高等教育信息化云存储技术的应用研究

杨田贵　林菡

摘要：为了把云存储技术更好地应用到高等教育信息化建设过程中，充分发挥云存储技术在数据安全性、可靠性、易管理性，调取速度等方面的优势，推动教育资源在高等教育信息化中呈数字化、多样化、丰富化的特征。首先分析了目前高等教育信息化建设中存储系统的现状，指出了它存在的问题，运用云存储技术的基本理论基础知识，着重强调了云存储技术在高等教育信息化建设中能够解决的问题。

关键词：高等教育信息化；云存储技术；信息化；数据安全性；教育资源

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）06-0046-03

在大学的正式教育里，教师面对面且“黑板+粉笔”的传统模式正在被信息化的教育方式所冲击。第一，多媒体、网络、云存储等这些现代信息技术进入传统的课堂替代了“黑板+粉笔”使得课堂上的教学更加生动，更加有趣，也更为有效。另外，诸如云存储视频教学、网络辅助教学、网站教学、资源型学习、兴趣学习、互动学习等新模式教学都是高等教育信息化的结果。这些新的教学模式比传统的教学模式，不仅形式上创新了，而且还带来了新的教学理念，比如强调学生是教学的中心，也更加注重发挥学生的主观能动性而达到个性化教育。高校的正式教育，函授、业余教育等传统的远程教育都从各个方面被高等教育信息化所影响，不仅在内容上，而且在形式上都有很大的改变。在高等教育信息化的过程中，尤其是基于网络的现代信息化教育更是产生很大的影响，已经引起各个领域的专家和各国政府高度重视。

在上世纪90年代，我国高等教育信息化开始了大规模建设，但还是比西方国家落后了10到20年的时间。在东部沿海城市和发达城市近年来高等教育信息化有了快讯的发展。根据清华大学计算机与信息管理中心提供的资料显示：清华大学每学期有700多门课程有网络辅助教学，而且大部分学生也都通过网络来学习；另外，很多个人或培训机构已经不满足于网络教育了，他们在研究云存储技术，把自己的教学视频存储于云端来售卖或免费分享。

借助于云存储技术让高等教育资源共享，这将大大地改变我国高等教育的现状。尤其是云计算和云存储技术出现以后，资源分享实现了国际化。站在教学的角度来看，有了云端的资源共享，那么我们使用先进的教学内容及其方法就成为了可能，真正意义上实现了国际化的“名校名师”的教学方式。通过云端资源共享，我们有理由相信我国与发达国家会在较短的时间内缩小差距，同时也能缩短我国东西部地区的差距。再从高校的博士生与硕士生高层次人才培养及科学研究来看，云存储技术上的资源的开发和利用，也能很快地缩短我国与发达国家的差距。因此云存储技术的研究和利用在高等教育信息化的

今天就变成了我们的重要课题。

1高等教育信息化建设中目前的存储系统现状及问题

高等教育信息化建设需要先进的教育理念、计算机技术、通信技术、网络技术并且在这些先进的信息基础设施之上构建先进的、开放的数字教育支撑平台，并把教学服务系统、电子校务系统、网络基础应用系统以及综合信息服务系统进行开发和整合，从而达到多层次的应用。要实现这些应用，那么应用系统的数据就需要有可靠的、海量的、连续的云存储保障。

但是，我们的高等教育信息化建设中的数据中心却是以小型机或刀片式服务器为基础，有的还存在一个应用系统被部署在几个服务器的单个或多个硬盘上，而我们的教育信息化系统动辄就要整合高达几十个应用系统，这么庞大的数据就需要大量的硬盘来支撑，因此就要大量的资金投入。更为严重的问题是当我们使用某个存储设备时，还必须得知道这个存储设备是什么型号，它的接口和传输协议是什么，也必须知道这个存储系统有多少块磁盘，它们的型号是什么，它们的容量分别有多大以及在服务器和存储设备之间用的是什么样的连接线缆。为了防止意外，保证数据的安全以及业务的连续性，我们还得建立数据的备份系统和容错容灾系统。另外，我们也必须定期地对存储设备实施状态的监控，对它的硬件设备进行更新和升级。

2云存儲技术理论基础

2.1云存储技术架构

由网络设备、存储设备、服务器、应用软件、公用访问接口、接入网和客户端程序等构成的系统是云存储，它以存储设备为中心，通过对应的应用软件向外提供数据存储和业务访问服务。

1）存储层：存储设备是通过网络把它们连接在一起的。而存储设备管理系统把存储设备统一起来，对它们实现硬件设备的状态监控、故障维护、逻辑虚拟化管理和多链路冗余管理。

2）基础管理层：网格计算、分布式文件系统和集群等这些技术把云存储设备网络在一起来工作，这样不同的存储设备在对外服务时就提供了同样的服务，并且也使数据访问性能变得更大更好更强。数据加密技术确保了未授权的用户不能够访问云存储中的数据，而数据备份和容错容灾技术使云存储中的数据不会丢失，也确保云存储自身的稳定和安全。

3）应用接口层：云存储运营商可以根据企业的实际情况开发出不同的应用接口来满足不同层次不同领域的服务。比如远程数据备份应用、视频点播应用平台、网络硬盘、视频监控、视频直播等。

4）访问层：凡是取得了相应权限的用户都可以通过公用接口来访问云存储系统，获取想要的云存储服务。

2.2云存储技术中的存储虚拟化

云存储技术中的虚拟化方法能够把不同类型、不同通信技术、不同厂商、不同型号的存储设备相互联起来，同时也能将整个系统中的各种不同结构的存储设备映射成一个统一的存储资源池。存储虚拟化技术还能够对存储资源进行集中分配管理，又可以把存储实体之间的具体物理位置和异构性进行屏蔽，这样对用户来说资源就是透明的，也节省了构建、管理和维护资源的成本，提高了云存储系统的资源利用率。

尽管存储虚拟化技术在不同厂商和设备之间有些差异，但总的来说，可以有基于主机虚拟化和基于存储网络虚拟化两种技术。

1）基于主机存储的虚拟化其关键技术是要有一个逻辑卷管理软件，这种软件运行于操作系统之下，能够把磁盘上的物理块号映像成逻辑卷号，并因此也能将多个物理磁盘阵列映像成虚拟的逻辑存储空间，这样来达到管理和控制存储虚拟化。基于主机的虚拟化存储从技术操作层来讲，也是便于部署的，它不需要硬件的支持，只需通过相应的软件就能够对存储资源进行统一的管理。尽管有这些好处，但是这种虚拟化控制软件也有其缺点：首先，软件安装和应用本身会导致主机的性下降；其次，通过存储相关的一系列应用都要通过同一主机，这可能存在越权访问数据，使数据的安全性能下降了，得不到必要的保证；最后，虚拟化控制软件要对来自不同厂家的存储设备进行管理和控制，这增加了额外的资源开销，同时也使系统的操作性和灵活性大大降低了。

2）存储网络虚拟化的技术的主要核心是在SAN中通过增加的虚拟化引擎来集中管理存储资源，其具体操作是通过带有虚拟化支持能力的交换机或路由器来实现。存储网络虚拟化又分为两种，第一种是带内虚拟化，它传送控制信号和存储数据是通过同一数据通道；第二种是带外虚拟化，它通过不同的通道来传送存储数据和命令信息。基于存储网络的存储虚拟化技术构架合理，不占有设备资源和主机；但需要严格验证其存储阵列中设备的兼容性，这与基于设备的虚拟化技术相同，因为虚拟化引擎接管了网络中存储设备的控制功能，导致存储设备自有的高级存储功能将不能被使用。

2.3云存储技术中的分布式存储技术

分布式存储是把服务商提供的各个存储设备上的存储空间通过网络连接起来，并把各个存储设备组成一个虚拟化的存储设备，其上的存储资源分散地存储在各个存储设备上。现在通用的分布式存储技术有：分布式块存储、分布式文件系统存储和分布式表存储。

2.3.1分布式块存储

块存储是服务器通过存储空间的一部分或一个地址来存取数据。由于块存储是采取直接操作磁盘空间来存取数据，所以相对于其他的读取方式，它的效率最高，常见的大型数据库一般都在采用块存储设备。分布式块存储系统是把Intel/Linux硬件看成基本存储单元，硬件与硬件之间通过高速以太网连接，共同工作，形成网格存储，网格内部又用分布式算法对资源进控制和管理。

2.3.2分布式文件系统存储

分布式文件存储系统有通用的文件访问接口，比如POSIX、NFS、CIFS、FTP等，它把文件访问控制、文件访问、文件与目录操作这些功能实现了。现阶段分布式文件系统存储的实现有两种方法，一种是软硬件一体，另一种是软硬件分离。主要的操作方式是通过网络附属存储虚拟化或基于X86硬件集群与分布式文件系统集结在一起，实现大量的非结构化数据的处理能力。

2.3.3分布式表存储

表存储是结构化数据存储，它提供的表空间在访问功能上是受限的，但它的系统的可扩展性好。有表存储的云存储系统提高了数据的并发访问性能，也扩展了可伸缩的存储闱。带有表存储的云存储系统一类是标准的xDBC、SQL数据库接口，它现阶段主要以开源技术为主，还没有成熟的商业软件；另一类是Map-reduce的数据仓库应用处理接口，它已经有成功的商业应用案例和商业软件。

2.3.4分布式存储总结

目前分布式存储系统正在快速发展，技术也较成熟。而先进的分布式存储系统必须具备下面几个特性：高性能、高可靠性、高可扩展性、透明性以及自治性。1）高性能：网络的延迟要尽量减小，还有退出、节点、网络断开、网络拥塞等因素对分布式系统中的每一个用户的影响也要减小；2）高可靠性：对于分布式存储系统而言，高可靠性是必须重点考虑的问题，就其分布式环境也有对其的强烈需求，用户把文件放在分布式存储系统中最基本要求就是数据要可靠；3）高可扩展性：分布式存储系统要求数据规模和节点规模能够根据需要进行扩大；4）透明性：技术要求用户在访问网络中其他节点中的数据时能感到像是访问自己本机的数据一样；5）自治性：分布式存储系统要具有恢复功能和较强的自我维护能力。

2.4云存储技术中的内容分发网络技术

云存储是建立在网络基础之上的，如何降低网络延迟、提升数据传输率这关系到云存储性能的高低。虽然也有优化广域网、本地高速缓存等技术来解决这些问题，但距离实际的应用还是有相当的差距。而内容分发网络是针对当今的Internet而改造的新型网络构建模式，其核心要点是要避开互联网上因为用户访问量大、网点分布不均、网络带宽小等影响数据传输稳定性和速度的弊端，使得数据在传输上更稳定、更快。内容分发网络在网络各处安置节点服务器而形成了基于互联网的基础之上的智能虚拟网络，这样它会实时地根据到用户的距离、网络流量、响应时间、各节点的连接和负载情况等信息把用户的请求重新引导离用户最近的服务节点上。其作用是使用户就近获取所要的内容，避免Internet网络拥塞的情况，提升用户访问网站的速率。

3云存储技术在高等教育信息化中能解决的问题

3.1高校信息化建设经费节省

随着我国对高等教育信息化建设投入的不断加大，那么对使用信息化的单位在硬件设备和技术力量上就有了更高的要求，需要使用建设单位投人更多的人力和物力。而且IT产业日新月异、快速发展这加快了软硬件更新换代速度，在未來信息化建设过程中会出现硬件系统刚建成，马上又将面临淘汰的尴尬局面，这使得信息化建设的成本越来越大。针对这样的问题，云存储技术就解决了这个建设成本不断加大困惑。

3.2云存储技术的服务系统计算能力不均衡

高等教育信息化单位的数据处理一般来说都是在本地完成的，由于它们的服务器的配置不一定都能满足相关要求，这样就使得云存储技术服务系统的计算能力不平衡。在数据处理量较大的服务系统中很容易出现计算瓶颈，解决这个问题就需要硬件设备的升级，进而产生新的建设费用；在数据处理量较小的服务系统中硬件资源却又得不到充分的应用。因此，可以利用云存储技术的云端来处理本地的数据，同时保持实时同步，让本地数据和云端的数据完全一致。

3.3信息安全保密问题日益突出

在高等教育信息化的过程中可能由于硬件建设资金不足而出现“一机多用”，非权限的检索、浏览、发布等行为造成了信息的不安全。单位职工借用互联网查询浏览资料，虽然可以提高工作效率，但有时不能很好地处理高等教育信息化专网和互联网之间的信息交换而造成泄密。云存储技术就能很好地解决每个高等教育信息化单位员工的权限、隔离、共享、效率等问题。

3.4基于用户权限的分层隔离服务

高等教育信息化建设的使用人员在向数据中心提出虚拟存储和虚拟计算服务要求时，云存储中心会面对不同级别的用户，不同级别的用户享用的权限也是不一样的，也不会出现数据混乱保存和计算的交叉失误。单向指针是云存储技术用来分离不同用户的技术方法，它把用户的权限和用户能够访问的层级映像起来，还有上层用户可以获取下层节点的指针，进而取得相应的权限，但是下层用户却不能得到上层节点的指针，当然也就没有取上层级别的权限，而且同一层级的用户在没有授权的情况下也不能获得同层级别的内部权限，这样就使得不同的权限的用户获得相应的数据而达到数据隔离。

4结束语

云存储技术的出现给高等教育信息化建设带来了新的变化，这些变化具体表现在资源共享、信息化服务、教学手段的更新方面，而且还提高我们的工作效率，把资源重复率的应用发挥到了最大程度，其中最为重要的是它还实现了教育的公平，因为有云存储技术，我们可以不受时间和空间的限制而在线学习，这样让全社会共同分享高等教育的资源成果。在计算机科学技术的不断带动下，云存储技术也会不断发展和完善，它会把高等教育信息化建设推向更高的平台，促使我国整体高等教育信息化水平的提高。