面向高校教師的私有云存儲系統設計與實現

馮剛 勞建 伍曉聰

摘要：現代化信息技術產生的階段性成果為高校教師信息化教學發展提供了強大動力，教師在課堂上使用的教學資源數據呈倍數增長，如何有效地存儲和管理大量的數字化教學資源，已成高校教師面臨的一大難題。文章主要探討通過運用云計算技術、分布存儲技術及總體存儲結構的設計，構建一個高效安全、易于管理的私有云存儲系統，解決教師安全高效地管理海量數字資源的難題，實現教學數據的高效存儲與管理，從而提高教師信息化教學水平。

關鍵詞：云計算；私有云；存儲系統

中圖分類號：TP3

文獻標志碼：A

0 引言

隨著信息技術在高校教學中的不斷拓展與深入，教師在課堂上使用的教學資源已逐漸由傳統的實物教具、實體模型、紙質文檔材料等，轉向虛擬圖像、數字音頻等數字化教學資源。面對動輒上G的超大容量的數字化教學資源，教師們常使用移動存儲設備（U盤、移動硬盤等）、局域網共享和商業化網絡云盤等方式，來存儲教育數字資源。但移動存儲設備易于感染計算機病毒，可能會成為移動的病毒源。如2020年，廣西某高校發生的incaseformat病毒事件。該事件的起因是一位老師的U盤感染了此病毒，在該U盤的移動傳播下，造成了該校若干臺計算機數據被強制刪除。而局域網共享和商業化網絡云盤等存儲方式，在使用過程中會面臨不合理收費、文件傳輸速度慢、大文件傳輸中斷頻繁發生、文件數據丟失或盜用等風險。故為高校教師開發一種高效安全、易于管理的私有云存儲系統，解決教師安全高效地管理海量數字資源的難題，不僅可以幫助教師實現教學數據文件靈活管理、存儲容量線性擴展、功能個性化定制服務等功能，還可以有效提高教師信息數據的管理能力，促進教師教學信息化應用，提升教師信息化教學水平。

1 云存儲的分類

隨著云計算大數據時代的到來，數據呈爆炸式增長，安全、可靠、低成本地存儲與管理海量數據是各行各業所面臨的難題。云存儲是從云計算概念中延伸出來的新概念，主要通過采用分布式系統、備份容災、集群應用、服務器虛擬化等技術，將網絡中海量的不同類型的存儲設備構成可彈性擴展、低成本、低能耗的協同存儲資源池。云存儲還是提供數據存儲，遠程訪問的一個資源管理服務系統^［1］。用戶可以通過一個傳統的Web操作界面，不受時空限制地存儲和查詢任意數量的數據，獲得高可用、高可靠的數據存儲以及穩定低價的基礎存儲服務，實現數據的高效安全存儲及訪問^［2］。目前，常見的云存儲分為公有云存儲和私有云存儲兩種。

1.1 公有云存儲

公有云存儲是指由第三方提供的云存儲服務，用于云服務用戶和資源的云部署模式。云服務商構建基礎架構，整合資源構建云端虛擬資源池，用戶可以通過互聯網連接的方式訪問公有云存儲平臺的數據資源。通常公有云存儲是一種商業化行為，用戶需要支付一定的費用才行體驗公有云存儲的完整服務，數據的可控性和安全性不高，適合沒有架設私有云能力的企業和開發者使用。現在的比較常見的公有云存儲產品有百度云、阿里云、騰訊云等。

1.2 私有云存儲

私有云存儲是指由企業或事業單位內部提供的云存儲服務，用于內部云服務用戶和資源專用的云部署模式。私有云存儲是為內部用戶使用而構建的，所以用戶的數據、安全和服務質量都較公有云更有保障。私有云由于是客戶獨享，所以用戶擁有著構建云的基礎設施，并可以在此設施上部署應用程序^［3］。

2 私有云存儲的優勢

私有云存儲的設計可以滿足單位和組織的特定需求，具有很強的靈活度。私有云的基礎設施可以位于企業內部的物理設施中，用戶可掌握和控制硬件設備、網絡資源、資源存儲等所有資源，享有私有的使用權。想要降低基礎設施成本的用戶也可以將其云托管在外部服務提供商的數據中心，稱為“私有云托管”。

私有云存儲具有較好的可擴展性，可以整合大量的計算資源并提供可控的自助服務訪問。基于這些因素，私有云可提供更大的基礎設施容量，以滿足用戶對數據存儲和管理的巨大需求。此外，由于采用虛擬化的方式結合加密壓縮技術、去重技術、冗余技術等，使得私有云存儲系統資源不受物理限制，利于擴展。同時，得益于私有云的專用環境，用戶可以更好地管理資源的可擴展性、利用率、自助服務能力和個性化服務。利用私有云搭建資源存儲管理系統，能夠為教師提供更具個性化的存儲管理功能，在操作體驗上符合高校的特點，滿足教師在課堂中運用數據化資源開展信息化教學的需求與習慣。

私有云存儲一般部署在企業或事業單位的內部網絡環境中，數據傳輸不受外網帶寬限制，能充分利用局域網絡的帶寬資源，獲得較高的傳輸性能。由于部署在隔離的網絡環境中，私有云的安全性依賴于不與外部網絡共享資源。因此，在基礎設施的管理中，能提供更高的可控性和安全性，但這種控制并不意味著數據的安全或合規性得到保證。私有云的安全性取決于企業內部為降低風險、錯誤和安全漏洞而應用的網絡保護協議和安全策略。但維護人員可以設計符合存儲系統的安全策略，使其變得更強大，以保護私有云存儲系統。

3 私有云存儲平臺的基礎架構與關鍵技術

3.1 私有云儲存平臺的基礎架構

私有云儲存平臺，主要由物理設備集群、軟硬件通信接口、軟件系統3個部分組成。

（1）物理設備集群是構成存儲系統的物理基礎，是架構中的最底層，主要包含服務器集群和存儲設備集群。服務器集群主要用于數據運算，而存儲設備負責存儲數據。（2）軟硬件通信接口為底層硬件與應用層軟件提供通信接口，向下實現物理設備集群管理，向上優化對應用軟件兼容硬件設備的差異問題，同時還負責系統數據的安全、容錯、備份、恢復、同步等數據操作。（3）軟件系統是集中處理數據服務功能，以及為用戶提供可視化、易操作的操作界面，便利用戶的使用，同時處理用戶的合法性與操作的安全性。

3.2 私有云儲存平臺的關鍵技術

私有云儲存平臺的關鍵技術包含分布式文件管理技術、網絡傳輸通信技術、互聯網技術以及設備集群技術。

（1）分布式文件管理技術是基于Hadoop開源架構平臺構建的HDFS分布式文件管理系統，旨在實現具有良好可擴展性的分布式存儲。（2）網絡傳輸通信是存儲系統所必需依賴的技術之一。構建可靠且高效的網絡傳輸與通信對于存儲系統的服務性能至關重要。（3）互聯網技術用于開發各類應用服務系統，使用戶能夠在網絡環境下方便地訪問和使用存儲系統。（4）設備集群技術是存儲系統的基礎支撐技術，主要實現資源的統一調配、各類任務的并行處理和網絡負載的均衡。存儲系統基于這些關鍵技術進行構建，可以解決負載均衡、數據遷移分發、壓縮恢復、加密解密等問題，從而進一步提高系統的可靠性、安全性和可擴展性。

4 私有云儲存平臺的整體設計

4.1 平臺的總體設計方案

私有云儲存平臺采用B/S/S三層架構，以MySQL數據庫為支撐。設計過程中應用輕量級PHP框架Phalcon，基于MVC模式，以Redis作為持久化層。在底層方面，采用數臺高性能服務器組建的私有云作為支撐，以便更好地解決大文件的傳輸與保存問題。該平臺總體可分為三個部分：面向用戶的系統訪問模塊、基礎的分布式數據存儲、底層的設備集群。其中，面向用戶的系統訪問界面模塊功能，主要包括：用戶賬號的開通、用戶登錄、密碼修改、文件上傳、文件在線查看、文件下載管理、編輯、刪除等。除訪問機制外，還設置了用于驗證用戶信息合法性以及數據完整性的安全管理模塊。基礎的分布式數據存儲HDFS分布式管理系統來存儲數據，不僅實現統一協調與管理，還實現底層數據庫的讀寫。系統架構如圖1所示。

4.2 超大文件傳輸的優化方案設計

在傳統云儲存系統中，超大文件的傳輸一直存在效率低，錯誤率高等問題。本系統將基于HDFS架構，通過數據流方式對大文件進行分割，以元數據方式進行傳輸，長度為GB以上的文件在分割后既可改善文件長度過大對網絡造成負載不均衡的問題，也可有效提升傳輸速度。分割成的多個小文件，都有對應的序號，在所有小文件傳輸完成后，系統會自動對傳輸的眾多小文件合并成源文件，從而實現網絡超大文件的高效上傳功能。

4.3 數據存儲備份與容錯機制設計

由于數據存儲的底層硬件設備采用分布式架構，一旦某個節點發生故障，就會造成數據的損失問題。因此需要在系統中進行冗余備份操作，即文件在被初次創建時，系統就自動對文件進行存儲于多個副本的備份操作；同時，利用HDFS架構特性，對文件采用寫入限制操作機制，即用戶的文件在同一個節點上只能“一次寫入多次讀取”，可以保障文件數據的一致性、完整性。對于數據存儲中的容錯問題，結合HDFS本身的數據校驗與恢復機制策略，定時檢測各個數據節點的運行狀態與相應檢測信號，對文件數據存儲進行容錯處理。

4.4 符合教師使用習慣的系統操作界面設計

平臺的操作界面將結合PHP，jQuery，HTML5 等技術，開發和實現私有云存儲系統的操作桌面化，提供類似操作系統桌面和資源管理器界面的WEB門戶界面，滿足教師操作習慣，提升教師的使用體驗。平臺操作界面如圖2所示。

5 私有云存儲平臺的功能解析

高校的私有云存儲系統是為高校師生量身定制的文件管理平臺，能為師生提供良好使用體驗和不受時空限制的個人存儲應用服務。基于私有云存儲系統，可以建立能輕松訪問、安全存儲的云空間，不僅能幫助教師隨時隨地收集、整理資源，還能提供及時記錄、迅速查找、便捷分享等功能。

5.1 數據分類模塊

用戶可以在“數據存儲管理”下的“數據分類”進行創建、更新和刪除數據分類（見圖3）。當用戶點擊某個分類時，便可以進入該分類下的數據搜索列表。系統管理員可以創建數據分類的主分類，并在頁面上顯示相應的文件管理入口。“數據管理”功能旨在滿足用戶個性化的數據管理需求，實現對數據的精細管理，同時滿足對敏感數據的共享需求。用戶可以根據需要對重要文檔進行申請操作，經過數據負責人審核通過后，才能閱讀，以確保數據的安全性（見圖4）。該功不僅讓用戶能夠根據自己的需求進行數據管理，還能確保敏感數據的保密性。

5.2 文件（夾）管理模塊

用戶可以在個人權限范圍內，對文件夾進行新建、更改、刪除等操作，構建符合個性的網絡存儲環境。支持文件批量上傳，可顯示文件上傳百分比進度，同時考慮超大多媒體格式文件的分塊上傳，保證文件上傳的高效性，和傳統第三方公司的網絡存儲上傳速度形成鮮明對比，增強師生的使用體驗。

考慮到用戶存儲文件的數據眾多，格式多樣，在此模塊中，提供關鍵詞查詢功能，搜索到符合關鍵詞的文件名時，自動跳轉到該文件所在位置。通過該功能，可以對文件夾中的重復文件進行搜索整理，節約系統空間。

在線預覽多媒體文件，系統提供文檔在線轉碼，文檔轉碼是基于MS Office 原生轉碼策略，直接轉成PDF格式，保證排版格式不亂碼不變形。上傳視頻文件后，提供在線播放功能，支持MP4，AVI，MPEG等多種視頻格式播放，保障所有終端均可查看此視頻格式文件，同時兼容 IE8/9/10/11、360瀏覽器、QQ瀏覽器、Firefox、Chrome等主流瀏覽器，視頻播放支持多種格式且支持拖動進度條播放。音頻格式的文件上傳后，可在線播放，比如音樂、英語聽力資料等。對上傳的Office 辦公文檔，支持在線預覽和文字復制。所有文件上傳支持分片上傳并自動在服務端進行合并，支持大型文件高速上傳^［4］（見圖5）。

5.3 權限管理模塊

系統的用戶中心設置里，針對用戶的權限管理只能由系統管理員或有該部分權限的用戶進行管理操作。該部分包括用戶管理、部門管理、用戶管理；該功能主要是管理本系統的用戶，可新增、編輯、刪除用戶，啟用禁用用戶后，用戶便不可再登錄本系統。部門管理功能主要是管理用戶的部門，部門與權限相關。創建、編輯部門信息時，可以授予部門設置訪問權限（見圖6）。分配相關訪問權限后，該部門的用戶便可根據權限進行相關操作。超級管理員是系統默認部門，不可對其進行修改、刪除操作。其他部門可根據業務需求進行創建以及分配對應權限。若部門被設置不可登錄后臺，則該部門下的所有用戶，都不可登錄本系統。

5.4 系統設置模塊

該部分功能由開發人員進行配置管理，主要是對本系統的基礎信息進行設置，通過相關配置，實現系統個性化呈現，優化各個功能的操作邏輯，滿足用戶二次開發的需求（見圖7）。

6 結語

本文主要探討了面向高校教師云儲存系統的設計與落實措施，針對高校教師在教學中的應用環境，通過利用私有云技術提升存儲設備性能，并結合開放

源代碼和系統間數據的高效傳輸，構建一個規范化的私有云存儲管理系統。同時，通過使用Web技術構建了一個完整的符合用戶使用習慣的桌面應用平臺。平臺利用云計算的服務功能，實現用戶數據和信息的安全性保障、教學資料讀取速度大幅提升、資源空間使用的無限擴展，從而使高校教師在教學數據資源的存儲實現革新性發展，提高教師信息數據管理能力，促進教師教學信息化應用，提升教師信息化教學水平。

參考文獻

［1］李玉濤，殷笑茹，馬彬.氣象云盤綜合應用系統的設計與實現［J］.計算機應用與軟件，2018（9）：38-43.

［2］謝超.基于HDFS平臺的校園云存儲系統設計與實現［D］.長沙：湖南大學，2015.

［3］孫恒.基于NFC技術和云服務的實驗室管理系統設計與實現［J］.實驗室科學，2018（4）：70-76.

［4］張亮，趙妍.基于校園網的高校云存儲系統的設計與實現［J］.電腦知識與技術，2021（4）：41-43.

（編輯 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