羅躍逸，羅恩韜，朱小玉

（1.中南大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，長(zhǎng)沙　410083；2.湖南科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，永州　410006；3.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙　410083）

基于私有云網(wǎng)盤系統(tǒng)的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

羅躍逸1，羅恩韜2，朱小玉3

（1.中南大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，長(zhǎng)沙410083；2.湖南科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，永州410006；3.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083）

0　引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，高校的信息化建設(shè)給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)很多便利，信息化設(shè)備和技術(shù)正在逐步替換原有的教學(xué)模式。通過(guò)近幾年的基礎(chǔ)建設(shè)，高校校園網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)百兆局域網(wǎng)。同時(shí)，伴隨網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的推進(jìn)，大部分實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)擁有自己獨(dú)立的機(jī)房，建立完整的服務(wù)器類型配置，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)實(shí)驗(yàn)資源信息化-網(wǎng)絡(luò)化-智能化的管理模式［1］。而基于私有云的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，通過(guò)將大量不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)應(yīng)用軟件集合成一個(gè)存儲(chǔ)資源池，共同對(duì)外提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問(wèn)功能，有效實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的文件管理功能。網(wǎng)盤作為一種常見(jiàn)的云存儲(chǔ)應(yīng)用，提供文件的存儲(chǔ)、訪問(wèn)、備份、共享等功能，能夠?yàn)楦咝?shí)驗(yàn)教學(xué)的文件管理問(wèn)題提供很好的解決方案［2］。但是，目前已有的商用網(wǎng)盤系統(tǒng)將用戶數(shù)據(jù)保存在云服務(wù)器中，云服務(wù)提供商掌握數(shù)據(jù)的直接控制權(quán)。近年來(lái)曝露的安全事故說(shuō)明網(wǎng)盤存在很多安全漏洞，容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，用戶存儲(chǔ)在網(wǎng)盤的數(shù)據(jù)存在泄密的風(fēng)險(xiǎn)［3-4］。

針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中資源管理的應(yīng)用需求和存在的安全隱患問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款安全可靠的實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)盤系統(tǒng)。只要安裝網(wǎng)盤客戶端，PC、筆記本、平板電腦以及智能手機(jī)之間都能夠登錄網(wǎng)盤系統(tǒng)，能有效解決教師和學(xué)生工作和生活中的文件存儲(chǔ)分散、管理混亂、難以協(xié)同辦公以及安全性低等難題。由于文件資源存儲(chǔ)在私有云服務(wù)器中，能夠有效避免文件泄密或丟失等安全事故的發(fā)生。

1　基于私有云的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)盤系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)盤系統(tǒng)基于云存儲(chǔ)的技術(shù)，采用客戶端/服務(wù)器的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，由訪問(wèn)層、應(yīng)用接口層、存儲(chǔ)層的三層結(jié)構(gòu)組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。第一層為訪問(wèn)層，用戶可以通過(guò)客戶端模式私有文件系統(tǒng)。中間層是應(yīng)用接口層，它集用戶認(rèn)證、權(quán)限管理、資源共享與輸出、應(yīng)用軟件、Web Service等功能于一體。第三層是存儲(chǔ)層，采用FastDFS分布式文件系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

網(wǎng)盤系統(tǒng)為用戶提供網(wǎng)盤客戶端的訪問(wèn)模式，網(wǎng)盤客戶端為用戶提供同步盤、文件管理、加解密等豐富的操作功能。用戶輸入用戶名和密碼登錄網(wǎng)盤客戶端后，可以直接訪問(wèn)個(gè)人的同步盤。通過(guò)同步盤的訪問(wèn)機(jī)制，用戶可以方便、快捷地訪問(wèn)如同本地磁盤的網(wǎng)盤系統(tǒng)。在同步盤中，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)右鍵的下拉菜單完成多種操作，如修改個(gè)人信息及密碼、文件/文件夾管理、文件加解密、文件共享等?？蛻舳送ㄟ^(guò)SSH機(jī)制完成加密傳輸和文件的加解密，保障網(wǎng)盤客戶端的安全。

圖1　基于私有云的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)盤系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用接口層提供統(tǒng)一身份認(rèn)證、統(tǒng)一權(quán)限管理、統(tǒng)一資源分配、統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)一存儲(chǔ)監(jiān)控等技術(shù)，用于保障用戶和數(shù)據(jù)的安全性。

（1）統(tǒng)一身份認(rèn)證

用戶可選擇多種方式進(jìn)行身份認(rèn)證，包括用戶口令、UKey等。用戶如選擇口令卡方式，生成標(biāo)準(zhǔn)依照公鑰加密標(biāo)準(zhǔn)（PKCS），口令在登錄系統(tǒng)后生成，退出時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)清除。實(shí)驗(yàn)管理員負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)盤系統(tǒng)的密鑰管理與分發(fā)，用戶密鑰生成機(jī)制采用基于密文策略的屬性加密（CP-ABE），根據(jù)教師與學(xué)生的屬性不同自動(dòng)區(qū)分用戶。

（2）統(tǒng)一權(quán)限管理

高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)盤系統(tǒng)面向?qū)嶒?yàn)管理員、教師、學(xué)生三種不同類型的用戶，用戶的數(shù)據(jù)訪問(wèn)權(quán)限均經(jīng)過(guò)嚴(yán)格控制。每個(gè)用戶都擁有獨(dú)立的網(wǎng)盤空間，可以設(shè)置資源的訪問(wèn)權(quán)限，只有共享給其他用戶的資源才能被訪問(wèn)，未經(jīng)授權(quán)的用戶無(wú)法進(jìn)行越權(quán)訪問(wèn)。網(wǎng)盤提供的各種應(yīng)用服務(wù)均具有獨(dú)立的訪問(wèn)權(quán)限，并經(jīng)由數(shù)據(jù)隔離機(jī)制保護(hù)。

（3）統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

用戶上傳文件時(shí)，可以選擇文件加密功能，文件經(jīng)由128 bit AES加密算法處理后再保存進(jìn)云存儲(chǔ)，防止非法用戶盜取文件信息。用戶可以通過(guò)自動(dòng)或手動(dòng)解密來(lái)獲取文件?；贑P-ABE生成文件的密鑰，每個(gè)文件都有相應(yīng)的密鑰，實(shí)現(xiàn)文件的統(tǒng)一資源存儲(chǔ)與管理。

存儲(chǔ)層是網(wǎng)盤系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的部分，采用FastDFS作為基礎(chǔ)架構(gòu)，F(xiàn)astDFS是一款開(kāi)源、簡(jiǎn)潔、高性能的分布式文件系統(tǒng)，可支持冗余備份、線性擴(kuò)容、負(fù)載均衡等機(jī)制。FastDFS具有輕量級(jí)、靈活的特點(diǎn)，內(nèi)存占用量小，能夠滿足高校私有云的存儲(chǔ)需求。存儲(chǔ)層由多組獨(dú)立分布的存儲(chǔ)服務(wù)器構(gòu)成，每組的多臺(tái)服務(wù)器存儲(chǔ)同樣的文件，通過(guò)這種分組存儲(chǔ)機(jī)制實(shí)現(xiàn)文件的冗余備份，保證存儲(chǔ)的可靠性。存儲(chǔ)層可擴(kuò)展性良好，當(dāng)存儲(chǔ)容量不足時(shí)，可通過(guò)動(dòng)態(tài)增加多組服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)線性擴(kuò)容，系統(tǒng)可自動(dòng)同步存儲(chǔ)于服務(wù)器的文件。

2　網(wǎng)盤系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

圍繞實(shí)驗(yàn)教學(xué)的人才培養(yǎng)目標(biāo)和特點(diǎn)，立足科研和行業(yè)前沿，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)劃分為教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)過(guò)程、教學(xué)評(píng)價(jià)的三層實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，以教師、學(xué)生、實(shí)驗(yàn)管理員為網(wǎng)盤系統(tǒng)的主體，詳細(xì)介紹這三類角色在實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)盤系統(tǒng)的操作流程，如圖2所示。

圖2　網(wǎng)盤系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)展示

（1）教學(xué)計(jì)劃

教師利用網(wǎng)盤實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的分享功能，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料和軟件上傳到網(wǎng)盤系統(tǒng)并分享給對(duì)應(yīng)學(xué)生群組。學(xué)生提前進(jìn)入網(wǎng)盤系統(tǒng)查看班級(jí)共享內(nèi)容，學(xué)生可以在任意時(shí)間登錄個(gè)人網(wǎng)盤并下載資料，提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约皩?shí)驗(yàn)要求等，并上傳對(duì)于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和實(shí)驗(yàn)的初步設(shè)計(jì)步驟。實(shí)驗(yàn)管理員負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的整體教學(xué)安排、實(shí)驗(yàn)器材管理以及網(wǎng)盤系統(tǒng)的維護(hù)。

（2）教學(xué)過(guò)程

學(xué)生可以實(shí)時(shí)下載實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)文檔、教學(xué)軟件等資料，并將實(shí)驗(yàn)中的疑惑記錄下來(lái)，以文檔的形式上傳至網(wǎng)盤系統(tǒng)，與同學(xué)和老師分享并討論。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師可以在線實(shí)時(shí)輔導(dǎo)學(xué)生，可以及時(shí)解決學(xué)生的困惑。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)管理員對(duì)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，記錄學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，并協(xié)助教師實(shí)時(shí)解惑。

（3）教學(xué)評(píng)價(jià)

學(xué)生將實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)按實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式編寫成文檔，上傳至網(wǎng)盤系統(tǒng)。學(xué)生上交作業(yè)后，系統(tǒng)結(jié)合學(xué)生和教師的個(gè)人信息以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)班次將作業(yè)自動(dòng)上傳至教師的個(gè)人網(wǎng)盤，文件夾前加學(xué)生的學(xué)號(hào)、姓名，從而避免文件重名的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)管理員負(fù)責(zé)記錄實(shí)驗(yàn)人數(shù)、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)考勤、現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)等情況，并匯總成文檔上傳至網(wǎng)盤系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師結(jié)合學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及學(xué)生的考勤和實(shí)驗(yàn)過(guò)程表現(xiàn)，對(duì)學(xué)生的本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)分，并上傳至網(wǎng)盤系統(tǒng)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)成績(jī)公布后可以上網(wǎng)查看實(shí)驗(yàn)得分，方便學(xué)生及時(shí)了解自己的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

（1）整合教學(xué)資源，提高學(xué)生興趣。實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)盤系統(tǒng)將云存儲(chǔ)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理，整合已有的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，改變過(guò)去單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)向一體化、系統(tǒng)化、綜合化方向推進(jìn)，突破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享的局限性。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)盤系統(tǒng)中添加教學(xué)視頻、參考文獻(xiàn)等教學(xué)資源，可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)主動(dòng)積極性。

（2）隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，操作方便簡(jiǎn)單。用戶可以利用多種設(shè)備接入實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)盤系統(tǒng)，教師可在教室、辦公室、家等多種場(chǎng)地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃。學(xué)生可隨時(shí)隨地下載課件、教學(xué)資源，方便學(xué)生及時(shí)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)課程內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)管理員可以遠(yuǎn)程維護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，減輕工作負(fù)擔(dān)。

（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理，利于教學(xué)改革。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)偏重于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，忽視實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理。實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)盤系統(tǒng)可以方便師生互動(dòng)交流，學(xué)生、教師和實(shí)驗(yàn)管理員相互交流、共同學(xué)習(xí)、教學(xué)相長(zhǎng)。學(xué)生遇到疑惑時(shí)可通過(guò)積極討論及時(shí)解疑，引導(dǎo)學(xué)生更加深入的學(xué)習(xí)知識(shí)、建立自信，提升學(xué)習(xí)效果。教師可將實(shí)驗(yàn)中存在的普遍性問(wèn)題及解決方法上傳，同時(shí)可以避免反復(fù)講解同一問(wèn)題，提升教學(xué)質(zhì)量。

3　結(jié)語(yǔ)

信息技術(shù)已步入云計(jì)算時(shí)代，高校信息化正面臨新的挑戰(zhàn)。新技術(shù)將不可避免地影響我們的教育教學(xué)活動(dòng)，云存儲(chǔ)的使用將改變我們的傳統(tǒng)的資源管理和教學(xué)模式。本文基于云存儲(chǔ)技術(shù)為校園網(wǎng)設(shè)計(jì)了一種安全、高效、易管理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)盤系統(tǒng)。利用云存儲(chǔ)技術(shù)支持學(xué)生的學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，構(gòu)建新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，共享科技進(jìn)步帶來(lái)的服務(wù)與便利。

［1］胡凱，鄭興福，陳如松，等.江蘇高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心共享平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（8）：144-147.

［2］李新宇.網(wǎng)絡(luò)云盤介紹——以360云盤和百度云為例［J］.無(wú)線互聯(lián)科技，2014（1）：38-38.

［3］楊岳湘，鄧文平，鄧勁生，等.基于云存儲(chǔ)的網(wǎng)盤系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.電信科學(xué)，2012，28（10）：68-72.

［4］傅穎勛，羅圣美，舒繼武.一種云存儲(chǔ)環(huán)境下的安全網(wǎng)盤系統(tǒng)［J］.軟件學(xué)報(bào)，2014（8）：1831-1843.

Cloud Storage；Network-Disk；Experimental Teaching

University Experimental Teaching Reformation Plan Based on Private Cloud Network-disk System

LUO Yue-yi1，LUO En-tao2，ZHU Xiao-yu3
（1.Department of Mathematics and Statistics，Central South University，Changsha 410083；2.Department of Electronics and Information Engineering，Hunan University of Science and Engineering，Yongzhou 410006；3.Department of Information Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083）

1007-1423（2015）17-0072-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.17.016

羅躍逸（1986-），男，廣西柳州人，博士研究生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)檐浖こ膛c信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)資源管理與服務(wù)

羅恩韜（1978-），男，湖南永州人，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)樵瓢踩?、隱私保護(hù)、大數(shù)據(jù)

朱小玉（1989-），女，湖北廣水人，博士研究生，研究方向?yàn)樵朴?jì)算安全與隱私保護(hù)

2015-06-01

2015-06-10

針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的文件管理困難的現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)有網(wǎng)盤系統(tǒng)存在的安全性問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于私有云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)盤系統(tǒng)。利用網(wǎng)盤的文件存儲(chǔ)功能，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的資源共享問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)資源云、教學(xué)云服務(wù)，突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享的局限性，輕松高效地管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

云存儲(chǔ)；網(wǎng)盤；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

Designs a network-disk system based on private cloud，which is focuses on the difficulty in file management of university experimental teaching and the security problems of the existing network-disk systems.Using the file management function of network-disk system can solve the resource sharing problem in experimental teaching，thus implement cloud resource and cloud educational service，overcome the limitation of experimental teaching resource sharing and manage experimental teaching resource efficiently.