李進(jìn)

【摘 要】為了解決云教室大量云桌面同時啟動運(yùn)行導(dǎo)致系統(tǒng)開機(jī)時間過長、運(yùn)行緩慢的問題，提出了一種基于多級存儲技術(shù)的云教室解決方案。該方案采用Hyper-V虛擬化技術(shù)，根據(jù)存儲的I/O性能分別存儲云桌面的不同數(shù)據(jù)，可有效地分散磁盤的I/O壓力。通過實(shí)踐效果分析表明，該方案能夠克服磁盤的I/O瓶頸，有效地減少云教室開機(jī)啟動的時間，從而提升系統(tǒng)運(yùn)行的流暢度。

【關(guān)鍵詞】云計算 云教室 多級存儲

1 引言

隨著計算機(jī)教育的不斷發(fā)展，計算機(jī)教室已在學(xué)校普及，這在很大程度上提高了課堂的教學(xué)效果。但是傳統(tǒng)計算機(jī)教室軟件、硬件管理和維護(hù)復(fù)雜，長期運(yùn)行還會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行緩慢，同時系統(tǒng)升級非常不便，而云教室[1]可通過云計算技術(shù)有效地解決這些傳統(tǒng)計算機(jī)教室存在的問題。

云教室由一臺云教室服務(wù)器通過虛擬化技術(shù)生成幾十臺云桌面虛擬機(jī)，但是由于磁盤的I/O（Input/Output，輸入/輸出）存在瓶頸，幾十臺云桌面同時開機(jī)運(yùn)行會產(chǎn)生很高的I/O，容易引發(fā)啟動風(fēng)暴，導(dǎo)致啟動時間過長、系統(tǒng)運(yùn)行緩慢。基于此，本文通過內(nèi)存的高I/O特性來解決磁盤的I/O瓶頸，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于多級存儲技術(shù)的云教室方案，以適應(yīng)云教室所需的啟動快、運(yùn)行快的需求。

2 多級存儲技術(shù)簡介

多級存儲技術(shù)是指根據(jù)存儲的I/O性能、數(shù)據(jù)的使用頻率和保存時間，將不同數(shù)據(jù)存放在不同類型的存儲上。本方案采用三級存儲，分別是HDD（Hard Disk Drive，硬盤驅(qū)動器）、SSD（Solid State Drive，固態(tài)硬盤）和內(nèi)存盤。其中，內(nèi)存盤是用特定軟件劃定一塊內(nèi)存來當(dāng)作硬盤使用，其具有和內(nèi)存相同的I/O，但是斷電后會丟失內(nèi)存盤中的數(shù)據(jù)[2]。多級存儲技術(shù)架構(gòu)如圖1所示：

在本方案中，內(nèi)存盤專門用來存儲云桌面的母鏡像，可以極大地提高I/O，解決啟動風(fēng)暴問題，同時母鏡像在云桌面的整個生命周期中都不會發(fā)生變化，只要在硬盤中存在副本，就不用擔(dān)心斷電導(dǎo)致內(nèi)存盤丟失數(shù)據(jù)的問題；SSD用來存儲云桌面差分盤，差分盤是基于母鏡像創(chuàng)建一個子盤，對母盤的改動都記錄在差分盤中，SSD的高性能可以提高云桌面的運(yùn)行速率；HDD用來存儲云桌面數(shù)據(jù)盤，保存用戶數(shù)據(jù)文件，如學(xué)生作業(yè)、課件等。

多級存儲技術(shù)能夠分散磁盤I/O壓力，解決磁盤I/O瓶頸問題，使得云教室系統(tǒng)運(yùn)行速率提高，用戶體驗(yàn)得到很好的提升。通過使用該技術(shù)，在教師上課、下課、教學(xué)互動中，可大幅提升學(xué)生使用云桌面的流暢度。

3 云教室系統(tǒng)架構(gòu)具體實(shí)現(xiàn)

一個云教室包含云教室管理平臺、云桌面、云終端和教師機(jī)[3]。云教室管理平臺通過心跳監(jiān)控云桌面和云終端，通過特定的消息通道向云桌面、云終端和教師機(jī)發(fā)送指令及消息；云桌面采用Hyper-V虛擬化技術(shù)和多級存儲技術(shù)創(chuàng)建[4]；云終端負(fù)責(zé)連接云桌面供學(xué)生操作；教師機(jī)則為教師提供課堂管理的輔助工具。

系統(tǒng)中多個核心組件之間相互配合，共同完成云桌面資源調(diào)度、教學(xué)管理和教學(xué)互動的功能。系統(tǒng)整體設(shè)計架構(gòu)如圖2所示。

3.1 教學(xué)系統(tǒng)鏡像在多級存儲方案中的使用原理

教學(xué)系統(tǒng)鏡像即云桌面的母鏡像，由管理員上傳至云教室管理平臺[5]。在云教室中，母鏡像的狀態(tài)分為啟用和未啟用兩種。未啟用狀態(tài)時，母鏡像存放在HDD中，作為備份數(shù)據(jù)；啟用狀態(tài)時，母鏡像存放在內(nèi)存盤中，作為云桌面的母鏡像源文件使用。由于上傳好的教學(xué)系統(tǒng)鏡像默認(rèn)是未啟用的，所以存放在HDD中。當(dāng)管理員需要創(chuàng)建云桌面時，首選需要啟用鏡像，管理平臺會將母鏡像復(fù)制一份到內(nèi)存盤中，然后才能創(chuàng)建云桌面。母鏡像的狀態(tài)與存儲位置如圖3所示：

當(dāng)服務(wù)器發(fā)生意外重啟或者斷電時，在服務(wù)器啟動后，管理平臺后臺服務(wù)會根據(jù)鏡像的啟用狀態(tài)將已經(jīng)啟用的鏡像復(fù)制到內(nèi)存盤中，由于差分盤的存在，母鏡像不會做任何修改，所以復(fù)制完成后云教室系統(tǒng)可以正常使用，不會造成內(nèi)存盤數(shù)據(jù)丟失的問題。具體流程如圖4所示。

3.2 云桌面在多級存儲方案中的原理及實(shí)現(xiàn)

一臺云桌面的存儲由系統(tǒng)啟動盤和數(shù)據(jù)存放盤組成[6]。在多級存儲方案中，數(shù)據(jù)盤保存在HDD中，用于永久保留用戶數(shù)據(jù)，即使虛擬機(jī)被刪除或者重建，數(shù)據(jù)盤中的數(shù)據(jù)依然存在，適合保存學(xué)生上課需要持久化的文件。

云桌面的啟動盤由母鏡像和差分盤兩部分組成[7]。當(dāng)云桌面啟動時，云桌面從母鏡像所在的內(nèi)存盤中讀取數(shù)據(jù)，將對母鏡像的修改寫入差分盤所在的SSD中。內(nèi)存盤負(fù)擔(dān)的是讀壓力，而差分盤負(fù)擔(dān)的是寫壓力，如此將讀寫I/O分離，有效地分散了磁盤的I/O壓力，如圖5所示：

此外，云桌面啟動時的讀壓力遠(yuǎn)大于寫壓力，采用高I/O性能的內(nèi)存盤來負(fù)擔(dān)讀壓力，可以避免啟動時的I/O瓶頸。

3.3 多級存儲方案中的云教室管理平臺

云教室管理平臺是管理平臺提供了對云教室資源的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，包括鏡像、云桌面、終端和服務(wù)器。并提供了圖形化界面，方便教室管理和維護(hù)，所有云教室操作都可以通過管理平臺進(jìn)行[8]。

管理員可以通過云教室管理平臺批量創(chuàng)建云桌面，后臺采用多線程并發(fā)方式，50臺云桌面能夠在100 s內(nèi)創(chuàng)建完成。通過內(nèi)存盤加差分盤的方式，單臺云桌面啟動時間在3 s以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)真正的“秒啟”[9]。

管理平臺根據(jù)鏡像規(guī)格設(shè)置云桌面的內(nèi)存和CPU，根據(jù)管理平臺配置設(shè)置云桌面的網(wǎng)絡(luò)，將云桌面的網(wǎng)絡(luò)配置、主機(jī)名信息寫入云桌面的注冊表中，云桌面啟動后檢測網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)名是否與注冊表中的值匹配，若不匹配則自動修改。

創(chuàng)建云桌面流程如圖6所示。云桌面啟動完成后會向管理平臺發(fā)送心跳包，管理平臺可通過心跳包監(jiān)控云桌面的運(yùn)行狀態(tài)。

同時，管理平臺可實(shí)現(xiàn)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的課程表自動切換課程[10]。具體流程如圖7所示。

（1）管理員首先在管理平臺上創(chuàng)建課程表，然后管理平臺再根據(jù)配置好的課程表發(fā)起定時任務(wù)；

（2）等到課程表對應(yīng)的時間點(diǎn)出現(xiàn)時，啟動切換課程任務(wù)；

（3）管理平臺先判斷是否需要切換課程，若不需要則直接啟動云桌面和云終端；

（4）若需要切換課程，則拷貝母鏡像到內(nèi)存盤中，重建云桌面；

（5）同時喚醒云終端，待云桌面啟動完成后自動連接。

4 實(shí)踐效果分析

通過多級存儲技術(shù)，使用內(nèi)存盤分散了批量云桌面同時開機(jī)產(chǎn)生的大量I/O壓力，消除了使用硬盤存在的I/O瓶頸，并有效地減少了云教室系統(tǒng)的啟動時間。

不同數(shù)量的云桌面開機(jī)時間對比如圖8所示：

從圖8可以看出，隨著同時開機(jī)的云桌面數(shù)量越來越多，普通方案開機(jī)時間大幅增長，這是因?yàn)槌霈F(xiàn)了I/O瓶頸，而多級存儲方案開機(jī)時間的增長幅度明顯小于普通方案。當(dāng)50臺云桌面同時開機(jī)時，多級存儲方案開機(jī)速度較普通方案提升6倍以上。

5 結(jié)束語

本文提出了基于多級存儲技術(shù)的云教室方案，并詳細(xì)介紹了該方案的架構(gòu)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)原理?；谏鲜黾軜?gòu)的云教室系統(tǒng)能夠有效地減少云教室開機(jī)啟動的時間，提升系統(tǒng)運(yùn)行的流暢度，從而增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。經(jīng)過不斷地開發(fā)和完善，該方案已成功在多家中小學(xué)、高職院校試點(diǎn)上線，運(yùn)行效果良好。

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