基于云平臺的虛擬網絡實驗室設計與實現

◆陳玉明

基于云平臺的虛擬網絡實驗室設計與實現

◆陳玉明

（江西省景德鎮學院信息工程系 江西 333000）

目前隨著教育改革的實施，高校招生量越來越大，出現了嚴重的資金問題。實驗室是教學中不可缺少的場所，但存在為出成本高、資源利用率低下等問題，影響了高校實驗室的建設。現階段云計算技術已經取得了快速發展，具有資源利用率高等特點，可構建虛擬網絡實驗室，滿足了計算機網絡課程的實驗教學需求，實現了硬件資源的共享，提高了資源利用率，實際應用效果較理想。

云平臺；虛擬網絡實驗室

0 前言

在科學技術的影響下，仿真技術開始取得了突飛猛進的進展，促進了虛擬實驗室的發展。虛擬實驗室理念提出時間較長，已經廣泛應用到各個發達國家中，解決了高校教育中存在的資金短缺問題，促進了高校實驗教學的進展。本文主要提出了基于OpenStack云平臺虛擬實驗室方案，可隨著用戶人數的增加，分配較多虛擬機，滿足了日常教學的需求，提高了實驗設備的利用率，實際應用效果較理想。

1 網絡專業教學狀況及解決方式

進行計算機等網絡課程教學時，需要使用交換機、路由器等設備實驗操作，要求學生主動設計計算機局域網，進而在實踐學習中掌握網絡管理的核心技能。但是核心網絡構建中需要的設備價格較高，而且會消耗大量資金，影響了網絡實驗設備的供給。目前網絡仿真軟件取得了快速發展，Packet、Tracer等網絡仿真軟件與模仿路由交換的設備給眾多學習者提供了真實的學習環境，可以讓學習者方便的設計、配置并排除網絡故障，了解了網絡運行的實時狀態。另外，網絡仿真軟件還可以進行網絡實驗操作，如劃分虛擬局域網、靜態路由RIP協議及路由配置等情況，可替代網絡設備完成相關訓練，得到的教學效果較理想。

現階段，很多高校虛擬網絡實驗室均采用C/S模式操作，為了成功構建專業實驗室，必須利用專業服務器管理。實際應用中，學生可通過登錄計算機使用，而且每臺計算機都安裝了專門的軟件，可以定期對網絡實驗室中的軟件與系統進行升級，及時查漏補缺，保證了數據安全。同時還減少了錯誤操作與病毒侵害等問題，減少了維護成本，提高了操作安全。但是此種根據專業建立實驗室的方式降低了資源利用率，實際應用效果不顯著。

云計算技術是利用建立服務器，借助虛擬技術進行網絡資源共享的方式，可使用虛擬方式共享資源。云計算的動態分配資源功能滿足了用戶變化，可動態制定相關策略，隨著實驗室用戶數量的增加，可分配多臺虛擬機參與工作，當用戶數量減少了可釋放虛擬機，將虛擬機應用到其他操作中。校內建立的共享實驗設備資源將網絡模擬軟件部署在云計算之上，可以給用戶提供較多的專業實驗室。云計算還具備彈性服務技術，可結合實驗室用戶需求完成服務資源調整、虛擬機伸縮分配及實驗設備資源利用等操作，而且可以借助網絡給客戶端提供很多應用服務，打破了服務器運行中出現的故障與性能等瓶頸，維持了系統的穩定運行[1]。

經過分析發現，云計算技術應用到虛擬網絡實驗設計中，主要具有兩方面優勢。一方面，給學生省略了較多的資金，維持了學校日常教學的進展；另一方面，給高層次或對網絡技術感興趣的學生創建了理想的實踐教學環境，利用綜合測試與技能實驗等，讓學生掌握了較多的計算機網絡技術，并學習了較多的實驗技能，加深了學生對相關知識的理解和掌握，而提高了教學效果。

2 了解OpenStack

目前主流云計算系統主要由Hadoop、Eucalyptus及OpenStack構成，由于OpenStack具有較強的網絡管理能力和開放性，所以本次主要對其探討。

OpenStack屬于開源軟件項目，主要應用到建立計算機管理系統與儲存架構中，可以進行很多基礎服務，與其他云計算系統相比，其具有部署簡單、管理方便等特點，可以將其作為虛擬實驗室云平臺系統[2]。

OpenStack主要由Nova、Glance、Swift、Horizon與Keystone等模塊組成，Nova主要控制云平臺，Glance為虛擬鏡像儲存與檢索系統，Keystone可管理用戶賬號，并提供角色信息服務，Horizon可讓用戶使用云平臺Web前端界面。

3 OpenStack的設計與實現

3.1 了解系統總框架

OpenStack系統主要由基礎設備與計算平臺組成，基礎設備內部包含網絡、計算與儲存設備，云平臺主要包含Nova計算節點、Dashboard用戶認證及鏡像管理模塊。可以在云平臺上集成Track、Dynampis等仿真軟件，而且可創建虛擬機。該設計框架實現了涉筆計算、儲存等資源的集成,可構建虛擬教學資源，而且可根據客戶需求及時分配虛擬機資源,創造了真實的網絡環境[3]。如下圖1所示。

圖1 系統框架圖

3.2 OpenStack部署方法

本次使用集群方式構建虛擬網絡實驗室云端，一臺OBMx3650服務器是控制階段，兩臺IBMx3650是服務器計算節點。組建成的服務器節固定IP設置為10.0.0.33，虛擬實例IP從10.0.0.33獲取，FloatingIP為192.168.1.34，虛擬機實例IP從192.168.1.34開始。

現階段OpenStack構建方式較多，本次使用源碼安裝，實際操作如下圖2所示。

圖2 OpenStack部署流程

（1）給所有節點安裝ubuntu12.04操作系統，bridge網橋，Python，Iscsi，Ntp等組件，并在計算節點安裝KVM。（2）安裝并配置模塊，操作如下:①控制節點安裝mysql，創建所需數據庫，并儲存基礎信息[4]。②服務認證服務器安裝Keyston，配置keystone.connf 文件；③云儲存服務器安裝swift組件，配置Proxy server與Ring，并在對應環端口設置server、account、conf、object server 、rsyncd。④在鏡像管理器安裝glance組件，并給云端上傳windows鏡像。⑤在控制節點安裝重要組件nova，計算節點那幢nova.conf配置文件，nova是計算機主要功能，可創建虛擬機實例，并可分配虛擬機功能，實際操作中，將public -interface設置為eth0，flant-interface為eth1，flat-network-bridge為虛擬網卡br100，實現了虛擬機與外網的通信；⑥安裝Dashbaord，主要目的是管理虛擬機實例，并綁定IP網頁界面。（3）應用KVM虛擬機，創建Windows系統鏡像。（4）給windows鏡像中安裝Tracer、GNS3、Dynamip仿真軟件，并編寫登陸與注冊界面[5]。（5）創建虛擬實例。首先利用nova創建fixed-range，floating-range ，分配模式為dhcp，其次，創建虛擬機密鑰ssh-keygen，并將其上傳到數據庫；在其，打開防火墻，添加udp、ssh與icmp；最后，創建虛擬機，上傳鏡像為glance的windows鏡像，并綁定外網IP。

3.3 設計虛擬網絡實驗室界面

登陸到Dashbaord管理虛擬界面中，維持虛擬機活躍，并借助vnc軟件登陸到IP為192.168.1.34虛擬機實例中，自主選擇Packet、Tracer、GNS3與Dynamip軟件完成實驗。

3.4 實際運行效果

目前虛擬實驗室云平臺專業實驗已經正常運行，滿足了網絡工程專業的教學需求，實際運行穩定，管理方便，可自由分配虛擬網絡資源，具有較廣的應用價值。

4 結束語

本文主要對基于云平臺虛擬網絡實驗室設計與實現進行分析。經過研究發現，虛擬網絡實驗室實現了教學設備與軟件的有機結合，給學生創建了高質量的教學環境，滿足了多層次教學需求，可以給很多共同實驗室提供借鑒，所以本方案具有較高的應用價值，可以應用到眾多高校中，解決教學設備資金緊缺問題，提高教學效果。

[1]黃晨暉，林泳琴.基于云計算的虛擬計算機實驗室的研究與實現[J].實驗室研究與探索，2015.

[2]夏之斌.云計算的虛擬網絡管理系統的研究與實現[J].北京郵電大學，2014.

[3]鄒超.基于云計算的網絡操作系統中虛擬機動態遷移的研究與實現[J].北京郵電大學，2014.

[4]馮博.基于云計算平臺的虛擬實驗室設計與實現[J].軟件，2015.

[5]王立平.基于云計算的計算機虛擬實驗室設計與實現[J].萍鄉高等專科學校學報，2014.

[6]袁新顏.基于云計算平臺的虛擬實驗室設計與實現探究[J].信息安全與技術，2015.

本文系江西省教育廳2016年科技項目《基于互聯網的網絡工程專業虛擬實驗系統構建技術研究》（項目編號為:GJJ161269）階段性成果。