基于多級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)的云教室架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李進(jìn)

【摘 要】為了解決云教室大量云桌面同時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行導(dǎo)致系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、運(yùn)行緩慢的問(wèn)題，提出了一種基于多級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)的云教室解決方案。該方案采用Hyper-V虛擬化技術(shù)，根據(jù)存儲(chǔ)的I/O性能分別存儲(chǔ)云桌面的不同數(shù)據(jù)，可有效地分散磁盤的I/O壓力。通過(guò)實(shí)踐效果分析表明，該方案能夠克服磁盤的I/O瓶頸，有效地減少云教室開(kāi)機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間，從而提升系統(tǒng)運(yùn)行的流暢度。

【關(guān)鍵詞】云計(jì)算 云教室 多級(jí)存儲(chǔ)

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)教育的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)教室已在學(xué)校普及，這在很大程度上提高了課堂的教學(xué)效果。但是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)教室軟件、硬件管理和維護(hù)復(fù)雜，長(zhǎng)期運(yùn)行還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行緩慢，同時(shí)系統(tǒng)升級(jí)非常不便，而云教室[1]可通過(guò)云計(jì)算技術(shù)有效地解決這些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)教室存在的問(wèn)題。

云教室由一臺(tái)云教室服務(wù)器通過(guò)虛擬化技術(shù)生成幾十臺(tái)云桌面虛擬機(jī)，但是由于磁盤的I/O（Input/Output，輸入/輸出）存在瓶頸，幾十臺(tái)云桌面同時(shí)開(kāi)機(jī)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生很高的I/O，容易引發(fā)啟動(dòng)風(fēng)暴，導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、系統(tǒng)運(yùn)行緩慢?；诖?，本文通過(guò)內(nèi)存的高I/O特性來(lái)解決磁盤的I/O瓶頸，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于多級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)的云教室方案，以適應(yīng)云教室所需的啟動(dòng)快、運(yùn)行快的需求。

2 多級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)簡(jiǎn)介

多級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)是指根據(jù)存儲(chǔ)的I/O性能、數(shù)據(jù)的使用頻率和保存時(shí)間，將不同數(shù)據(jù)存放在不同類型的存儲(chǔ)上。本方案采用三級(jí)存儲(chǔ)，分別是HDD（Hard Disk Drive，硬盤驅(qū)動(dòng)器）、SSD（Solid State Drive，固態(tài)硬盤）和內(nèi)存盤。其中，內(nèi)存盤是用特定軟件劃定一塊內(nèi)存來(lái)當(dāng)作硬盤使用，其具有和內(nèi)存相同的I/O，但是斷電后會(huì)丟失內(nèi)存盤中的數(shù)據(jù)[2]。多級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)架構(gòu)如圖1所示：

在本方案中，內(nèi)存盤專門用來(lái)存儲(chǔ)云桌面的母鏡像，可以極大地提高I/O，解決啟動(dòng)風(fēng)暴問(wèn)題，同時(shí)母鏡像在云桌面的整個(gè)生命周期中都不會(huì)發(fā)生變化，只要在硬盤中存在副本，就不用擔(dān)心斷電導(dǎo)致內(nèi)存盤丟失數(shù)據(jù)的問(wèn)題；SSD用來(lái)存儲(chǔ)云桌面差分盤，差分盤是基于母鏡像創(chuàng)建一個(gè)子盤，對(duì)母盤的改動(dòng)都記錄在差分盤中，SSD的高性能可以提高云桌面的運(yùn)行速率；HDD用來(lái)存儲(chǔ)云桌面數(shù)據(jù)盤，保存用戶數(shù)據(jù)文件，如學(xué)生作業(yè)、課件等。

多級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)能夠分散磁盤I/O壓力，解決磁盤I/O瓶頸問(wèn)題，使得云教室系統(tǒng)運(yùn)行速率提高，用戶體驗(yàn)得到很好的提升。通過(guò)使用該技術(shù)，在教師上課、下課、教學(xué)互動(dòng)中，可大幅提升學(xué)生使用云桌面的流暢度。

3 云教室系統(tǒng)架構(gòu)具體實(shí)現(xiàn)

一個(gè)云教室包含云教室管理平臺(tái)、云桌面、云終端和教師機(jī)[3]。云教室管理平臺(tái)通過(guò)心跳監(jiān)控云桌面和云終端，通過(guò)特定的消息通道向云桌面、云終端和教師機(jī)發(fā)送指令及消息；云桌面采用Hyper-V虛擬化技術(shù)和多級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)創(chuàng)建[4]；云終端負(fù)責(zé)連接云桌面供學(xué)生操作；教師機(jī)則為教師提供課堂管理的輔助工具。

系統(tǒng)中多個(gè)核心組件之間相互配合，共同完成云桌面資源調(diào)度、教學(xué)管理和教學(xué)互動(dòng)的功能。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。

3.1 教學(xué)系統(tǒng)鏡像在多級(jí)存儲(chǔ)方案中的使用原理

教學(xué)系統(tǒng)鏡像即云桌面的母鏡像，由管理員上傳至云教室管理平臺(tái)[5]。在云教室中，母鏡像的狀態(tài)分為啟用和未啟用兩種。未啟用狀態(tài)時(shí)，母鏡像存放在HDD中，作為備份數(shù)據(jù)；啟用狀態(tài)時(shí)，母鏡像存放在內(nèi)存盤中，作為云桌面的母鏡像源文件使用。由于上傳好的教學(xué)系統(tǒng)鏡像默認(rèn)是未啟用的，所以存放在HDD中。當(dāng)管理員需要?jiǎng)?chuàng)建云桌面時(shí)，首選需要啟用鏡像，管理平臺(tái)會(huì)將母鏡像復(fù)制一份到內(nèi)存盤中，然后才能創(chuàng)建云桌面。母鏡像的狀態(tài)與存儲(chǔ)位置如圖3所示：

當(dāng)服務(wù)器發(fā)生意外重啟或者斷電時(shí)，在服務(wù)器啟動(dòng)后，管理平臺(tái)后臺(tái)服務(wù)會(huì)根據(jù)鏡像的啟用狀態(tài)將已經(jīng)啟用的鏡像復(fù)制到內(nèi)存盤中，由于差分盤的存在，母鏡像不會(huì)做任何修改，所以復(fù)制完成后云教室系統(tǒng)可以正常使用，不會(huì)造成內(nèi)存盤數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題。具體流程如圖4所示。

3.2 云桌面在多級(jí)存儲(chǔ)方案中的原理及實(shí)現(xiàn)

一臺(tái)云桌面的存儲(chǔ)由系統(tǒng)啟動(dòng)盤和數(shù)據(jù)存放盤組成[6]。在多級(jí)存儲(chǔ)方案中，數(shù)據(jù)盤保存在HDD中，用于永久保留用戶數(shù)據(jù)，即使虛擬機(jī)被刪除或者重建，數(shù)據(jù)盤中的數(shù)據(jù)依然存在，適合保存學(xué)生上課需要持久化的文件。

云桌面的啟動(dòng)盤由母鏡像和差分盤兩部分組成[7]。當(dāng)云桌面啟動(dòng)時(shí)，云桌面從母鏡像所在的內(nèi)存盤中讀取數(shù)據(jù)，將對(duì)母鏡像的修改寫(xiě)入差分盤所在的SSD中。內(nèi)存盤負(fù)擔(dān)的是讀壓力，而差分盤負(fù)擔(dān)的是寫(xiě)壓力，如此將讀寫(xiě)I/O分離，有效地分散了磁盤的I/O壓力，如圖5所示：

此外，云桌面啟動(dòng)時(shí)的讀壓力遠(yuǎn)大于寫(xiě)壓力，采用高I/O性能的內(nèi)存盤來(lái)負(fù)擔(dān)讀壓力，可以避免啟動(dòng)時(shí)的I/O瓶頸。

3.3 多級(jí)存儲(chǔ)方案中的云教室管理平臺(tái)

云教室管理平臺(tái)是管理平臺(tái)提供了對(duì)云教室資源的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，包括鏡像、云桌面、終端和服務(wù)器。并提供了圖形化界面，方便教室管理和維護(hù)，所有云教室操作都可以通過(guò)管理平臺(tái)進(jìn)行[8]。

管理員可以通過(guò)云教室管理平臺(tái)批量創(chuàng)建云桌面，后臺(tái)采用多線程并發(fā)方式，50臺(tái)云桌面能夠在100 s內(nèi)創(chuàng)建完成。通過(guò)內(nèi)存盤加差分盤的方式，單臺(tái)云桌面啟動(dòng)時(shí)間在3 s以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)真正的“秒啟”[9]。

管理平臺(tái)根據(jù)鏡像規(guī)格設(shè)置云桌面的內(nèi)存和CPU，根據(jù)管理平臺(tái)配置設(shè)置云桌面的網(wǎng)絡(luò)，將云桌面的網(wǎng)絡(luò)配置、主機(jī)名信息寫(xiě)入云桌面的注冊(cè)表中，云桌面啟動(dòng)后檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)名是否與注冊(cè)表中的值匹配，若不匹配則自動(dòng)修改。

創(chuàng)建云桌面流程如圖6所示。云桌面啟動(dòng)完成后會(huì)向管理平臺(tái)發(fā)送心跳包，管理平臺(tái)可通過(guò)心跳包監(jiān)控云桌面的運(yùn)行狀態(tài)。

同時(shí)，管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的課程表自動(dòng)切換課程[10]。具體流程如圖7所示。

（1）管理員首先在管理平臺(tái)上創(chuàng)建課程表，然后管理平臺(tái)再根據(jù)配置好的課程表發(fā)起定時(shí)任務(wù)；

（2）等到課程表對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，啟動(dòng)切換課程任務(wù)；

（3）管理平臺(tái)先判斷是否需要切換課程，若不需要?jiǎng)t直接啟動(dòng)云桌面和云終端；

（4）若需要切換課程，則拷貝母鏡像到內(nèi)存盤中，重建云桌面；

（5）同時(shí)喚醒云終端，待云桌面啟動(dòng)完成后自動(dòng)連接。

4 實(shí)踐效果分析

通過(guò)多級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)，使用內(nèi)存盤分散了批量云桌面同時(shí)開(kāi)機(jī)產(chǎn)生的大量I/O壓力，消除了使用硬盤存在的I/O瓶頸，并有效地減少了云教室系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間。

不同數(shù)量的云桌面開(kāi)機(jī)時(shí)間對(duì)比如圖8所示：

從圖8可以看出，隨著同時(shí)開(kāi)機(jī)的云桌面數(shù)量越來(lái)越多，普通方案開(kāi)機(jī)時(shí)間大幅增長(zhǎng)，這是因?yàn)槌霈F(xiàn)了I/O瓶頸，而多級(jí)存儲(chǔ)方案開(kāi)機(jī)時(shí)間的增長(zhǎng)幅度明顯小于普通方案。當(dāng)50臺(tái)云桌面同時(shí)開(kāi)機(jī)時(shí)，多級(jí)存儲(chǔ)方案開(kāi)機(jī)速度較普通方案提升6倍以上。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于多級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)的云教室方案，并詳細(xì)介紹了該方案的架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)原理?；谏鲜黾軜?gòu)的云教室系統(tǒng)能夠有效地減少云教室開(kāi)機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間，提升系統(tǒng)運(yùn)行的流暢度，從而增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。經(jīng)過(guò)不斷地開(kāi)發(fā)和完善，該方案已成功在多家中小學(xué)、高職院校試點(diǎn)上線，運(yùn)行效果良好。

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