云存儲技術與運維活頁式工作手冊式教材設計

曾文英

摘要：為滿足云存儲技術與運維工程師崗位技能人才培養需求，針對云計算技術應用專業課程，從架構、路徑、載體、項目化、模塊化、體系等方面，進行云存儲技術與運維活頁式教材設計與探索。

關鍵詞：云存儲技術;活頁式教材;工作手冊;項目化;模塊化

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0155-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 背景

云存儲屬于云計算服務的基礎設施服務，起著數據存儲、讀寫管理的核心功能。云存儲技術與運維是云計算技術與應用專業的核心課程之一，課程內容包括：云存儲架構、部署、管理與運維。主要面向崗位：云存儲架構、云存儲運維。采用活頁式、工作手冊式教材，有助于學生按項目化、模塊化、目標任務分解方式掌握云存儲技術技能。

云存儲教學采用活頁式、工作手冊式教材，在教學中以項目為單元，以項目需求為導向，進行規劃和設計，安裝、配置和部署，訓練實戰技能。可基于應用場景設定，進行項目化教學實踐。

2 相關技術

傳統的企業存儲（如SAN、NAS）已無法應對海量的非結構化數據的存儲需求[1]。SDS社區推出代表性解決方案Ceph、Sheepdog、GlusterFS和Swift等。開源SDS（Software-Defined Storage，軟件定義存儲）分布式存儲技術Ceph是一種高可用、易擴展的對象存儲系統，適合企業在私有云、公有云和混合云場景下圖片、視頻等非結構化數據存儲和管理需求[2]。

云存儲根據面向部署方式不同，可分為以分三類：公有云存儲、私有云存儲、混合云存儲[3]。

公有云存儲基礎設施由云存儲提供商構建、擁有、管理和維護。如亞馬遜公司Simple Storage Service（S3）、以Dropbox為代表的個人云存儲服務，國內代表性產品搜狐企業網盤，百度云盤，樂視云盤 ，移動彩云，金山快盤，堅果云，酷盤，115網盤，華為網盤，360云盤，新浪微盤，騰訊微云，cStor云存儲等。

私有云存儲一般是企業在本地控制的存儲服務器，位于企業防火墻內部。私有云平臺有：Eucalyptus、3A Cloud、minicloud、聯想網盤等。企業可擁有或控制基礎架構，及應用的部署。

混合云存儲把公共云和私有云結合在一起，是公共云、私有云和數據中心的某種組合。通常將由企業擁有和管理的資源與公共云存儲提供的彈性、可擴展性和成本優勢。可幫助公司面對迅速增長的負載波動或高峰需求。

云存儲系統設計時應考慮基本目標和擴展目標，設計滿足目標的集群架構和系統結構，實現云存儲系統文件同步及重復數據刪除等關鍵技術[4]。

可用開源軟件構建云存儲平臺，可能需考慮存儲集群的高可用、超大規模節點集群部署和維護、跨多數據中心解決方案等問題。可采用增加前端數據緩存、預備份數據來提高處理效率，通過增強數據冗余檢查、數據的一致性檢測保障數據安全，加強健康檢查和告警模塊、自動化部署、優化通知和輪詢機制，實現便捷的運維管理。將所有存儲組件都多活熱備、分布到不同機架提高產品可用性[5]。

大數據時代，云計算及其數據處理技術在信息系統中的運用廣泛，基于云計算大規模存儲和按需服務優勢。可將云計算技術與J2EE技術相結合，構建云信息系統。運用存儲技術解決現階段常見的結構化和非結構化數據共存的問題，建設創新服務平臺，將云計算中的存儲技術與現階段流行的J2EE開發框架有機結合，設計并開發基于云存儲與Spring、SpringMVC、MyBatis架構的創新服務平臺系統，進行創新資源庫的存儲[6]。項目將軟件開發與云計算、云存儲系統結合，可培養產業急需的復合型人才。

云存儲可與大數據結合，如搭建Hadoop集群由舊有設備和新購置設備組成，各節點在存儲性能、計算性能、IO性能等存較大差異。在HDFS機架感知調度策略基礎上，首先根據節點的CPU、內存大小、磁盤大小、磁盤I/O等固有硬件性能將節點劃分為高、低配置節點，其次根據節點CPU使用率、內存使用率、網絡帶寬使用率、磁盤使用率等性能的動態因素建立節點的性能評價模型，劃分性能級別。根據節點配置情況、性能級別及網絡位置等綜合調度，數據的訪問頻率對數據塊的分布進行動態調整[7]。

3 云存儲架構

存儲系統根據所處的功能層次不同，可劃分為4個層次：存儲層、管理調度層、訪問接口層、業務應用層。其中：存儲層包括存儲設備（IP SAN/FC SAN/NAS等）、存儲虛擬化、設備管理與狀態監控等，管理調度層包括分布式文件系統、對象存儲、多副本一致性與糾刪碼、故障檢測、負載均衡等;訪問接口通過iSCSI、NFS、CIFS、FTP、HTTP、REST或API訪問;云存儲應用領域廣泛，包括視頻監控、智能分析、大數據檢索等。

云存儲技術根據用戶可訪問性不同，可分為私有云存儲、公有云存儲、混合云存儲。云存儲根據所依托的操作系統不同，分別有：Linux、Windows、MacOS等系統下的存儲系統。面向云存儲管理與運維工程師崗位，可將云存儲技術與運維教程教學路徑根據云存儲的類型，分別進行教學，即私有云存儲架構與管理、公有云存儲部署與管理、混合云存儲等設計。其知識目標主要為：存儲分區、格式化;存儲卷管理、存儲集群構建與運維等;能獨立完成云存儲配置、容災備份與安全控制等。

4 教學載體

4.1 云平臺

教學采用的云平臺可基于市場主流云平臺Vmware、Openstack、Zstack[8]等的存儲解決方案。OpenStack為2010年起開源的云計算管理平臺項目，已進入主流企業市場，高速增長，但該項目依然面臨較難部署和管理問題。ZStack項目始于2015年，下一代開源云計算IaaS軟件，具有易用、穩定、靈活、超高性能等特點，發展以及成熟速度遠快于OpenStack。有商業版以及開源社區版本。

開源分布式存儲Ceph、GlusterFS、Sheepdog和MinIO，多家主流廠商和新銳廠商將其商業化，許多行業云和企業云業主考慮采用開源系統。可能的問題是系統龐大和復雜，部署和運維難度大;功能單一（僅塊存儲、文件存儲或對象存儲之一）等。可選擇業界主流開源存儲技術應用于課程教學。

4.2 云存儲系統

云存儲是分布式存儲系統，主要包括：文件存儲、塊存儲和對象存儲等類型。

從物理存儲看，服務器擴展存儲的手段主要有直連存儲（DAS）、存儲區域網絡（SAN）和網絡附加存儲（NAS）這三種類型。實例存儲可以用DAS實現，也可用NAS或者卷存儲;卷存儲對應物理的SAN;云存儲需通過虛擬磁盤（Virtual Disk）實現資源分配以及共享，Hypervisor采用NAS的方式來實現虛擬磁盤;VMware通常采用VMFS（Virtual Machine File System）或NFS協議來實現虛擬磁盤。應用直接通過REST API來訪問對象存儲。很多供應商都支持對象存儲，如OpenStacks Swift， Amazons S3， Red Hats Ceph和Cleversafe。

有的廠商NAS存儲提供對象存儲接口。這是由于3種存儲形式的特點決定的，如圖1。

4.3 云存儲運維

云存儲設計、開發、配置與部署流程完后，需要進行云存儲運維。具體可包括：云存儲負載均衡、數據更新、數據遷移、數據副本一致性、冗余機制等。

主要用途：

備份、歸檔、災難恢復 數據服務層：存儲、資源、共享、備份;

數據管理層：用戶、安全、副本、策略;

數據存儲層：存儲設備、虛擬化、集群 副本、冗余、安全、可靠性和可用性、控制性、性能等 在線存儲服務;數據安全、可靠、高效;按需付費;減少IT托管成本;服務端維護 多租戶;可擴展;高效、可用、安全控制 1.云存儲分類：公有云存儲、私有云存儲;混合云存儲。

1. 主流產品：OpenStack Swift;Ceph;GlusterFS;PureStorage;BAT云存儲產品 ]

5 云存儲活頁式教材模塊化設計

基于工作過程，設計階段項目;將項目任務劃分為多階段任務，每階段設置預期目標成果，團隊分工協作完成任務。

6 基于活頁式教材教學體系設計

根據活頁式教材模塊，每個教學單元采用的教學體系可概括為三環節教學體系：課前知識預習與自測;課中案例分析與實訓;課后復習與創新設計。

課前，學生學習課件，了解所需的知識，完成自測習題。課中，師生進行案例分析，參考案例進行項目實訓。課后，學生進行復習，鞏固所學知識與技能，并進行創新思考和創新項目設計。

教材可劃分為多個模塊，涵蓋云存儲架構與運維崗位知識與技能目標、關鍵技術的應用等。主要模塊可劃分為：虛擬化技術、網絡存儲、私有云存儲、公有云存儲、云存儲產品與服務支持、云存儲運維與安全等。可包括云存儲的安裝、配置與管理等：虛擬機集群安裝、配置;DAS、NAS、SAN等網絡存儲，RAID、LVM等安裝、配置、部署與應用;OpenStack Cinder、Swift，Ceph，GlusterFS等存儲安裝與管理;Aliyun OSS、Huawei OSS、AWS S3等公有云存儲部署與運維;云存儲擴容、縮容與負載均衡、云存儲備份、安全、容災、加解密、恢復;超融合架構、混合云存儲部署與管理等。如表4。

云存儲活頁式工作手冊式教材可配套建設立體化資源。主要包括：1）項目文檔：包括項目開發計劃、需求說明書、詳細設計說明書、用戶手冊、測試計劃、測試分析報告等;2）教師用項目實訓管理手冊（為教師提供實訓組織和評審的參考依據）;3）學生用項目實訓手冊;4）項目源代碼，相關數據，以及項目開發、測試、部署、運行所需要的工具;（5）視頻教程;6）習題等。

7 結束語

云存儲技術是云計算IaaS的重要形態，為軟件開發與部署、數據存取等提供了載體。云存儲技術涵蓋軟硬件平臺、存儲單元組織、讀寫算法、副本維護、主從協作等多方面。

建立活頁式、工作手冊式云存儲技術與運維教材，可通過項目化、模塊化、業務流程化合一的創新模式培養云存儲工程設計人才。

參考文獻：

[1] 知乎.目前行業云存儲面臨的運維問題及解決方案[EB/OL].[2020-12-20].https：//zhuanlan.zhihu.com/p/157505629？utm _source=wechat_session.

[2] 謝泓生.基于Ceph的企業云存儲系統的設計與實現[D].廈門：廈門大學，2019.

[3] 關于云存儲的多種存在類型-電子發燒友網. [2020-12-20].http：//m.elecfans.com/article/1017888.html.

[4] 李明娟，邸海濤，張鵬，等.云存儲系統架構與關鍵技術研究[J].信息通信，2018，31（3）：125-126.

[5] 王東旭，陳方縣.基于開源軟件構建云存儲平臺[J].電信工程技術與標準化，2017，30（7）：10-13.

[6] 林珠，李海威，楊柏藹.基于云存儲與J2EE架構的信息系統設計及應用[J].計算機技術與發展，2017，27（10）：177-180.

[7] 李青.科技云平臺的數據存儲管理技術研究[D].北京：北方工業大學，2016.

[8] 三種存儲類型：塊存儲、文件存儲、對象存儲_Aiky哇-CSDN博客[EB/OL].[2020-12-20].https：//blog.csdn.net/qq_35423190/article/details/109355597？utm_medium=distribute.pc_relevant _bbs_down.none-task--2～all～first_rank_v2～rank_v29-6.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant_bbs_down.n one-task--2～all～first_rank_v2～rank_v29-6.nonecase.

[9] 常見的三種存儲技術以及iSCSI協議[EB/OL].[2020-12-20].http：//www.360doc.com/content/18/0917/07/35525662_787279 413.shtml.

【通聯編輯：謝媛媛】