虛擬存儲技術(shù)在教育領(lǐng)域的應用研究論文
摘要：隨著(zhù)計算機應用的廣泛延伸和計算機性能的急劇提升，“大中小型機+終端”的計算機應用模式逐步萎縮已持續多年�！胺⻊�(wù)器+客戶(hù)機”應用模式的性能越來(lái)越高，應用也越來(lái)越復雜，但目前的客戶(hù)機幾乎都很“胖”，幾乎承擔了所有業(yè)務(wù)功能，服務(wù)器只是承擔了數據存儲的功能。
目前，在很多機關(guān)企事業(yè)單位內，PC機性能已遠超實(shí)際應用的需求，而且隨著(zhù)規模的急劇膨脹和應用的頻繁變化，管理壓力和總體擁有成本(TCO)在無(wú)限擴張。我們認為，借助于現代網(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(hù)機”應用時(shí)代將很快到來(lái)。
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)應用于教育領(lǐng)域。
關(guān)鍵字：TCP/IP，虛擬存儲，SAN，瘦客戶(hù)機
一、問(wèn)題引入
目前，在各類(lèi)學(xué)校中，計算機的使用極為普及。其中除教師個(gè)人電腦外，應用量較多的區域是多媒體教室、電子教室、電子閱覽室和公共計算機房、教師公共辦公區等，它們基本上采用獨立的胖客戶(hù)機模式，在管理和應用上不同程度地存在以下問(wèn)題和困難：
1、多媒體教室
傳統的多媒體教室采用分散式的計算機管理，每臺PC機相對獨立，擁有各自的操作系統和應用軟件，但在使用過(guò)程中顯露出種種弊端：
不便于移動(dòng)式辦公：同一位老師在不同的教室進(jìn)行授課時(shí)，必須在每個(gè)教室都安裝自己的課件，以及與之相配套的應用軟件。由于不同的課件和應用軟件對于操作系統的不同要求，以及不同課件之間，不同應用軟件之間可能存在的沖突問(wèn)題，使得老師在準備授課的過(guò)程中，經(jīng)常遇到課件和與之相配套的應用軟件不能順利安裝，甚至于成功安裝后，在授課時(shí)突然出現運行故障，造成老師在多媒體教室中移動(dòng)教學(xué)的不便。同時(shí)，因多位老師在同一臺機器上安裝自己的課件和應用軟件，也使客戶(hù)機容易感染上病毒，影響系統的正常運行。以上兩種情況都增加了多媒體教室的系統管理員的工作量。
系統恢復性差：開(kāi)放的Windows操作系統雖然使用簡(jiǎn)單，但是誤操作、病毒破壞等情況的發(fā)生，會(huì )使系統發(fā)生運行錯誤或崩潰，導致系統不可用，從而需要重新安裝操作系統，直接影響到客戶(hù)機的正常使用。
部署難度大：為分散在各個(gè)多媒體教室里的客戶(hù)機逐一安裝操作系統和應用軟件需要花費大量的時(shí)間，調試周期長(cháng)，部署難度大。
2、電子教室
對于電子教室，上課的學(xué)生流動(dòng)性很強，并經(jīng)常通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸，通過(guò)外接設備（如U盤(pán)等）進(jìn)行數據存儲，這些途徑經(jīng)常給電子教室帶來(lái)計算機病毒。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，導致客戶(hù)機安裝的操作系統和應用軟件常常出現運行故障。如果管理員不能及時(shí)進(jìn)行維護，則影響電子教室的正常使用。當需要裝多個(gè)操作系統時(shí)，配置和分發(fā)復雜。
3、公共計算機房
在電子閱覽室和公共計算機房中，一般都使用硬件保護卡保護客戶(hù)機的操作系統。一臺客戶(hù)機會(huì )被多名學(xué)生使用，學(xué)生在對該機的操作系統進(jìn)行了個(gè)性化修改后，計算機一旦重啟，數據就會(huì )被系統自動(dòng)釋放掉，不可保存。而對客戶(hù)機的公共數據分區，學(xué)生如果在該分區里存放個(gè)人數據，一方面是不能實(shí)現個(gè)人數據的保密，另一方面該數據可能被其他使用者刪除或破壞掉。所以公共計算機房的客戶(hù)機上不能存放學(xué)生的個(gè)人數據，也不能讓學(xué)生根據自己的要求修改操作系統。而且由于要應對大量學(xué)生和大量課程，系統盤(pán)的應用軟件裝得很龐大，系統啟動(dòng)特別慢，各應用軟件之間沖突也很多。
4、教師辦公用機
對于部分經(jīng)費緊張的學(xué)校，一般是幾個(gè)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備的利用率。但問(wèn)題也隨之而來(lái)，每個(gè)老師都有其獨特的安裝需求和使用習慣，合用會(huì )導致教師之間使用和應用電腦的別扭；其次，假設固定3人合用某一臺電腦，若某時(shí)刻該3位都來(lái)辦公了，如何辦?能否用其他空著(zhù)的電腦？
種種以上這些問(wèn)題和困難，仔細分析發(fā)現，實(shí)際電腦硬件都是一樣的，原因關(guān)鍵是應用環(huán)境，也就是軟件的差異性需求引起的，而軟件是裝在硬盤(pán)中的。所以若把硬盤(pán)向上遷移到服務(wù)器，然后能根據客戶(hù)機或用戶(hù)需求，自動(dòng)配置各人所需的應用環(huán)境，則問(wèn)題就解決了。這就是虛擬存儲技術(shù)的應用之一，也就是“服務(wù)器+瘦客戶(hù)機”應用模式。
二、解決思路
1、傳統解決思路
解決學(xué)校電腦大批量，復雜應用的困難，除了上述的硬盤(pán)保護卡外，還有硬盤(pán)克隆，無(wú)盤(pán)工作站等技術(shù)，但他們都有一些無(wú)法解決的缺陷，比如：
硬盤(pán)保護卡：
每臺PC安裝硬盤(pán)保護卡，學(xué)生不能修改操作系統，不能安裝自己需要的軟件。
出現硬盤(pán)保護卡駭客軟件，使硬盤(pán)保護卡失效，一旦事件產(chǎn)生，后果嚴重。
對用戶(hù)的約束非常大，每個(gè)用戶(hù)不能用個(gè)性化系統。
無(wú)盤(pán)工作站(EHD)：
所有用戶(hù)共享一套操作系統，故障點(diǎn)多。
一旦有人把操作系統損壞，所有人都不能使用。
無(wú)盤(pán)技術(shù)的缺陷，使其不能廣泛應用。
2、虛擬存儲解決思路
伴隨著(zhù)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)的應用已經(jīng)達到了一個(gè)前所未有的普及，隨之而誕生的IPSAN存儲技術(shù)也被廣泛地認同并得以應用。借助LAN內高速網(wǎng)絡(luò )技術(shù)（百兆到桌面），利用虛擬存儲技術(shù)實(shí)現“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，采用全球標準的通訊協(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(pán)池，在該服務(wù)器硬盤(pán)池上虛擬出多個(gè)網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)映射給客戶(hù)機使用。它采用虛擬存儲技術(shù)，實(shí)現數據集中存儲、網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)按需分配，借助快照和快速部署技術(shù)，實(shí)現簡(jiǎn)單快速地網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)分配與軟件安裝；通過(guò)客戶(hù)機和不同的網(wǎng)絡(luò )磁盤(pán)實(shí)現動(dòng)態(tài)映射，使客戶(hù)機能夠按需轉換角色，更好地被動(dòng)態(tài)調度并組合計算資源和存儲資源，滿(mǎn)足不斷變化的需求。
見(jiàn)下圖，存儲區有A/B/C……等用戶(hù)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(guò)專(zhuān)用虛擬化系統軟件對多個(gè)網(wǎng)絡(luò )存儲設備進(jìn)行管理，提供多個(gè)虛擬磁盤(pán)供客戶(hù)機使用，提高了存儲設備的利用率和可擴展性，節約了管理成本，為用戶(hù)提供大容量、動(dòng)態(tài)可擴展的虛擬存儲空間。
在客戶(hù)端虛擬出多個(gè)虛擬磁盤(pán)，并根據默認或定制的策略動(dòng)態(tài)或靜態(tài)地為虛擬磁盤(pán)分配物理存儲空間。
動(dòng)態(tài)分配時(shí)，沒(méi)有寫(xiě)入數據時(shí)，虛擬磁盤(pán)不占用任何存儲資源；寫(xiě)入新數據時(shí)，虛擬磁盤(pán)所消耗的存儲資源隨之自動(dòng)增長(cháng)，這樣可使實(shí)際分配的物理存儲空間遠遠小于虛擬磁盤(pán)容量，從而提高存儲設備的空間使用率。
靜態(tài)分配時(shí)，虛擬磁盤(pán)的大小等同于為用戶(hù)分配的實(shí)際物理存儲空間，用戶(hù)不必關(guān)心數據的實(shí)際存儲位置和分布情況。
三、技術(shù)特點(diǎn)
1、按需分配
通過(guò)管理系統，在存儲管理服務(wù)器的統一存儲池中劃分網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)分配給客戶(hù)機使用。根據需求的不同，分配給客戶(hù)機使用的網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)也不同。
由于用戶(hù)只有在真正訪(fǎng)問(wèn)虛擬存儲空間時(shí)才分配實(shí)際的物理空間，這種虛擬化存儲的存儲容量分配機制能夠極大提高存儲資源的利用率，最大限度地滿(mǎn)足用戶(hù)對存儲資源的空間需求。
按需動(dòng)態(tài)分配網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)空間，提高網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)利用率。比如某個(gè)教師分到的空間是40G，但實(shí)際其只用了15G，那么在動(dòng)態(tài)分配時(shí)，未用的25G是共享的。（靜態(tài)分配時(shí)是獨占的）
2、集中存儲
將客戶(hù)機上的硬盤(pán)集中存儲在存儲管理服務(wù)器上，便于統一的數據備份和容災，有效地保障了數據的安全性和可靠性�？赏ㄟ^(guò)Raid等技術(shù)保障數據的安全和不丟失。
每個(gè)虛擬磁盤(pán)提供的虛擬存儲空間可以分布在一個(gè)或多個(gè)存儲設備上，從而能夠實(shí)現存儲設備的負載均衡和數據讀
寫(xiě)的負載均衡。
3、存儲快照
采用世界先進(jìn)的虛擬共享存儲技術(shù)，在幾秒鐘內實(shí)現對單個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)的復制。制作成硬盤(pán)模板，以便節省存儲空間；提高管理效率；方便快速部署。
采用相應技術(shù)對虛擬磁盤(pán)的存儲空間進(jìn)行優(yōu)化，從而有效提高虛擬磁盤(pán)的性能。
4、快速部署
幾分鐘內即可將通過(guò)快照技術(shù)復制的一塊或多塊網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)分配給客戶(hù)機，同時(shí)也完成了操作系統和應用軟件的安裝，并可投入使用。
5、動(dòng)態(tài)映射
可以滿(mǎn)足一臺客戶(hù)機同時(shí)安裝多個(gè)網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)的需求，在客戶(hù)機啟動(dòng)時(shí)，可根據需要選擇映射不同的網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)。不同的網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)提供不同的服務(wù)，通過(guò)改變服務(wù)，實(shí)現功能和角色的轉換；同樣，同一網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)可按需映射到不同的客戶(hù)機上，實(shí)現計算環(huán)境的靈活選擇。
可依據客戶(hù)機硬件參數或用戶(hù)名登錄不同的網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)，實(shí)施不同的應用服務(wù)。
6、靈活計算
可將數據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(hù)機成為純粹的計算工具。用戶(hù)在任意一臺客戶(hù)機上輸入自己的用戶(hù)名與密碼，即可訪(fǎng)問(wèn)到自己的網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)，實(shí)現真正的移動(dòng)式辦公。
7、系統預約
根據用戶(hù)的不同應用需求，到達預約時(shí)間時(shí)，使客戶(hù)機自動(dòng)與預設的網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)建立映射關(guān)系，當使用期結束時(shí)，預約空間被自動(dòng)刪除，資源自動(dòng)釋放。
比如在以前，某機房明天要上機考試，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(dòng)映射就可以了，根本不需封存，從而提高了機器的使用效率，方便老師的使用。
8、IP地址自動(dòng)分配
當新的網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)被分配后，系統自動(dòng)從網(wǎng)絡(luò )存儲卡上獲取IP地址，設置為本機的IP地址，方便應用。
9、系統還原
在使用的過(guò)程中，客戶(hù)機的系統遭受攻擊后（如人為破壞、病毒意外襲擊等），只需重新啟動(dòng)客戶(hù)機即可將系統恢復到初始狀態(tài)；如果網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)上被加載了個(gè)性化數據，利用此功能同樣可實(shí)現系統恢復，并且個(gè)性化數據不會(huì )丟失。
10、系統快速恢復
系統可以提供監控和時(shí)時(shí)備份服務(wù)器配置信息的功能；當服務(wù)器系統被破壞后，只需重新安裝操作系統，導入配置信息，即可馬上恢復使用。
11、數據共享
可設置一個(gè)公共數據區，供某組授權用戶(hù)數據交流用。（比如某課題組，某班級）
12、降低維護壓力
對管理大量電腦的網(wǎng)管員來(lái)說(shuō)，其維護PC所花的時(shí)間，根據統計，90%來(lái)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(guò)存儲快照、快速部署、動(dòng)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 )導通，就可成幾十倍地降低維護壓力，提高工作效率，降低使用成本。
四、應用示例
從以上解決思路和技術(shù)特點(diǎn)看，虛擬存儲技術(shù)結合了無(wú)盤(pán)工作站、網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)和硬盤(pán)保護還原等技術(shù)，同時(shí)又擺脫了依賴(lài)具體操作系統的束縛，具有個(gè)性化配置和靈活管理的特點(diǎn)。在教育系統有良好的應用前景，我們可輕松實(shí)現以下的案例：
1、教師公共辦公區
有20個(gè)教師，配10臺電腦，每個(gè)教師靜態(tài)分配一定容量的硬盤(pán)空間，形成自己獨立的應用環(huán)境，無(wú)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(gè)老師都可以根據自己課程的需要自由存放個(gè)人教學(xué)系統和教學(xué)軟件，無(wú)需在各個(gè)多媒體教室之間重復安裝教學(xué)課件，通過(guò)動(dòng)態(tài)映射和靈活計算兩大功能，使老師無(wú)論到哪間教室授課，都可通過(guò)自己的用戶(hù)名和密碼訪(fǎng)問(wèn)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(hù)機安裝時(shí)，采用快照技術(shù)，對成百臺客戶(hù)機同時(shí)安裝操作系統和應用軟件，只需幾分鐘即可完成，實(shí)現客戶(hù)機的快速部署。
上課時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)映射功能，實(shí)現在上課時(shí)客戶(hù)機與只裝有該課程內容的網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)綁定，從而更好的控制學(xué)生的學(xué)習效果；系統還原和系統快速恢復功能，輕松應對系統遭受意外襲擊和誤操作帶來(lái)的系統損壞。
考試時(shí)，通過(guò)系統預約功能，可確定在什么時(shí)間段內，使用提供什么服務(wù)的網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)。當到達預約開(kāi)始時(shí)間時(shí)，存儲管理服務(wù)器會(huì )自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)和客戶(hù)機的默認映射關(guān)系，只要啟動(dòng)對應的客戶(hù)機，就會(huì )得到預約的網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)服務(wù)�？荚囍安挥迷贂和﹄娮咏淌业氖褂�，提高電子教室的使用效率。
4、公共機房
除快速部署通用環(huán)境外，對有些學(xué)生，比如畢業(yè)設計同學(xué)，可提供獨立的可啟動(dòng)操作系統的網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)，滿(mǎn)足學(xué)生期待已久的在公用計算機環(huán)境中擁有獨享空間的迫切需求，使存放的個(gè)人數據不被盜用或刪除。
另外，通過(guò)本系統可使學(xué)生能隨意改變、重新安裝自己的操作系統和應用軟件，將學(xué)生學(xué)到的知識，理論與實(shí)踐相結合，提高學(xué)生實(shí)際操作的能力。
五、其他
確保數據能夠被訪(fǎng)問(wèn)到并得到保護，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(mǎn)足快速增長(cháng)的存儲需求的同時(shí)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(pán)大小分別是40G、60G、80G、100G（各20臺），則總容量需求是：
40G*20臺+60G*20臺+80G*20臺+100G*20臺=5600G
考慮擴充性（按20%余量）和方便，我們一般給每臺電腦一律配120G。浪費的空間是：
�。�120G*80臺-5600G）/5600G=71.4%
如果考慮每臺電腦實(shí)際不會(huì )用完40G、60G、80G和100G，按每硬盤(pán)實(shí)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的空間足夠應付80臺電腦的實(shí)際應用需求，節省率達：
�。�120G*80臺-3360G）/3360G=185.7%
若以后要擴充硬盤(pán)空間，只要在服務(wù)器再掛硬盤(pán)即可，可見(jiàn)按需分配對硬盤(pán)空間的節省效果和擴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)在教育系統的應用，實(shí)際上，只要有大批量的電腦應用，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：
在機關(guān)、事業(yè)單位：通過(guò)虛擬存儲技術(shù)，可以快速部署純粹的應用環(huán)境；減少工作人員上班玩游戲、看電影概率；確保數據信息的安全；降低維護壓力。
對企業(yè)單位：除了上述優(yōu)勢外，尤其是，通過(guò)獨立組網(wǎng)，可完全兼顧企業(yè)內部設計資料、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(wú)盤(pán)、斷USB口、斷對外網(wǎng)絡(luò )出口的“服務(wù)器+瘦客戶(hù)機”模式就行了。
當然網(wǎng)絡(luò )虛擬存儲技術(shù)建立在高速網(wǎng)絡(luò )基礎上，而且硬盤(pán)池集中在服務(wù)器端，所以其整體性能依賴(lài)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(pán)讀寫(xiě)性能。
我們認為對大批量、持續的硬盤(pán)讀寫(xiě)，比如50人同時(shí)看不同的電影，采用本技術(shù)性能下降比較大，而大多數應用基本不會(huì )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(guò)一個(gè)壓力測試，結論是:50臺PC共用一臺服務(wù)器，采用虛擬存儲技術(shù)，其啟動(dòng)和訪(fǎng)問(wèn)速度和原始PC直接掛接硬盤(pán)的速度基本相當，無(wú)明顯差異。
服務(wù)器配置：?jiǎn)沃翉?.2CPU/2G內存/6塊硬盤(pán)RAID5/1000M網(wǎng)卡
PC機：P4-2.8CPU/256M內存/100M網(wǎng)卡
交換機：百兆端口，主干千兆
另外，服務(wù)器端的安全和穩定也特別要重視。
綜上所述，我們認為，建立在現代網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和虛擬存儲技術(shù)基礎之上的“服務(wù)器+瘦客戶(hù)機”應用模式將飛速發(fā)展，“當硬盤(pán)變成網(wǎng)絡(luò )上的軟件服務(wù)時(shí)，IT和存儲系統的進(jìn)化，已經(jīng)展開(kāi)!”
【虛擬存儲技術(shù)在教育領(lǐng)域的應用研究論文】相關(guān)文章：
基于虛擬現實(shí)技術(shù)的電子商務(wù)應用研究11-16
虛擬現實(shí)技術(shù)對園林景觀(guān)的應用論文03-16
電氣工程虛擬儀器技術(shù)應用論文03-17
虛擬現實(shí)技術(shù)的工業(yè)設計應用論文03-16
GPSRTK技術(shù)在工程測量中的應用研究論文02-14
機械產(chǎn)品設計技術(shù)應用研究論文03-15
虛擬現實(shí)技術(shù)在電視中的應用技術(shù)發(fā)展論文03-17
計算機存儲技術(shù)對GIS數據管理的應用論文03-08
- 相關(guān)推薦