基于云计算的高校数字化教学资源存储模型的探析

方娇莉 冯丽华 刘明

[摘要]本文讨论的是云计算环境下高校数字化网络教学资源如何存储的问题。 文章介绍了目前几种网络存储技术，指出了其缺点和不足，结合云计算的相关特性，搭建基于云计算平台下的数字化教学资源的存储模型，使计算资源和存储资源分离，使存储操作可以独立于服务器，从而减轻服务器的负担，实现更好地发挥和利用高校数字化网络教学资源的目标。

[关键词]云计算  教学资源  存储模型

一、 我国高校数字化网络教学资源的特点及存储需求

我国大部分高校都已经开通了数字化网络教学平台，国家教育主管部门也高度重视，将数字化网络教学平台的教学模式广泛应用到各高校的教学活动中，各大高校也投入了相当大的人力、物力进行相关的数字化网络教学平台的规划与建设，建立了多门国家、省级网络示范课程，并取得了一定的成果。但综观我国高校数字化网络教学资源，可以看出主要包括以下两个方面的内容：一类是以简单的网页加上上传的PPT、WORD等格式文件组成，另一类是以网页方式出现，将课程的各章节内容以网页形式来表现。这两个方面均体现了各高校软、硬件资源重复投入、网络课程资源重复建设、信息资源共享不足、虚拟化教学的交互不足等特点。

由上述特点可以看出高校对数字化教学资源数据存储的要求，主要概括为：管理和维护大量的存储数据的同时，要求确保数据的一致性、安全性、可靠性和可扩充性;具备良好的动态响应机制;避免课程资源重复建设;降低软硬件资源的投入。

对存储系统而言，必须要满足以下要求：

（1）可用性：决定一个存储方案现实可用的主要因素有硬件、软件、网络环境等技术条件，具备良好的可用性是存储解决方案具备要求之一;

（2）可扩展：必须结合实际的网络教学平台业务的发展，存储系统必须考虑到以后5年甚至以后更长的数据的增长，所以存储容量的扩展是考虑的重点之一;

（3）安全高效：同时满足大数据量的并发访问和传输，同时具有良好的在线备份功能，数据不至丢失，确保数据安全;

（4）快速响应：面对多并发用户的快速响应机制，用户在某个时间段快速增多时，系统能够做出自动响应机制，保证系统不宕机;

（5）经济可行性：存储系统的数据管理成本非常高，理想的存储架构必须能有效地降低管理成本，它不但能导入各种管理应用，而且能在未来的管理系统中，保护今天的所有投资。

二、几种主要的网络存储技术优缺点

网络和存储是以两个不同的技术分别发展起来的。存储技术的重点主要在于高效的数据组织和存放，而网络的重点在于高效的数据传输。网络存储技术就是将“存储”和“网络”结合起来，通过网络连接各存储设备，实现存储设备之间、存储设备和服务器之间的数据在网络上的高性能传输。服务器与存储系统的网络连接，使服务器与存储之间的距离扩大了，数量增多了，服务器与存储系统间连接的管理能力提高了，更突出的是，在网络访问的环境中，存储系统已不再为单台服务器所独自占有，成为多台服务器共同拥有的存储资源。以下是几种目前常用的网络存储技术。

（一） DAS

DAS是Direct Attached Storage的缩写，即直连式存储，将外置存储设备通过SCSI连接电缆，直接连到计算机上。直连式存储依赖服务器主机操作系统进行数据的IO读写和存储维护管理，数据备份和恢复要求占用服务器主机资源（包括CPU、系统IO等），数据流需要回流主机再到服务器 连接着的磁带机（库），数据备份会占用服务器主机资源的20-30%，当用 户数据量过多时，备份和恢复的时间就会很长，往往会对服务器造成大量负荷，影响效率。

（二）NAS

NAS是Network Attached Storage的缩写，即网络附加存储，以网络接口为连接界面，是一种专门用于存储的瘦服务器，该服务器不再承担应用服务。它最大的好处是提供了跨平台的集群共享，可以用来实现在不同操作系统平台下的文件共享应用，即插即用，物理位置灵活，可以放在工作组内，靠近数据中心的应用服务器，也可以放在其他地点，通过物理链路与网络连接起来，方便的管理数据和维护设备。而它也存在如下缺点，一是受限于网络的性能，不支持數据库服务。由于存储数据要通过普通数据网络传输，因此易受网络上其他流量的影响，当网络上有其他大数据流量时会严重影响系统性能，不能广泛使用在大数据量传输环境中。二是由于其采用的是NFS、CIFS等网络文件协议，而不是块协议或数据库协议，所以不支持数据库服务。

（三）SAN

SAN是Storage Area Network的缩写，即存储区域网络，以光纤（FibreChannel，FC）通道连接的界面。配合光纤通道的其他设备，在以太网的架构上，利用光纤通道长距离、大容量和高性能的特征，所形成的一个专用于数据存储和传输的网络。从结构上看，服务器和数据存储系统相互独立，这样两者的扩展可以独立进行，具有很高的扩展性。 SAN使存储资源能够构建与服务器之外，这样多个服务器就能够在不影响性能或网络的情况下分享存储资源，实现高共享，由于SAN采用了光纤接口，因而也具有更高的带宽，利用光纤通道技术，SAN可以有效地传 输数据，特别是在传输大数据块时非常有效。

SAN也存在着一些问题：目前SAN采用FC进行传递，但FC协议在目前还没有统一的标准，这也造成了不同厂商之间的产品之间难以互相操作，其次SAN成本过高，构建和维护都需要专业人员。

由以上比较可以看出，SAN存储技术具有高扩展性，最高支持大容量存 储空间，降低扩容成本，单链路2GB带宽，保证存储环境传输速度。SAN的重点在于形成高可用性的高性能存储系统，而针对目前的存储系统主要考虑到四个问题：一是数据及存储设备的容错，二是大容量存储和数据的共享，三是无限制的扩展能力，四是数据及存储设备的管理，至于网络的带宽和存储设备的性能，除非是特殊应用，在当今的技术下已不成问题。

三、云计算和云存储体系架构

“云”是一个由并行的网格所组成的巨大的服务网络，它通过虚拟化技术来扩展云端的计算能力，使得各个设备发挥最大的效能。数据的处理及存储均通过“云”端的服务器集群来完成，由一个大型的数据处理中心负责管理，数据中心按客户的需要分配计算资源，达到与超级计算机同样的效果。

从服务架构看，云计算分为以下四个层次：

（1）应用层

在软件结构上采用云计算，通常不必再进行客户端的安装和运行应用，所有的操作、维护和升级均在服务器端进行，可以减轻软件维护、日常操作和支持的负担。

（2）平台层

将计算平台和解决方案栈作为一项服务，通常基于云基础设施来 支撑其上的云应用，避开了成本、复杂的采购、底层硬件和软件层管理，可以有效促进应用部署。

（3）基础设施层

是经过虚拟化后的硬件资源和相关管理功能的集合。厂商通过虚拟化技术对这些资源进行抽象，向外部提供动态、灵活的基础设施层服务（laas）。

（4）物理层

主要是由各种计算机硬件和软件组成的，包括了最基本的硬件资源，比如计算资源、存储资源和网络资源，硬件资源虚拟化、IT技术自动化和按使用资源的多少来定价的结果使用户可以购买或者租用一个数据中心来订购服务，按需分配，灵活可伸缩，节约了用户的成本，也减少了硬件资源闲置和利用率低等问题。

云存储（Cloud Storage）[1]是在云计算概念上延伸和发展出来的一个新的概念。与云计算概念类似。它是指通过集群技术、网格技术或分布式等相关技术，将网络中大量不同类型的设备通过应用软件集合起来协同工作，共同提供数据存储和对外业务访问功能。当云计算系统的核心编程大量数据的存储和管理时，云计算系统就转变成为一个云存储系统[2]。所以，云存储实际上是一个以数据存储和管理为核心的云计算系统。它对使用者来讲，不是某个具体的设备，而是由很多个存储设备和服务器所构成的集合体[3]，使用者使用的是整个云存储系统带来的一种数据访问服务，其核心是应用软件与存储设备相结合，通过应用软件来实现存储设备向存储服务转变。

云存储是一个以数据存储和管理为核心的云计算系统。从结构模型上看，云存儲系统比云计算系统多了一个存储层，所以，也可以认为，云存储是配置了大量存储空间的云计算系统。云存储的结构模型由[4]四层组成。

图1：云存储结构

（1）存储层

存储层是云存储结构的第一层，是最基础的部分。FC光纤通道设备、 NAS、ISCSI等IP存储设备、SCSI或SAS等都可以做为存储层的存储设备。这些存储设备基本上都分布在不同的地域，通过广域网、互联网或者FC光纤通道连接在一起，并且数量庞大。存储层里面还有一个存储设备管理系统，能够实现存储设备的逻辑虚拟化管理、多链路冗余管理以及硬件设 备的状态监控和故障维护。

（2）基础管理层

基础管理层在云存储系统中占核心部分，也是在技术上最难以实现的部分。基础管理层要运用集群技术、网格技术、分布式文件系统等技术，满足云存储系统中多个存储设备间协同工作，共同对外提供服务，提供更强更好的数据访问性能。此外，数据加密技术、CDN内容分发系统能够禁止未授 权的用户访问云存储中的数据，保证数据安全。

（3）应用接口层

云存储中最灵活多变的就是应用接口层。云存储运营制造单位根据不同的业务类型，开发不同的应用服务接口，提供不同的应用服务。比如视频点播应用平台、视频监控应用平台、远程数据备份应用平台等。

（4）访问层

每一个被授权的用户都可以通过标准公用接口登录云存储系统，享受云存储服务。不同的云存储运营单位，就有不同的访问类型和访问手段。

四、 数字化教学资源平台云存储应用模型

网络教学平台云存储系统是在现有网络教学平台基础上构建的一个整合资源，该系统首先是必须能向下兼容，其次不能破坏现有的存储系统，基于本原则，本文在云计算四层分层体系结构的基础上构建了数字化网络教学资源云存储模型体系结构。如图2所示。

用户可以通过自己的账户名和密码登录云存储系统的各个节点进入网络教学平台的云存储系统，该系统的服务层能为他们提供所需的存储服务。应用层提供了检索、资源发布、远程传送、本地备份、异地备份等应用。在软件结构上采用云计算，通常不必再进行客户端的安装和运行应用，所有的操作、维护和升级均在服务器端进行，可以减轻软件维护、日常操作和支持的负担。网络教学平台云存储应用模型是基于云存储的思想来构建和设计的，在应用层中，用户需要存取资源时，可以通过云存储节点进入网络教学平台的云存储系统，该系统的服务层为他们提供所需的存储服务。无论是应用层还是服务层都提供多级数据保护措施，确保数据不丢失。

图2：数字化网络教学平台云存储应用模型

该应用模型的最终应用效果如图3所示。从效果图可以清楚的看到，通过建立云计算环境下的SAN存储方案，能够实现诸多高校之间资源的免费共享。我校网络教学平台的资源用户不仅可以自己读取，还能够与其他高校、教育机构进行资源共享，互相访问。这样不仅节省了大量的硬件资源，减少了资源的重复，还实现了异地存取资源的能力，大大降低了成本，对于国家所提倡的现代高校教育体制无疑是极大的支撑。

图3：最终应用效果图

五、结束语

云计算使用的是集中存储方式，所有数据被存储在规模庞大的数据中心，有先进的技术和专业人员负责数据的管理和安全工作，能满足资源库规模的扩大和数据安全的要求。此外，由于云计算能跨设备跨平台，用户可以轻而易举的在各种终端之间同步获取数据，并可随时与人分享，具备良好的开放性和共享性，各个高校及其他教育机构或信息资源建设人员可以利用云计算所提供的强大的协同工作能力实现教育信息资源的共建、共享、避免形成信息孤岛。

[参考文献]

[1]石利平.浅析基于Web的云存储技术[J].现代计算机（专业版），2010（3）：117-119

[2]李向军.基于云计算的数据存储系统研究[J].硅谷，2010（19）：73-74

[3]张明.浅谈云存储技术与应用[J].甘肃纵横科技，2010（3）：15-17

[4]彭国庆，周冠宇.云计算分层体系结构研究[J].移动通信，2010（16）：54-58

（作者单位：昆明理工大学计算中心 云南昆明）