虛擬鏡像網絡服務器的設計與實現

【文章摘要】
虛擬光盤鏡像服務器是專門為光盤資源網絡共享服務而設計開發的， 它對光盤數據資源的共享具有重要意義。本文設計開發了一種專用的高性能虛擬光盤鏡像服務器，它不僅支持遠程共享，還極大地提高了光盤資源的傳輸效率，實驗結果也表明了本文設計系統的有效性。
【關鍵詞】
虛擬光盤鏡像；網絡服務器；設計
0 引言
數據光盤因為其存儲方便、使用簡便等諸多優點，已經成為了一種重要的數據載體，尤其對一些動輒就好幾GB 的大型工程應用軟件，將其制作成光盤鏡像后， 無論傳播還是安裝都會變地非常方便。但隨著數據光盤使用范圍的不斷變廣，使其在文件管理、數據維護以及資源共享方面給廣大用戶帶來了諸多不便，因此虛擬光盤鏡技術被進行了相關研究并取得了一定的成果，這在一定程度上克服了上述問題。虛擬光盤鏡像網絡服務器是一種光盤資源在網絡上的重要共享設備，因為它本身沒有普通服務器那樣復雜的操作系統和硬件連接，只需要完成光盤數據在服務器與客戶端間的傳輸，使用戶能夠像訪問本地光驅一樣來訪問網絡光盤資源，消除了光盤資源共享的瓶頸，這使光盤上數據的共享性能得到了極大地改善。
當前硬盤價格逐漸下降，而其容量卻不斷增長，這促使了虛擬光盤鏡像服務器的出現并推動了其進一步發展。世界上第一個硬盤是由IBM 制造的，當時這個硬盤只有5MB 大小的容量，而現在PC 的硬盤容量已經進入了TB 的時代，作為新一代移動存儲介質的移動硬盤，其容量也動輒在1TB 以上。假設一張 CD-ROM 可以存儲 650MB 大小的數據，那么一塊1TB 的硬盤即可鏡像 1613 張光盤。
1 現有虛擬光盤鏡像服務器資源共享協議的分析
就目前來說，虛擬光盤鏡像服務器在實現光盤數據傳輸時大多使用SMB/CIFS 協議，該協議具有豐富的功能，但同時也具有明顯的缺點，例如其工作效率較低， 尤其是用戶剛剛連接服務器時，其響應時間尤其漫長，甚至達到幾十秒，這顯然超出了絕大多數用戶的接受范圍。又例如SMB/CIFS 協議不支持互聯網訪問，這使得該協議僅能在局域網范圍內實現數據傳輸，從而限制了光盤資源在更大范圍的共享，而在互聯網飛速發展的今天，廣大用戶都通過Internet 進行數據資源的交流與共享，不支持Internet 的SMB/CIFS 協議必然會被淘汰。
另外，一些采用SMB/CIFS 協議共享的數據只能在本地的物理光驅上使用，而無法通過服務器共享的形式進行使用，這是因為該協議會造成一些重要的光盤物理源數據丟失，如一些特殊的單機版光盤。
2 一種高性能虛擬光盤鏡像服務器的總體設計
針對當前光盤資源共享協議的缺陷以及光盤共享服務的特點，本文設計了一種高性能虛擬光盤鏡像服務器。在本文設計開發的服務器中，虛擬光驅技術得到了充分使用，實現了光盤的數據塊級共享，這確保了光盤的物理源數據不會丟失，從而使一些原先只能通過物理光驅使用的光盤資源可以實現網絡共享。同時，在成熟的iSCSI 協議的基礎上，通過大量的精簡和優化操作，使得用戶訪問服務器的效率得到了很大程度的提升，徹底改善了SMB/CIFS 協議響應時間過長的缺陷。因為 iSCSI 協議在IP 協議的基礎上發展而來的，可以支持互聯網，這給用戶通過Internet 實現光盤資源的共享打下了基礎。為了給用戶提供更佳的光盤資源共享服務，針對光盤資源傳輸的特點，還設計了一種能夠同時在客戶端和服務器上使用的兩級Cache 技術，從而使服務器的共享性能得到了大幅度的提高。最后，為了提高服務器的管理水平和運行效益，本文還實現了針對光盤共享的靈活計費和用戶權限管理，這貼合了系統的實際運行需求。
2.1 高性能光盤服務器的結構設計
按照光盤共享服務器的功能劃分，可以將其劃分為6 個模塊( 如圖1 所示)，它們分別是從屬于客戶端的光盤流客戶端模塊和管理客戶端模塊，從屬于服務器的光盤流服務器模塊、管理服務器模塊、光盤鏡像模塊以及磁盤管理模塊。
光盤流客戶端模塊可以根據用戶的需求，在用戶側創建數量不等的虛擬光驅，當虛擬光驅中的光盤資源被訪問時， 應用程序會調用光盤流客戶端內置的資源請求服務，資源請求服務在接到應用程序發出的請求后就將該請求轉發給服務器端的光盤流模塊，并同步接受服務器返回的光盤數據以最終提供給用戶，從而完成虛擬光驅的工作。光盤流服務器模塊的主要功能是處理來自光盤里客戶端的請求，它支持多線程處理，能夠同時對多用戶的請求進行處理，并分別進行響應。同時，它還可以根據系統的計費設定對用戶的訪問時間進行記錄，對用戶的通信數據流量進行限制，對于一些違規用戶，還可以屏蔽其IP 地址，從而達到禁止其獲得資源分享的目的。在這個模塊中，因為采用了Cache 技術，所以光盤分享的整體性能都得到了顯著改善。管理客戶端模塊的主要功能是接收來自管理員的命令，并通過數據網絡通信將命令轉發給管理服務器， 同時還要對來自管理服務器的處理結果反饋進行顯示。管理服務器模塊的功能是對來自管理客戶端的命令進行處理和反饋，因為命令的種類存在多種，而針對不同命令有不同的處理程序，所以該模塊需要對命令類型進行判定，并依據判定結果調用相應的程序加以處理，最后將處理結果進行反饋。光盤鏡像模塊的功能是對光盤驅動器進行管理和監測，一旦發現有新光盤出現，就按照預置的處理策略對新光盤進行鏡像處理。磁盤管理模塊的主要功能是檢測磁盤信息，一旦發現有新的磁盤出現，就按照預先定義的配置策略對磁盤進行操作，如格式化磁盤或對磁盤分區進行添加、刪除和合并等。
2.2 光盤流服務器的實現原理
針對光盤資源共享服務這一特定應用，在iSCSI 協議的基礎上開發了一個新的光盤數據傳輸及共享模式。具體實現思路是在客戶端虛擬SCSI 光盤驅動器，并將來自客戶端的處理命令進行分類，能在客戶端處理的就盡量在客戶端處理，對于不能在客戶端處理的少數幾個命令( 如讀光盤命令) 則傳輸到服務器進行處理，以提高網絡傳輸效率。光盤流服務器采用虛擬光驅技術，用戶通過虛擬光驅訪問服務器上的光盤數據與訪問本地物理光驅中的光盤在操作上沒有區別，其訪問原理如圖2 所示。由圖可知，客戶端用戶的請求通過應用程序發給虛擬光驅，而虛擬光驅則利用網絡通信協議將請求轉發給服務器上的光盤流服務器，光盤流服務器讀取被請求光盤的ID 信息，并在存儲于磁盤上的虛擬光盤鏡像庫中進行查找，將找到的光盤數據通過數據通信網絡傳輸到用戶的虛擬光驅上，以便用戶使用。這個過程對操作系統和用戶是完全透明的，用戶訪問服務器上的光盤與訪問本地光盤在形式上是一致的， 這極大地方便了用戶使用。
圖2 虛擬光盤鏡像服務器的訪問原理
4 實驗與結果分析
實驗條件：服務器和客戶端都使用個人臺式PC 搭建，其具體配置為Intel Core 2 Q8400 2.66GHz，4G RAM，硬盤為500GB。整個實驗在100Mbps 的以太網上進行，客戶端與服務器則通過IP 交換機進行連接。
圖3、圖4 分別為光盤流服務器和SAMBA 服務器的吞吐率曲線和平均響應時間曲線。
由圖3 和圖4 可知，隨著I/O 請求數據塊的增大，雖然本文設計開發的服務器與SAMBA 的數據傳輸率都會相應升高， 但總體上來說，本文所設計開發的虛擬光盤鏡像服務器性能更優，具體表現為數據傳輸率更高，平均響應時間則較低。本文所設計開發的虛擬光盤鏡像服務器能夠取得較佳性能的主要原因在于，數據連接一旦建立就只傳輸光盤數據，這期間不傳輸控制命令，而且數據是以網絡上盡可能大的數據包來傳輸的，這充分利用了網絡的物理帶寬。與之相對的是，SAMBA 服務器在進行數據傳輸時會同步傳輸大量數據包較小的控制命令，而這在本文所設計的虛擬光盤鏡像服務器中是不存在的。因此，可以得出結論，本文所設計開發的虛擬光盤鏡像服務器具有較優的性能。
5 結束語
虛擬光盤鏡像服務器是專門為光盤資源網絡共享服務而設計開發的，它對光盤數據資源的共享具有重要意義。本文設計開發了一種專用的高性能虛擬光盤鏡像服務器，它不僅支持遠程共享，還極大地提高了光盤資源的傳輸效率，實驗結果也表明了本文設計系統的有效性。
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