張紅艷

（山西大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，山西太原030006）

云存儲結(jié)合網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)在教育行業(yè)的應(yīng)用

張紅艷

（山西大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，山西太原030006）

通過對教育行業(yè)機(jī)房管理中存在的維護(hù)量大、文件存儲不方便、運行效率低等一系列問題的分析，提出一種利用云存儲結(jié)合網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)技術(shù)的解決方案，徹底解決了機(jī)房管理中的問題，很好地支持各項教學(xué)任務(wù)，具有巨大的推廣價值。

云存儲；網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)；PXE；iSCSI

Abstract：By analyzing the problems existed in college computer laboratories such as heavy workload in maintenance，inconvenience in file access and low efficiency in management，this paper introduces a solution to the above problems by combining cloud storage with network boot technology which greatly facilitated teaching affairs，thus it has great value of popularization．

Key words：Cloud storage；Network boot；PXE；iSCSI

一、教育行業(yè)機(jī)房管理現(xiàn)狀

近年來隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)教學(xué)已經(jīng)成為高校教學(xué)中必不可少的現(xiàn)代化教學(xué)手段。機(jī)房數(shù)量的增加，教學(xué)任務(wù)的加重，使機(jī)房的管理問題日益突顯出來。例如，病毒感染和操作系統(tǒng)人為的損壞；多種教學(xué)軟件和學(xué)習(xí)環(huán)境的交叉應(yīng)用；考試任務(wù)或者外部培訓(xùn)對環(huán)境和應(yīng)用的新要求等都使得機(jī)房管理工作日益繁重。

針對以上問題，目前教學(xué)系統(tǒng)采用的手段主要是還原軟件（或還原卡）和虛擬機(jī)技術(shù)：

（1）還原軟件（還原卡）技術(shù)［1］是一個比較落后的技術(shù)。主要技術(shù)原理是作用于磁盤管理，將操作系統(tǒng)對磁盤的讀寫操作旁路，將寫到磁盤的數(shù)據(jù)偏移到緩沖區(qū)，實現(xiàn)對系統(tǒng)的還原保護(hù)。

（2）虛擬機(jī)［2］的應(yīng)用。通過客戶機(jī)啟動虛擬機(jī)來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。

在一定程度上，這兩個技術(shù)的結(jié)合可以解決教學(xué)環(huán)境中的問題，但是還存在以下的缺陷：

（1）機(jī)房管理員維護(hù)量大，管理不方便。安裝一個新軟件每一臺機(jī)器都需要解開還原進(jìn)行操作，工作量巨大。如果操作系統(tǒng)損壞，還是需要解開還原卡，Ghost系統(tǒng)。

（2）教師和學(xué)生存儲文件不方便。由于計算機(jī)都安裝了還原卡，工作或?qū)W習(xí)期間保存在本地計算機(jī)上的文件關(guān)機(jī)重啟后會丟失，不得已使用計算機(jī)前后都需要通過U盤等介質(zhì)對文件進(jìn)行轉(zhuǎn)存，同時又增加了病毒傳播的可能性。

（3）運行效率低。還原卡大大降低了PC機(jī)的效率，直接降低了磁盤I／O能力，對CPU也形成額外的負(fù)擔(dān)。虛擬機(jī)的運行對資源消耗很大，如果PC機(jī)的配置較低，性能將會變得很差。

（4）系統(tǒng)兼容性差。還原卡是一種非標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，對操作系統(tǒng)的讀寫動作有截獲和篡改，對于某些特定的應(yīng)用軟件會存在兼容問題。另外，虛擬機(jī)提供的環(huán)境對應(yīng)用系統(tǒng)也有一些來自性能和環(huán)境的制約。

（5）應(yīng)用軟件兼容性差，學(xué)校中各種課程的應(yīng)用軟件非常多，如何解決與各種應(yīng)用軟件的兼容性是個大問題。

二、解決方案

云存儲［3］是在分布式概念上延伸和發(fā)展出來的一個新的概念，是指通過集群應(yīng)用、網(wǎng)格技術(shù)或分布式文件系統(tǒng)等功能，將網(wǎng)絡(luò)中大量各種不同類型的存儲設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合起來協(xié)同工作，共同對外提供數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)訪問功能的一個系統(tǒng)。通過云存儲系統(tǒng)，將PC機(jī)需要運行的操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)集中存儲在網(wǎng)絡(luò)上，PC機(jī)在開機(jī)時通過所有主板都支持的網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)技術(shù)PXE從網(wǎng)絡(luò)上引導(dǎo)，從而實現(xiàn)本地?zé)o存儲或無操作系統(tǒng)，集中維護(hù)位于云存儲上的母盤。在存儲技術(shù)上基于安全和兼容等方面的考慮，采用了開放成熟的iSCSI技術(shù)來處理數(shù)據(jù)，成熟的技術(shù)和協(xié)議既可以與教學(xué)應(yīng)用軟件進(jìn)行無縫對接，又提高了系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全。技術(shù)特征如下：

（1）多重啟動支持

教師機(jī)或?qū)W生機(jī)在開機(jī)啟動時，通過網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器群加載操作系統(tǒng)映像文件，可以根據(jù)需要選擇不同的數(shù)據(jù)鏡像文件作為系統(tǒng)文件啟動PC，滿足不同課程的上課需求?？梢宰龅蕉嗖僮飨到y(tǒng)、多應(yīng)用，來解決不同專業(yè)、不同年級甚至不同操作者的要求。

（2）高效率增量更新機(jī)制

使用云存儲管理平臺后，無盤客戶端通過網(wǎng)絡(luò)虛擬啟動，服務(wù)器群可以為每個登陸服務(wù)器的用戶存儲與上次登出系統(tǒng)時系統(tǒng)所改變的偏移量，如操作系統(tǒng)更新的數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序更新的數(shù)據(jù)，注冊表更新的數(shù)據(jù)等等。這樣，用戶在登陸服務(wù)器系統(tǒng)后即可獲得自己的所有數(shù)據(jù)，而不用關(guān)心數(shù)據(jù)存儲在那里。這種高效率的增量更新機(jī)制使得教師和學(xué)生無需再使用U盤等介質(zhì)保存數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)的高安全性

云存儲平臺特有的操作系統(tǒng)的還原安全防護(hù)使感染病毒的幾率為零；用戶的重要數(shù)據(jù)集中保存到服務(wù)器上，在服務(wù)器端可以采用定期數(shù)據(jù)冷備份、實時雙機(jī)熱備份等手段來保證數(shù)據(jù)的安全。

（4）采用成熟的新存儲技術(shù)iSCSI

iSCSI［4］技術(shù)由IBM公司研究開發(fā)，是一個供硬件設(shè)備使用的可以在IP協(xié)議的上層運行的SCSI指令集，這種指令集合可以實現(xiàn)在IP網(wǎng)絡(luò)上運行SCSI協(xié)議，使其能夠在諸如高速千兆以太網(wǎng)上進(jìn)行路由選擇。iSCSI技術(shù)是一種新儲存技術(shù)，該技術(shù)將現(xiàn)有SCSI接口與以太網(wǎng)絡(luò)（Ethernet）技術(shù)結(jié)合，使服務(wù)器可以與使用IP網(wǎng)絡(luò)的儲存裝置互相交換數(shù)據(jù)。

（5）便捷的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的升級

管理員可以通過服務(wù)端的映像工具，將磁盤鏡像掛載成服務(wù)器的任何一個未被使用的分區(qū)，然后將需要更新的數(shù)據(jù)拷貝進(jìn)入分區(qū)相應(yīng)的文件中。

三、技術(shù)實現(xiàn)

本解決方案主要通過PXE技術(shù)結(jié)合云存儲技術(shù)實現(xiàn)。PXE［5］是INTEL倡導(dǎo)下，全球主板廠商支持的一項通過網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)本地操作系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，很多年前就作為標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議普及。網(wǎng)絡(luò)存儲在設(shè)計上采用了成熟開放的跨平臺的iSCSI技術(shù)，有利于兼容和對接現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)。技術(shù)實現(xiàn)原理步驟如下，如圖1所示。

圖1 技術(shù)實現(xiàn)過程示意圖

1．PC機(jī)在主板CMOS中設(shè)置為通過PXE網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)啟動，PC機(jī)啟動時會自動發(fā)出通過DHCP獲取IP地址的請求；

2．預(yù)先布置好的DHCP服務(wù)器響應(yīng)PC機(jī)請求，分配一個設(shè)定段內(nèi)的IP地址給PC機(jī)，并通知PC機(jī)引導(dǎo)服務(wù)器（boot Server）在網(wǎng)絡(luò)上的IP地址；

3．PC機(jī)上的PXE服務(wù)向網(wǎng)絡(luò)上的引導(dǎo)服務(wù)器（boot Server）發(fā)出引導(dǎo)請求；

4．引導(dǎo)服務(wù)器（boot Server）將一個引導(dǎo)管理的程序通過網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給PC機(jī)，實際上相當(dāng)于一個精簡的操作系統(tǒng)；

5．這個引導(dǎo)程序在PC機(jī)上啟動，開始接管后續(xù)的引導(dǎo)過程，客戶端進(jìn)入啟動菜單，可以進(jìn)行人機(jī)交互，輸入不同的選項可以選擇進(jìn)入不同的應(yīng)用環(huán)境；

6．引導(dǎo)程序?qū)⒔换ミx項發(fā)送給boot Server；

7．部署在云存儲系統(tǒng)上的System File Manager從boot Server獲取用戶的操作選項，并且共同工作，將位于云存儲上的某個數(shù)據(jù)文件映射為客戶端可以訪問的網(wǎng)絡(luò)磁盤。網(wǎng)絡(luò)磁盤即網(wǎng)絡(luò)存儲在設(shè)計上采用iSCSI技術(shù)，它提供了在IP網(wǎng)絡(luò)封裝SCSI命令，且運行在TCP上。在實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信時滿足：①數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的合并；②數(shù)據(jù)備份；③服務(wù)器群集；④復(fù)制；⑤緊急情況下的數(shù)據(jù)恢復(fù)等。

8．網(wǎng)絡(luò)磁盤被啟動程序以本地磁盤文件的方式讀取，系統(tǒng)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)的引導(dǎo)過程。

云存儲系統(tǒng)可以根據(jù)需要部署在網(wǎng)絡(luò)上的任何位置，只要通過IP網(wǎng)絡(luò)可以訪問到就行了，這樣可以大大提高存儲設(shè)備的安全性、靈活性和使用效率。System File Manager系統(tǒng)部署在云存儲系統(tǒng)中，通過應(yīng)用界面來配置管理系統(tǒng)文件。通過它管理員可以上傳多種操作系統(tǒng)加應(yīng)用軟件的鏡像文件，來作為存儲在云存儲上的系統(tǒng)引導(dǎo)文件庫，用戶可以根據(jù)需要來自由地啟動不同的系統(tǒng)和應(yīng)用。用戶的數(shù)據(jù)也可以通過管理系統(tǒng)存儲在云存儲平臺上，并且可以將每次操作的變化保存起來備下次訪問時使用。將系統(tǒng)文件和用戶數(shù)據(jù)結(jié)合起來，可以實現(xiàn)針對每一個用戶的獨享的計算機(jī)使用環(huán)境。物理拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 物理拓?fù)?/p>

四、前景展望

云存儲與網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)技術(shù)的結(jié)合，與硬件無關(guān)、與應(yīng)用無關(guān)，徹底消除了機(jī)房管理中的所有問題，大大提高了設(shè)備運行效率，可以很好地支持各項教學(xué)任務(wù)，對于機(jī)房教學(xué)有很大的現(xiàn)實意義和巨大的推廣價值。

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（編輯：佘小寧）

The Application of Cloud Storage and Network Boot Technology in Education Industry

ZHANG Hong－yan
（Modern Education Technology Center，Shanxi University，Taiyuan Shanxi 030006，China）

TP393

A

1671－816X（2012）06－0623－03

2012－01－13

張紅艷（1972－），女（漢），山西汾陽人，講師，碩士，主要從事計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方面的研究。