云存储结合网络引导在教育行业的应用

张红艳

（山西大学现代教育技术中心，山西太原030006）

云存储结合网络引导在教育行业的应用

张红艳

（山西大学现代教育技术中心，山西太原030006）

通过对教育行业机房管理中存在的维护量大、文件存储不方便、运行效率低等一系列问题的分析，提出一种利用云存储结合网络引导技术的解决方案，彻底解决了机房管理中的问题，很好地支持各项教学任务，具有巨大的推广价值。

云存储；网络引导；PXE；iSCSI

Abstract：By analyzing the problems existed in college computer laboratories such as heavy workload in maintenance，inconvenience in file access and low efficiency in management，this paper introduces a solution to the above problems by combining cloud storage with network boot technology which greatly facilitated teaching affairs，thus it has great value of popularization．

Key words：Cloud storage；Network boot；PXE；iSCSI

一、教育行业机房管理现状

近年来随着信息化技术的发展，计算机教学已经成为高校教学中必不可少的现代化教学手段。机房数量的增加，教学任务的加重，使机房的管理问题日益突显出来。例如，病毒感染和操作系统人为的损坏；多种教学软件和学习环境的交叉应用；考试任务或者外部培训对环境和应用的新要求等都使得机房管理工作日益繁重。

针对以上问题，目前教学系统采用的手段主要是还原软件（或还原卡）和虚拟机技术：

（1）还原软件（还原卡）技术［1］是一个比较落后的技术。主要技术原理是作用于磁盘管理，将操作系统对磁盘的读写操作旁路，将写到磁盘的数据偏移到缓冲区，实现对系统的还原保护。

（2）虚拟机［2］的应用。通过客户机启动虚拟机来适应不同的应用环境。

在一定程度上，这两个技术的结合可以解决教学环境中的问题，但是还存在以下的缺陷：

（1）机房管理员维护量大，管理不方便。安装一个新软件每一台机器都需要解开还原进行操作，工作量巨大。如果操作系统损坏，还是需要解开还原卡，Ghost系统。

（2）教师和学生存储文件不方便。由于计算机都安装了还原卡，工作或学习期间保存在本地计算机上的文件关机重启后会丢失，不得已使用计算机前后都需要通过U盘等介质对文件进行转存，同时又增加了病毒传播的可能性。

（3）运行效率低。还原卡大大降低了PC机的效率，直接降低了磁盘I／O能力，对CPU也形成额外的负担。虚拟机的运行对资源消耗很大，如果PC机的配置较低，性能将会变得很差。

（4）系统兼容性差。还原卡是一种非标准的技术，对操作系统的读写动作有截获和篡改，对于某些特定的应用软件会存在兼容问题。另外，虚拟机提供的环境对应用系统也有一些来自性能和环境的制约。

（5）应用软件兼容性差，学校中各种课程的应用软件非常多，如何解决与各种应用软件的兼容性是个大问题。

二、解决方案

云存储［3］是在分布式概念上延伸和发展出来的一个新的概念，是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。通过云存储系统，将PC机需要运行的操作系统、应用软件和数据集中存储在网络上，PC机在开机时通过所有主板都支持的网络引导技术PXE从网络上引导，从而实现本地无存储或无操作系统，集中维护位于云存储上的母盘。在存储技术上基于安全和兼容等方面的考虑，采用了开放成熟的iSCSI技术来处理数据，成熟的技术和协议既可以与教学应用软件进行无缝对接，又提高了系统和数据的安全。技术特征如下：

（1）多重启动支持

教师机或学生机在开机启动时，通过网络从服务器群加载操作系统映像文件，可以根据需要选择不同的数据镜像文件作为系统文件启动PC，满足不同课程的上课需求。可以做到多操作系统、多应用，来解决不同专业、不同年级甚至不同操作者的要求。

（2）高效率增量更新机制

使用云存储管理平台后，无盘客户端通过网络虚拟启动，服务器群可以为每个登陆服务器的用户存储与上次登出系统时系统所改变的偏移量，如操作系统更新的数据，应用程序更新的数据，注册表更新的数据等等。这样，用户在登陆服务器系统后即可获得自己的所有数据，而不用关心数据存储在那里。这种高效率的增量更新机制使得教师和学生无需再使用U盘等介质保存数据。

（3）数据的高安全性

云存储平台特有的操作系统的还原安全防护使感染病毒的几率为零；用户的重要数据集中保存到服务器上，在服务器端可以采用定期数据冷备份、实时双机热备份等手段来保证数据的安全。

（4）采用成熟的新存储技术iSCSI

iSCSI［4］技术由IBM公司研究开发，是一个供硬件设备使用的可以在IP协议的上层运行的SCSI指令集，这种指令集合可以实现在IP网络上运行SCSI协议，使其能够在诸如高速千兆以太网上进行路由选择。iSCSI技术是一种新储存技术，该技术将现有SCSI接口与以太网络（Ethernet）技术结合，使服务器可以与使用IP网络的储存装置互相交换数据。

（5）便捷的操作系统和应用软件的升级

管理员可以通过服务端的映像工具，将磁盘镜像挂载成服务器的任何一个未被使用的分区，然后将需要更新的数据拷贝进入分区相应的文件中。

三、技术实现

本解决方案主要通过PXE技术结合云存储技术实现。PXE［5］是INTEL倡导下，全球主板厂商支持的一项通过网络引导本地操作系统的技术标准，很多年前就作为标准化的协议普及。网络存储在设计上采用了成熟开放的跨平台的iSCSI技术，有利于兼容和对接现有的应用系统。技术实现原理步骤如下，如图1所示。

图1 技术实现过程示意图

1．PC机在主板CMOS中设置为通过PXE网络引导启动，PC机启动时会自动发出通过DHCP获取IP地址的请求；

2．预先布置好的DHCP服务器响应PC机请求，分配一个设定段内的IP地址给PC机，并通知PC机引导服务器（boot Server）在网络上的IP地址；

3．PC机上的PXE服务向网络上的引导服务器（boot Server）发出引导请求；

4．引导服务器（boot Server）将一个引导管理的程序通过网络下发给PC机，实际上相当于一个精简的操作系统；

5．这个引导程序在PC机上启动，开始接管后续的引导过程，客户端进入启动菜单，可以进行人机交互，输入不同的选项可以选择进入不同的应用环境；

6．引导程序将交互选项发送给boot Server；

7．部署在云存储系统上的System File Manager从boot Server获取用户的操作选项，并且共同工作，将位于云存储上的某个数据文件映射为客户端可以访问的网络磁盘。网络磁盘即网络存储在设计上采用iSCSI技术，它提供了在IP网络封装SCSI命令，且运行在TCP上。在实现数据通信时满足：①数据存储系统的合并；②数据备份；③服务器群集；④复制；⑤紧急情况下的数据恢复等。

8．网络磁盘被启动程序以本地磁盘文件的方式读取，系统进入标准操作系统的引导过程。

云存储系统可以根据需要部署在网络上的任何位置，只要通过IP网络可以访问到就行了，这样可以大大提高存储设备的安全性、灵活性和使用效率。System File Manager系统部署在云存储系统中，通过应用界面来配置管理系统文件。通过它管理员可以上传多种操作系统加应用软件的镜像文件，来作为存储在云存储上的系统引导文件库，用户可以根据需要来自由地启动不同的系统和应用。用户的数据也可以通过管理系统存储在云存储平台上，并且可以将每次操作的变化保存起来备下次访问时使用。将系统文件和用户数据结合起来，可以实现针对每一个用户的独享的计算机使用环境。物理拓扑如图2所示。

图2 物理拓扑

四、前景展望

云存储与网络引导技术的结合，与硬件无关、与应用无关，彻底消除了机房管理中的所有问题，大大提高了设备运行效率，可以很好地支持各项教学任务，对于机房教学有很大的现实意义和巨大的推广价值。

［1］于耳．硬盘还原卡常见故障的排除方法［J］．实验室研究与探索，2002，21（1）：7－7．

［2］王太成，蔡勇．利用虚拟机技术完成复杂网络实验［J］．计算机技术与发展，2009，4（19）：246－249．

［3］王庆波，金涬，何乐．虚拟化与云计算［M］．北京：电子工业出版社，2009：10．

［4］Tom Clark著．罗金平，汪东，方兴译．IP SAN权威指南：存储区域网络中的iSCSI、iFCP和FCIP协议［M］．北京：中国电力出版社，2003：8．

［5］闵军．最新PXE、RPL无盘站和终端技术精解［M］．北京：清华大学出版社，2003．

［6］彭辉，崔杜武．网络引导程序的设计和实现［J］．计算机工程与应用，2005（33）：103－105．

［7］敖青云．存储技术原理分析：基于Linux 2．6内核源代码［M］．北京：电子工业出版社，2011：9．

［8］周敬利，余胜生．网络存储原理与技术［M］．北京：清华大学出版社，2005：9．

［9］康春荣，苏武荣．数据安全项目案例：存储与备份SAN与NAS容错与容灾［M］．北京：科学出版社，2004：7．

［10］时成阁．网络存储系统设计［M］．上海：华东师范大学出版社，2007：2．

（编辑：佘小宁）

The Application of Cloud Storage and Network Boot Technology in Education Industry

ZHANG Hong－yan
（Modern Education Technology Center，Shanxi University，Taiyuan Shanxi 030006，China）

TP393

A

1671－816X（2012）06－0623－03

2012－01－13

张红艳（1972－），女（汉），山西汾阳人，讲师，硕士，主要从事计算机网络方面的研究。