虚拟存储技术在教育领域的应用研究论文
摘要：随着计算机应用的广泛延伸和计算机性能的急剧提升，“大中小型机+终端”的计算机应用模式逐步萎缩已持续多年。“服务器+客户机”应用模式的性能越来越高，应用也越来越复杂，但目前的客户机几乎都很“胖”，几乎承担了所有业务功能，服务器只是承担了数据存储的功能。
目前，在很多机关企事业单位内，PC机性能已远超实际应用的需求，而且随着规模的急剧膨胀和应用的频繁变化，管理压力和总体拥有成本(TCO)在无限扩张。我们认为，借助于现代网络技术和虚拟存储技术的发展，“服务器+瘦客户机”应用时代将很快到来。
本篇文章主要探讨如何借助网络技术，利用虚拟存储技术应用于教育领域。
关键字：TCP/IP，虚拟存储，SAN，瘦客户机
一、问题引入
目前，在各类学校中，计算机的使用极为普及。其中除教师个人电脑外，应用量较多的区域是多媒体教室、电子教室、电子阅览室和公共计算机房、教师公共办公区等，它们基本上采用独立的胖客户机模式，在管理和应用上不同程度地存在以下问题和困难：
1、多媒体教室
传统的多媒体教室采用分散式的计算机管理，每台PC机相对独立，拥有各自的操作系统和应用软件，但在使用过程中显露出种种弊端：
不便于移动式办公：同一位老师在不同的教室进行授课时，必须在每个教室都安装自己的课件，以及与之相配套的应用软件。由于不同的课件和应用软件对于操作系统的不同要求，以及不同课件之间，不同应用软件之间可能存在的冲突问题，使得老师在准备授课的过程中，经常遇到课件和与之相配套的应用软件不能顺利安装，甚至于成功安装后，在授课时突然出现运行故障，造成老师在多媒体教室中移动教学的不便。同时，因多位老师在同一台机器上安装自己的课件和应用软件，也使客户机容易感染上病毒，影响系统的正常运行。以上两种情况都增加了多媒体教室的系统管理员的工作量。
系统恢复性差：开放的Windows操作系统虽然使用简单，但是误操作、病毒破坏等情况的发生，会使系统发生运行错误或崩溃，导致系统不可用，从而需要重新安装操作系统，直接影响到客户机的正常使用。
部署难度大：为分散在各个多媒体教室里的客户机逐一安装操作系统和应用软件需要花费大量的时间，调试周期长，部署难度大。
2、电子教室
对于电子教室，上课的学生流动性很强，并经常通过网络进行数据传输，通过外接设备（如U盘等）进行数据存储，这些途径经常给电子教室带来计算机病毒。病毒的破坏再加上学生的不正确操作和频繁的软件安装、删除，导致客户机安装的操作系统和应用软件常常出现运行故障。如果管理员不能及时进行维护，则影响电子教室的正常使用。当需要装多个操作系统时，配置和分发复杂。
3、公共计算机房
在电子阅览室和公共计算机房中，一般都使用硬件保护卡保护客户机的操作系统。一台客户机会被多名学生使用，学生在对该机的操作系统进行了个性化修改后，计算机一旦重启，数据就会被系统自动释放掉，不可保存。而对客户机的公共数据分区，学生如果在该分区里存放个人数据，一方面是不能实现个人数据的保密，另一方面该数据可能被其他使用者删除或破坏掉。所以公共计算机房的客户机上不能存放学生的个人数据，也不能让学生根据自己的要求修改操作系统。而且由于要应对大量学生和大量课程，系统盘的应用软件装得很庞大，系统启动特别慢，各应用软件之间冲突也很多。
4、教师办公用机
对于部分经费紧张的学校，一般是几个教师合用一台电脑，这尤其对高校是合理的，因为考虑了教师不坐班和去上课了，合用有助于提高电脑设备的利用率。但问题也随之而来，每个老师都有其独特的安装需求和使用习惯，合用会导致教师之间使用和应用电脑的别扭；其次，假设固定3人合用某一台电脑，若某时刻该3位都来办公了，如何办?能否用其他空着的电脑？
种种以上这些问题和困难，仔细分析发现，实际电脑硬件都是一样的，原因关键是应用环境，也就是软件的差异性需求引起的，而软件是装在硬盘中的。所以若把硬盘向上迁移到服务器，然后能根据客户机或用户需求，自动配置各人所需的应用环境，则问题就解决了。这就是虚拟存储技术的应用之一，也就是“服务器+瘦客户机”应用模式。
二、解决思路
1、传统解决思路
解决学校电脑大批量，复杂应用的困难，除了上述的硬盘保护卡外，还有硬盘克隆，无盘工作站等技术，但他们都有一些无法解决的缺陷，比如：
硬盘保护卡：
每台PC安装硬盘保护卡，学生不能修改操作系统，不能安装自己需要的软件。
出现硬盘保护卡骇客软件，使硬盘保护卡失效，一旦事件产生，后果严重。
对用户的约束非常大，每个用户不能用个性化系统。
无盘工作站(EHD)：
所有用户共享一套操作系统，故障点多。
一旦有人把操作系统损坏，所有人都不能使用。
无盘技术的缺陷，使其不能广泛应用。
2、虚拟存储解决思路
伴随着虚拟存储技术在各领域的快速发展，各种存储方案和存储产品在各行业的应用已经达到了一个前所未有的普及，随之而诞生的IPSAN存储技术也被广泛地认同并得以应用。借助LAN内高速网络技术（百兆到桌面），利用虚拟存储技术实现“随需而配”是完全可行的。想象一下，你存取网上邻居的共享目录，与存取你本机的目录基本是一样快的.。
PCSAN是一种基于网络存储的新型计算环境管理系统，采用全球标准的通讯协议TCP/IP，将网络中所有的存储资源集中存储在由高速互联网络连接的存储管理服务器上，形成存储硬盘池，在该服务器硬盘池上虚拟出多个网络硬盘映射给客户机使用。它采用虚拟存储技术，实现数据集中存储、网络硬盘按需分配，借助快照和快速部署技术，实现简单快速地网络硬盘分配与软件安装；通过客户机和不同的网络磁盘实现动态映射，使客户机能够按需转换角色，更好地被动态调度并组合计算资源和存储资源，满足不断变化的需求。
见下图，存储区有A/B/C……等用户的Win2K环境，有A的Linux环境等等……
3、虚拟存储的工作原理
通过专用虚拟化系统软件对多个网络存储设备进行管理，提供多个虚拟磁盘供客户机使用，提高了存储设备的利用率和可扩展性，节约了管理成本，为用户提供大容量、动态可扩展的虚拟存储空间。
在客户端虚拟出多个虚拟磁盘，并根据默认或定制的策略动态或静态地为虚拟磁盘分配物理存储空间。
动态分配时，没有写入数据时，虚拟磁盘不占用任何存储资源；写入新数据时，虚拟磁盘所消耗的存储资源随之自动增长，这样可使实际分配的物理存储空间远远小于虚拟磁盘容量，从而提高存储设备的空间使用率。
静态分配时，虚拟磁盘的大小等同于为用户分配的实际物理存储空间，用户不必关心数据的实际存储位置和分布情况。
三、技术特点
1、按需分配
通过管理系统，在存储管理服务器的统一存储池中划分网络硬盘分配给客户机使用。根据需求的不同，分配给客户机使用的网络硬盘也不同。
由于用户只有在真正访问虚拟存储空间时才分配实际的物理空间，这种虚拟化存储的存储容量分配机制能够极大提高存储资源的利用率，最大限度地满足用户对存储资源的空间需求。
按需动态分配网络硬盘空间，提高网络硬盘利用率。比如某个教师分到的空间是40G，但实际其只用了15G，那么在动态分配时，未用的25G是共享的。（静态分配时是独占的）
2、集中存储
将客户机上的硬盘集中存储在存储管理服务器上，便于统一的数据备份和容灾，有效地保障了数据的安全性和可靠性。可通过Raid等技术保障数据的安全和不丢失。
每个虚拟磁盘提供的虚拟存储空间可以分布在一个或多个存储设备上，从而能够实现存储设备的负载均衡和数据读
写的负载均衡。
3、存储快照
采用世界先进的虚拟共享存储技术，在几秒钟内实现对单个或多个网络硬盘的复制。制作成硬盘模板，以便节省存储空间；提高管理效率；方便快速部署。
采用相应技术对虚拟磁盘的存储空间进行优化，从而有效提高虚拟磁盘的性能。
4、快速部署
几分钟内即可将通过快照技术复制的一块或多块网络硬盘分配给客户机，同时也完成了操作系统和应用软件的安装，并可投入使用。
5、动态映射
可以满足一台客户机同时安装多个网络硬盘的需求，在客户机启动时，可根据需要选择映射不同的网络硬盘。不同的网络硬盘提供不同的服务，通过改变服务，实现功能和角色的转换；同样，同一网络硬盘可按需映射到不同的客户机上，实现计算环境的灵活选择。
可依据客户机硬件参数或用户名登录不同的网络硬盘，实施不同的应用服务。
6、灵活计算
可将数据集中存储于存储管理服务器中，本地只进行计算，使客户机成为纯粹的计算工具。用户在任意一台客户机上输入自己的用户名与密码，即可访问到自己的网络硬盘，实现真正的移动式办公。
7、系统预约
根据用户的不同应用需求，到达预约时间时，使客户机自动与预设的网络硬盘建立映射关系，当使用期结束时，预约空间被自动删除，资源自动释放。
比如在以前，某机房明天要上机考试，今天整理环境后就必须封存。而采用虚拟存储技术，则只要做好模板，到点了自动映射就可以了，根本不需封存，从而提高了机器的使用效率，方便老师的使用。
8、IP地址自动分配
当新的网络硬盘被分配后，系统自动从网络存储卡上获取IP地址，设置为本机的IP地址，方便应用。
9、系统还原
在使用的过程中，客户机的系统遭受攻击后（如人为破坏、病毒意外袭击等），只需重新启动客户机即可将系统恢复到初始状态；如果网络硬盘上被加载了个性化数据，利用此功能同样可实现系统恢复，并且个性化数据不会丢失。
10、系统快速恢复
系统可以提供监控和时时备份服务器配置信息的功能；当服务器系统被破坏后，只需重新安装操作系统，导入配置信息，即可马上恢复使用。
11、数据共享
可设置一个公共数据区，供某组授权用户数据交流用。（比如某课题组，某班级）
12、降低维护压力
对管理大量电脑的网管员来说，其维护PC所花的时间，根据统计，90%来自于软件，比如配置出错；组件未装；软件冲突；操作失误；病毒感染；软件崩溃等等。通过存储快照、快速部署、动态映射等技术，网管员只要管好服务器和确保网络导通，就可成几十倍地降低维护压力，提高工作效率，降低使用成本。
四、应用示例
从以上解决思路和技术特点看，虚拟存储技术结合了无盘工作站、网络硬盘和硬盘保护还原等技术，同时又摆脱了依赖具体操作系统的束缚，具有个性化配置和灵活管理的特点。在教育系统有良好的应用前景，我们可轻松实现以下的案例：
1、教师公共办公区
有20个教师，配10台电脑，每个教师静态分配一定容量的硬盘空间，形成自己独立的应用环境，无论哪台电脑有空，都可以以自己账号登录后马上进入自己的工作环境。
2、多媒体教室
每个老师都可以根据自己课程的需要自由存放个人教学系统和教学软件，无需在各个多媒体教室之间重复安装教学课件，通过动态映射和灵活计算两大功能，使老师无论到哪间教室授课，都可通过自己的用户名和密码访问到自己的教学环境。
3、电子教室
一般可将电子教室的使用方式分为上课和考试两种方式：
客户机安装时，采用快照技术，对成百台客户机同时安装操作系统和应用软件，只需几分钟即可完成，实现客户机的快速部署。
上课时，通过动态映射功能，实现在上课时客户机与只装有该课程内容的网络硬盘绑定，从而更好的控制学生的学习效果；系统还原和系统快速恢复功能，轻松应对系统遭受意外袭击和误操作带来的系统损坏。
考试时，通过系统预约功能，可确定在什么时间段内，使用提供什么服务的网络硬盘。当到达预约开始时间时，存储管理服务器会自动建立网络硬盘和客户机的默认映射关系，只要启动对应的客户机，就会得到预约的网络硬盘服务。考试之前不用再暂停对电子教室的使用，提高电子教室的使用效率。
4、公共机房
除快速部署通用环境外，对有些学生，比如毕业设计同学，可提供独立的可启动操作系统的网络硬盘，满足学生期待已久的在公用计算机环境中拥有独享空间的迫切需求，使存放的个人数据不被盗用或删除。
另外，通过本系统可使学生能随意改变、重新安装自己的操作系统和应用软件，将学生学到的知识，理论与实践相结合，提高学生实际操作的能力。
五、其他
确保数据能够被访问到并得到保护，以及能够提供较高的可用性已成为重大的存储管理难题。而且必须在满足快速增长的存储需求的同时控制成本。网络虚拟存储技术是一种较好的解决手段，
比如，某学校采购80台电脑给教师，他们所需硬盘大小分别是40G、60G、80G、100G（各20台），则总容量需求是：
40G*20台+60G*20台+80G*20台+100G*20台=5600G
考虑扩充性（按20%余量）和方便，我们一般给每台电脑一律配120G。浪费的空间是：
（120G*80台-5600G）/5600G=71.4%
如果考虑每台电脑实际不会用完40G、60G、80G和100G，按每硬盘实际使用了60%计，若采用虚拟存储技术，我们一般只要配5600G*60%=3360G的空间足够应付80台电脑的实际应用需求，节省率达：
（120G*80台-3360G）/3360G=185.7%
若以后要扩充硬盘空间，只要在服务器再挂硬盘即可，可见按需分配对硬盘空间的节省效果和扩充的方便性是多么巨大。
本文探讨了网络虚拟存储技术在教育系统的应用，实际上，只要有大批量的电脑应用，本技术较低的TCO优势、管理优势和安全优势同样存在：
在机关、事业单位：通过虚拟存储技术，可以快速部署纯粹的应用环境；减少工作人员上班玩游戏、看电影概率；确保数据信息的安全；降低维护压力。
对企业单位：除了上述优势外，尤其是，通过独立组网，可完全兼顾企业内部设计资料、财务资料等敏感资料的安全性和使用方便性，因为只要采用无盘、断USB口、断对外网络出口的“服务器+瘦客户机”模式就行了。
当然网络虚拟存储技术建立在高速网络基础上，而且硬盘池集中在服务器端，所以其整体性能依赖于网络速度，服务器网卡性能，服务器I/O吞吐性能，以及磁盘读写性能。
我们认为对大批量、持续的硬盘读写，比如50人同时看不同的电影，采用本技术性能下降比较大，而大多数应用基本不会有明显性能下降。
中科院计算所的国家高性能工程中心做过一个压力测试，结论是:50台PC共用一台服务器，采用虚拟存储技术，其启动和访问速度和原始PC直接挂接硬盘的速度基本相当，无明显差异。
服务器配置：单至强3.2CPU/2G内存/6块硬盘RAID5/1000M网卡
PC机：P4-2.8CPU/256M内存/100M网卡
交换机：百兆端口，主干千兆
另外，服务器端的安全和稳定也特别要重视。
综上所述，我们认为，建立在现代网络技术和虚拟存储技术基础之上的“服务器+瘦客户机”应用模式将飞速发展，“当硬盘变成网络上的软件服务时，IT和存储系统的进化，已经展开!”
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