用IP SAN建设大学公共计算机应用环境

　一、引言

　　PC SAN 是一种基于网络的新型计算环境管理系统，采用全球标准的通讯TCP/IP，将网络中所有的存储资源集中存储在由高速络连接的存储管理上，在该上虚拟出多个网络硬盘映射给客户机使用。它采用虚拟存储技术，实现数据集中存储、网络硬盘按需分配，借助快照和快速部署技术，实现简单快速的网络硬盘分配与软件安装；通过客户机和不同的网络磁盘实现动态映射，使客户机能够按需转换角色，更好地被动态调度并组合计算资源和存储资源，满足不断变化的需求。

　　PC SAN.edu作为PC SAN系列产品中的一员，是专门针对国内教育行业的应用情况而量身定做的网络存储产品。它是在PC SAN的基本功能基础上，通过使用IP SAN技术和快照技术，首次将应用于服务器的高端IP SAN存储技术移植到普通计算机环境中使用，并新增了独特的系统预约、系统还原、和IP地址自动分配等功能，有效地解决目前教育领域里公共计算机应用环境中的问题。

　　iATA（埃塔）卡是运用iATA技术实现IDE命令在IP网上传输，此技术类似于iSCSI的技术，把IDE命令转化为IP包，在IP网络上传输。

　　本产品适用于各类学校的公共计算机应用环境，如多媒体教室、电子教室、公共计算机房等。以大学公共计算机房应用环境为例，本产品提供如下解决方案：

　　二、背景概述

　　1、大学公共计算机房应用现状

　　大学公共计算机房为实践教学做后勤保障和支持工作，其主要的工作目标是让实践教学高效、顺利地进行，并且也是大学教育系统的重要组成部分。它承担着各种各样的教学任务，经常需要在各种应用模式之间进行角色转换。

　　2、计算机相关课程的教学实践

　　大学公共计算机房承担着全校公共课和部分专业课实践教学任务：常见的课程有C、Basic、等各种语言；FLASH等Macromedia系列制作工具；VFP、SQL Server、等各种数据库；Office系列工具；以及各专业软件。目前通常的做法是将常用的软件全部安装在每台客户机上，从而导致系统的运行速度受到很大的影响；另外，由于应用软件版本的多样性、应用软件本身的复杂性，以及各个应用软件之间的兼容性给软件的安装、调试和维护的工作带来较大的工作量。

　　3、各种考试和培训教学的用机

　　由国家组织的计算机等级考试以及一些公司组织的其他计算机方面的考试，往往需要学校提供考试环境，并且也有不少由学校或公司开办的计算机方面的培训班，需要利用公共机房提供培训和训练的实践环境。公共机房中的计算机资源，在完成公共课的教学实践课程后，还为学生提供培训教学，这些举措都增加了学生自由动手的机会，同时也增加了系统维护的工作量，所以需要在这两者之间找到平衡。

　　在这种环境中，学生往往需要对计算机有更灵活的操作使用和动手实践的机会，例如：硬盘分区，格式化硬盘，安装各种操作系统，更改系统配置，安装、卸载应用软件，配置网络环境，编写程序直接控制计算机（如C语言的底层编程）。学生在动手实践过程中很可能由于误操作导致操作系统或者应用软件的损坏，这就增加了管理员维护系统的工作量。

　　4、教职员工的继续学习环境

　　公共计算机房在空余时间，可以为教师们提供集体讨论和学习新应用软件的环境。不同专业的老师们需要学习不同的应用软件，探讨和学习这些应用软件往往不是一次交流就能够完成的，有些要几个月甚至一个学期。老师们常常希望拥有自己的存储空间安装自己的操作系统和应用软件，存放自己的数据。在每次学习时，可以访问到自己的存储空间，使用需要的应用软件，待每次学习结束以后，存放在存储空间上的数据不会被其他用户使用。在公共计算机房中如何满足这种需求？

　　5、教师学生的科研开发环境以及大学生业余的项目开发环境

　　良好的科研和实践环境能够激发教师和学生的创造力。学校的公共机房若能够为师生们提供研究开发环境和申请项目的实践环境，则能更好地发挥公共计算机房的作用。

　　大学生和教师们可以利用业余时间组织科研创新项目或者自由实践项目，例如各种计算机比赛中的项目、前沿创新项目等。这种项目所需要的开发环境有可能涉及到不同的操作系统。例如，当今世界范围中，开源的项目很多基于Linux环境，因此需要Linux操作系统；有些要研究操作系统的，可能对当前的Solaris 10很感兴趣；还有的需要在异构环境中进行项目的研究：既需要安装有Linux操作系统的计算机，又需要安装有windows操作系统的计算机，并且还需要安装一些特定的应用软件。使用者希望这些环境安装以后，在使用时能够实现灵活切换，避免因操作系统和应用软件安装的复杂性和操作的重复性带来的使用不便；在不用时，安装的操作系统和应用软件能够保留，并且不被其它用户修改和使用。这种需求如何满足？

　　另外，由于这种科研创新项目或者自由实践项目所对应的操作系统和应用软件的安装和调试工作都比较复杂，若由机房管理员来完成，对管理员的技能要求也较高，同时也会占用管理员大量的时间。如何解决这种问题？

　　三、大学公共计算机房传统维护模式中存在的问题及解决之道

　　1、大学公共计算机房传统维护模式中存在的问题

　　购买PC后，为了避免学生损坏操作系统，目前通常是在每台PC上安装硬盘保护卡，否则整套系统的维护量将非常大，软件的部署依靠Ghost等软件“对拷”。

• 使用硬盘保护卡以后每个学生不能按照自己的需求安装自己的使用环境，这使学生的学习和使用受到很大的约束，不便于学生开拓性的学习。
• 现在有很多针对硬盘保护卡的黑客软件，很容易让硬盘保护卡失效，这对机房维护是个很大挑战。
• PC机的维护量绝大部分来源于硬盘，因学生不正常的开关机，非常容易导致硬盘损坏。
• 操作系统的安装、应用软件的升级等都隐含着相当大的工作量。

　　2 新的应用模式带来的好处

　　大学公共计算机房维护的解决之道----采用PC SAN.edu，带来如下好处：

• 采用虚拟存储技术，使公共计算机房的应用和管理水平得到非常大的提高，同时提高了存储资源和计算资源的利用率。
• 每个学生可以拥有一个或多个装有不同操作系统和应用软件的网络硬盘，并且可以在该网络硬盘上任意修改自己的操作系统和应用软件，存放自己的个性化数据，并且不会影响其他人的正常使用。每次上机的时候，只要输入用户名和密码就可以访问到自己的网络硬盘，为学生提供充分的、 灵活的使用空间，从而完全摆脱硬盘保护卡的束缚，不再因单台计算机操作系统的崩溃，给需要使用该机器的其他人带来不便。
• 硬盘集中存储，可以大大减少因为硬盘故障带来的维护工作量。据统计，70%以上的维护量源于硬盘的损坏，主要原因是学生不能按要求正常开关机。采用虚拟存储技术，所有硬盘都集中存放在存储管理服务器中，并由其进行统一的存储管理与空间分配，客户机是否正常开关机都不会对硬盘造成物理损坏。
• 利用先进的部署技术可以在几分钟内完成百余台客户机操作系统和应用软件的安装工作，并可以节约80%的存储空间。
• 每位学生可以方便地学习并应用多种操作系统，比如：WIN2K，LINUX等操作系统。

　　四、方案介绍

　　1、基于虚拟存储的公共计算机房解决方案

　　中科院计算所国家高性能计算机工程技术研究中心自主研发的基于虚拟存储技术的PC SAN.edu，针对上述需求提供一个智能化的全新行业解决方案。下面分别对解决方案的网络架构和特点进行介绍。

　　2 PC SAN.edu系统介绍

　　2.1 基于虚拟存储的系统网络架构

　　在公共计算机房中的每台计算机上安装iATA卡，iATA卡的作用是将存储管理服务器上的网络硬盘通过高速互连网映射到本地计算机上使用，网络硬盘上安装有操作系统和应用软件。计算机中的iATA卡被系统识别为一块标准的IDE硬盘。从计算机启动和使用上来看，本地硬盘不再是安装有iATA卡的计算机所必需的硬件设备，如有必要，原有的本地硬盘可以保留。

　　客户机的硬盘统一存放在存储管理服务器中，这些硬盘组成一个大的存储池，存储空间可以按需扩展。该系统可以根据用户的不同需求，从存储池划分为大小不一的网络硬盘分配给客户机和用户使用。 

　　整个系统的网络架构如下图所示：

图 1 基于虚拟存储的公共计算机房解决方案的网络架构图

　　客户机安装iATA卡，连接到百兆机（有千兆上行口）

　　百兆机的千兆上行口连接全千兆交换机（如果每个百兆交换机有两个千兆口，可通过使用百兆交换机的千兆口来集联解决，可节省一个全千兆交换机）

　　存储管理服务器连接到千兆交换机

　　2.2 PC SAN.edu方案逻辑图

   图 2 基于虚拟存储的PC SAN.edu方案逻辑图

• 快速部署与切换

　　可以根据老师授课的软件内容不同，为每一门课程分配一块网络硬盘。（如为课程A分配一块网络硬盘A）。当需要上A课程的时候，将事先定制好的A课件网络硬盘通过快照技术，复制并映射到本地学生机上使用。在下次上A课程的时候，前次所作的修改依然还有效。如果不需要保存学生的个性化信息，当该课程结束时，只需要将分配的网络硬盘A删除即可，此操作可由老师灵活掌握。当下一节课上B课程时，老师通过快照技术，给每个学生机复制网络硬盘B，并映射到每台学生机上，从而实现了教学环境的快速切换。

• 集中存储

　　通过按需分配功能，对网络硬盘进行分配，从而提高存储空间利用率，并且可以大大减少因为硬盘故障而带来的维护工作。据统计，70%以上的维护量来源于硬盘，主要原因是学生不能按正常情况开关机。采用虚拟存储技术，所有硬盘都集中存储在存储管理服务器中，并由其统一管理与分配使用。从而避免了因误开关机操作，造成的硬盘损坏。

• 基于用户

　　如图 2所示，系统可以把对模板C复制的网络硬盘分配给任一用户，用户就可以在任何一台机器上输入自己的用户名和密码访问到“自己的硬盘”，就好似硬盘随身带一样。并且，同一用户可以拥有多块网络硬盘，并可根据不同的应用环境进行切换。

　　3 不同应用环境的具体剖析

　　3.1 公共课程的处理

　　可以在存储管理服务器上由管理员根据不同的需求将操作系统和应用软件定制在一块特殊的网络硬盘上，我们称它为“网络硬盘模板”，简称“模板”，例如Win98+VFP+VC+Frontpage等。当学生来上公共课时，管理员通过基于Web的PC SAN.edu管理界面，从该模板上复制出多块网络硬盘，并采用批量分配的方式分配给学生机后，只需启动机器，学生就可以正常使用。制作一块模板的时间和在本地硬盘上安装操作系统和应用软件的时间相差无几，但对模板的复制仅需要几秒钟即可完成。这种方式大大简化了软件的安装和部署的工作。并且，即使某个计算机的网络硬盘因为学生误操作而损坏，管理员只需要通过PC SAN.edu管理界面利用快照技术复制一块网络硬盘，重新分配给该学生，重启该机器即可恢复正常使用。

　　以相同的方式，管理员可以定制不同公共课的网络硬盘模板，如Win2003 + .NET等，安装完以后保存在存储管理服务器上，当需要时，通过模板复制，复制出多块网络硬盘，批量分配给客户机使用即可。

　　3.2 对于需要保留个性化数据的用户

　　例如用户A，系统管理员可以给他分配一块网络硬盘，该用户可以在该网络硬盘上进行分区、安装操作系统和应用软件等操作。使用时，该用户从安装有iATA卡的任意一台机器上登录后，通过自己的账号和密码，即可访问到自己的网络硬盘，并映射到本地使用。关机后的所有个人的数据都通过iATA卡保存到存储管理服务器上的网络硬盘中,再开机时这些数据仍然可以使用。

　　当该用户不再需要保存网络硬盘时，管理员可以删除其网络硬盘，回收存储空间以便分配给其它用户使用。