一、引言

PC SAN 是一種基于網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的新型計(jì)算環(huán)境管理系統(tǒng)，采用全球標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議TCP/IP，將網(wǎng)絡(luò)中所有的存儲(chǔ)資源集中存儲(chǔ)在由高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接的存儲(chǔ)管理服務(wù)器上，在該服務(wù)器上虛擬出多個(gè)網(wǎng)絡(luò)硬盤映射給客戶機(jī)使用。它采用虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)硬盤按需分配，借助快照和快速部署技術(shù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快速的網(wǎng)絡(luò)硬盤分配與軟件安裝；通過(guò)客戶機(jī)和不同的網(wǎng)絡(luò)磁盤實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)映射，使客戶機(jī)能夠按需轉(zhuǎn)換角色，更好地被動(dòng)態(tài)調(diào)度并組合計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源，滿足不斷變化的需求。

PC SAN.edu作為PC SAN系列產(chǎn)品中的一員，是專門針對(duì)國(guó)內(nèi)教育行業(yè)的應(yīng)用情況而量身定做的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)產(chǎn)品。它是在PC SAN的基本功能基礎(chǔ)上，通過(guò)使用IP SAN技術(shù)和快照技術(shù)，首次將應(yīng)用于服務(wù)器的高端IP SAN存儲(chǔ)技術(shù)移植到普通計(jì)算機(jī)環(huán)境中使用，并新增了獨(dú)特的系統(tǒng)預(yù)約、系統(tǒng)還原、和IP地址自動(dòng)分配等功能，有效地解決目前教育領(lǐng)域里公共計(jì)算機(jī)應(yīng)用環(huán)境中的問(wèn)題。

iATA（埃塔）卡是運(yùn)用iATA技術(shù)實(shí)現(xiàn)IDE命令在IP網(wǎng)上傳輸，此技術(shù)類似于iSCSI的技術(shù)，把IDE命令轉(zhuǎn)化為IP包，在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

本產(chǎn)品適用于各類學(xué)校的公共計(jì)算機(jī)應(yīng)用環(huán)境，如多媒體教室、電子教室、公共計(jì)算機(jī)房等。以大學(xué)公共計(jì)算機(jī)房應(yīng)用環(huán)境為例，本產(chǎn)品提供如下解決方案：

二、背景概述

1、大學(xué)公共計(jì)算機(jī)房應(yīng)用現(xiàn)狀

大學(xué)公共計(jì)算機(jī)房為實(shí)踐教學(xué)做后勤保障和支持工作，其主要的工作目標(biāo)是讓實(shí)踐教學(xué)高效、順利地進(jìn)行，并且也是大學(xué)教育系統(tǒng)的重要組成部分。它承擔(dān)著各種各樣的教學(xué)任務(wù)，經(jīng)常需要在各種應(yīng)用模式之間進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換。

2、計(jì)算機(jī)相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)踐

大學(xué)公共計(jì)算機(jī)房承擔(dān)著全校公共課和部分專業(yè)課實(shí)踐教學(xué)任務(wù)：常見(jiàn)的課程有C、Basic、Java等各種語(yǔ)言；FLASH等Macromedia系列制作工具；VFP、SQL Server、Oracle等各種數(shù)據(jù)庫(kù)；Office系列工具；以及各專業(yè)軟件。目前通常的做法是將常用的軟件全部安裝在每臺(tái)客戶機(jī)上，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行速度受到很大的影響；另外，由于應(yīng)用軟件版本的多樣性、應(yīng)用軟件本身的復(fù)雜性，以及各個(gè)應(yīng)用軟件之間的兼容性給軟件的安裝、調(diào)試和維護(hù)的工作帶來(lái)較大的工作量。

3、各種考試和培訓(xùn)教學(xué)的用機(jī)

由國(guó)家組織的計(jì)算機(jī)等級(jí)考試以及一些公司組織的其他計(jì)算機(jī)方面的考試，往往需要學(xué)校提供考試環(huán)境，并且也有不少由學(xué)校或公司開(kāi)辦的計(jì)算機(jī)方面的培訓(xùn)班，需要利用公共機(jī)房提供培訓(xùn)和訓(xùn)練的實(shí)踐環(huán)境。公共機(jī)房中的計(jì)算機(jī)資源，在完成公共課的教學(xué)實(shí)踐課程后，還為學(xué)生提供培訓(xùn)教學(xué)，這些舉措都增加了學(xué)生自由動(dòng)手的機(jī)會(huì)，同時(shí)也增加了系統(tǒng)維護(hù)的工作量，所以需要在這兩者之間找到平衡。

在這種環(huán)境中，學(xué)生往往需要對(duì)計(jì)算機(jī)有更靈活的操作使用和動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，例如：硬盤分區(qū)，格式化硬盤，安裝各種操作系統(tǒng)，更改系統(tǒng)配置，安裝、卸載應(yīng)用軟件，配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，編寫程序直接控制計(jì)算機(jī)（如C語(yǔ)言的底層編程）。學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐過(guò)程中很可能由于誤操作導(dǎo)致操作系統(tǒng)或者應(yīng)用軟件的損壞，這就增加了管理員維護(hù)系統(tǒng)的工作量。

4、教職員工的繼續(xù)學(xué)習(xí)環(huán)境

公共計(jì)算機(jī)房在空余時(shí)間，可以為教師們提供集體討論和學(xué)習(xí)新應(yīng)用軟件的環(huán)境。不同專業(yè)的老師們需要學(xué)習(xí)不同的應(yīng)用軟件，探討和學(xué)習(xí)這些應(yīng)用軟件往往不是一次交流就能夠完成的，有些要幾個(gè)月甚至一個(gè)學(xué)期。老師們常常希望擁有自己的存儲(chǔ)空間安裝自己的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，存放自己的數(shù)據(jù)。在每次學(xué)習(xí)時(shí)，可以訪問(wèn)到自己的存儲(chǔ)空間，使用需要的應(yīng)用軟件，待每次學(xué)習(xí)結(jié)束以后，存放在存儲(chǔ)空間上的數(shù)據(jù)不會(huì)被其他用戶使用。在公共計(jì)算機(jī)房中如何滿足這種需求？

5、教師學(xué)生的科研開(kāi)發(fā)環(huán)境以及大學(xué)生業(yè)余的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)環(huán)境

良好的科研和實(shí)踐環(huán)境能夠激發(fā)教師和學(xué)生的創(chuàng)造力。學(xué)校的公共機(jī)房若能夠?yàn)閹熒鷤兲峁┭芯块_(kāi)發(fā)環(huán)境和申請(qǐng)項(xiàng)目的實(shí)踐環(huán)境，則能更好地發(fā)揮公共計(jì)算機(jī)房的作用。

大學(xué)生和教師們可以利用業(yè)余時(shí)間組織科研創(chuàng)新項(xiàng)目或者自由實(shí)踐項(xiàng)目，例如各種計(jì)算機(jī)比賽中的項(xiàng)目、前沿創(chuàng)新項(xiàng)目等。這種項(xiàng)目所需要的開(kāi)發(fā)環(huán)境有可能涉及到不同的操作系統(tǒng)。例如，當(dāng)今世界范圍中，開(kāi)源的項(xiàng)目很多基于Linux環(huán)境，因此需要Linux操作系統(tǒng)；有些要研究操作系統(tǒng)的，可能對(duì)當(dāng)前的Solaris 10很感興趣；還有的需要在異構(gòu)環(huán)境中進(jìn)行項(xiàng)目的研究：既需要安裝有Linux操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，又需要安裝有windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，并且還需要安裝一些特定的應(yīng)用軟件。使用者希望這些環(huán)境安裝以后，在使用時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)靈活切換，避免因操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件安裝的復(fù)雜性和操作的重復(fù)性帶來(lái)的使用不便；在不用時(shí)，安裝的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件能夠保留，并且不被其它用戶修改和使用。這種需求如何滿足？

另外，由于這種科研創(chuàng)新項(xiàng)目或者自由實(shí)踐項(xiàng)目所對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的安裝和調(diào)試工作都比較復(fù)雜，若由機(jī)房管理員來(lái)完成，對(duì)管理員的技能要求也較高，同時(shí)也會(huì)占用管理員大量的時(shí)間。如何解決這種問(wèn)題？

三、大學(xué)公共計(jì)算機(jī)房傳統(tǒng)維護(hù)模式中存在的問(wèn)題及解決之道

1、大學(xué)公共計(jì)算機(jī)房傳統(tǒng)維護(hù)模式中存在的問(wèn)題

購(gòu)買PC后，為了避免學(xué)生損壞操作系統(tǒng)，目前通常是在每臺(tái)PC上安裝硬盤保護(hù)卡，否則整套系統(tǒng)的維護(hù)量將非常大，軟件的部署依靠Ghost等軟件“對(duì)拷”。

• 使用硬盤保護(hù)卡以后每個(gè)學(xué)生不能按照自己的需求安裝自己的使用環(huán)境，這使學(xué)生的學(xué)習(xí)和使用受到很大的約束，不便于學(xué)生開(kāi)拓性的學(xué)習(xí)。
• 現(xiàn)在有很多針對(duì)硬盤保護(hù)卡的黑客軟件，很容易讓硬盤保護(hù)卡失效，這對(duì)機(jī)房維護(hù)是個(gè)很大挑戰(zhàn)。
• PC機(jī)的維護(hù)量絕大部分來(lái)源于硬盤，因?qū)W生不正常的開(kāi)關(guān)機(jī)，非常容易導(dǎo)致硬盤損壞。
• 操作系統(tǒng)的安裝、應(yīng)用軟件的升級(jí)等都隱含著相當(dāng)大的工作量。

2 新的應(yīng)用模式帶來(lái)的好處

大學(xué)公共計(jì)算機(jī)房維護(hù)的解決之道----采用PC SAN.edu，帶來(lái)如下好處：

• 采用虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，使公共計(jì)算機(jī)房的應(yīng)用和管理水平得到非常大的提高，同時(shí)提高了存儲(chǔ)資源和計(jì)算資源的利用率。
• 每個(gè)學(xué)生可以擁有一個(gè)或多個(gè)裝有不同操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的網(wǎng)絡(luò)硬盤，并且可以在該網(wǎng)絡(luò)硬盤上任意修改自己的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，存放自己的個(gè)性化數(shù)據(jù)，并且不會(huì)影響其他人的正常使用。每次上機(jī)的時(shí)候，只要輸入用戶名和密碼就可以訪問(wèn)到自己的網(wǎng)絡(luò)硬盤，為學(xué)生提供充分的、 靈活的使用空間，從而完全擺脫硬盤保護(hù)卡的束縛，不再因單臺(tái)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的崩潰，給需要使用該機(jī)器的其他人帶來(lái)不便。
• 硬盤集中存儲(chǔ)，可以大大減少因?yàn)橛脖P故障帶來(lái)的維護(hù)工作量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%以上的維護(hù)量源于硬盤的損壞，主要原因是學(xué)生不能按要求正常開(kāi)關(guān)機(jī)。采用虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，所有硬盤都集中存放在存儲(chǔ)管理服務(wù)器中，并由其進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)管理與空間分配，客戶機(jī)是否正常開(kāi)關(guān)機(jī)都不會(huì)對(duì)硬盤造成物理?yè)p壞。
• 利用先進(jìn)的部署技術(shù)可以在幾分鐘內(nèi)完成百余臺(tái)客戶機(jī)操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的安裝工作，并可以節(jié)約80%的存儲(chǔ)空間。
• 每位學(xué)生可以方便地學(xué)習(xí)并應(yīng)用多種操作系統(tǒng)，比如：WIN2K，LINUX等操作系統(tǒng)。

四、方案介紹

1、基于虛擬存儲(chǔ)的公共計(jì)算機(jī)房解決方案

中科院計(jì)算所國(guó)家高性能計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)的基于虛擬存儲(chǔ)技術(shù)的PC SAN.edu，針對(duì)上述需求提供一個(gè)智能化的全新行業(yè)解決方案。下面分別對(duì)解決方案的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

2 PC SAN.edu系統(tǒng)介紹

2.1 基于虛擬存儲(chǔ)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在公共計(jì)算機(jī)房中的每臺(tái)計(jì)算機(jī)上安裝iATA卡，iATA卡的作用是將存儲(chǔ)管理服務(wù)器上的網(wǎng)絡(luò)硬盤通過(guò)高速互連網(wǎng)映射到本地計(jì)算機(jī)上使用，網(wǎng)絡(luò)硬盤上安裝有操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。計(jì)算機(jī)中的iATA卡被系統(tǒng)識(shí)別為一塊標(biāo)準(zhǔn)的IDE硬盤。從計(jì)算機(jī)啟動(dòng)和使用上來(lái)看，本地硬盤不再是安裝有iATA卡的計(jì)算機(jī)所必需的硬件設(shè)備，如有必要，原有的本地硬盤可以保留。

客戶機(jī)的硬盤統(tǒng)一存放在存儲(chǔ)管理服務(wù)器中，這些硬盤組成一個(gè)大的存儲(chǔ)池，存儲(chǔ)空間可以按需擴(kuò)展。該系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的不同需求，從存儲(chǔ)池劃分為大小不一的網(wǎng)絡(luò)硬盤分配給客戶機(jī)和用戶使用。 

整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示：

圖 1 基于虛擬存儲(chǔ)的公共計(jì)算機(jī)房解決方案的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

客戶機(jī)安裝iATA卡，連接到百兆交換機(jī)（有千兆上行口）

百兆交換機(jī)的千兆上行口連接全千兆交換機(jī)（如果每個(gè)百兆交換機(jī)有兩個(gè)千兆口，可通過(guò)使用百兆交換機(jī)的千兆口來(lái)集聯(lián)解決，可節(jié)省一個(gè)全千兆交換機(jī)）

存儲(chǔ)管理服務(wù)器連接到千兆交換機(jī)

2.2 PC SAN.edu方案邏輯圖