基于Openstack 的科研教學(xué)云計(jì)算平臺(tái)的構(gòu)建與運(yùn)用

李 磊，李小寧，金連文

(華南理工大學(xué) 電子信息學(xué)院,廣東 廣州 510641)

由于云計(jì)算平臺(tái)能提供快速、按需、彈性的資源構(gòu)建模式，能按照用戶的需求快速地構(gòu)建計(jì)算資源和開發(fā)環(huán)境，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始采用云計(jì)算解決我國(guó)高校教學(xué)資源的高冗余性、低共享等問(wèn)題，如重復(fù)購(gòu)置計(jì)算機(jī)、課程資源無(wú)法跨領(lǐng)域共享、課程之間資源無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)靈活的調(diào)度和分配[1]。在國(guó)內(nèi)的文獻(xiàn)[2-5]中詳細(xì)闡述了采用云計(jì)算技術(shù)解決高校教學(xué)科研資源優(yōu)化管理的方法、改革模式等。相比于國(guó)外，如文獻(xiàn)[6-10]所述目前已有眾多高校以及科研單位采用云計(jì)算技術(shù)解決其科研環(huán)境中資源的快速構(gòu)建、彈性伸縮和按需使用的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算整合、同構(gòu)化以及高效用比，但對(duì)如何實(shí)現(xiàn)、構(gòu)建、優(yōu)化并沒(méi)有給出相應(yīng)的云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建方案，因此“具體采用什么方案構(gòu)建高校的教學(xué)科研計(jì)算平臺(tái)，如何使用云計(jì)算平臺(tái)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化構(gòu)建和高效用比”值得進(jìn)一步研究。

云計(jì)算平臺(tái)分為IaaS平臺(tái)、PaaS平臺(tái)和SaaS平臺(tái)[11]。其中IaaS平臺(tái) ，即基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)平臺(tái)，是PaaS和SaaS的基礎(chǔ)，以提供資源的按需使用和彈性擴(kuò)展能力。在面向高校的教學(xué)和科研時(shí)，IaaS平臺(tái)可按照不同的需求提供不同資源類型的虛擬主機(jī)，滿足多方面學(xué)科教學(xué)和科研的資源需求。

目前，構(gòu)建IaaS平臺(tái)的方案主要分為商業(yè)架構(gòu)和開源架構(gòu)。雖然商業(yè)架構(gòu)具備完備的維護(hù)服務(wù)體系，但購(gòu)置成本較高，在面對(duì)高校的資源開放化服務(wù)方面，難以實(shí)現(xiàn)投入與產(chǎn)出的價(jià)值平衡；開源架構(gòu)相比于商業(yè)架構(gòu)，雖然沒(méi)有完善的服務(wù)維護(hù)體系，但由于代碼開源、無(wú)需購(gòu)置成本，因此擁有眾多的構(gòu)建和開發(fā)的人數(shù)，其穩(wěn)定性實(shí)際并不亞于商業(yè)架構(gòu)。同時(shí)采用開源構(gòu)建的人員可以直接獲取底層的軟件源代碼，通過(guò)一定的學(xué)習(xí)和研究，能直接按照自己的實(shí)際需求進(jìn)行修改和定制，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的云計(jì)算平臺(tái)。本文基于目前開源架構(gòu)中發(fā)展最為迅速的架構(gòu)——Openstack Grizzly版本為基礎(chǔ)進(jìn)行了云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建，面向高校的教學(xué)科研的需求實(shí)現(xiàn)了資源彈性分配、快速擴(kuò)展、網(wǎng)絡(luò)隔離與共享，并完整的闡述了高校教學(xué)科研云計(jì)算平臺(tái)的構(gòu)建與使用方案。

1 Openstack設(shè)計(jì)框架

1.1 Openstack工程架構(gòu)

Openstack 是由Rackspace 和美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)共同開發(fā)的云計(jì)算平臺(tái)，該平臺(tái)幫助服務(wù)商和企業(yè)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了類似于Amazon EC2 和S3 的云基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)(infrastructure as a service，IaaS)。經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，目前獲得了包括IBM、Cisco、HP等近200家知名IT企業(yè)的支持，成為開源云計(jì)算架構(gòu)中最主流的平臺(tái)之一[12]。Openstack采用了模塊化設(shè)計(jì)，其從Folsom版本開始包括了6個(gè)主要的核心子工程：(1)Nova：提供了虛擬主機(jī)的調(diào)度、創(chuàng)建、刪除和簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)資源管理功能；(2)Cinder：提供了網(wǎng)絡(luò)的塊存儲(chǔ)設(shè)備；(3)Glance：提供了創(chuàng)建虛擬主機(jī)所需的鏡像注冊(cè)、存儲(chǔ)和刪除功能；(4)Swift：提供了對(duì)象方式的分布式存儲(chǔ)功能；(5)Keystone：提供了服務(wù)權(quán)限的驗(yàn)證、用戶信息注冊(cè)、修改、刪除和相關(guān)服務(wù)權(quán)限管理功能；(6)Horizon：基于Djiango架構(gòu)的Web服務(wù)，提供了面向終端用戶的網(wǎng)頁(yè)操作管理功能[12]。其工程架構(gòu)見圖1。

圖1 Openstack工程架構(gòu)圖

1.2 Openstack Grizzly Quantum工程介紹

雖然Folsom版本已經(jīng)具備了較為完善的IaaS平臺(tái)構(gòu)建方案，可以滿足簡(jiǎn)單私有云的構(gòu)建，包括虛擬機(jī)主機(jī)資源的管理、用戶信息的管理以及簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)IP的分配等，但無(wú)法滿足高校多個(gè)二級(jí)學(xué)院/系、學(xué)科、實(shí)驗(yàn)室計(jì)算資源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)構(gòu)建和資源隔離。例如按照不同部門、不同功能的需求動(dòng)態(tài)構(gòu)建云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)拓樸等。Openstack Grizzly版本增加了Network as a Service工程——Quantum，該工程不僅實(shí)現(xiàn)了跨數(shù)據(jù)中心的二層挽網(wǎng)絡(luò)共享與隔離，同時(shí)每個(gè)二層網(wǎng)絡(luò)可以按照需求自定義拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其核心是利用Openflow的架構(gòu)，采用網(wǎng)絡(luò)Plugin替代傳統(tǒng)的網(wǎng)橋，為每一個(gè)虛擬主機(jī)構(gòu)建一個(gè)私有的網(wǎng)絡(luò)端口，并通過(guò)相應(yīng)的Key或者Namespace作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉?biāo)志，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)下虛擬主機(jī)的二層網(wǎng)絡(luò)隔離，使得相同服務(wù)的虛擬主機(jī)成為一個(gè)邏輯獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)資源簇，同時(shí)每個(gè)挽留過(guò)資源簇的IP可以自定義,多個(gè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)之間IP可以重復(fù)[13]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文采用Quantum作為高校教學(xué)科研云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，在面對(duì)高校云計(jì)算服務(wù)的需求時(shí)，可按照學(xué)院/系、學(xué)科、實(shí)驗(yàn)室等獨(dú)立的實(shí)體構(gòu)建多個(gè)獨(dú)立二層網(wǎng)絡(luò)隔離的虛擬主機(jī)資源簇，使得每個(gè)虛擬主機(jī)資源簇在進(jìn)行構(gòu)建和資源伸縮時(shí)不受地理位置、IP資源等外部因素的影響，體現(xiàn)了云計(jì)算平臺(tái)資源的按需使用、動(dòng)態(tài)構(gòu)建和資源隔離等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 Quantum網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 基于Openstack Grizzly版本的云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建

2.1 部署規(guī)劃

按照高校數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮攸c(diǎn)，結(jié)合Openstack的設(shè)計(jì)架構(gòu)，采用Openstack的6個(gè)核心工程，即Keystone、Nova、Glance、Cinder、Quantum和Horizon,每個(gè)工程采用分布式部署，并采用HA(高可用結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)，即將每個(gè)工程獨(dú)立部署在多個(gè)物理主機(jī)集群內(nèi)，并且對(duì)關(guān)鍵的組件按照HA的架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算平臺(tái)服務(wù)的高可用性。其部署的拓?fù)淙鐖D3所示。

2.2 Openstack構(gòu)建主要方式的介紹

目前Openstack的構(gòu)建可以采用以下3種主要方式[14]：

(1) deb包安裝方式：目前ubuntu等Linux操作系統(tǒng)在其軟件倉(cāng)庫(kù)已經(jīng)放置了編譯好的Openstack軟件包，因此可直接采用apt-get install等自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)安裝服務(wù)，完成Openstack各個(gè)組件的構(gòu)建。

(2) devstack腳本安裝方式：由于Openstack已經(jīng)成為了開源云計(jì)算平臺(tái)的首選部署方案，在國(guó)外開發(fā)人員的支持下，逐漸出現(xiàn)了devstack等類型的“一鍵化”安裝腳本，用戶可以通過(guò)該腳本的執(zhí)行直接完成Openstack的構(gòu)建。

(3) 源碼安裝方式：從Openstack的官方網(wǎng)站下載源碼包，按照自己的環(huán)境進(jìn)行配置修改，從底層的組件進(jìn)行安裝。

本文考慮到部署的靈活性，在部署的方式上采用了源碼安裝方式，按照自己的需求對(duì)Openstack進(jìn)行配置和調(diào)整。

2.2.1 Openstack基礎(chǔ)組件的部署

Openstack需要用到數(shù)據(jù)庫(kù)和消息隊(duì)列兩種基礎(chǔ)組件。其中數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)記錄Openstack運(yùn)行的關(guān)鍵信息和狀態(tài)，消息隊(duì)列負(fù)責(zé)對(duì)Openstack服務(wù)內(nèi)的各個(gè)模塊進(jìn)行消息傳輸。

在數(shù)據(jù)的部署上，本文采用了Mysql-5.5數(shù)據(jù)庫(kù)，并采取Heartbeat HA+RAID(NFS)部署方案，即采用一個(gè)基于RAID的存儲(chǔ)池存儲(chǔ)Mysql的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)NFS掛載到多個(gè)Mysql服務(wù)端，Heartbeat負(fù)責(zé)將用戶訪問(wèn)通過(guò)虛擬IP轉(zhuǎn)發(fā)到后端正常工作的Mysql服務(wù)上。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

消息隊(duì)列服務(wù)采用了Rabbitmq，并采取主備的HA方式，即針對(duì)消息隊(duì)列服務(wù)同時(shí)部署一個(gè)主服務(wù)和一個(gè)預(yù)備服務(wù)，當(dāng)主服務(wù)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，預(yù)備服務(wù)會(huì)被激活并替代主服務(wù)。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2.2 Keystone和Glance的部署

Keystone和Glance的部署流程主要包括：首先安裝必要的第三方組件，如Mysql的client服務(wù)組件、pip工具等，然后按照服務(wù)所在服務(wù)器的具體信息修改配置文件(/etc/keystone/和/etc/glance/下的配置文件)，并安裝系統(tǒng)服務(wù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建數(shù)據(jù)表單，最后同步數(shù)據(jù)表單幾個(gè)主要步驟。

圖3 基于Openstack高校教學(xué)科研云結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 基于HA的Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 基于HA的Rabbitmq的結(jié)構(gòu)示意圖

在上述步驟中，Keystone和Glance的配置文件關(guān)鍵信息內(nèi)容如下：

Keystone：

[sql]#指向數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器

connection = mysql://keystone:openstack@192.168.1.2/keystone

Glance：

[sql] ]#指向數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器

connection = mysql://keystone:openstack@192.168.1.2/glance

default_store=file#采用存儲(chǔ)器方式存儲(chǔ)鏡像文件

filesystem_store_datadir = /var/lib/glance/images/#定義存儲(chǔ)的掛載點(diǎn)

由于Glance在部署時(shí)需要制定一個(gè)存儲(chǔ)空間用以對(duì)鏡像文件進(jìn)行存儲(chǔ)，本文采用了一個(gè)RAID10的獨(dú)立存儲(chǔ)空間，通過(guò)NFS協(xié)議將該存儲(chǔ)空間掛載到Glance的物理主機(jī)上，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和控制的物理分離結(jié)構(gòu)。

為了實(shí)現(xiàn)Keystone和Glance的HA結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用多點(diǎn)反向代理機(jī)制，即采用多個(gè)物理節(jié)點(diǎn)運(yùn)行Keystone和Glance服務(wù)，并在前端將其通過(guò)Nginx反向代理為同一個(gè)前端IP，即采用Nginx對(duì)后端的keystone和Glance進(jìn)行負(fù)載均衡。當(dāng)用戶訪問(wèn)鏈接較多時(shí)，Nginx通過(guò)負(fù)載均衡方式將用戶的請(qǐng)求均衡地發(fā)送到后端多個(gè)keystone和Glance服務(wù)上，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的負(fù)載均衡和HA，其部署結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 Keystone和Glance的部署結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 Nova、Cinder的部署

Nova和Cinder部署的主要流程包括：首先安裝必要的第三方組件，如Mysql的client服務(wù)組件、pip工具等，其中Nova關(guān)鍵的第三方組件包括KVM、Libvirt、Qume等虛擬化軟件，Ciner的關(guān)鍵組件包括tgt、Iscsi等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備協(xié)議管理；然后按照服務(wù)所在服務(wù)器的具體信息修改配置文件(/etc/nova/和/etc/cinder/下的配置文件)，并安裝系統(tǒng)服務(wù)，同時(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建數(shù)據(jù)表單；最后同步數(shù)據(jù)表單幾個(gè)主要步驟。

在上述步驟中，Nova和Cinder的配置文件關(guān)鍵內(nèi)容如下：

(1) Nove的關(guān)鍵配置:

#數(shù)據(jù)庫(kù)連接

sql_connection=mysql://nova:openstack@localhost/nova

#虛擬機(jī)調(diào)度策略

compute_scheduler_driver=nova.scheduler.filter_scheduler.FilterScheduler

#虛擬機(jī)驅(qū)動(dòng)配置

compute_driver=libvirt.LibvirtDriver

libvirt_type=kvm

#網(wǎng)絡(luò)配置采用Quantum工程

network_api_class=nova.network.quantumv2.api.API

quantum_url=http://192.168.1.2:9696

#Glance連接

glance_api_servers=192.168.1.2:9292

#消息隊(duì)列配置

rabbit_host=192.168.1.2

rabbit_password=openstack

Cinder的關(guān)鍵配置

#數(shù)據(jù)庫(kù)連接

sql_connection=mysql://cinder:openstack@localhost/cinder

#消息隊(duì)列配置

rabbit_host=192.168.1.2

rabbit_password=openstack

#網(wǎng)絡(luò)掛載工具

iscsi_helper=tgtadm

#認(rèn)證工具配置

auth_strategy=keystone

由于本系統(tǒng)服務(wù)屬于開放資源服務(wù)，考慮到硬件設(shè)備的投入效用比，本文未采用網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)陣列作為Nova虛擬主機(jī)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，僅采取了本地化RAID10存儲(chǔ)陣列；在Cinder存儲(chǔ)的部署上，本系統(tǒng)考慮到塊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性，未采用常規(guī)的lvm卷存儲(chǔ)，使用了Nexenta存儲(chǔ)解決方案，即采用zfs文件系統(tǒng)作為Cinder的后臺(tái)存儲(chǔ)。

由于Nova和Cinder服務(wù)本身就是一個(gè)分布式部署方案，因此本文采用了在每個(gè)運(yùn)行Nova和Cinder服務(wù)的物理主機(jī)上啟動(dòng)nova-api、nova-computper和cinder-api、cinder-volume進(jìn)程,以實(shí)現(xiàn)服務(wù)的HA架構(gòu)。

2.2.4 Quantum的服務(wù)安裝

Quantum工程主要通過(guò)使用第三方的虛擬化網(wǎng)絡(luò)管理插件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，目前主要支持Openvswitch、Cisco 1kv、Linux bridge、NTT Ryu、Nicira NVP等，本文采用Openvswitch作為Quantum的網(wǎng)絡(luò)插件。Openvswitch是Open vSwitch即開放虛擬交換標(biāo)準(zhǔn)，是在開源的Apache2.0許可下的產(chǎn)品級(jí)質(zhì)量的多層虛擬交換標(biāo)準(zhǔn)。旨在通過(guò)編程擴(kuò)展，使龐大的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化(配置、管理、維護(hù))，同時(shí)還支持標(biāo)準(zhǔn)的管理接口和協(xié)議(如NetFlow，sFlow，SPAN，RSPAN，CLI，LACP，802.1ag)[14]。

Quantum部署的主要流程包括：安裝必要的第三方組件，主要是安裝Openvswitch組件，并按照自己網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況將物理主機(jī)的3塊網(wǎng)卡所在的網(wǎng)絡(luò)分別規(guī)劃為管理網(wǎng)絡(luò)、虛擬機(jī)內(nèi)網(wǎng)以及對(duì)外接入網(wǎng)絡(luò)，其中關(guān)鍵的步驟主要是創(chuàng)建內(nèi)外2個(gè)網(wǎng)橋，并分別綁定到相應(yīng)的網(wǎng)卡上，主要的配置內(nèi)容如下：

(1) 網(wǎng)卡關(guān)鍵配置內(nèi)容。

# 管理網(wǎng)絡(luò)接口

auto eth0

iface eth0 inet static

address 192.168.1.2

netmask 255.255.255.0

network 192.168.1.0

broadcast 192.168.0.255

gateway 192.168.1.1

dns-nameservers 202.38.193.33

#虛擬主機(jī)內(nèi)網(wǎng)接口

auto eth1

iface eth1 inet static

address 10.0.0.3

netmask 255.255.255.0

#對(duì)外網(wǎng)絡(luò)接口

auto eth2

iface eth2 inet manual

up ifconfig $IFACE 0.0.0.0 up

up ip link set $IFACE promisc on

down ip link set $IFACE promisc off

down ifconfig $IFACE down

(2) Openvswitch網(wǎng)橋配置主要指令。

#創(chuàng)建虛擬主機(jī)內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)橋

ovs-vsctl add-br br-int

#創(chuàng)建外部接口網(wǎng)橋

ovs-vsctl add-br br-ex

ovs-vsctl br-set-external-id br-ex bridge-id br-ex

#將外部接口網(wǎng)橋綁定到外部網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)卡

ovs-vsctl add-port br-ex eth2

#為br-ex網(wǎng)橋添加ip：

sudo ip addr flush dev br-ex

sudo ip addr add 192.168.0.190/24 dev br-ex

sudo ip link set br-ex up

sudo ip route add 192.168.0.0/24 gw 192.168.0.190

在安裝完Openvswith組件后，需要按照所在的物理服務(wù)器修改Quantum配置文件(/etc/quantum/配置文件)，并安裝系統(tǒng)服務(wù)，同步數(shù)據(jù)表單，最后為L(zhǎng)3網(wǎng)絡(luò)添加外部IP地址網(wǎng)段。

其中Quantum的幾個(gè)主要服務(wù)進(jìn)程包括：(1)quantum-server:管理和調(diào)度虛擬主機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；(2)quantum-dhcp-agent:啟動(dòng)DHCP服務(wù)自動(dòng)分配虛擬主機(jī)L2網(wǎng)絡(luò)IP；(3)quantum-openvswitch-agent:管理本地L2網(wǎng)絡(luò)(虛擬機(jī)內(nèi)部絡(luò))網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)的分配與回收；(4)quantum-l3-agent:管理L3(對(duì)外接入網(wǎng)路)網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)的分配與回收，同時(shí)負(fù)責(zé)為每個(gè)L2網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建一個(gè)虛擬機(jī)Router，實(shí)現(xiàn)L2網(wǎng)絡(luò)隔離。

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的HA接入模式，避免單點(diǎn)化的接入故障，本文采用多個(gè)專用的物理主機(jī)同時(shí)運(yùn)行quantum-l3-agent，并對(duì)每個(gè)L2網(wǎng)絡(luò)對(duì)外Router的流量做了監(jiān)控。當(dāng)Router出現(xiàn)故障時(shí)，即對(duì)外網(wǎng)絡(luò)流量為0時(shí)，通過(guò)quantum-server的API調(diào)用在其他網(wǎng)絡(luò)接入物理主機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)Router，并將已經(jīng)失效的對(duì)外IP重新綁定到新的Router上，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障的轉(zhuǎn)移。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

2.2.5 Horizon的服務(wù)安裝

本文采用Apache方式進(jìn)行Horizon的部署，主要的步驟包括:安裝Apache組件，修改器配置文件/etc/apache2/ports.conf，使得Apache根目錄指向Horizon所在的文件夾，并添加WSGI服務(wù)： WSGIScriptAlias / /home/opdash/horizon-2012.2/openstack_dashboard/wsgi/django.wsgi，使得Apache可以調(diào)用Djiango的WSGI服務(wù)。

圖8 Quantum 高可用結(jié)構(gòu)部署結(jié)構(gòu)示意圖

3 Openstack教學(xué)科研云的鏡像制作與上傳

云計(jì)算平臺(tái)在啟動(dòng)虛擬主機(jī)時(shí)需要從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的虛擬機(jī)鏡像獲取文件，并調(diào)度到相應(yīng)的物理主機(jī)上進(jìn)行啟動(dòng)，因此在使用Nova服務(wù)前需要制作虛擬機(jī)鏡像，并上傳到Glance服務(wù)的存儲(chǔ)中。本文所構(gòu)建的系統(tǒng)采用了KVM虛擬化技術(shù)，制作鏡像的流程主要包括：創(chuàng)建一個(gè)本地化的虛擬磁盤空間，按照KVM的啟動(dòng)方式，將所需要安裝系統(tǒng)的ISO文件通過(guò)CDROM的引導(dǎo)方式將系統(tǒng)安裝到虛擬磁盤空間，同時(shí)在安裝過(guò)程中按照系統(tǒng)的種類需要完成如下操作：(1)Windows系統(tǒng)需要安裝virtio 磁盤驅(qū)動(dòng)；(2)Linux系統(tǒng)需要?jiǎng)h除/etc/udev/rules.d/70-persistent -net.rules文件，以免自動(dòng)添加除 eth0 以外的接口[15]。

在安裝好基本鏡像后，可依據(jù)實(shí)際的服務(wù)需要安裝不同的服務(wù)軟件，提供不同的IaaS服務(wù)。本文所構(gòu)建的系統(tǒng)對(duì)鏡像做了如表1所示的規(guī)劃。

表1 平臺(tái)鏡像列表

為了保證云計(jì)算虛擬主機(jī)資源效用比的最大化，體現(xiàn)其按需使用的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)為不同使用者配置了相應(yīng)配置的虛擬主機(jī)類型(如表2所示)。

表2 虛擬主機(jī)資源配置列表

4 Openstack高校教學(xué)科研云的使用方法

本文所構(gòu)建的系統(tǒng)位于校園內(nèi)網(wǎng)，使用的流程主要包括：(1)登錄Horizon界面，輸入校園用戶名及密碼；(2)首次使用時(shí)，在控制面板中創(chuàng)建自己的網(wǎng)絡(luò)，包括創(chuàng)建的自己的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，以及輸入自定義的內(nèi)網(wǎng)IP段、網(wǎng)關(guān)并創(chuàng)建內(nèi)網(wǎng)Router；(3)在控制面板中選擇鏡像欄，點(diǎn)擊需要啟動(dòng)的系統(tǒng)鏡像，在對(duì)話框內(nèi)選擇虛擬主機(jī)的配置類型、內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)Router，點(diǎn)擊啟動(dòng)；(4)當(dāng)用戶需要訪問(wèn)主機(jī)時(shí)，可以在Floating IP欄目選擇分配一個(gè)外網(wǎng)IP并連接到相應(yīng)的虛擬主機(jī)；(5)用戶可以通過(guò)RDP遠(yuǎn)程桌面或者Openstack的NoVNC網(wǎng)頁(yè)的方式遠(yuǎn)程訪問(wèn)；(6)當(dāng)用戶需要添加網(wǎng)絡(luò)塊存儲(chǔ)時(shí)，可以選擇云硬盤選項(xiàng)，并按照需要容量創(chuàng)建一個(gè)虛擬的塊存儲(chǔ)，通過(guò)tgt掛載到虛擬主機(jī)上。使用流程如圖9所示。

圖9 教學(xué)科研云計(jì)算平臺(tái)主要使用流程示意圖

5 Openstack高校教學(xué)云的效用比的分析

構(gòu)建Openstack云計(jì)算系統(tǒng)主要目的是提高高校計(jì)算機(jī)資源使用的效用比，并能實(shí)現(xiàn)快速的按需服務(wù)和擴(kuò)展，避免重復(fù)的購(gòu)置計(jì)算機(jī)設(shè)備，擺脫繁瑣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境維護(hù)工作。

以下從硬件、成本和擴(kuò)展性3個(gè)方面分析了該平臺(tái)同構(gòu)化計(jì)算資源的性能。

(1) 硬件對(duì)比：加入云平臺(tái)后，可免去重復(fù)購(gòu)置計(jì)算機(jī)、安裝軟件等工作過(guò)程，有利于教師工作效率的提高，實(shí)現(xiàn)了本地資源的自由度。

(2) 成本對(duì)比：私有云除了性能高效外，還可降低成本，提高投入產(chǎn)出比。在本文的測(cè)試中，1個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)運(yùn)行5個(gè)實(shí)例，每個(gè)實(shí)例的使用概率為50%～80%。以嵌入式Android實(shí)驗(yàn)課程為例，當(dāng)部署一個(gè)大于5個(gè)虛擬主機(jī)開發(fā)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)資源時(shí)，以1個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)、50%的使用概率為例，則實(shí)際使用的實(shí)例數(shù)為2.5個(gè)，按照計(jì)算公式得出

資源節(jié)省效用比=

(1)

因此節(jié)省的機(jī)器數(shù)、能源等成本為原來(lái)的2.5倍。

(3) 擴(kuò)展性比對(duì)：當(dāng)教師或者學(xué)生需要開展新的實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以直接啟動(dòng)純凈的系統(tǒng)鏡像主機(jī)，并按照自己的需求安裝和定制軟件，并提交給云平臺(tái)管理員，作為附加的鏡像傳入Glance存儲(chǔ)內(nèi)，整個(gè)過(guò)程不大于3h。該鏡像可同時(shí)授權(quán)公開給其他用戶使用，相對(duì)于購(gòu)置新的計(jì)算機(jī)，擴(kuò)展成本基本為零。

當(dāng)云計(jì)算平臺(tái)計(jì)算能力無(wú)法滿足當(dāng)前的虛擬機(jī)數(shù)量與配置時(shí)，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)的方式將新的物理主機(jī)接入到平臺(tái)內(nèi)，無(wú)需對(duì)原有的資源做任何調(diào)整。如前成本對(duì)比所述，擴(kuò)展一個(gè)新的物理主機(jī)可以支撐5個(gè)以上的虛擬云主機(jī)運(yùn)行，效用比優(yōu)勢(shì)依然明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了基于Openstack構(gòu)建高校教學(xué)科研云平臺(tái)的方案和運(yùn)用方法，旨在為高校提供彈性計(jì)算服務(wù)，滿足不同用戶角色、不同階段的要求，同時(shí)，通過(guò)在虛擬鏡像中集成開發(fā)環(huán)境，為不同的教學(xué)和科研提供了一個(gè)硬件資源、系統(tǒng)架構(gòu)、軟件程序均一致的實(shí)例環(huán)境。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐和實(shí)際運(yùn)行，本文實(shí)現(xiàn)了既定的2個(gè)目標(biāo)：(1) 構(gòu)建和部署高校教學(xué)科研云平臺(tái)；(2) 通過(guò)對(duì)原有資源購(gòu)置方式的對(duì)比，體現(xiàn)了云計(jì)算平臺(tái)資源高效用比、按需使用、快速擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，能為我國(guó)快速發(fā)展的教育和科研提供一個(gè)高效資源管理與供給模式。

[1] 羅國(guó)瑋，蘭瑞樂(lè).基于云計(jì)算的高校科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(4)：115-117.

[2] 柴亞輝，涂春萍，劉覺(jué)夫，等.基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)與軟件實(shí)驗(yàn)資源管理[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010，29(10)：254-257.

[3] 李英壯，廖培騰，孫夢(mèng)，等.基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心虛擬機(jī)管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011，28(5)：1-3.

[4] 黃晨暉，林泳琴.基于云計(jì)算的虛擬化計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的研究與實(shí)現(xiàn)[J]，實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010，29(11)：178-181.

[5] 魯慧民，劉剛.基于云計(jì)算理念的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012，29(4):334-337.

[6] Simon Ostermann,Alexandria Iosup,Nezih Yigitbasi,et al.A Performance Analysis of EC2 Cloud Computing Services for Scientific Computing[EB/OL].[2013-07-17].http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-12636-9_9.

[7] Dikaiakos M D,Cyprus Katsaros D，Mehra P.et al.Cloud Computing:Distributed Internet Computing for IT and Scientific Research[J].Internet Computing,IEEE ,2009(13):10-13.

[8] Ying S Hu,Xiaolin Nan,Prabuddha Sengupta.Jennifer Lippincott-Schwartz &Hu Cang Accelerating 3B single-molecule super-resolution microscopy with cloud computing[J].Nature Methods ,2013(10):96-97.

[9] Patrick Dreher,Mladen A.Vouk Utilizing Open Source Cloud Computing Environments to Provide Cost Effective Support for University Education and Research[EB/OL].[2013-07-17].http://www.iji-global.com/chapter/content/65284.

[10] Kim Sijung,Cho Doeun.Study on Virtual Education System Modeling in Hybrid Cloud Computing[EB/OL].[2013-07-17].http://link.springer.com/chapter/10.10071978-94-007-5064_38.

[11] 劉鵬.云計(jì)算技術(shù)原理[EB/OL].[2013-08-07].http://www.chinacloud.cn/show.aspx?id=1929&cid=12,2009.

[12] Openstack[EB/OL].[2013-08-07].http://baike.baidu.com/view/4924215.htm,2013.

[13] OpenStack最新版本Folsom架構(gòu)解析[EBOL].[2013-08-07].http://www.csdn.net/article/2012-10-15/2810743-OpenStack-Folsom,2012.

[14] Openvswitch[EB/OL].[2013-08-07].http://baike.baidu.com/view/8861721.htm,2013,

[15] Kevin Jackson.OpenStack Cloud Computing Cookbook[M].Birmingham: Packt Publishing Limited,2012:151-154.