面向高校教師的私有云存儲系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

馮剛 勞建 伍曉聰

摘要：現(xiàn)代化信息技術產(chǎn)生的階段性成果為高校教師信息化教學發(fā)展提供了強大動力，教師在課堂上使用的教學資源數(shù)據(jù)呈倍數(shù)增長，如何有效地存儲和管理大量的數(shù)字化教學資源，已成高校教師面臨的一大難題。文章主要探討通過運用云計算技術、分布存儲技術及總體存儲結構的設計，構建一個高效安全、易于管理的私有云存儲系統(tǒng)，解決教師安全高效地管理海量數(shù)字資源的難題，實現(xiàn)教學數(shù)據(jù)的高效存儲與管理，從而提高教師信息化教學水平。

關鍵詞：云計算；私有云；存儲系統(tǒng)

中圖分類號：TP3

文獻標志碼：A

0 引言

隨著信息技術在高校教學中的不斷拓展與深入，教師在課堂上使用的教學資源已逐漸由傳統(tǒng)的實物教具、實體模型、紙質(zhì)文檔材料等，轉(zhuǎn)向虛擬圖像、數(shù)字音頻等數(shù)字化教學資源。面對動輒上G的超大容量的數(shù)字化教學資源，教師們常使用移動存儲設備（U盤、移動硬盤等）、局域網(wǎng)共享和商業(yè)化網(wǎng)絡云盤等方式，來存儲教育數(shù)字資源。但移動存儲設備易于感染計算機病毒，可能會成為移動的病毒源。如2020年，廣西某高校發(fā)生的incaseformat病毒事件。該事件的起因是一位老師的U盤感染了此病毒，在該U盤的移動傳播下，造成了該校若干臺計算機數(shù)據(jù)被強制刪除。而局域網(wǎng)共享和商業(yè)化網(wǎng)絡云盤等存儲方式，在使用過程中會面臨不合理收費、文件傳輸速度慢、大文件傳輸中斷頻繁發(fā)生、文件數(shù)據(jù)丟失或盜用等風險。故為高校教師開發(fā)一種高效安全、易于管理的私有云存儲系統(tǒng)，解決教師安全高效地管理海量數(shù)字資源的難題，不僅可以幫助教師實現(xiàn)教學數(shù)據(jù)文件靈活管理、存儲容量線性擴展、功能個性化定制服務等功能，還可以有效提高教師信息數(shù)據(jù)的管理能力，促進教師教學信息化應用，提升教師信息化教學水平。

1 云存儲的分類

隨著云計算大數(shù)據(jù)時代的到來，數(shù)據(jù)呈爆炸式增長，安全、可靠、低成本地存儲與管理海量數(shù)據(jù)是各行各業(yè)所面臨的難題。云存儲是從云計算概念中延伸出來的新概念，主要通過采用分布式系統(tǒng)、備份容災、集群應用、服務器虛擬化等技術，將網(wǎng)絡中海量的不同類型的存儲設備構成可彈性擴展、低成本、低能耗的協(xié)同存儲資源池。云存儲還是提供數(shù)據(jù)存儲，遠程訪問的一個資源管理服務系統(tǒng)^［1］。用戶可以通過一個傳統(tǒng)的Web操作界面，不受時空限制地存儲和查詢?nèi)我鈹?shù)量的數(shù)據(jù)，獲得高可用、高可靠的數(shù)據(jù)存儲以及穩(wěn)定低價的基礎存儲服務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效安全存儲及訪問^［2］。目前，常見的云存儲分為公有云存儲和私有云存儲兩種。

1.1 公有云存儲

公有云存儲是指由第三方提供的云存儲服務，用于云服務用戶和資源的云部署模式。云服務商構建基礎架構，整合資源構建云端虛擬資源池，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)連接的方式訪問公有云存儲平臺的數(shù)據(jù)資源。通常公有云存儲是一種商業(yè)化行為，用戶需要支付一定的費用才行體驗公有云存儲的完整服務，數(shù)據(jù)的可控性和安全性不高，適合沒有架設私有云能力的企業(yè)和開發(fā)者使用。現(xiàn)在的比較常見的公有云存儲產(chǎn)品有百度云、阿里云、騰訊云等。

1.2 私有云存儲

私有云存儲是指由企業(yè)或事業(yè)單位內(nèi)部提供的云存儲服務，用于內(nèi)部云服務用戶和資源專用的云部署模式。私有云存儲是為內(nèi)部用戶使用而構建的，所以用戶的數(shù)據(jù)、安全和服務質(zhì)量都較公有云更有保障。私有云由于是客戶獨享，所以用戶擁有著構建云的基礎設施，并可以在此設施上部署應用程序^［3］。

2 私有云存儲的優(yōu)勢

私有云存儲的設計可以滿足單位和組織的特定需求，具有很強的靈活度。私有云的基礎設施可以位于企業(yè)內(nèi)部的物理設施中，用戶可掌握和控制硬件設備、網(wǎng)絡資源、資源存儲等所有資源，享有私有的使用權。想要降低基礎設施成本的用戶也可以將其云托管在外部服務提供商的數(shù)據(jù)中心，稱為“私有云托管”。

私有云存儲具有較好的可擴展性，可以整合大量的計算資源并提供可控的自助服務訪問?；谶@些因素，私有云可提供更大的基礎設施容量，以滿足用戶對數(shù)據(jù)存儲和管理的巨大需求。此外，由于采用虛擬化的方式結合加密壓縮技術、去重技術、冗余技術等，使得私有云存儲系統(tǒng)資源不受物理限制，利于擴展。同時，得益于私有云的專用環(huán)境，用戶可以更好地管理資源的可擴展性、利用率、自助服務能力和個性化服務。利用私有云搭建資源存儲管理系統(tǒng)，能夠為教師提供更具個性化的存儲管理功能，在操作體驗上符合高校的特點，滿足教師在課堂中運用數(shù)據(jù)化資源開展信息化教學的需求與習慣。

私有云存儲一般部署在企業(yè)或事業(yè)單位的內(nèi)部網(wǎng)絡環(huán)境中，數(shù)據(jù)傳輸不受外網(wǎng)帶寬限制，能充分利用局域網(wǎng)絡的帶寬資源，獲得較高的傳輸性能。由于部署在隔離的網(wǎng)絡環(huán)境中，私有云的安全性依賴于不與外部網(wǎng)絡共享資源。因此，在基礎設施的管理中，能提供更高的可控性和安全性，但這種控制并不意味著數(shù)據(jù)的安全或合規(guī)性得到保證。私有云的安全性取決于企業(yè)內(nèi)部為降低風險、錯誤和安全漏洞而應用的網(wǎng)絡保護協(xié)議和安全策略。但維護人員可以設計符合存儲系統(tǒng)的安全策略，使其變得更強大，以保護私有云存儲系統(tǒng)。

3 私有云存儲平臺的基礎架構與關鍵技術

3.1 私有云儲存平臺的基礎架構

私有云儲存平臺，主要由物理設備集群、軟硬件通信接口、軟件系統(tǒng)3個部分組成。

（1）物理設備集群是構成存儲系統(tǒng)的物理基礎，是架構中的最底層，主要包含服務器集群和存儲設備集群。服務器集群主要用于數(shù)據(jù)運算，而存儲設備負責存儲數(shù)據(jù)。（2）軟硬件通信接口為底層硬件與應用層軟件提供通信接口，向下實現(xiàn)物理設備集群管理，向上優(yōu)化對應用軟件兼容硬件設備的差異問題，同時還負責系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全、容錯、備份、恢復、同步等數(shù)據(jù)操作。（3）軟件系統(tǒng)是集中處理數(shù)據(jù)服務功能，以及為用戶提供可視化、易操作的操作界面，便利用戶的使用，同時處理用戶的合法性與操作的安全性。

3.2 私有云儲存平臺的關鍵技術

私有云儲存平臺的關鍵技術包含分布式文件管理技術、網(wǎng)絡傳輸通信技術、互聯(lián)網(wǎng)技術以及設備集群技術。

（1）分布式文件管理技術是基于Hadoop開源架構平臺構建的HDFS分布式文件管理系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)具有良好可擴展性的分布式存儲。（2）網(wǎng)絡傳輸通信是存儲系統(tǒng)所必需依賴的技術之一。構建可靠且高效的網(wǎng)絡傳輸與通信對于存儲系統(tǒng)的服務性能至關重要。（3）互聯(lián)網(wǎng)技術用于開發(fā)各類應用服務系統(tǒng)，使用戶能夠在網(wǎng)絡環(huán)境下方便地訪問和使用存儲系統(tǒng)。（4）設備集群技術是存儲系統(tǒng)的基礎支撐技術，主要實現(xiàn)資源的統(tǒng)一調(diào)配、各類任務的并行處理和網(wǎng)絡負載的均衡。存儲系統(tǒng)基于這些關鍵技術進行構建，可以解決負載均衡、數(shù)據(jù)遷移分發(fā)、壓縮恢復、加密解密等問題，從而進一步提高系統(tǒng)的可靠性、安全性和可擴展性。

4 私有云儲存平臺的整體設計

4.1 平臺的總體設計方案

私有云儲存平臺采用B/S/S三層架構，以MySQL數(shù)據(jù)庫為支撐。設計過程中應用輕量級PHP框架Phalcon，基于MVC模式，以Redis作為持久化層。在底層方面，采用數(shù)臺高性能服務器組建的私有云作為支撐，以便更好地解決大文件的傳輸與保存問題。該平臺總體可分為三個部分：面向用戶的系統(tǒng)訪問模塊、基礎的分布式數(shù)據(jù)存儲、底層的設備集群。其中，面向用戶的系統(tǒng)訪問界面模塊功能，主要包括：用戶賬號的開通、用戶登錄、密碼修改、文件上傳、文件在線查看、文件下載管理、編輯、刪除等。除訪問機制外，還設置了用于驗證用戶信息合法性以及數(shù)據(jù)完整性的安全管理模塊?；A的分布式數(shù)據(jù)存儲HDFS分布式管理系統(tǒng)來存儲數(shù)據(jù)，不僅實現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)與管理，還實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)庫的讀寫。系統(tǒng)架構如圖1所示。

4.2 超大文件傳輸?shù)膬?yōu)化方案設計

在傳統(tǒng)云儲存系統(tǒng)中，超大文件的傳輸一直存在效率低，錯誤率高等問題。本系統(tǒng)將基于HDFS架構，通過數(shù)據(jù)流方式對大文件進行分割，以元數(shù)據(jù)方式進行傳輸，長度為GB以上的文件在分割后既可改善文件長度過大對網(wǎng)絡造成負載不均衡的問題，也可有效提升傳輸速度。分割成的多個小文件，都有對應的序號，在所有小文件傳輸完成后，系統(tǒng)會自動對傳輸?shù)谋姸嘈∥募喜⒊稍次募?，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡超大文件的高效上傳功能。

4.3 數(shù)據(jù)存儲備份與容錯機制設計

由于數(shù)據(jù)存儲的底層硬件設備采用分布式架構，一旦某個節(jié)點發(fā)生故障，就會造成數(shù)據(jù)的損失問題。因此需要在系統(tǒng)中進行冗余備份操作，即文件在被初次創(chuàng)建時，系統(tǒng)就自動對文件進行存儲于多個副本的備份操作；同時，利用HDFS架構特性，對文件采用寫入限制操作機制，即用戶的文件在同一個節(jié)點上只能“一次寫入多次讀取”，可以保障文件數(shù)據(jù)的一致性、完整性。對于數(shù)據(jù)存儲中的容錯問題，結合HDFS本身的數(shù)據(jù)校驗與恢復機制策略，定時檢測各個數(shù)據(jù)節(jié)點的運行狀態(tài)與相應檢測信號，對文件數(shù)據(jù)存儲進行容錯處理。

4.4 符合教師使用習慣的系統(tǒng)操作界面設計

平臺的操作界面將結合PHP，jQuery，HTML5 等技術，開發(fā)和實現(xiàn)私有云存儲系統(tǒng)的操作桌面化，提供類似操作系統(tǒng)桌面和資源管理器界面的WEB門戶界面，滿足教師操作習慣，提升教師的使用體驗。平臺操作界面如圖2所示。

5 私有云存儲平臺的功能解析

高校的私有云存儲系統(tǒng)是為高校師生量身定制的文件管理平臺，能為師生提供良好使用體驗和不受時空限制的個人存儲應用服務?；谒接性拼鎯ο到y(tǒng)，可以建立能輕松訪問、安全存儲的云空間，不僅能幫助教師隨時隨地收集、整理資源，還能提供及時記錄、迅速查找、便捷分享等功能。

5.1 數(shù)據(jù)分類模塊

用戶可以在“數(shù)據(jù)存儲管理”下的“數(shù)據(jù)分類”進行創(chuàng)建、更新和刪除數(shù)據(jù)分類（見圖3）。當用戶點擊某個分類時，便可以進入該分類下的數(shù)據(jù)搜索列表。系統(tǒng)管理員可以創(chuàng)建數(shù)據(jù)分類的主分類，并在頁面上顯示相應的文件管理入口?！皵?shù)據(jù)管理”功能旨在滿足用戶個性化的數(shù)據(jù)管理需求，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的精細管理，同時滿足對敏感數(shù)據(jù)的共享需求。用戶可以根據(jù)需要對重要文檔進行申請操作，經(jīng)過數(shù)據(jù)負責人審核通過后，才能閱讀，以確保數(shù)據(jù)的安全性（見圖4）。該功不僅讓用戶能夠根據(jù)自己的需求進行數(shù)據(jù)管理，還能確保敏感數(shù)據(jù)的保密性。

5.2 文件（夾）管理模塊

用戶可以在個人權限范圍內(nèi)，對文件夾進行新建、更改、刪除等操作，構建符合個性的網(wǎng)絡存儲環(huán)境。支持文件批量上傳，可顯示文件上傳百分比進度，同時考慮超大多媒體格式文件的分塊上傳，保證文件上傳的高效性，和傳統(tǒng)第三方公司的網(wǎng)絡存儲上傳速度形成鮮明對比，增強師生的使用體驗。

考慮到用戶存儲文件的數(shù)據(jù)眾多，格式多樣，在此模塊中，提供關鍵詞查詢功能，搜索到符合關鍵詞的文件名時，自動跳轉(zhuǎn)到該文件所在位置。通過該功能，可以對文件夾中的重復文件進行搜索整理，節(jié)約系統(tǒng)空間。

在線預覽多媒體文件，系統(tǒng)提供文檔在線轉(zhuǎn)碼，文檔轉(zhuǎn)碼是基于MS Office 原生轉(zhuǎn)碼策略，直接轉(zhuǎn)成PDF格式，保證排版格式不亂碼不變形。上傳視頻文件后，提供在線播放功能，支持MP4，AVI，MPEG等多種視頻格式播放，保障所有終端均可查看此視頻格式文件，同時兼容 IE8/9/10/11、360瀏覽器、QQ瀏覽器、Firefox、Chrome等主流瀏覽器，視頻播放支持多種格式且支持拖動進度條播放。音頻格式的文件上傳后，可在線播放，比如音樂、英語聽力資料等。對上傳的Office 辦公文檔，支持在線預覽和文字復制。所有文件上傳支持分片上傳并自動在服務端進行合并，支持大型文件高速上傳^［4］（見圖5）。

5.3 權限管理模塊

系統(tǒng)的用戶中心設置里，針對用戶的權限管理只能由系統(tǒng)管理員或有該部分權限的用戶進行管理操作。該部分包括用戶管理、部門管理、用戶管理；該功能主要是管理本系統(tǒng)的用戶，可新增、編輯、刪除用戶，啟用禁用用戶后，用戶便不可再登錄本系統(tǒng)。部門管理功能主要是管理用戶的部門，部門與權限相關。創(chuàng)建、編輯部門信息時，可以授予部門設置訪問權限（見圖6）。分配相關訪問權限后，該部門的用戶便可根據(jù)權限進行相關操作。超級管理員是系統(tǒng)默認部門，不可對其進行修改、刪除操作。其他部門可根據(jù)業(yè)務需求進行創(chuàng)建以及分配對應權限。若部門被設置不可登錄后臺，則該部門下的所有用戶，都不可登錄本系統(tǒng)。

5.4 系統(tǒng)設置模塊

該部分功能由開發(fā)人員進行配置管理，主要是對本系統(tǒng)的基礎信息進行設置，通過相關配置，實現(xiàn)系統(tǒng)個性化呈現(xiàn)，優(yōu)化各個功能的操作邏輯，滿足用戶二次開發(fā)的需求（見圖7）。

6 結語

本文主要探討了面向高校教師云儲存系統(tǒng)的設計與落實措施，針對高校教師在教學中的應用環(huán)境，通過利用私有云技術提升存儲設備性能，并結合開放

源代碼和系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的高效傳輸，構建一個規(guī)范化的私有云存儲管理系統(tǒng)。同時，通過使用Web技術構建了一個完整的符合用戶使用習慣的桌面應用平臺。平臺利用云計算的服務功能，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)和信息的安全性保障、教學資料讀取速度大幅提升、資源空間使用的無限擴展，從而使高校教師在教學數(shù)據(jù)資源的存儲實現(xiàn)革新性發(fā)展，提高教師信息數(shù)據(jù)管理能力，促進教師教學信息化應用，提升教師信息化教學水平。

參考文獻

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（編輯 姚 鑫）

Design and implementation of private cloud storage system for college teachers

Feng Gang， Lao Jian， Wu Xiaocong

（Beihai Vocational College， Beihai 536000， China）

Abstract： The phased achievements of modern information technology provide a strong impetus for the development of college teachers information teaching. The number of teaching resource data used by teachers in the classroom has increased exponentially. How to effectively store and manage a large number of digital teaching resources has become a major problem faced by college teachers. This paper mainly discusses how to use cloud computing technology， distributed storage technology and the design of the overall storage structure， Build an efficient， safe and easy to manage private cloud storage system， solve the problem of teachers safe and efficient management of massive digital resources， achieve efficient storage and management of teaching data， and thus improve teachers information teaching level.

Key words： cloud computing; private cloud; storage system