張紅艷

（山西大學現(xiàn)代教育技術(shù)中心，山西太原030006）

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

張紅艷

（山西大學現(xiàn)代教育技術(shù)中心，山西太原030006）

通過對教育行業(yè)機房管理中存在的維護量大、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)引導技術(shù)的解決方案，徹底解決了機房管理中的問題，很好地支持各項教學任務(wù)，具有巨大的推廣價值。

云存儲；網(wǎng)絡(luò)引導；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)機房管理現(xiàn)狀

近年來隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，計算機教學已經(jīng)成為高校教學中必不可少的現(xiàn)代化教學手段。機房數(shù)量的增加，教學任務(wù)的加重，使機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；多種教學軟件和學習環(huán)境的交叉應(yīng)用；考試任務(wù)或者外部培訓對環(huán)境和應(yīng)用的新要求等都使得機房管理工作日益繁重。

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

（2）虛擬機［2］的應(yīng)用。通過客戶機啟動虛擬機來適應(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)合可以解決教學環(huán)境中的問題，但是還存在以下的缺陷：

（1）機房管理員維護量大，管理不方便。安裝一個新軟件每一臺機器都需要解開還原進行操作，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）教師和學生存儲文件不方便。由于計算機都安裝了還原卡，工作或?qū)W習期間保存在本地計算機上的文件關(guān)機重啟后會丟失，不得已使用計算機前后都需要通過U盤等介質(zhì)對文件進行轉(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機的效率，直接降低了磁盤I／O能力，對CPU也形成額外的負擔。虛擬機的運行對資源消耗很大，如果PC機的配置較低，性能將會變得很差。

（4）系統(tǒng)兼容性差。還原卡是一種非標準的技術(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機在開機時通過所有主板都支持的網(wǎng)絡(luò)引導技術(shù)PXE從網(wǎng)絡(luò)上引導，從而實現(xiàn)本地無存儲或無操作系統(tǒng)，集中維護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)議既可以與教學應(yīng)用軟件進行無縫對接，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

教師機或?qū)W生機在開機啟動時，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。可以做到多操作系統(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制使得教師和學生無需再使用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倡導下，全球主板廠商支持的一項通過網(wǎng)絡(luò)引導本地操作系統(tǒng)的技術(shù)標準，很多年前就作為標準化的協(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機在主板CMOS中設(shè)置為通過PXE網(wǎng)絡(luò)引導啟動，PC機啟動時會自動發(fā)出通過DHCP獲取IP地址的請求；

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

3．PC機上的PXE服務(wù)向網(wǎng)絡(luò)上的引導服務(wù)器（boot Server）發(fā)出引導請求；

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

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

6．引導程序?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復制；⑤緊急情況下的數(shù)據(jù)恢復等。

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)進入標準操作系統(tǒng)的引導過程。

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使用環(huán)境。物理拓撲如圖2所示。

圖2 物理拓撲

四、前景展望

云存儲與網(wǎng)絡(luò)引導技術(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任務(wù)，對于機房教學有很大的現(xiàn)實意義和巨大的推廣價值。

［1］于耳．硬盤還原卡常見故障的排除方法［J］．實驗室研究與探索，2002，21（1）：7－7．

［2］王太成，蔡勇．利用虛擬機技術(shù)完成復雜網(wǎng)絡(luò)實驗［J］．計算機技術(shù)與發(fā)展，2009，4（19）：246－249．

［3］王慶波，金涬，何樂．虛擬化與云計算［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2009：10．

［4］Tom Clark著．羅金平，汪東，方興譯．IP SAN權(quán)威指南：存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中的iSCSI、iFCP和FCIP協(xié)議［M］．北京：中國電力出版社，2003：8．

［5］閔軍．最新PXE、RPL無盤站和終端技術(shù)精解［M］．北京：清華大學出版社，2003．

［6］彭輝，崔杜武．網(wǎng)絡(luò)引導程序的設(shè)計和實現(xiàn)［J］．計算機工程與應(yīng)用，2005（33）：103－105．

［7］敖青云．存儲技術(shù)原理分析：基于Linux 2．6內(nèi)核源代碼［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2011：9．

［8］周敬利，余勝生．網(wǎng)絡(luò)存儲原理與技術(shù)［M］．北京：清華大學出版社，2005：9．

［9］康春榮，蘇武榮．數(shù)據(jù)安全項目案例：存儲與備份SAN與NAS容錯與容災［M］．北京：科學出版社，2004：7．

［10］時成閣．網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)設(shè)計［M］．上海：華東師范大學出版社，2007：2．

（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，主要從事計算機網(wǎng)絡(luò)方面的研究。