面向高校教师的私有云存储系统设计与实现

冯刚 劳建 伍晓聪

摘要：现代化信息技术产生的阶段性成果为高校教师信息化教学发展提供了强大动力，教师在课堂上使用的教学资源数据呈倍数增长，如何有效地存储和管理大量的数字化教学资源，已成高校教师面临的一大难题。文章主要探讨通过运用云计算技术、分布存储技术及总体存储结构的设计，构建一个高效安全、易于管理的私有云存储系统，解决教师安全高效地管理海量数字资源的难题，实现教学数据的高效存储与管理，从而提高教师信息化教学水平。

关键词：云计算；私有云；存储系统

中图分类号：TP3

文献标志码：A

0 引言

随着信息技术在高校教学中的不断拓展与深入，教师在课堂上使用的教学资源已逐渐由传统的实物教具、实体模型、纸质文档材料等，转向虚拟图像、数字音频等数字化教学资源。面对动辄上G的超大容量的数字化教学资源，教师们常使用移动存储设备（U盘、移动硬盘等）、局域网共享和商业化网络云盘等方式，来存储教育数字资源。但移动存储设备易于感染计算机病毒，可能会成为移动的病毒源。如2020年，广西某高校发生的incaseformat病毒事件。该事件的起因是一位老师的U盘感染了此病毒，在该U盘的移动传播下，造成了该校若干台计算机数据被强制删除。而局域网共享和商业化网络云盘等存储方式，在使用过程中会面临不合理收费、文件传输速度慢、大文件传输中断频繁发生、文件数据丢失或盗用等风险。故为高校教师开发一种高效安全、易于管理的私有云存储系统，解决教师安全高效地管理海量数字资源的难题，不仅可以帮助教师实现教学数据文件灵活管理、存储容量线性扩展、功能个性化定制服务等功能，还可以有效提高教师信息数据的管理能力，促进教师教学信息化应用，提升教师信息化教学水平。

1 云存储的分类

随着云计算大数据时代的到来，数据呈爆炸式增长，安全、可靠、低成本地存储与管理海量数据是各行各业所面临的难题。云存储是从云计算概念中延伸出来的新概念，主要通过采用分布式系统、备份容灾、集群应用、服务器虚拟化等技术，将网络中海量的不同类型的存储设备构成可弹性扩展、低成本、低能耗的协同存储资源池。云存储还是提供数据存储，远程访问的一个资源管理服务系统^［1］。用户可以通过一个传统的Web操作界面，不受时空限制地存储和查询任意数量的数据，获得高可用、高可靠的数据存储以及稳定低价的基础存储服务，实现数据的高效安全存储及访问^［2］。目前，常见的云存储分为公有云存储和私有云存储两种。

1.1 公有云存储

公有云存储是指由第三方提供的云存储服务，用于云服务用户和资源的云部署模式。云服务商构建基础架构，整合资源构建云端虚拟资源池，用户可以通过互联网连接的方式访问公有云存储平台的数据资源。通常公有云存储是一种商业化行为，用户需要支付一定的费用才行体验公有云存储的完整服务，数据的可控性和安全性不高，適合没有架设私有云能力的企业和开发者使用。现在的比较常见的公有云存储产品有百度云、阿里云、腾讯云等。

1.2 私有云存储

私有云存储是指由企业或事业单位内部提供的云存储服务，用于内部云服务用户和资源专用的云部署模式。私有云存储是为内部用户使用而构建的，所以用户的数据、安全和服务质量都较公有云更有保障。私有云由于是客户独享，所以用户拥有着构建云的基础设施，并可以在此设施上部署应用程序^［3］。

2 私有云存储的优势

私有云存储的设计可以满足单位和组织的特定需求，具有很强的灵活度。私有云的基础设施可以位于企业内部的物理设施中，用户可掌握和控制硬件设备、网络资源、资源存储等所有资源，享有私有的使用权。想要降低基础设施成本的用户也可以将其云托管在外部服务提供商的数据中心，称为“私有云托管”。

私有云存储具有较好的可扩展性，可以整合大量的计算资源并提供可控的自助服务访问。基于这些因素，私有云可提供更大的基础设施容量，以满足用户对数据存储和管理的巨大需求。此外，由于采用虚拟化的方式结合加密压缩技术、去重技术、冗余技术等，使得私有云存储系统资源不受物理限制，利于扩展。同时，得益于私有云的专用环境，用户可以更好地管理资源的可扩展性、利用率、自助服务能力和个性化服务。利用私有云搭建资源存储管理系统，能够为教师提供更具个性化的存储管理功能，在操作体验上符合高校的特点，满足教师在课堂中运用数据化资源开展信息化教学的需求与习惯。

私有云存储一般部署在企业或事业单位的内部网络环境中，数据传输不受外网带宽限制，能充分利用局域网络的带宽资源，获得较高的传输性能。由于部署在隔离的网络环境中，私有云的安全性依赖于不与外部网络共享资源。因此，在基础设施的管理中，能提供更高的可控性和安全性，但这种控制并不意味着数据的安全或合规性得到保证。私有云的安全性取决于企业内部为降低风险、错误和安全漏洞而应用的网络保护协议和安全策略。但维护人员可以设计符合存储系统的安全策略，使其变得更强大，以保护私有云存储系统。

3 私有云存储平台的基础架构与关键技术

3.1 私有云储存平台的基础架构

私有云储存平台，主要由物理设备集群、软硬件通信接口、软件系统3个部分组成。

（1）物理设备集群是构成存储系统的物理基础，是架构中的最底层，主要包含服务器集群和存储设备集群。服务器集群主要用于数据运算，而存储设备负责存储数据。（2）软硬件通信接口为底层硬件与应用层软件提供通信接口，向下实现物理设备集群管理，向上优化对应用软件兼容硬件设备的差异问题，同时还负责系统数据的安全、容错、备份、恢复、同步等数据操作。（3）软件系统是集中处理数据服务功能，以及为用户提供可视化、易操作的操作界面，便利用户的使用，同时处理用户的合法性与操作的安全性。

3.2 私有云储存平台的关键技术

私有云储存平台的关键技术包含分布式文件管理技术、网络传输通信技术、互联网技术以及设备集群技术。

（1）分布式文件管理技术是基于Hadoop开源架构平台构建的HDFS分布式文件管理系统，旨在实现具有良好可扩展性的分布式存储。（2）网络传输通信是存储系统所必需依赖的技术之一。构建可靠且高效的网络传输与通信对于存储系统的服务性能至关重要。（3）互联网技术用于开发各类应用服务系统，使用户能够在网络环境下方便地访问和使用存储系统。（4）设备集群技术是存储系统的基础支撑技术，主要实现资源的统一调配、各类任务的并行处理和网络负载的均衡。存储系统基于这些关键技术进行构建，可以解决负载均衡、数据迁移分发、压缩恢复、加密解密等问题，从而进一步提高系统的可靠性、安全性和可扩展性。

4 私有云储存平台的整体设计

4.1 平臺的总体设计方案

私有云储存平台采用B/S/S三层架构，以MySQL数据库为支撑。设计过程中应用轻量级PHP框架Phalcon，基于MVC模式，以Redis作为持久化层。在底层方面，采用数台高性能服务器组建的私有云作为支撑，以便更好地解决大文件的传输与保存问题。该平台总体可分为三个部分：面向用户的系统访问模块、基础的分布式数据存储、底层的设备集群。其中，面向用户的系统访问界面模块功能，主要包括：用户账号的开通、用户登录、密码修改、文件上传、文件在线查看、文件下载管理、编辑、删除等。除访问机制外，还设置了用于验证用户信息合法性以及数据完整性的安全管理模块。基础的分布式数据存储HDFS分布式管理系统来存储数据，不仅实现统一协调与管理，还实现底层数据库的读写。系统架构如图1所示。

4.2 超大文件传输的优化方案设计

在传统云储存系统中，超大文件的传输一直存在效率低，错误率高等问题。本系统将基于HDFS架构，通过数据流方式对大文件进行分割，以元数据方式进行传输，长度为GB以上的文件在分割后既可改善文件长度过大对网络造成负载不均衡的问题，也可有效提升传输速度。分割成的多个小文件，都有对应的序号，在所有小文件传输完成后，系统会自动对传输的众多小文件合并成源文件，从而实现网络超大文件的高效上传功能。

4.3 数据存储备份与容错机制设计

由于数据存储的底层硬件设备采用分布式架构，一旦某个节点发生故障，就会造成数据的损失问题。因此需要在系统中进行冗余备份操作，即文件在被初次创建时，系统就自动对文件进行存储于多个副本的备份操作；同时，利用HDFS架构特性，对文件采用写入限制操作机制，即用户的文件在同一个节点上只能“一次写入多次读取”，可以保障文件数据的一致性、完整性。对于数据存储中的容错问题，结合HDFS本身的数据校验与恢复机制策略，定时检测各个数据节点的运行状态与相应检测信号，对文件数据存储进行容错处理。

4.4 符合教师使用习惯的系统操作界面设计

平台的操作界面将结合PHP，jQuery，HTML5 等技术，开发和实现私有云存储系统的操作桌面化，提供类似操作系统桌面和资源管理器界面的WEB门户界面，满足教师操作习惯，提升教师的使用体验。平台操作界面如图2所示。

5 私有云存储平台的功能解析

高校的私有云存储系统是为高校师生量身定制的文件管理平台，能为师生提供良好使用体验和不受时空限制的个人存储应用服务。基于私有云存储系统，可以建立能轻松访问、安全存储的云空间，不仅能帮助教师随时随地收集、整理资源，还能提供及时记录、迅速查找、便捷分享等功能。

5.1 数据分类模块

用户可以在“数据存储管理”下的“数据分类”进行创建、更新和删除数据分类（见图3）。当用户点击某个分类时，便可以进入该分类下的数据搜索列表。系统管理员可以创建数据分类的主分类，并在页面上显示相应的文件管理入口。“数据管理”功能旨在满足用户个性化的数据管理需求，实现对数据的精细管理，同时满足对敏感数据的共享需求。用户可以根据需要对重要文档进行申请操作，经过数据负责人审核通过后，才能阅读，以确保数据的安全性（见图4）。该功不仅让用户能够根据自己的需求进行数据管理，还能确保敏感数据的保密性。

5.2 文件（夹）管理模块

用户可以在个人权限范围内，对文件夹进行新建、更改、删除等操作，构建符合个性的网络存储环境。支持文件批量上传，可显示文件上传百分比进度，同时考虑超大多媒体格式文件的分块上传，保证文件上传的高效性，和传统第三方公司的网络存储上传速度形成鲜明对比，增强师生的使用体验。

考虑到用户存储文件的数据众多，格式多样，在此模块中，提供关键词查询功能，搜索到符合关键词的文件名时，自动跳转到该文件所在位置。通过该功能，可以对文件夹中的重复文件进行搜索整理，节约系统空间。

在线预览多媒体文件，系统提供文档在线转码，文档转码是基于MS Office 原生转码策略，直接转成PDF格式，保证排版格式不乱码不变形。上传视频文件后，提供在线播放功能，支持MP4，AVI，MPEG等多种视频格式播放，保障所有终端均可查看此视频格式文件，同时兼容 IE8/9/10/11、360浏览器、QQ浏览器、Firefox、Chrome等主流浏览器，视频播放支持多种格式且支持拖动进度条播放。音频格式的文件上传后，可在线播放，比如音乐、英语听力资料等。对上传的Office 办公文档，支持在线预览和文字复制。所有文件上传支持分片上传并自动在服务端进行合并，支持大型文件高速上传^［4］（见图5）。

5.3 权限管理模块

系统的用户中心设置里，针对用户的权限管理只能由系统管理员或有该部分权限的用户进行管理操作。该部分包括用户管理、部门管理、用户管理；该功能主要是管理本系统的用户，可新增、编辑、删除用户，启用禁用用户后，用户便不可再登录本系统。部门管理功能主要是管理用户的部门，部门与权限相关。创建、编辑部门信息时，可以授予部门设置访问权限（见图6）。分配相关访问权限后，该部门的用户便可根据权限进行相关操作。超级管理员是系统默认部门，不可对其进行修改、删除操作。其他部门可根据业务需求进行创建以及分配对应权限。若部门被设置不可登录后台，则该部门下的所有用户，都不可登录本系统。

5.4 系統设置模块

该部分功能由开发人员进行配置管理，主要是对本系统的基础信息进行设置，通过相关配置，实现系统个性化呈现，优化各个功能的操作逻辑，满足用户二次开发的需求（见图7）。

6 结语

本文主要探讨了面向高校教师云储存系统的设计与落实措施，针对高校教师在教学中的应用环境，通过利用私有云技术提升存储设备性能，并结合开放

源代码和系统间数据的高效传输，构建一个规范化的私有云存储管理系统。同时，通过使用Web技术构建了一个完整的符合用户使用习惯的桌面应用平台。平台利用云计算的服务功能，实现用户数据和信息的安全性保障、教学资料读取速度大幅提升、资源空间使用的无限扩展，从而使高校教师在教学数据资源的存储实现革新性发展，提高教师信息数据管理能力，促进教师教学信息化应用，提升教师信息化教学水平。

参考文献

［1］李玉涛，殷笑茹，马彬.气象云盘综合应用系统的设计与实现［J］.计算机应用与软件，2018（9）：38-43.

［2］谢超.基于HDFS平台的校园云存储系统设计与实现［D］.长沙：湖南大学，2015.

［3］孙恒.基于NFC技术和云服务的实验室管理系统设计与实现［J］.实验室科学，2018（4）：70-76.

［4］张亮，赵妍.基于校园网的高校云存储系统的设计与实现［J］.电脑知识与技术，2021（4）：41-43.

（编辑 姚 鑫）

Design and implementation of private cloud storage system for college teachers

Feng Gang， Lao Jian， Wu Xiaocong

（Beihai Vocational College， Beihai 536000， China）

Abstract： The phased achievements of modern information technology provide a strong impetus for the development of college teachers information teaching. The number of teaching resource data used by teachers in the classroom has increased exponentially. How to effectively store and manage a large number of digital teaching resources has become a major problem faced by college teachers. This paper mainly discusses how to use cloud computing technology， distributed storage technology and the design of the overall storage structure， Build an efficient， safe and easy to manage private cloud storage system， solve the problem of teachers safe and efficient management of massive digital resources， achieve efficient storage and management of teaching data， and thus improve teachers information teaching level.

Key words： cloud computing; private cloud; storage system