虛擬存儲技術在教育領域的應用研究論文
摘要：隨著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。“服務器+客戶機”應用模式的性能越來越高，應用也越來越復雜，但目前的客戶機幾乎都很“胖”，幾乎承擔了所有業務功能，服務器只是承擔了數據存儲的功能。
目前，在很多機關企事業單位內，PC機性能已遠超實際應用的需求，而且隨著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)在無限擴張。我們認為，借助于現代網絡技術和虛擬存儲技術的發展，“服務器+瘦客戶機”應用時代將很快到來。
本篇文章主要探討如何借助網絡技術，利用虛擬存儲技術應用于教育領域。
關鍵字：TCP/IP，虛擬存儲，SAN，瘦客戶機
一、問題引入
目前，在各類學校中，計算機的使用極為普及。其中除教師個人電腦外，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機模式，在管理和應用上不同程度地存在以下問題和困難：
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題，使得老師在準備授課的過程中，經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，在授課時突然出現運行故障，造成老師在多媒體教室中移動教學的不便。同時，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：開放的Windows操作系統雖然使用簡單，但是誤操作、病毒破壞等情況的發生，會使系統發生運行錯誤或崩潰，導致系統不可用，從而需要重新安裝操作系統，直接影響到客戶機的正常使用。
部署難度大：為分散在各個多媒體教室里的客戶機逐一安裝操作系統和應用軟件需要花費大量的時間，調試周期長，部署難度大。
2、電子教室
對于電子教室，上課的學生流動性很強，并經常通過網絡進行數據傳輸，通過外接設備（如U盤等）進行數據存儲，這些途徑經常給電子教室帶來計算機病毒。病毒的破壞再加上學生的不正確操作和頻繁的軟件安裝、刪除，導致客戶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進行維護，則影響電子教室的正常使用。當需要裝多個操作系統時，配置和分發復雜。
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機的操作系統。一臺客戶機會被多名學生使用，學生在對該機的操作系統進行了個性化修改后，計算機一旦重啟，數據就會被系統自動釋放掉，不可保存。而對客戶機的公共數據分區，學生如果在該分區里存放個人數據，一方面是不能實現個人數據的保密，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機上不能存放學生的個人數據，也不能讓學生根據自己的要求修改操作系統。而且由于要應對大量學生和大量課程，系統盤的應用軟件裝得很龐大，系統啟動特別慢，各應用軟件之間沖突也很多。
4、教師辦公用機
對于部分經費緊張的學校，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備的利用率。但問題也隨之而來，每個老師都有其獨特的安裝需求和使用習慣，合用會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，仔細分析發現，實際電腦硬件都是一樣的，原因關鍵是應用環境，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器，然后能根據客戶機或用戶需求，自動配置各人所需的應用環境，則問題就解決了。這就是虛擬存儲技術的應用之一，也就是“服務器+瘦客戶機”應用模式。
二、解決思路
1、傳統解決思路
解決學校電腦大批量，復雜應用的困難，除了上述的硬盤保護卡外，還有硬盤克隆，無盤工作站等技術，但他們都有一些無法解決的缺陷，比如：
硬盤保護卡：
每臺PC安裝硬盤保護卡，學生不能修改操作系統，不能安裝自己需要的軟件。
出現硬盤保護卡駭客軟件，使硬盤保護卡失效，一旦事件產生，后果嚴重。
對用戶的約束非常大，每個用戶不能用個性化系統。
無盤工作站(EHD)：
所有用戶共享一套操作系統，故障點多。
一旦有人把操作系統損壞，所有人都不能使用。
無盤技術的缺陷，使其不能廣泛應用。
2、虛擬存儲解決思路
伴隨著虛擬存儲技術在各領域的快速發展，各種存儲方案和存儲產品在各行業的應用已經達到了一個前所未有的普及，隨之而誕生的IPSAN存儲技術也被廣泛地認同并得以應用。借助LAN內高速網絡技術（百兆到桌面），利用虛擬存儲技術實現“隨需而配”是完全可行的。想象一下，你存取網上鄰居的共享目錄，與存取你本機的目錄基本是一樣快的。
PCSAN是一種基于網絡存儲的新型計算環境管理系統，采用全球標準的通訊協議TCP/IP，將網絡中所有的存儲資源集中存儲在由高速互聯網絡連接的存儲管理服務器上，形成存儲硬盤池，在該服務器硬盤池上虛擬出多個網絡硬盤映射給客戶機使用。它采用虛擬存儲技術，實現數據集中存儲、網絡硬盤按需分配，借助快照和快速部署技術，實現簡單快速地網絡硬盤分配與軟件安裝；通過客戶機和不同的網絡磁盤實現動態映射，使客戶機能夠按需轉換角色，更好地被動態調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，存儲區有A/B/C……等用戶的Win2K環境，有A的Linux環境等等……
3、虛擬存儲的工作原理
通過專用虛擬化系統軟件對多個網絡存儲設備進行管理，提供多個虛擬磁盤供客戶機使用，提高了存儲設備的利用率和可擴展性，節約了管理成本，為用戶提供大容量、動態可擴展的虛擬存儲空間。
在客戶端虛擬出多個虛擬磁盤，并根據默認或定制的策略動態或靜態地為虛擬磁盤分配物理存儲空間。
動態分配時，沒有寫入數據時，虛擬磁盤不占用任何存儲資源；寫入新數據時，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遠小于虛擬磁盤容量，從而提高存儲設備的空間使用率。
靜態分配時，虛擬磁盤的大小等同于為用戶分配的實際物理存儲空間，用戶不必關心數據的實際存儲位置和分布情況。
三、技術特點
1、按需分配
通過管理系統，在存儲管理服務器的統一存儲池中劃分網絡硬盤分配給客戶機使用。根據需求的不同，分配給客戶機使用的網絡硬盤也不同。
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。
按需動態分配網絡硬盤空間，提高網絡硬盤利用率。比如某個教師分到的空間是40G，但實際其只用了15G，那么在動態分配時，未用的25G是共享的。（靜態分配時是獨占的）
2、集中存儲
將客戶機上的硬盤集中存儲在存儲管理服務器上，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。可通過Raid等技術保障數據的安全和不丟失。
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備上，從而能夠實現存儲設備的負載均衡和數據讀
寫的負載均衡。
3、存儲快照
采用世界先進的虛擬共享存儲技術，在幾秒鐘內實現對單個或多個網絡硬盤的復制。制作成硬盤模板，以便節省存儲空間；提高管理效率；方便快速部署。
采用相應技術對虛擬磁盤的存儲空間進行優化，從而有效提高虛擬磁盤的性能。
4、快速部署
幾分鐘內即可將通過快照技術復制的一塊或多塊網絡硬盤分配給客戶機，同時也完成了操作系統和應用軟件的安裝，并可投入使用。
5、動態映射
可以滿足一臺客戶機同時安裝多個網絡硬盤的需求，在客戶機啟動時，可根據需要選擇映射不同的網絡硬盤。不同的網絡硬盤提供不同的服務，通過改變服務，實現功能和角色的轉換；同樣，同一網絡硬盤可按需映射到不同的客戶機上，實現計算環境的靈活選擇。
可依據客戶機硬件參數或用戶名登錄不同的網絡硬盤，實施不同的應用服務。
6、靈活計算
可將數據集中存儲于存儲管理服務器中，本地只進行計算，使客戶機成為純粹的計算工具。用戶在任意一臺客戶機上輸入自己的用戶名與密碼，即可訪問到自己的網絡硬盤，實現真正的移動式辦公。
7、系統預約
根據用戶的不同應用需求，到達預約時間時，使客戶機自動與預設的網絡硬盤建立映射關系，當使用期結束時，預約空間被自動刪除，資源自動釋放。
比如在以前，某機房明天要上機考試，今天整理環境后就必須封存。而采用虛擬存儲技術，則只要做好模板，到點了自動映射就可以了，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地址自動分配
當新的網絡硬盤被分配后，系統自動從網絡存儲卡上獲取IP地址，設置為本機的IP地址，方便應用。
9、系統還原
在使用的過程中，客戶機的系統遭受攻擊后（如人為破壞、病毒意外襲擊等），只需重新啟動客戶機即可將系統恢復到初始狀態；如果網絡硬盤上被加載了個性化數據，利用此功能同樣可實現系統恢復，并且個性化數據不會丟失。
10、系統快速恢復
系統可以提供監控和時時備份服務器配置信息的功能；當服務器系統被破壞后，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
可設置一個公共數據區，供某組授權用戶數據交流用。（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管員來說，其維護PC所花的時間，根據統計，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、動態映射等技術，網管員只要管好服務器和確保網絡導通，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特點看，虛擬存儲技術結合了無盤工作站、網絡硬盤和硬盤保護還原等技術，同時又擺脫了依賴具體操作系統的束縛，具有個性化配置和靈活管理的特點。在教育系統有良好的應用前景，我們可輕松實現以下的案例：
1、教師公共辦公區
有20個教師，配10臺電腦，每個教師靜態分配一定容量的硬盤空間，形成自己獨立的應用環境，無論哪臺電腦有空，都可以以自己賬號登錄后馬上進入自己的工作環境。
2、多媒體教室
每個老師都可以根據自己課程的需要自由存放個人教學系統和教學軟件，無需在各個多媒體教室之間重復安裝教學課件，通過動態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環境。
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：
客戶機安裝時，采用快照技術，對成百臺客戶機同時安裝操作系統和應用軟件，只需幾分鐘即可完成，實現客戶機的快速部署。
上課時，通過動態映射功能，實現在上課時客戶機與只裝有該課程內容的網絡硬盤綁定，從而更好的控制學生的學習效果；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的系統損壞。
考試時，通過系統預約功能，可確定在什么時間段內，使用提供什么服務的網絡硬盤。當到達預約開始時間時，存儲管理服務器會自動建立網絡硬盤和客戶機的默認映射關系，只要啟動對應的客戶機，就會得到預約的網絡硬盤服務。考試之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、公共機房
除快速部署通用環境外，對有些學生，比如畢業設計同學，可提供獨立的可啟動操作系統的網絡硬盤，滿足學生期待已久的在公用計算機環境中擁有獨享空間的迫切需求，使存放的個人數據不被盜用或刪除。
另外，通過本系統可使學生能隨意改變、重新安裝自己的操作系統和應用軟件，將學生學到的知識，理論與實踐相結合，提高學生實際操作的能力。
五、其他
確保數據能夠被訪問到并得到保護，以及能夠提供較高的可用性已成為重大的存儲管理難題。而且必須在滿足快速增長的存儲需求的同時控制成本。網絡虛擬存儲技術是一種較好的解決手段，
比如，某學校采購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，我們一般只要配5600G*60%=3360G的空間足夠應付80臺電腦的實際應用需求，節省率達：
（120G*80臺-3360G）/3360G=185.7%
若以后要擴充硬盤空間，只要在服務器再掛硬盤即可，可見按需分配對硬盤空間的節省效果和擴充的方便性是多么巨大。
本文探討了網絡虛擬存儲技術在教育系統的應用，實際上，只要有大批量的電腦應用，本技術較低的TCO優勢、管理優勢和安全優勢同樣存在：
在機關、事業單位：通過虛擬存儲技術，可以快速部署純粹的應用環境；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。
對企業單位：除了上述優勢外，尤其是，通過獨立組網，可完全兼顧企業內部設計資料、財務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、斷對外網絡出口的“服務器+瘦客戶機”模式就行了。
當然網絡虛擬存儲技術建立在高速網絡基礎上，而且硬盤池集中在服務器端，所以其整體性能依賴于網絡速度，服務器網卡性能，服務器I/O吞吐性能，以及磁盤讀寫性能。
我們認為對大批量、持續的硬盤讀寫，比如50人同時看不同的電影，采用本技術性能下降比較大，而大多數應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，結論是:50臺PC共用一臺服務器，采用虛擬存儲技術，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，無明顯差異。
服務器配置：單至強3.2CPU/2G內存/6塊硬盤RAID5/1000M網卡
PC機：P4-2.8CPU/256M內存/100M網卡
交換機：百兆端口，主干千兆
另外，服務器端的安全和穩定也特別要重視。
綜上所述，我們認為，建立在現代網絡技術和虛擬存儲技術基礎之上的“服務器+瘦客戶機”應用模式將飛速發展，“當硬盤變成網絡上的軟件服務時，IT和存儲系統的進化，已經展開!”
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