虛擬存儲技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究論文

　　摘要：隨著計算機(jī)應(yīng)用的廣泛延伸和計算機(jī)性能的急劇提升，“大中小型機(jī)+終端”的計算機(jī)應(yīng)用模式逐步萎縮已持續(xù)多年�！胺�務(wù)器+客戶機(jī)”應(yīng)用模式的性能越來越高，應(yīng)用也越來越復(fù)雜，但目前的客戶機(jī)幾乎都很“胖”，幾乎承擔(dān)了所有業(yè)務(wù)功能，服務(wù)器只是承擔(dān)了數(shù)據(jù)存儲的功能。

　　目前，在很多機(jī)關(guān)企事業(yè)單位內(nèi)，PC機(jī)性能已遠(yuǎn)超實際應(yīng)用的需求，而且隨著規(guī)模的急劇膨脹和應(yīng)用的頻繁變化，管理壓力和總體擁有成本(TCO)在無限擴(kuò)張。我們認(rèn)為，借助于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬存儲技術(shù)的發(fā)展，“服務(wù)器+瘦客戶機(jī)”應(yīng)用時代將很快到來。

　　本篇文章主要探討如何借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用虛擬存儲技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域。

　　關(guān)鍵字：TCP/IP，虛擬存儲，SAN，瘦客戶機(jī)

　　一、問題引入

　　目前，在各類學(xué)校中，計算機(jī)的使用極為普及。其中除教師個人電腦外，應(yīng)用量較多的區(qū)域是多媒體教室、電子教室、電子閱覽室和公共計算機(jī)房、教師公共辦公區(qū)等，它們基本上采用獨(dú)立的胖客戶機(jī)模式，在管理和應(yīng)用上不同程度地存在以下問題和困難：

　　1、多媒體教室

　　傳統(tǒng)的多媒體教室采用分散式的計算機(jī)管理，每臺PC機(jī)相對獨(dú)立，擁有各自的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，但在使用過程中顯露出種種弊端：

　　不便于移動式辦公：同一位老師在不同的教室進(jìn)行授課時，必須在每個教室都安裝自己的課件，以及與之相配套的應(yīng)用軟件。由于不同的課件和應(yīng)用軟件對于操作系統(tǒng)的不同要求，以及不同課件之間，不同應(yīng)用軟件之間可能存在的沖突問題，使得老師在準(zhǔn)備授課的過程中，經(jīng)常遇到課件和與之相配套的應(yīng)用軟件不能順利安裝，甚至于成功安裝后，在授課時突然出現(xiàn)運(yùn)行故障，造成老師在多媒體教室中移動教學(xué)的不便。同時，因多位老師在同一臺機(jī)器上安裝自己的課件和應(yīng)用軟件，也使客戶機(jī)容易感染上病毒，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。以上兩種情況都增加了多媒體教室的系統(tǒng)管理員的工作量。

　　系統(tǒng)恢復(fù)性差：開放的Windows操作系統(tǒng)雖然使用簡單，但是誤操作、病毒破壞等情況的發(fā)生，會使系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)行錯誤或崩潰，導(dǎo)致系統(tǒng)不可用，從而需要重新安裝操作系統(tǒng)，直接影響到客戶機(jī)的正常使用。

　　部署難度大：為分散在各個多媒體教室里的客戶機(jī)逐一安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件需要花費(fèi)大量的時間，調(diào)試周期長，部署難度大。

　　2、電子教室

　　對于電子教室，上課的學(xué)生流動性很強(qiáng)，并經(jīng)常通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過外接設(shè)備（如U盤等）進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，這些途徑經(jīng)常給電子教室?guī)�來計算機(jī)病毒。病毒的破壞再加上學(xué)生的不正確操作和頻繁的軟件安裝、刪除，導(dǎo)致客戶機(jī)安裝的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件常常出現(xiàn)運(yùn)行故障。如果管理員不能及時進(jìn)行維護(hù)，則影響電子教室的正常使用。當(dāng)需要裝多個操作系統(tǒng)時，配置和分發(fā)復(fù)雜。

　　3、公共計算機(jī)房

　　在電子閱覽室和公共計算機(jī)房中，一般都使用硬件保護(hù)卡保護(hù)客戶機(jī)的操作系統(tǒng)。一臺客戶機(jī)會被多名學(xué)生使用，學(xué)生在對該機(jī)的操作系統(tǒng)進(jìn)行了個性化修改后，計算機(jī)一旦重啟，數(shù)據(jù)就會被系統(tǒng)自動釋放掉，不可保存。而對客戶機(jī)的公共數(shù)據(jù)分區(qū)，學(xué)生如果在該分區(qū)里存放個人數(shù)據(jù)，一方面是不能實現(xiàn)個人數(shù)據(jù)的保密，另一方面該數(shù)據(jù)可能被其他使用者刪除或破壞掉。所以公共計算機(jī)房的客戶機(jī)上不能存放學(xué)生的個人數(shù)據(jù)，也不能讓學(xué)生根據(jù)自己的要求修改操作系統(tǒng)。而且由于要應(yīng)對大量學(xué)生和大量課程，系統(tǒng)盤的應(yīng)用軟件裝得很龐大，系統(tǒng)啟動特別慢，各應(yīng)用軟件之間沖突也很多。

　　4、教師辦公用機(jī)

　　對于部分經(jīng)費(fèi)緊張的學(xué)校，一般是幾個教師合用一臺電腦，這尤其對高校是合理的，因為考慮了教師不坐班和去上課了，合用有助于提高電腦設(shè)備的利用率。但問題也隨之而來，每個老師都有其獨(dú)特的安裝需求和使用習(xí)慣，合用會導(dǎo)致教師之間使用和應(yīng)用電腦的別扭；其次，假設(shè)固定3人合用某一臺電腦，若某時刻該3位都來辦公了，如何辦?能否用其他空著的電腦？

　　種種以上這些問題和困難，仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，實際電腦硬件都是一樣的，原因關(guān)鍵是應(yīng)用環(huán)境，也就是軟件的差異性需求引起的，而軟件是裝在硬盤中的。所以若把硬盤向上遷移到服務(wù)器，然后能根據(jù)客戶機(jī)或用戶需求，自動配置各人所需的應(yīng)用環(huán)境，則問題就解決了。這就是虛擬存儲技術(shù)的應(yīng)用之一，也就是“服務(wù)器+瘦客戶機(jī)”應(yīng)用模式。

　　二、解決思路

　　1、傳統(tǒng)解決思路

　　解決學(xué)校電腦大批量，復(fù)雜應(yīng)用的困難，除了上述的硬盤保護(hù)卡外，還有硬盤克隆，無盤工作站等技術(shù)，但他們都有一些無法解決的缺陷，比如：

　　硬盤保護(hù)卡：

　　每臺PC安裝硬盤保護(hù)卡，學(xué)生不能修改操作系統(tǒng)，不能安裝自己需要的軟件。

　　出現(xiàn)硬盤保護(hù)卡駭客軟件，使硬盤保護(hù)卡失效，一旦事件產(chǎn)生，后果嚴(yán)重。

　　對用戶的約束非常大，每個用戶不能用個性化系統(tǒng)。

　　無盤工作站(EHD)：

　　所有用戶共享一套操作系統(tǒng)，故障點(diǎn)多。

　　一旦有人把操作系統(tǒng)損壞，所有人都不能使用。

　　無盤技術(shù)的缺陷，使其不能廣泛應(yīng)用。

　　2、虛擬存儲解決思路

　　伴隨著虛擬存儲技術(shù)在各領(lǐng)域的快速發(fā)展，各種存儲方案和存儲產(chǎn)品在各行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了一個前所未有的普及，隨之而誕生的IPSAN存儲技術(shù)也被廣泛地認(rèn)同并得以應(yīng)用。借助LAN內(nèi)高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（百兆到桌面），利用虛擬存儲技術(shù)實現(xiàn)“隨需而配”是完全可行的。想象一下，你存取網(wǎng)上鄰居的共享目錄，與存取你本機(jī)的目錄基本是一樣快的。

　　PCSAN是一種基于網(wǎng)絡(luò)存儲的新型計算環(huán)境管理系統(tǒng)，采用全球標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議TCP/IP，將網(wǎng)絡(luò)中所有的存儲資源集中存儲在由高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接的存儲管理服務(wù)器上，形成存儲硬盤池，在該服務(wù)器硬盤池上虛擬出多個網(wǎng)絡(luò)硬盤映射給客戶機(jī)使用。它采用虛擬存儲技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中存儲、網(wǎng)絡(luò)硬盤按需分配，借助快照和快速部署技術(shù)，實現(xiàn)簡單快速地網(wǎng)絡(luò)硬盤分配與軟件安裝；通過客戶機(jī)和不同的網(wǎng)絡(luò)磁盤實現(xiàn)動態(tài)映射，使客戶機(jī)能夠按需轉(zhuǎn)換角色，更好地被動態(tài)調(diào)度并組合計算資源和存儲資源，滿足不斷變化的需求。

　　見下圖，存儲區(qū)有A/B/C……等用戶的Win2K環(huán)境，有A的Linux環(huán)境等等……

　　3、虛擬存儲的工作原理

　　通過專用虛擬化系統(tǒng)軟件對多個網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備進(jìn)行管理，提供多個虛擬磁盤供客戶機(jī)使用，提高了存儲設(shè)備的利用率和可擴(kuò)展性，節(jié)約了管理成本，為用戶提供大容量、動態(tài)可擴(kuò)展的虛擬存儲空間。

　　在客戶端虛擬出多個虛擬磁盤，并根據(jù)默認(rèn)或定制的策略動態(tài)或靜態(tài)地為虛擬磁盤分配物理存儲空間。

　　動態(tài)分配時，沒有寫入數(shù)據(jù)時，虛擬磁盤不占用任何存儲資源；寫入新數(shù)據(jù)時，虛擬磁盤所消耗的存儲資源隨之自動增長，這樣可使實際分配的物理存儲空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于虛擬磁盤容量，從而提高存儲設(shè)備的空間使用率。

　　靜態(tài)分配時，虛擬磁盤的大小等同于為用戶分配的實際物理存儲空間，用戶不必關(guān)心數(shù)據(jù)的實際存儲位置和分布情況。

　　三、技術(shù)特點(diǎn)

　　1、按需分配

　　通過管理系統(tǒng)，在存儲管理服務(wù)器的統(tǒng)一存儲池中劃分網(wǎng)絡(luò)硬盤分配給客戶機(jī)使用。根據(jù)需求的不同，分配給客戶機(jī)使用的網(wǎng)絡(luò)硬盤也不同。

　　由于用戶只有在真正訪問虛擬存儲空間時才分配實際的物理空間，這種虛擬化存儲的存儲容量分配機(jī)制能夠極大提高存儲資源的利用率，最大限度地滿足用戶對存儲資源的空間需求。

　　按需動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)硬盤空間，提高網(wǎng)絡(luò)硬盤利用率。比如某個教師分到的空間是40G，但實際其只用了15G，那么在動態(tài)分配時，未用的25G是共享的。（靜態(tài)分配時是獨(dú)占的）

　　2、集中存儲

　　將客戶機(jī)上的硬盤集中存儲在存儲管理服務(wù)器上，便于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)備份和容災(zāi)，有效地保障了數(shù)據(jù)的安全性和可靠性�？赏ㄟ^Raid等技術(shù)保障數(shù)據(jù)的安全和不丟失。

　　每個虛擬磁盤提供的虛擬存儲空間可以分布在一個或多個存儲設(shè)備上，從而能夠?qū)崿F(xiàn)存儲設(shè)備的負(fù)載均衡和數(shù)據(jù)讀

　　寫的負(fù)載均衡。

　　3、存儲快照

　　采用世界先進(jìn)的虛擬共享存儲技術(shù)，在幾秒鐘內(nèi)實現(xiàn)對單個或多個網(wǎng)絡(luò)硬盤的復(fù)制。制作成硬盤模板，以便節(jié)省存儲空間；提高管理效率；方便快速部署。

　　采用相應(yīng)技術(shù)對虛擬磁盤的存儲空間進(jìn)行優(yōu)化，從而有效提高虛擬磁盤的性能。

　　4、快速部署

　　幾分鐘內(nèi)即可將通過快照技術(shù)復(fù)制的一塊或多塊網(wǎng)絡(luò)硬盤分配給客戶機(jī)，同時也完成了操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的安裝，并可投入使用。

　　5、動態(tài)映射

　　可以滿足一臺客戶機(jī)同時安裝多個網(wǎng)絡(luò)硬盤的需求，在客戶機(jī)啟動時，可根據(jù)需要選擇映射不同的網(wǎng)絡(luò)硬盤。不同的網(wǎng)絡(luò)硬盤提供不同的服務(wù)，通過改變服務(wù)，實現(xiàn)功能和角色的轉(zhuǎn)換；同樣，同一網(wǎng)絡(luò)硬盤可按需映射到不同的客戶機(jī)上，實現(xiàn)計算環(huán)境的靈活選擇。

　　可依據(jù)客戶機(jī)硬件參數(shù)或用戶名登錄不同的網(wǎng)絡(luò)硬盤，實施不同的應(yīng)用服務(wù)。

　　6、靈活計算

　　可將數(shù)據(jù)集中存儲于存儲管理服務(wù)器中，本地只進(jìn)行計算，使客戶機(jī)成為純粹的計算工具。用戶在任意一臺客戶機(jī)上輸入自己的用戶名與密碼，即可訪問到自己的網(wǎng)絡(luò)硬盤，實現(xiàn)真正的移動式辦公。

　　7、系統(tǒng)預(yù)約

　　根據(jù)用戶的不同應(yīng)用需求，到達(dá)預(yù)約時間時，使客戶機(jī)自動與預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)硬盤建立映射關(guān)系，當(dāng)使用期結(jié)束時，預(yù)約空間被自動刪除，資源自動釋放。

　　比如在以前，某機(jī)房明天要上機(jī)考試，今天整理環(huán)境后就必須封存。而采用虛擬存儲技術(shù)，則只要做好模板，到點(diǎn)了自動映射就可以了，根本不需封存，從而提高了機(jī)器的使用效率，方便老師的使用。

　　8、IP地址自動分配

　　當(dāng)新的網(wǎng)絡(luò)硬盤被分配后，系統(tǒng)自動從網(wǎng)絡(luò)存儲卡上獲取IP地址，設(shè)置為本機(jī)的IP地址，方便應(yīng)用。

　　9、系統(tǒng)還原

　　在使用的過程中，客戶機(jī)的系統(tǒng)遭受攻擊后（如人為破壞、病毒意外襲擊等），只需重新啟動客戶機(jī)即可將系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)；如果網(wǎng)絡(luò)硬盤上被加載了個性化數(shù)據(jù)，利用此功能同樣可實現(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù)，并且個性化數(shù)據(jù)不會丟失。

　　10、系統(tǒng)快速恢復(fù)

　　系統(tǒng)可以提供監(jiān)控和時時備份服務(wù)器配置信息的功能；當(dāng)服務(wù)器系統(tǒng)被破壞后，只需重新安裝操作系統(tǒng)，導(dǎo)入配置信息，即可馬上恢復(fù)使用。

　　11、數(shù)據(jù)共享

　　可設(shè)置一個公共數(shù)據(jù)區(qū)，供某組授權(quán)用戶數(shù)據(jù)交流用。（比如某課題組，某班級）

　　12、降低維護(hù)壓力

　　對管理大量電腦的網(wǎng)管員來說，其維護(hù)PC所花的時間，根據(jù)統(tǒng)計，90%來自于軟件，比如配置出錯；組件未裝；軟件沖突；操作失誤；病毒感染；軟件崩潰等等。通過存儲快照、快速部署、動態(tài)映射等技術(shù)，網(wǎng)管員只要管好服務(wù)器和確保網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)通，就可成幾十倍地降低維護(hù)壓力，提高工作效率，降低使用成本。

　　四、應(yīng)用示例

　　從以上解決思路和技術(shù)特點(diǎn)看，虛擬存儲技術(shù)結(jié)合了無盤工作站、網(wǎng)絡(luò)硬盤和硬盤保護(hù)還原等技術(shù)，同時又?jǐn)[脫了依賴具體操作系統(tǒng)的束縛，具有個性化配置和靈活管理的特點(diǎn)。在教育系統(tǒng)有良好的應(yīng)用前景，我們可輕松實現(xiàn)以下的案例：

　　1、教師公共辦公區(qū)

　　有20個教師，配10臺電腦，每個教師靜態(tài)分配一定容量的硬盤空間，形成自己獨(dú)立的應(yīng)用環(huán)境，無論哪臺電腦有空，都可以以自己賬號登錄后馬上進(jìn)入自己的工作環(huán)境。

　　2、多媒體教室

　　每個老師都可以根據(jù)自己課程的需要自由存放個人教學(xué)系統(tǒng)和教學(xué)軟件，無需在各個多媒體教室之間重復(fù)安裝教學(xué)課件，通過動態(tài)映射和靈活計算兩大功能，使老師無論到哪間教室授課，都可通過自己的用戶名和密碼訪問到自己的教學(xué)環(huán)境。

　　3、電子教室

　　一般可將電子教室的使用方式分為上課和考試兩種方式：

　　客戶機(jī)安裝時，采用快照技術(shù)，對成百臺客戶機(jī)同時安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，只需幾分鐘即可完成，實現(xiàn)客戶機(jī)的快速部署。

　　上課時，通過動態(tài)映射功能，實現(xiàn)在上課時客戶機(jī)與只裝有該課程內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)硬盤綁定，從而更好的控制學(xué)生的學(xué)習(xí)效果；系統(tǒng)還原和系統(tǒng)快速恢復(fù)功能，輕松應(yīng)對系統(tǒng)遭受意外襲擊和誤操作帶來的系統(tǒng)損壞。

　　考試時，通過系統(tǒng)預(yù)約功能，可確定在什么時間段內(nèi)，使用提供什么服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)硬盤。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)約開始時間時，存儲管理服務(wù)器會自動建立網(wǎng)絡(luò)硬盤和客戶機(jī)的默認(rèn)映射關(guān)系，只要啟動對應(yīng)的客戶機(jī)，就會得到預(yù)約的網(wǎng)絡(luò)硬盤服務(wù)�？荚囍�前不用再暫停對電子教室的使用，提高電子教室的使用效率。

　　4、公共機(jī)房

　　除快速部署通用環(huán)境外，對有些學(xué)生，比如畢業(yè)設(shè)計同學(xué)，可提供獨(dú)立的可啟動操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)硬盤，滿足學(xué)生期待已久的在公用計算機(jī)環(huán)境中擁有獨(dú)享空間的迫切需求，使存放的個人數(shù)據(jù)不被盜用或刪除。

　　另外，通過本系統(tǒng)可使學(xué)生能隨意改變、重新安裝自己的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，將學(xué)生學(xué)到的知識，理論與實踐相結(jié)合，提高學(xué)生實際操作的能力。

　　五、其他

　　確保數(shù)據(jù)能夠被訪問到并得到保護(hù)，以及能夠提供較高的可用性已成為重大的存儲管理難題。而且必須在滿足快速增長的存儲需求的同時控制成本。網(wǎng)絡(luò)虛擬存儲技術(shù)是一種較好的解決手段，

　　比如，某學(xué)校采購80臺電腦給教師，他們所需硬盤大小分別是40G、60G、80G、100G（各20臺），則總?cè)萘啃枨笫牵?/p>

　　40G*20臺+60G*20臺+80G*20臺+100G*20臺=5600G

　　考慮擴(kuò)充性（按20%余量）和方便，我們一般給每臺電腦一律配120G。浪費(fèi)的空間是：

　　（120G*80臺-5600G）/5600G=71.4%

　　如果考慮每臺電腦實際不會用完40G、60G、80G和100G，按每硬盤實際使用了60%計，若采用虛擬存儲技術(shù)，我們一般只要配5600G*60%=3360G的空間足夠應(yīng)付80臺電腦的實際應(yīng)用需求，節(jié)省率達(dá)：

　�。�120G*80臺-3360G）/3360G=185.7%

　　若以后要擴(kuò)充硬盤空間，只要在服務(wù)器再掛硬盤即可，可見按需分配對硬盤空間的節(jié)省效果和擴(kuò)充的方便性是多么巨大。

　　本文探討了網(wǎng)絡(luò)虛擬存儲技術(shù)在教育系統(tǒng)的應(yīng)用，實際上，只要有大批量的電腦應(yīng)用，本技術(shù)較低的TCO優(yōu)勢、管理優(yōu)勢和安全優(yōu)勢同樣存在：

　　在機(jī)關(guān)、事業(yè)單位：通過虛擬存儲技術(shù)，可以快速部署純粹的應(yīng)用環(huán)境；減少工作人員上班玩游戲、看電影概率；確保數(shù)據(jù)信息的安全；降低維護(hù)壓力。

　　對企業(yè)單位：除了上述優(yōu)勢外，尤其是，通過獨(dú)立組網(wǎng)，可完全兼顧企業(yè)內(nèi)部設(shè)計資料、財務(wù)資料等敏感資料的安全性和使用方便性，因為只要采用無盤、斷USB口、斷對外網(wǎng)絡(luò)出口的“服務(wù)器+瘦客戶機(jī)”模式就行了。

　　當(dāng)然網(wǎng)絡(luò)虛擬存儲技術(shù)建立在高速網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，而且硬盤池集中在服務(wù)器端，所以其整體性能依賴于網(wǎng)絡(luò)速度，服務(wù)器網(wǎng)卡性能，服務(wù)器I/O吞吐性能，以及磁盤讀寫性能。

　　我們認(rèn)為對大批量、持續(xù)的硬盤讀寫，比如50人同時看不同的電影，采用本技術(shù)性能下降比較大，而大多數(shù)應(yīng)用基本不會有明顯性能下降。

　　中科院計算所的國家高性能工程中心做過一個壓力測試，結(jié)論是:50臺PC共用一臺服務(wù)器，采用虛擬存儲技術(shù)，其啟動和訪問速度和原始PC直接掛接硬盤的速度基本相當(dāng)，無明顯差異。

　　服務(wù)器配置：單至強(qiáng)3.2CPU/2G內(nèi)存/6塊硬盤RAID5/1000M網(wǎng)卡

　　PC機(jī)：P4-2.8CPU/256M內(nèi)存/100M網(wǎng)卡

　　交換機(jī)：百兆端口，主干千兆

　　另外，服務(wù)器端的安全和穩(wěn)定也特別要重視。

　　綜上所述，我們認(rèn)為，建立在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬存儲技術(shù)基礎(chǔ)之上的“服務(wù)器+瘦客戶機(jī)”應(yīng)用模式將飛速發(fā)展，“當(dāng)硬盤變成網(wǎng)絡(luò)上的軟件服務(wù)時，IT和存儲系統(tǒng)的進(jìn)化，已經(jīng)展開!”

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