云存储技术与运维活页式工作手册式教材设计

曾文英

摘要：为满足云存储技术与运维工程师岗位技能人才培养需求，针对云计算技术应用专业课程，从架构、路径、载体、项目化、模块化、体系等方面，进行云存储技术与运维活页式教材设计与探索。

关键词：云存储技术;活页式教材;工作手册;项目化;模块化

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）28-0155-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 背景

云存储属于云计算服务的基础设施服务，起着数据存储、读写管理的核心功能。云存储技术与运维是云计算技术与应用专业的核心课程之一，课程内容包括：云存储架构、部署、管理与运维。主要面向岗位：云存储架构、云存储运维。采用活页式、工作手册式教材，有助于学生按项目化、模块化、目标任务分解方式掌握云存储技术技能。

云存储教学采用活页式、工作手册式教材，在教学中以项目为单元，以项目需求为导向，进行规划和设计，安装、配置和部署，训练实战技能。可基于应用场景设定，进行项目化教学实践。

2 相关技术

传统的企业存储（如SAN、NAS）已无法应对海量的非结构化数据的存储需求[1]。SDS社区推出代表性解决方案Ceph、Sheepdog、GlusterFS和Swift等。开源SDS（Software-Defined Storage，软件定义存储）分布式存储技术Ceph是一种高可用、易扩展的对象存储系统，适合企业在私有云、公有云和混合云场景下图片、视频等非结构化数据存储和管理需求[2]。

云存储根据面向部署方式不同，可分为以分三类：公有云存储、私有云存储、混合云存储[3]。

公有云存储基础设施由云存储提供商构建、拥有、管理和维护。如亚马逊公司Simple Storage Service（S3）、以Dropbox为代表的个人云存储服务，国内代表性产品搜狐企业网盘，百度云盘，乐视云盘 ，移动彩云，金山快盘，坚果云，酷盘，115网盘，华为网盘，360云盘，新浪微盘，腾讯微云，cStor云存储等。

私有云存储一般是企業在本地控制的存储服务器，位于企业防火墙内部。私有云平台有：Eucalyptus、3A Cloud、minicloud、联想网盘等。企业可拥有或控制基础架构，及应用的部署。

混合云存储把公共云和私有云结合在一起，是公共云、私有云和数据中心的某种组合。通常将由企业拥有和管理的资源与公共云存储提供的弹性、可扩展性和成本优势。可帮助公司面对迅速增长的负载波动或高峰需求。

云存储系统设计时应考虑基本目标和扩展目标，设计满足目标的集群架构和系统结构，实现云存储系统文件同步及重复数据删除等关键技术[4]。

可用开源软件构建云存储平台，可能需考虑存储集群的高可用、超大规模节点集群部署和维护、跨多数据中心解决方案等问题。可采用增加前端数据缓存、预备份数据来提高处理效率，通过增强数据冗余检查、数据的一致性检测保障数据安全，加强健康检查和告警模块、自动化部署、优化通知和轮询机制，实现便捷的运维管理。将所有存储组件都多活热备、分布到不同机架提高产品可用性[5]。

大数据时代，云计算及其数据处理技术在信息系统中的运用广泛，基于云计算大规模存储和按需服务优势。可将云计算技术与J2EE技术相结合，构建云信息系统。运用存储技术解决现阶段常见的结构化和非结构化数据共存的问题，建设创新服务平台，将云计算中的存储技术与现阶段流行的J2EE开发框架有机结合，设计并开发基于云存储与Spring、SpringMVC、MyBatis架构的创新服务平台系统，进行创新资源库的存储[6]。项目将软件开发与云计算、云存储系统结合，可培养产业急需的复合型人才。

云存储可与大数据结合，如搭建Hadoop集群由旧有设备和新购置设备组成，各节点在存储性能、计算性能、IO性能等存较大差异。在HDFS机架感知调度策略基础上，首先根据节点的CPU、内存大小、磁盘大小、磁盘I/O等固有硬件性能将节点划分为高、低配置节点，其次根据节点CPU使用率、内存使用率、网络带宽使用率、磁盘使用率等性能的动态因素建立节点的性能评价模型，划分性能级别。根据节点配置情况、性能级别及网络位置等综合调度，数据的访问频率对数据块的分布进行动态调整[7]。

3 云存储架构

存储系统根据所处的功能层次不同，可划分为4个层次：存储层、管理调度层、访问接口层、业务应用层。其中：存储层包括存储设备（IP SAN/FC SAN/NAS等）、存储虚拟化、设备管理与状态监控等，管理调度层包括分布式文件系统、对象存储、多副本一致性与纠删码、故障检测、负载均衡等;访问接口通过iSCSI、NFS、CIFS、FTP、HTTP、REST或API访问;云存储应用领域广泛，包括视频监控、智能分析、大数据检索等。

云存储技术根据用户可访问性不同，可分为私有云存储、公有云存储、混合云存储。云存储根据所依托的操作系统不同，分别有：Linux、Windows、MacOS等系统下的存储系统。面向云存储管理与运维工程师岗位，可将云存储技术与运维教程教学路径根据云存储的类型，分别进行教学，即私有云存储架构与管理、公有云存储部署与管理、混合云存储等设计。其知识目标主要为：存储分区、格式化;存储卷管理、存储集群构建与运维等;能独立完成云存储配置、容灾备份与安全控制等。

4 教学载体

4.1 云平台

教学采用的云平台可基于市场主流云平台Vmware、Openstack、Zstack[8]等的存储解决方案。OpenStack为2010年起开源的云计算管理平台项目，已进入主流企业市场，高速增长，但该项目依然面临较难部署和管理问题。ZStack项目始于2015年，下一代开源云计算IaaS软件，具有易用、稳定、灵活、超高性能等特点，发展以及成熟速度远快于OpenStack。有商业版以及开源社区版本。

开源分布式存储Ceph、GlusterFS、Sheepdog和MinIO，多家主流厂商和新锐厂商将其商业化，许多行业云和企业云业主考虑采用开源系统。可能的问题是系统庞大和复杂，部署和运维难度大;功能单一（仅块存储、文件存储或对象存储之一）等。可选择业界主流开源存储技术应用于课程教学。

4.2 云存储系统

云存储是分布式存储系统，主要包括：文件存储、块存储和对象存储等类型。

从物理存储看，服务器扩展存储的手段主要有直连存储（DAS）、存储区域网络（SAN）和网络附加存储（NAS）这三种类型。实例存储可以用DAS实现，也可用NAS或者卷存储;卷存储对应物理的SAN;云存储需通过虚拟磁盘（Virtual Disk）实现资源分配以及共享，Hypervisor采用NAS的方式来实现虚拟磁盘;VMware通常采用VMFS（Virtual Machine File System）或NFS协议来实现虚拟磁盘。应用直接通过REST API来访问对象存储。很多供应商都支持对象存储，如OpenStacks Swift， Amazons S3， Red Hats Ceph和Cleversafe。

有的厂商NAS存储提供对象存储接口。这是由于3种存储形式的特点决定的，如图1。

4.3 云存储运维

云存储设计、开发、配置与部署流程完后，需要进行云存储运维。具体可包括：云存储负载均衡、数据更新、数据迁移、数据副本一致性、冗余机制等。

主要用途：

备份、归档、灾难恢复 数据服务层：存储、资源、共享、备份;

数据管理层：用户、安全、副本、策略;

数据存储层：存储设备、虚拟化、集群 副本、冗余、安全、可靠性和可用性、控制性、性能等 在线存储服务;数据安全、可靠、高效;按需付費;减少IT托管成本;服务端维护 多租户;可扩展;高效、可用、安全控制 1.云存储分类：公有云存储、私有云存储;混合云存储。

1. 主流产品：OpenStack Swift;Ceph;GlusterFS;PureStorage;BAT云存储产品 ]

5 云存储活页式教材模块化设计

基于工作过程，设计阶段项目;将项目任务划分为多阶段任务，每阶段设置预期目标成果，团队分工协作完成任务。

6 基于活页式教材教学体系设计

根据活页式教材模块，每个教学单元采用的教学体系可概括为三环节教学体系：课前知识预习与自测;课中案例分析与实训;课后复习与创新设计。

课前，学生学习课件，了解所需的知识，完成自测习题。课中，师生进行案例分析，参考案例进行项目实训。课后，学生进行复习，巩固所学知识与技能，并进行创新思考和创新项目设计。

教材可划分为多个模块，涵盖云存储架构与运维岗位知识与技能目标、关键技术的应用等。主要模块可划分为：虚拟化技术、网络存储、私有云存储、公有云存储、云存储产品与服务支持、云存储运维与安全等。可包括云存储的安装、配置与管理等：虚拟机集群安装、配置;DAS、NAS、SAN等网络存储，RAID、LVM等安装、配置、部署与应用;OpenStack Cinder、Swift，Ceph，GlusterFS等存储安装与管理;Aliyun OSS、Huawei OSS、AWS S3等公有云存储部署与运维;云存储扩容、缩容与负载均衡、云存储备份、安全、容灾、加解密、恢复;超融合架构、混合云存储部署与管理等。如表4。

云存储活页式工作手册式教材可配套建设立体化资源。主要包括：1）项目文档：包括项目开发计划、需求说明书、详细设计说明书、用户手册、测试计划、测试分析报告等;2）教师用项目实训管理手册（为教师提供实训组织和评审的参考依据）;3）学生用项目实训手册;4）项目源代码，相关数据，以及项目开发、测试、部署、运行所需要的工具;（5）视频教程;6）习题等。

7 结束语

云存储技术是云计算IaaS的重要形态，为软件开发与部署、数据存取等提供了载体。云存储技术涵盖软硬件平台、存储单元组织、读写算法、副本维护、主从协作等多方面。

建立活页式、工作手册式云存储技术与运维教材，可通过项目化、模块化、业务流程化合一的创新模式培养云存储工程设计人才。

参考文献：

[1] 知乎.目前行业云存储面临的运维问题及解决方案[EB/OL].[2020-12-20].https：//zhuanlan.zhihu.com/p/157505629？utm _source=wechat_session.

[2] 谢泓生.基于Ceph的企业云存储系统的设计与实现[D].厦门：厦门大学，2019.

[3] 关于云存储的多种存在类型-电子发烧友网. [2020-12-20].http：//m.elecfans.com/article/1017888.html.

[4] 李明娟，邸海涛，张鹏，等.云存储系统架构与关键技术研究[J].信息通信，2018，31（3）：125-126.

[5] 王东旭，陈方县.基于开源软件构建云存储平台[J].电信工程技术与标准化，2017，30（7）：10-13.

[6] 林珠，李海威，杨柏蔼.基于云存储与J2EE架构的信息系统设计及应用[J].计算机技术与发展，2017，27（10）：177-180.

[7] 李青.科技云平台的数据存储管理技术研究[D].北京：北方工业大学，2016.

[8] 三种存储类型：块存储、文件存储、对象存储_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] 常见的三种存储技术以及iSCSI协议[EB/OL].[2020-12-20].http：//www.360doc.com/content/18/0917/07/35525662_787279 413.shtml.

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