磁盘（TF卡读卡器），可以直接拔掉，然后将TF卡插入树莓派即可。

树莓派的Wi-Fi网卡性能较弱，而搭NAS比较需要速度，所以我直接给树莓派插上了网线。这时就可以直接通电了，树莓派会自动开机。

内网SSH连接树莓派

现在就可以用电脑连接Wi-Fi并进入无线路由器的后台，应该可以看到连接路由器的所有设备的内网IP地址和MAC地址，等待几分钟可以看到一个设备的名称是ubuntu，接入方式是网线连接，那么这个就是树莓派了。可以通过 ssh ubuntu@内网IP来连接树莓派，默认密码是ubuntu。

公网SSH连接树莓派

接着可以设置一下路由器，为了防止树莓派的内网IP发生改变，需要在路由器后台，高级设置->DHCP静态IP分配 把树莓派的MAC地址和当前的内网IP地址绑定起来。然后为了让公网对路由器的访问都转向树莓派，高级设置->端口转发->开启DMZ，把DMZ这边的IP地址设置为树莓派的内网IP地址。这样设置完成之后，就可以通过 ssh ubuntu@公网IP 来远程控制树莓派了，公网IP地址可以通过访问 http://testipv6.com/来查看。

较为遗憾的是运营商一般会屏蔽掉80端口和443端口。。。所以如果在树莓派上起服务，只能通过端口访问，这个问题可以通过在一台有公网IP并且开着80端口的vps上配置Nginx反向代理来解决，不过这样的话流量还是要走vps，所以为了快速的下载上传文件，只能通过加着端口这种方法来访问了，不过好在最终速度理想。

初始配置

在同一文件夹下备份默认的源：

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sudo cp /etc/apt/sources.list /etc/apt/sources.list.bak

编辑 /etc/apt/sources.list 并替换成下面的内容：（sudo vim /etc/apt/sources.list）

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# 默认注释了源码镜像以提高 apt update 速度，如有需要可自行取消注释
deb https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu-ports/ focal main restricted universe multiverse
# deb-src https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu-ports/ focal main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu-ports/ focal-updates main restricted universe multiverse
# deb-src https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu-ports/ focal-updates main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu-ports/ focal-backports main restricted universe multiverse
# deb-src https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu-ports/ focal-backports main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu-ports/ focal-security main restricted universe multiverse
# deb-src https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu-ports/ focal-security main restricted universe multiverse

然后更新：

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sudo apt update
sudo apt upgrade

安装KodExplorer

私有云有很多种选择：seafile、nextcloud、KodExplorer等，我使用的是KodExplorer（可道云），比较美观并且可以创建低权限用户支持预览的格式也很多。

KodExplorer

官网链接：https://kodcloud.com/，官网的文档很详细。

为树莓派安装好lamp环境，然后将KodExplorer的文件夹放到web目录下即可，开放好对应的端口之后，我们就可以通过h ttp://[域名]/[目录名] 来访问到KodExplorer了。

不过要注意的是，服务要开在其他开放了的端口（80，443会被屏蔽）。

优化上传和下载的速度，可以按照这个方法操作一下：https://teddysun.com/489.html，速度提升非常明显。

挂载硬盘

安装好KodExplorer之后，就可以上传下载文件了，不过是存到TF卡里的，作为NAS当然需要给树莓派外挂硬盘，树莓派上有两个USB3.0接口和两个USB2.0接口，可以在这里挂上移动硬盘或者是硬盘加硬盘盒。

我使用的方法是给树莓派的USB3.0接口插了一个硬盘盒，可以自己选择需要大小的硬盘放在硬盘盒里，缺点是硬盘需要12v的供电，而树莓派的USB3.0仅有5v，所以需要给硬盘盒外接一个12v电源，不是很优雅，但硬盘的容量选择很多。

首先为了让树莓派支持ExFat和NTFS格式的硬盘，需要安装下面两个依赖：

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sudo apt-get install exfat-fuse
sudo apt-get install ntfs-3g

然后就可以挂载硬盘了，插上硬盘之后可以 sudo fdisk -l 来查看到自己的硬盘，然后 df -h 查看已经挂载的磁盘，这时这里是没有自己的硬盘的。

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sudo mkdir /www/wwwroot/[站点名称]/nas
sudo mount /dev/sda1  /www/wwwroot/[站点名称]/nas

[站点名称]换成自己的站点名称。

就可以通过 df -h 查看到已经挂载到这个目录的硬盘了，加载内核模块modprobe fuse，然后设置开机自动挂载，先 sudo vim /etc/fstab，然后在底部添加这一行：

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/dev/sda1  /www/wwwroot/[站点名称]/nas ntfs-3g defaults,nofail,noexec,umask=0000 0 0

安装SageMath

只需要一行命令，就可以在树莓派上安装好SageMath了，也可以很方便的为SageMath里的Python环境安装第三方包。

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sudo apt-get install sagemath --fix-missing
sage -python3 -m pip install pycryptodome

用 sage exp.sage 来直接运行sage脚本。

散热风扇改造

店家送的风扇只能直接连接树莓派的供电引脚，然后满转运行，我觉得这样很不优雅，至少应该像机箱的风扇一样，可以随着当前CPU温度改变转速，温度不太高的时候完全可以停下，可以尽可能的减小噪声，所以我开始动手改装了树莓派的风扇。

在寻找合适的树莓派风扇的过程中，偶然发现一种很强劲的小风扇：悬浮轴承、18128RPM、5V、直径3CM，这也太适合树莓派了，就选择它了。

然后是写脚本来控制转速，要利用到树莓派可玩性最高的东西——GPIO，可以用Python写脚本，并且GPIO支持pwm输出，通过调节占空比来调节转速。

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import RPi.GPIO as GPIO
import os
import time

# Configuration
PWM_BOARD_IN1 = 8       # BOARD pin used to drive PWM fan
PWM_BOARD_IN2 = 10      # BOARD pin (keep it LOW except want the fan to reverse)
WAIT_TIME = 1           # [s]  Time to wait between each refresh
PWM_FREQ = 25000        # [Hz] 25kHz for PWM control

MIN_TEMP = 35
MAX_TEMP = 65
FAN_LOW = 5
FAN_HIGH = 100
TEMP_COEFFICIENT = float(FAN_HIGH - FAN_LOW)/float(MAX_TEMP - MIN_TEMP) 

def setFanSpeed(speed):
    fan.start(speed)

def getCpuTemperature():
    res = os.popen('cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp').readline()
    return float(res)/1000

def handleFanSpeed(temperature):
    fanSpeed = round(FAN_LOW + (round(max(0, temperature-MIN_TEMP)) * TEMP_COEFFICIENT), 3)
    setFanSpeed(fanSpeed)
    with open("fan_speed", "w") as f:
        f.write(str(fanSpeed))

try:
    GPIO.setwarnings(False)
    GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
    out_list = [PWM_BOARD_IN1, PWM_BOARD_IN2]
    GPIO.setup(out_list, GPIO.OUT)
    GPIO.output(out_list, GPIO.LOW)
    fan = GPIO.PWM(out_list[0], PWM_FREQ)
    while True:
        handleFanSpeed(getCpuTemperature())
        time.sleep(WAIT_TIME)
except KeyboardInterrupt:
    setFanSpeed(50)

为了方便实时监控到树派的转速，脚本会一直吧速度写进fan_speed文件里，供另外一个程序获取。

开发树莓派资源监控页面

资源监控这边希望可以看到树莓派的公网IP、CPU温度、CPU的资源占用情况，ROM/RAM的资源占用情况，风扇的转速。

风扇的转速写在了文件里，并且实时更新，所以这边去获取一下即可。

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├── assets
│   ├── css
├── images
│   ├── js
│   └── vendors
├── fan_control
│   ├── fan_control.py
│   └── fan_speed
├── pi_dashboard.py
└── templates
    ├── assets
    │   ├── css
    │   ├── images
    │   ├── js
    │   └── vendors
    └── index.html

后端使用flask，前端用的是mazer组件库。

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from flask import Flask, render_template
import os
import re
import requests

app = Flask(__name__,template_folder='templates',static_folder="assets")

def get_cpu_temperature():
    try:
        res = os.popen('cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp').readline()
        temp = float(res)/1000
        return temp
    except:
        return "Error"


def get_cpu_info():
    try:
        res = os.popen("top -bn1 1 | grep Cpu").read()
        us = [float(i[:-3].strip(" ")) for i in re.findall(r"[0-9. ]*us", res)]
        sy = [float(i[:-3].strip(" ")) for i in re.findall(r"[0-9. ]*sy", res)]
        cpu_used = [round(x[0]+x[1], 1) for x in zip(us, sy)]
        assert len(cpu_used)==4
        return cpu_used
    except:
        return ["Error" for _ in range(4)]


def get_rom_info(Filesystem):
    '''return list: [Size, Used, Avail, Use%]'''
    try:
        res = os.popen("df -h").read()
        card_data = re.findall(Filesystem+"[0-9. KMG%]*", res)[0].split()[1:]
        card_data = [i[:-1] if (i[-1]=="G" or i[-1]=="%") else i for i in card_data]
        assert len(card_data)==4
        return card_data
    except:
        return ["Error" for _ in range(4)]


def get_public_ip():
    try:
        res = requests.get("http://members.3322.org/dyndns/getip")
        return res.text.strip()
    except:
        return "Error"


def get_intranet_ip():
    try:
        res = os.popen("hostname -i").read().split(" ")[0]
        return res
    except:
        return "Error"


def get_ram_info():
    try:
        res = os.popen('free').read()
        ram_info = re.findall("Mem:[0-9 ]*", res)[0].split()[1:3]
        return [str(int(i)//1024) for i in ram_info]
    except:
        return ["Error" for _ in range(2)]


def get_fan_speed():
    try:
        with open("fan_control/fan_speed", "r") as f:
            fan_speed = f.read()
        return fan_speed
    except:
        return "Error"

@app.route('/')
def dashboard_page():
    context = {
        "cpu_used":get_cpu_info(),
        "cpu_temp":get_cpu_temperature(),
        "fan_speed":get_fan_speed(),
        "ip_adress":{"intranet":get_intranet_ip(),"public":get_public_ip()},
        "ram":get_ram_info(),
        "rom":get_rom_info("/dev/mmcblk0p2"),
        "external_storage":get_rom_info("/dev/sda1")
    }
    return render_template('index.html', **context)


if __name__ == '__main__':
    app.run("0.0.0.0", 82)
# nohup gunicorn -w 4 -b 0.0.0.0:82 pi_dashboard:app &

按自己的需求写了一个简单的面板

感觉对我来说，树莓派是个比较有意思的玩具，折腾了一段时间学到了一些杂七杂八的东西，算是填补了一直以来对树莓派的好奇心。

用树莓派跑了一些脚本，虽然可以24h稳定运行，但是性能差点意思，还有一些服务由于各种原因导致在树莓派上兼容不是很好。

为了更强的性能、更稳定的运行一些服务，我后面又装了一台裸金属服务器～然后把树莓派挂咸鱼出掉了，由于树莓派在涨价，运行了半年的树莓派竟然没赔，理财产品了属于是。