基于云計(jì)算的高校數(shù)字化教學(xué)資源存儲(chǔ)模型的探析

方嬌莉 馮麗華 劉明

[摘要]本文討論的是云計(jì)算環(huán)境下高校數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源如何存儲(chǔ)的問(wèn)題。 文章介紹了目前幾種網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)，指出了其缺點(diǎn)和不足，結(jié)合云計(jì)算的相關(guān)特性，搭建基于云計(jì)算平臺(tái)下的數(shù)字化教學(xué)資源的存儲(chǔ)模型，使計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源分離，使存儲(chǔ)操作可以獨(dú)立于服務(wù)器，從而減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)更好地發(fā)揮和利用高校數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]云計(jì)算 ?教學(xué)資源 ?存儲(chǔ)模型

一、 我國(guó)高校數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的特點(diǎn)及存儲(chǔ)需求

我國(guó)大部分高校都已經(jīng)開(kāi)通了數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，國(guó)家教育主管部門也高度重視，將數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)模式廣泛應(yīng)用到各高校的教學(xué)活動(dòng)中，各大高校也投入了相當(dāng)大的人力、物力進(jìn)行相關(guān)的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的規(guī)劃與建設(shè)，建立了多門國(guó)家、省級(jí)網(wǎng)絡(luò)示范課程，并取得了一定的成果。但綜觀我國(guó)高校數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，可以看出主要包括以下兩個(gè)方面的內(nèi)容：一類是以簡(jiǎn)單的網(wǎng)頁(yè)加上上傳的PPT、WORD等格式文件組成，另一類是以網(wǎng)頁(yè)方式出現(xiàn)，將課程的各章節(jié)內(nèi)容以網(wǎng)頁(yè)形式來(lái)表現(xiàn)。這兩個(gè)方面均體現(xiàn)了各高校軟、硬件資源重復(fù)投入、網(wǎng)絡(luò)課程資源重復(fù)建設(shè)、信息資源共享不足、虛擬化教學(xué)的交互不足等特點(diǎn)。

由上述特點(diǎn)可以看出高校對(duì)數(shù)字化教學(xué)資源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求，主要概括為：管理和維護(hù)大量的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)，要求確保數(shù)據(jù)的一致性、安全性、可靠性和可擴(kuò)充性;具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制;避免課程資源重復(fù)建設(shè);降低軟硬件資源的投入。

對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)而言，必須要滿足以下要求：

（1）可用性：決定一個(gè)存儲(chǔ)方案現(xiàn)實(shí)可用的主要因素有硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等技術(shù)條件，具備良好的可用性是存儲(chǔ)解決方案具備要求之一;

（2）可擴(kuò)展：必須結(jié)合實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)業(yè)務(wù)的發(fā)展，存儲(chǔ)系統(tǒng)必須考慮到以后5年甚至以后更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)，所以存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展是考慮的重點(diǎn)之一;

（3）安全高效：同時(shí)滿足大數(shù)據(jù)量的并發(fā)訪問(wèn)和傳輸，同時(shí)具有良好的在線備份功能，數(shù)據(jù)不至丟失，確保數(shù)據(jù)安全;

（4）快速響應(yīng)：面對(duì)多并發(fā)用戶的快速響應(yīng)機(jī)制，用戶在某個(gè)時(shí)間段快速增多時(shí)，系統(tǒng)能夠做出自動(dòng)響應(yīng)機(jī)制，保證系統(tǒng)不宕機(jī);

（5）經(jīng)濟(jì)可行性：存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理成本非常高，理想的存儲(chǔ)架構(gòu)必須能有效地降低管理成本，它不但能導(dǎo)入各種管理應(yīng)用，而且能在未來(lái)的管理系統(tǒng)中，保護(hù)今天的所有投資。

二、幾種主要的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)是以兩個(gè)不同的技術(shù)分別發(fā)展起來(lái)的。存儲(chǔ)技術(shù)的重點(diǎn)主要在于高效的數(shù)據(jù)組織和存放，而網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)在于高效的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)就是將“存儲(chǔ)”和“網(wǎng)絡(luò)”結(jié)合起來(lái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接各存儲(chǔ)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)設(shè)備之間、存儲(chǔ)設(shè)備和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的高性能傳輸。服務(wù)器與存儲(chǔ)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接，使服務(wù)器與存儲(chǔ)之間的距離擴(kuò)大了，數(shù)量增多了，服務(wù)器與存儲(chǔ)系統(tǒng)間連接的管理能力提高了，更突出的是，在網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的環(huán)境中，存儲(chǔ)系統(tǒng)已不再為單臺(tái)服務(wù)器所獨(dú)自占有，成為多臺(tái)服務(wù)器共同擁有的存儲(chǔ)資源。以下是幾種目前常用的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)。

（一） DAS

DAS是Direct Attached Storage的縮寫，即直連式存儲(chǔ)，將外置存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)SCSI連接電纜，直接連到計(jì)算機(jī)上。直連式存儲(chǔ)依賴服務(wù)器主機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的IO讀寫和存儲(chǔ)維護(hù)管理，數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)要求占用服務(wù)器主機(jī)資源（包括CPU、系統(tǒng)IO等），數(shù)據(jù)流需要回流主機(jī)再到服務(wù)器 連接著的磁帶機(jī)（庫(kù)），數(shù)據(jù)備份會(huì)占用服務(wù)器主機(jī)資源的20-30%，當(dāng)用 戶數(shù)據(jù)量過(guò)多時(shí)，備份和恢復(fù)的時(shí)間就會(huì)很長(zhǎng)，往往會(huì)對(duì)服務(wù)器造成大量負(fù)荷，影響效率。

（二）NAS

NAS是Network Attached Storage的縮寫，即網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)接口為連接界面，是一種專門用于存儲(chǔ)的瘦服務(wù)器，該服務(wù)器不再承擔(dān)應(yīng)用服務(wù)。它最大的好處是提供了跨平臺(tái)的集群共享，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)在不同操作系統(tǒng)平臺(tái)下的文件共享應(yīng)用，即插即用，物理位置靈活，可以放在工作組內(nèi)，靠近數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用服務(wù)器，也可以放在其他地點(diǎn)，通過(guò)物理鏈路與網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，方便的管理數(shù)據(jù)和維護(hù)設(shè)備。而它也存在如下缺點(diǎn)，一是受限于網(wǎng)絡(luò)的性能，不支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。由于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)要通過(guò)普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此易受網(wǎng)絡(luò)上其他流量的影響，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上有其他大數(shù)據(jù)流量時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，不能廣泛使用在大數(shù)據(jù)量傳輸環(huán)境中。二是由于其采用的是NFS、CIFS等網(wǎng)絡(luò)文件協(xié)議，而不是塊協(xié)議或數(shù)據(jù)庫(kù)協(xié)議，所以不支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。

（三）SAN

SAN是Storage Area Network的縮寫，即存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，以光纖（FibreChannel，F(xiàn)C）通道連接的界面。配合光纖通道的其他設(shè)備，在以太網(wǎng)的架構(gòu)上，利用光纖通道長(zhǎng)距離、大容量和高性能的特征，所形成的一個(gè)專用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。從結(jié)構(gòu)上看，服務(wù)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)相互獨(dú)立，這樣兩者的擴(kuò)展可以獨(dú)立進(jìn)行，具有很高的擴(kuò)展性。 SAN使存儲(chǔ)資源能夠構(gòu)建與服務(wù)器之外，這樣多個(gè)服務(wù)器就能夠在不影響性能或網(wǎng)絡(luò)的情況下分享存儲(chǔ)資源，實(shí)現(xiàn)高共享，由于SAN采用了光纖接口，因而也具有更高的帶寬，利用光纖通道技術(shù)，SAN可以有效地傳 輸數(shù)據(jù)，特別是在傳輸大數(shù)據(jù)塊時(shí)非常有效。

SAN也存在著一些問(wèn)題：目前SAN采用FC進(jìn)行傳遞，但FC協(xié)議在目前還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這也造成了不同廠商之間的產(chǎn)品之間難以互相操作，其次SAN成本過(guò)高，構(gòu)建和維護(hù)都需要專業(yè)人員。

由以上比較可以看出，SAN存儲(chǔ)技術(shù)具有高擴(kuò)展性，最高支持大容量存 儲(chǔ)空間，降低擴(kuò)容成本，單鏈路2GB帶寬，保證存儲(chǔ)環(huán)境傳輸速度。SAN的重點(diǎn)在于形成高可用性的高性能存儲(chǔ)系統(tǒng)，而針對(duì)目前的存儲(chǔ)系統(tǒng)主要考慮到四個(gè)問(wèn)題：一是數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)設(shè)備的容錯(cuò)，二是大容量存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)的共享，三是無(wú)限制的擴(kuò)展能力，四是數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)設(shè)備的管理，至于網(wǎng)絡(luò)的帶寬和存儲(chǔ)設(shè)備的性能，除非是特殊應(yīng)用，在當(dāng)今的技術(shù)下已不成問(wèn)題。

三、云計(jì)算和云存儲(chǔ)體系架構(gòu)

“云”是一個(gè)由并行的網(wǎng)格所組成的巨大的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，它通過(guò)虛擬化技術(shù)來(lái)擴(kuò)展云端的計(jì)算能力，使得各個(gè)設(shè)備發(fā)揮最大的效能。數(shù)據(jù)的處理及存儲(chǔ)均通過(guò)“云”端的服務(wù)器集群來(lái)完成，由一個(gè)大型的數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)管理，數(shù)據(jù)中心按客戶的需要分配計(jì)算資源，達(dá)到與超級(jí)計(jì)算機(jī)同樣的效果。

從服務(wù)架構(gòu)看，云計(jì)算分為以下四個(gè)層次：

（1）應(yīng)用層

在軟件結(jié)構(gòu)上采用云計(jì)算，通常不必再進(jìn)行客戶端的安裝和運(yùn)行應(yīng)用，所有的操作、維護(hù)和升級(jí)均在服務(wù)器端進(jìn)行，可以減輕軟件維護(hù)、日常操作和支持的負(fù)擔(dān)。

（2）平臺(tái)層

將計(jì)算平臺(tái)和解決方案棧作為一項(xiàng)服務(wù)，通常基于云基礎(chǔ)設(shè)施來(lái) 支撐其上的云應(yīng)用，避開(kāi)了成本、復(fù)雜的采購(gòu)、底層硬件和軟件層管理，可以有效促進(jìn)應(yīng)用部署。

（3）基礎(chǔ)設(shè)施層

是經(jīng)過(guò)虛擬化后的硬件資源和相關(guān)管理功能的集合。廠商通過(guò)虛擬化技術(shù)對(duì)這些資源進(jìn)行抽象，向外部提供動(dòng)態(tài)、靈活的基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)（laas）。

（4）物理層

主要是由各種計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成的，包括了最基本的硬件資源，比如計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源，硬件資源虛擬化、IT技術(shù)自動(dòng)化和按使用資源的多少來(lái)定價(jià)的結(jié)果使用戶可以購(gòu)買或者租用一個(gè)數(shù)據(jù)中心來(lái)訂購(gòu)服務(wù)，按需分配，靈活可伸縮，節(jié)約了用戶的成本，也減少了硬件資源閑置和利用率低等問(wèn)題。

云存儲(chǔ)（Cloud Storage）[1]是在云計(jì)算概念上延伸和發(fā)展出來(lái)的一個(gè)新的概念。與云計(jì)算概念類似。它是指通過(guò)集群技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)或分布式等相關(guān)技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)中大量不同類型的設(shè)備通過(guò)應(yīng)用軟件集合起來(lái)協(xié)同工作，共同提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和對(duì)外業(yè)務(wù)訪問(wèn)功能。當(dāng)云計(jì)算系統(tǒng)的核心編程大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理時(shí)，云計(jì)算系統(tǒng)就轉(zhuǎn)變成為一個(gè)云存儲(chǔ)系統(tǒng)[2]。所以，云存儲(chǔ)實(shí)際上是一個(gè)以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理為核心的云計(jì)算系統(tǒng)。它對(duì)使用者來(lái)講，不是某個(gè)具體的設(shè)備，而是由很多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備和服務(wù)器所構(gòu)成的集合體[3]，使用者使用的是整個(gè)云存儲(chǔ)系統(tǒng)帶來(lái)的一種數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)，其核心是應(yīng)用軟件與存儲(chǔ)設(shè)備相結(jié)合，通過(guò)應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)設(shè)備向存儲(chǔ)服務(wù)轉(zhuǎn)變。

云存儲(chǔ)是一個(gè)以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理為核心的云計(jì)算系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)模型上看，云存儲(chǔ)系統(tǒng)比云計(jì)算系統(tǒng)多了一個(gè)存儲(chǔ)層，所以，也可以認(rèn)為，云存儲(chǔ)是配置了大量存儲(chǔ)空間的云計(jì)算系統(tǒng)。云存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)模型由[4]四層組成。

圖1：云存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

（1）存儲(chǔ)層

存儲(chǔ)層是云存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的第一層，是最基礎(chǔ)的部分。FC光纖通道設(shè)備、 NAS、ISCSI等IP存儲(chǔ)設(shè)備、SCSI或SAS等都可以做為存儲(chǔ)層的存儲(chǔ)設(shè)備。這些存儲(chǔ)設(shè)備基本上都分布在不同的地域，通過(guò)廣域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)或者FC光纖通道連接在一起，并且數(shù)量龐大。存儲(chǔ)層里面還有一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)設(shè)備的邏輯虛擬化管理、多鏈路冗余管理以及硬件設(shè) 備的狀態(tài)監(jiān)控和故障維護(hù)。

（2）基礎(chǔ)管理層

基礎(chǔ)管理層在云存儲(chǔ)系統(tǒng)中占核心部分，也是在技術(shù)上最難以實(shí)現(xiàn)的部分。基礎(chǔ)管理層要運(yùn)用集群技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)、分布式文件系統(tǒng)等技術(shù)，滿足云存儲(chǔ)系統(tǒng)中多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備間協(xié)同工作，共同對(duì)外提供服務(wù)，提供更強(qiáng)更好的數(shù)據(jù)訪問(wèn)性能。此外，數(shù)據(jù)加密技術(shù)、CDN內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)能夠禁止未授 權(quán)的用戶訪問(wèn)云存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)安全。

（3）應(yīng)用接口層

云存儲(chǔ)中最靈活多變的就是應(yīng)用接口層。云存儲(chǔ)運(yùn)營(yíng)制造單位根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型，開(kāi)發(fā)不同的應(yīng)用服務(wù)接口，提供不同的應(yīng)用服務(wù)。比如視頻點(diǎn)播應(yīng)用平臺(tái)、視頻監(jiān)控應(yīng)用平臺(tái)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)備份應(yīng)用平臺(tái)等。

（4）訪問(wèn)層

每一個(gè)被授權(quán)的用戶都可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)公用接口登錄云存儲(chǔ)系統(tǒng)，享受云存儲(chǔ)服務(wù)。不同的云存儲(chǔ)運(yùn)營(yíng)單位，就有不同的訪問(wèn)類型和訪問(wèn)手段。

四、 數(shù)字化教學(xué)資源平臺(tái)云存儲(chǔ)應(yīng)用模型

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)云存儲(chǔ)系統(tǒng)是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)基礎(chǔ)上構(gòu)建的一個(gè)整合資源，該系統(tǒng)首先是必須能向下兼容，其次不能破壞現(xiàn)有的存儲(chǔ)系統(tǒng)，基于本原則，本文在云計(jì)算四層分層體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源云存儲(chǔ)模型體系結(jié)構(gòu)。如圖2所示。

用戶可以通過(guò)自己的賬戶名和密碼登錄云存儲(chǔ)系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的云存儲(chǔ)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的服務(wù)層能為他們提供所需的存儲(chǔ)服務(wù)。應(yīng)用層提供了檢索、資源發(fā)布、遠(yuǎn)程傳送、本地備份、異地備份等應(yīng)用。在軟件結(jié)構(gòu)上采用云計(jì)算，通常不必再進(jìn)行客戶端的安裝和運(yùn)行應(yīng)用，所有的操作、維護(hù)和升級(jí)均在服務(wù)器端進(jìn)行，可以減輕軟件維護(hù)、日常操作和支持的負(fù)擔(dān)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)云存儲(chǔ)應(yīng)用模型是基于云存儲(chǔ)的思想來(lái)構(gòu)建和設(shè)計(jì)的，在應(yīng)用層中，用戶需要存取資源時(shí)，可以通過(guò)云存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的云存儲(chǔ)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的服務(wù)層為他們提供所需的存儲(chǔ)服務(wù)。無(wú)論是應(yīng)用層還是服務(wù)層都提供多級(jí)數(shù)據(jù)保護(hù)措施，確保數(shù)據(jù)不丟失。

圖2：數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)云存儲(chǔ)應(yīng)用模型

該應(yīng)用模型的最終應(yīng)用效果如圖3所示。從效果圖可以清楚的看到，通過(guò)建立云計(jì)算環(huán)境下的SAN存儲(chǔ)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)諸多高校之間資源的免費(fèi)共享。我校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的資源用戶不僅可以自己讀取，還能夠與其他高校、教育機(jī)構(gòu)進(jìn)行資源共享，互相訪問(wèn)。這樣不僅節(jié)省了大量的硬件資源，減少了資源的重復(fù)，還實(shí)現(xiàn)了異地存取資源的能力，大大降低了成本，對(duì)于國(guó)家所提倡的現(xiàn)代高校教育體制無(wú)疑是極大的支撐。

圖3：最終應(yīng)用效果圖

五、結(jié)束語(yǔ)

云計(jì)算使用的是集中存儲(chǔ)方式，所有數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)中心，有先進(jìn)的技術(shù)和專業(yè)人員負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理和安全工作，能滿足資源庫(kù)規(guī)模的擴(kuò)大和數(shù)據(jù)安全的要求。此外，由于云計(jì)算能跨設(shè)備跨平臺(tái)，用戶可以輕而易舉的在各種終端之間同步獲取數(shù)據(jù)，并可隨時(shí)與人分享，具備良好的開(kāi)放性和共享性，各個(gè)高校及其他教育機(jī)構(gòu)或信息資源建設(shè)人員可以利用云計(jì)算所提供的強(qiáng)大的協(xié)同工作能力實(shí)現(xiàn)教育信息資源的共建、共享、避免形成信息孤島。

[參考文獻(xiàn)]

[1]石利平.淺析基于Web的云存儲(chǔ)技術(shù)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2010（3）：117-119

[2]李向軍.基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)研究[J].硅谷，2010（19）：73-74

[3]張明.淺談云存儲(chǔ)技術(shù)與應(yīng)用[J].甘肅縱橫科技，2010（3）：15-17

[4]彭國(guó)慶，周冠宇.云計(jì)算分層體系結(jié)構(gòu)研究[J].移動(dòng)通信，2010（16）：54-58

（作者單位：昆明理工大學(xué)計(jì)算中心 云南昆明）