基于OpenStack的創新實驗云平臺的研究

楊澤平， 顧春華， 萬　鋒， 羅　飛， 常耀輝

(華東理工大學 信息科學與工程學院， 上海　200237)

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基于OpenStack的創新實驗云平臺的研究

楊澤平， 顧春華， 萬鋒， 羅飛， 常耀輝

(華東理工大學 信息科學與工程學院， 上海200237)

提出了一個基于OpenStack云計算框架的創新實驗云平臺。該平臺總體架構分為基礎軟硬件資源層、OpenStack云管理層、通信中間件層、應用業務層和應用表現層，能夠滿足高校中各專業創新實驗對計算機軟硬資源的不同需求，減少實驗室管理人員的工作量，同時提高實驗設備的利用率。該平臺運行穩定，功能設計合理，為創新實驗教學提供了有效的支撐。

云平臺； 實驗教學；OpenStack

ResearchofinnovativeexperimentalcloudplatformbasedonOpenStack

1　開發創新實驗云平臺的目的

隨著大學生創新活動及計算機各類競賽的開展，越來越多不同專業的學生需要不同的計算機實驗環境，現有的普通實驗設備無法滿足日益增長的環境需求。主要的矛盾體現在以下幾個方面：

(1) 計算機權限問題。出于安全及上機人數考慮，在進行普通計算機實驗教學時，不需要把實驗所用的計算機全部權限開放給學生。實驗前，實驗管理人員已經預安裝了所需要的全部軟件，學生不需要自己安裝軟件，即使學生自己安裝了軟件，計算機在重新啟動后也會恢復為預安裝狀態，使自主安裝的軟件丟失。在大多數情況下，實驗管理人員會把非系統盤的權限開放給學生，但是在創新實驗中，學生有自主安裝軟件的需求，希望保存上一次的安裝環境，以避免重復安裝操作，而現有的計算機權限設置無法滿足學生創新實驗的需求。

(2) 計算機臺數問題。普通計算機實驗教學主要是對某一軟件或者某一操作系統的教學，在一臺計算機上就可以完成操作；但創新實驗通常會涉及到某一類問題的研究，往往要根據實驗的需要使用多臺計算機，而一人一臺計算機的實驗教學模式無法滿足這一需求。

(3) 計算機環境問題。創新實驗與普通實驗教學對計算機硬件環境要求不同[1]：普通實驗教學對硬件環境要求相對比較低，而創新實驗對硬件環境要求較高。另外，普通實驗教學一般會指定所需要的環境，在一學期中某一段時間內使用某一特定操作系統(例如：Windows、Ubuntu、Android等)，一般極少出現在某一時間內同時使用兩種操作系統的情況；而在創新實驗中，使用兩種操作系統的需求經常發生，需要有更好的計算機環境。

云計算作為一種新的資源使用模式，使得用戶可以按照需求獲取計算、存儲和網絡帶寬等資源，很多學者也開始采用云計算技術來解決高校的計算機資源緊張問題[2]，例如直接采用虛擬技術構建虛擬實驗室、基于桌面云搭建多媒體計算機實驗室[3]、采用Hadoop構建機房云計算中心[4]、利用云計算和虛擬化技術構建計算機網絡攻防實驗室等[5]。

在眾多的云平臺中，OpenStack是一個開源的云計算管理平臺，有著良好的可控性、兼容性和擴展性，在微軟、思科等很多企業及高校得到廣泛的應用[6-7]。例如基于OpenStackGrizzly版本部署了科研教學云計算平臺以節省硬件資源[8]；基于OpenStack部署虛擬網絡實驗室來提高資源利用率[9]；基于OpenStack研究解決云計算中資源調度關鍵技術[10]。

為了解決創新實驗教學所面臨的問題，本文基于OpenStackHavana版本做二次開發，設計并實現了一個創新實驗云平臺，以滿足創新實驗對硬件資源的彈性需求。

2　Openstack開源框架

云計算利用分布式計算、虛擬化等技術，將分散的軟硬件資源通過網絡、按照用戶需求集中提供服務。云計算平臺的服務類型分為3種：PaaS(平臺即服務)、SaaS(軟件即服務)和IaaS(基礎設施即服務)。PaaS主要是將開發、設計、部署和測試的整個平臺作為一種服務，用戶在此平臺上定制和搭建自己的應用系統；SaaS主要是將軟件應用系統作為一種服務，用戶可以租用這些軟件來使用，這些軟件應用包括：郵件系統、財務系統等；IaaS服務類型主要是將虛擬機、網絡資源、存儲等虛擬的硬件資源作為一種服務，用戶可以直接訪問這些資源并搭建自己的應用環境[11]。

在IaaS服務類型中，需要云計算管理系統(也稱云操作系統)來管理整個硬件資源，以備用戶訪問。這些開源的云平臺包括OpenNebula、Eucalyptus、CloudStack和OpenStack等，其中OpenStack在授權許可、是否完全免費使用、組件配置是否靈活、二次開發的難易等方面比其他開源云平臺有明顯的優勢，成為使用率最高的云平臺[6，11]。

OpenStack是美國國家航空航天局(NASA)和Rackspace聯合研發的開源云計算管理項目，旨在實現實施簡單、可擴展性良好的云服務。OpenStack底層可以采用Xen、KVM和VMWare等虛擬化軟件，對KVM的支持相對比較完善[7]。因此，在構建本創新實驗云平臺時，采用的是KVM虛擬化軟件。

OpenStack以A—Z的字母表順序來標識它的眾多版本，其中H版的主要組件包括：提供控制臺服務的Horizon、提供計算服務的Nova、提供網絡服務的Neutron、提供對象存儲的Swift、提供塊存儲的Cinder、提供身份認證等服務的Keystone、提供鏡像服務的Glance、提供監控服務的Ceilometer以及提供自動化部署服務的Heat[12]。其中Nova組件是OpenStack的核心模塊，它通過nova-api模塊實現RESTfulAPI功能，向外提供接口；通過nova-compute模塊管理虛擬機；通過nova-scheduler模塊提供虛擬機的調度；各模塊通過消息隊列來實現通信。

3　云平臺運行環境的配置

創新實驗云平臺采用OpenStackH版，結合本校計算機教學實驗中心的實際運行環境和需求，在同時滿足150個并發用戶的情況下，采用了4個計算節點、1個存儲節點和1個控制節點。每個節點的硬件均為64GBRAM、1TB硬盤、24核CPU、3個千兆網卡。

由于采用了多節點云平臺部署形式，只有運行在控制節點的nova-network控制網絡，因此在計算節點創建的虛擬機實例都要通過控制節點與外網連接。

各節點的基礎安裝均包括網絡配置、NTP和HavanaPackage的安裝，而控制節點還有MySQL和Rabbitmq的安裝，存儲節點和計算節點還有MySQLClient的安裝。除了基礎安裝，控制節點還需要對keystone、nova-services、glance數據庫、horizon等進行安裝配置。

在安裝keystone時，首先要安裝認證服務，包括創建keystone數據庫以及相關信息的配置，其中，keystone.conf的配置信息設置如下：

vi/etc/keystone/keystone.conf

…

[sql]

#設置數據庫連接字符串用以連接數據庫

connection=mysql://keystone:admin@10.10.10.32/keystone

…

其次，需要對users、tenants和roles進行定義，包括設置環境變量；然后創建service和endpoint，最后來驗證keystone。在安裝nova控制服務時，也要創建nova數據庫、nova服務、endpoint、keypair及安全組規則等，其中nova.conf配置文件中一些重要的配置信息如下：

vi/etc/nova/nova.conf

…

[database]

#設置數據庫連接字符串用以連接數據庫

connection=mysql://nova:admin@10.10.10.32/nova

[keystone_authtoken]

#keystone認證信息

auth_host= 10.10.10.32

auth_port= 35357

auth_protocol=http

admin_tenant_name=service

admin_user=nova

admin_password=ADMIN

[DEFAULT]

#RabbitMQ消息服務設置，openstack中默認kombu連接RabbitMQ服務器

rpc_backend=nova.rpc.impl_kombu

rabbit_host= 10.10.10.32

rabbit_password=openadmin

#鏡像服務設置

glance_host=10.20.20.33

#vnc相關設置，用以遠程訪問

my_ip=10.10.10.32

vncserver_listen=10.10.10.32

vncserver_proxyclient_address=10.10.10.32

#設置認證策略

auth_strategy=keystone

存儲節點除了基礎安裝外，還要安裝glance，計算節點還需要對nova-compute、nova-network安裝，其中，對nova.conf配置文件中的信息設置如下：

vi/etc/nova/nova.conf

…

[DEFAULT]

…

#設置使用FlatDHCP網絡管理模式

network_manager=nova.network.manager.FlatDHCPManager

#防火墻驅動程序

firewall_driver=nova.virt.libvirt.firewall.IptablesFirewallDriver

#設置子網的地址數

network_size=254

#該配置強制虛擬機間隔離，除非使用安全組策略

allow_same_net_traffic=False

#高效網絡

multi_host=True

send_arp_for_ha=True

share_dhcp_address=True

#該項設置為true，表明終止發送DHCP釋放

force_dhcp_release=True

#設置連接虛擬機的網卡網橋

flat_network_bridge=br100

flat_interface=eth0

#公網網卡

public_interface=br100

…

然而，如果依賴網絡進行云平臺硬件運行環境的安裝，一旦網絡出現了問題，不管是操作系統，還是OpenStack自身開發運行環境，都將無法正常搭建。因此，制作本地安裝包源是至關重要的。本地安裝包源將有利于整個開發運行環境的再現，也有利于系統本身運行的穩定，避免由于系統版本不同而對整個平臺性能產生影響。在搭建本創新實驗云平臺的硬件環境中，采用的是本地安裝包源。

4　云平臺的架構設計及實現

4.1創新實驗云平臺的主要特點

創新實驗云平臺主要是根據華東理工大學計算中心創新實驗的實際需求而定制的，它可以滿足大多數高校創新實驗的要求。該云平臺既能保證資源的共享，又能實現物理機配置的個性化，主要體現以下幾個特點。

(1) 定制個性化實驗環境。指導教師和學生都可以定制自己所需的實驗環境，安裝所需的軟件。與公共機房不同的是，用戶不會因為每次關機而丟失所安裝的軟件或其他實驗環境，避免了每次開機重復安裝軟件和重新部署實驗環境的問題。

(2) 共享創新實驗環境。指導教師可以定制安裝基礎操作系統、軟件等創新實驗環境，學生可以在此環境之上安裝自己所需的軟件，搭建自己的實驗環境并保存。學生也可以把自己的實驗環境共享給其他學生和指導教師。

(3) 隨時隨地獲取實驗環境。只要在網絡覆蓋范圍內，學生或者指導教師隨時隨地都可以在安裝了云平臺客戶端的終端獲取和保存實驗環境、進行創新實驗，突破了地域和時域的限制，增加了創新實驗的靈活性。

4.2創新實驗云平臺管理系統的主要模塊

云平臺管理系統是B/S架構，功能模塊包括人員角色管理、創新課程管理、云主機管理和定制系統。系統中的角色分為超級管理員、管理員、教師和學生4種角色。

在人員角色管理模塊中，超級管理員的權限是創建管理員、維護管理員信息；管理員的權限是創建教師、維護教師信息。

在創新課程管理模塊中，教師的權限是申請創新課程信息，包括創建課程、導入學生的學號和姓名等學生信息；管理員的權限是審核課程信息。由于虛擬機的數量一定，因此需要根據創新課程開設的時間范圍、學生人數及權重來設置優先級進行審核；一般設定一位教師的虛擬機數量是10臺，根據具體情況再作調整。

在云主機管理模塊，教師的權限是為其創新課程下的學生創建、開啟和關閉云主機。為方便管理，這一權限不下放給學生；管理員的權限是可以創建、開啟和關閉所有課程的云主機。

在定制系統模塊中，分為原始鏡像、公共鏡像和私有鏡像，原始鏡像和公共鏡像是所有用戶可見，而私有鏡像僅自己可見。原始鏡像一般僅安裝操作系統，管理員、教師和學生都可以上傳鏡像并設置鏡像屬性。云平臺桌面客戶端包括可移動設備管理、本地盤映射配置、虛擬機登錄及信息維護等模塊。在虛擬機登錄模塊由于操作系統不同，又分為RDP協議和SSH協議兩種連接方式。

4.3創新實驗云平臺架構

從使用者的角度出發，創新實驗云平臺分為管理系統和客戶端兩部分，總體架構分為5層。

(1) 基礎軟硬件資源層。基礎硬件資源包括計算資源(CPU、內存等)、存儲資源和網絡資源等，采用的虛擬化技術是KVM，操作系統采用的是Ubuntu。

(2)OpenStack云管理層。主要通過各組件來提供、管理虛擬機等資源，這些組件包括Nova、Glance、Neutron、Keystone、Swift等。

(3) 通信中間件層。主要用以連接云管理層和應用業務層，通過接口實現。接口分為公用接口(Publicinterface)和私有接口(Privateinterface)，對不同的業務邏輯應用調用不同的接口。

(4) 應用業務層。是針對網絡或者客戶機的不同請求，給出不同的業務處理，包括課程、用戶、鏡像、快照和虛擬機等不同的處理。

(5) 應用表現層。針對不同的用戶，應用表現層有不同的表現形式。教師和管理員通過網絡來管理整個系統，業務邏輯部分采用J2EE中的SSH架構，中間通信部分通過接口實現；學生主要通過云平臺桌面客戶端來獲取資源，面向客戶的服務主要處理與用戶使用虛擬機相關需求的業務，面向服務端的處理請求業務主要通過接口來處理客戶端的請求，連接應用業務層，在該層中會對用戶的請求進行封裝，封裝成與服務端提供的接口一致的格式，并且該層也負責接收服務端的響應消息，再傳遞至客戶端。

4.4創新實驗云平臺使用流程

以一學期同時滿足15位教師指導創新實驗課程、每門課程10名學生為例，本創新實驗云平臺的使用流程包括：

(1) 超級管理員創建本學期負責該創新實驗云平臺的管理員(主要是實驗室相關負責人)；

(2) 管理員初始化系統，上傳原始鏡像(指僅安裝了操作系統，未裝其他軟件的鏡像)，并創建本學期需要開設創新實驗課程的15位教師；

(3) 這15位教師將在網上分別創建自己的實驗課程，并導入自己的學生；待管理員審核通過后，針對原始鏡像創建自己的虛擬機，并可以通過云平臺桌面客戶端安裝該課程所需的軟件，保存成快照，并據此分別為自己的10名學生創建虛擬機，每位學生均可見教師已安裝好的軟件；

(4) 學生開啟裝有云平臺桌面系統的計算機，登錄虛擬機，可以隨意安裝所需軟件進行實驗，并可以自由切換虛擬機與本地軟硬系統，每次結束后保存退出即可，下次可以繼續進行實驗；

(5) 待學期結束，管理員負責回收資源。

5　結語

傳統的計算機類實驗平臺無法滿足創新實驗的實際應用需求。本文給出的創新實驗云平臺采用OpenStack開源框架，并進行了二次開發，設計并實現了滿足創新實驗云平臺的業務流程。該平臺方便了創新實驗教學，減少了實驗室管理人員的工作量，同時也節約了硬件資源、提高了實驗資源的利用率。

致謝：感謝云計算團隊的孫寒玉、楊巍巍、李小可、丁瑋超、趙琳瑩、張凱旋、張勛、文賡、戴智明等同學對云平臺的構建和實施所作的努力！

References)

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[3] 覃馮,黃善斌,覃衛玲，等.基于桌面云的多媒體計算機實驗室管理研究[J].實驗技術與管理，2015,32(3):164-166.

[4] 陳慧芬,盧慶武.云計算在高校機房管理中的應用[J].實驗室研究與探索，2013,32(7):213-216.

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YangZeping,GuChunhua,WanFeng,LuoFei,ChangYaohui

(SchoolofInformationScienceandEngineering,EastChinaUniversityofScience

andTechnology,Shanghai200237,China)

TheinnovativeexperimentalcloudplatformbasedonOpenStack,anopensourceframework,isgiven.Thearchitectureofthecloudplatformconsistsoffivelayers,includinginfrastructurelayer,cloudmanagementlayer,communicationmiddlewarelayer,applicationbusinesslayerandapplicationpresentationlayer.Theplatformisdesignedtomeetthedifferentneedsofthecomputersoftwareandhardwareresourcesofdifferentmajors,reducetheworkloadoflaboratorymanagement,andimprovetheutilizationrateoftheexperimentalequipment.Moreover,theplatformisstableandreasonable,andprovidesaneffectivesupportfortheinnovativeexperimentalteaching.

cloudplatform;experimentalteaching;OpenStack

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.038

2015- 10- 13

國家自然科學基金項目(61472139)；2013年度上海高校實驗技術隊伍建設計劃項目“人工智能和虛擬化技術在實驗室中的應用研究”；2015年度華東理工大學繼續教育教學研究項目“成人高等教育中實驗教學方法及輔助平臺的研究”

楊澤平(1980—)，女，河南桐柏，博士，工程師，主要研究方向為模式識別、神經網絡和數據庫技術.

TP393.07

A

1002-4956(2016)5- 0147- 04