面向高校的私有教育云平臺(tái)構(gòu)建與應(yīng)用研究

曹 麗， 姜 毅， 楊曉剛

(1. 浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 浙江 杭州 310018；3. 浙江理工大學(xué) 科學(xué)技術(shù)研究院， 浙江 杭州 310018)

隨著云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展和教育云的應(yīng)用，越來(lái)越多的高校嘗試把云計(jì)算技術(shù)引入信息化建設(shè)中[1-6]，高校教育云平臺(tái)的建設(shè)面臨巨大的挑戰(zhàn)。一方面，需要有效地利用已有的信息化建設(shè)成果和資源，降低新技術(shù)應(yīng)用的成本；另一方面，需要按照不同的工作需求實(shí)現(xiàn)教育云平臺(tái)功能和資源配置的按需定制，實(shí)現(xiàn)教育云服務(wù)的差異化和個(gè)性化[7-8]。為了解決這些問(wèn)題，本文提出利用開源軟件構(gòu)建私有教育云平臺(tái)的解決方案，并給出了通用型私有教育云平臺(tái)建設(shè)實(shí)例，為云計(jì)算技術(shù)在高校信息化建設(shè)中的應(yīng)用提供新的思路。

1 教育云構(gòu)建模式分析

1.1 公共云與私有云的比較

從用戶使用的角度，云計(jì)算平臺(tái)可以分為公共云和私有云[9]。公共云服務(wù)提供商通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供計(jì)算和存儲(chǔ)等服務(wù)，用戶按照“即用即付 ”的模式付費(fèi)。典型的公共云服務(wù)有Amazon EC2、阿里云等。私有云一般部署在機(jī)構(gòu)的防火墻內(nèi)部，相關(guān)資源只提供給內(nèi)部人員使用。典型的私有云平臺(tái)有IBM“藍(lán)云”計(jì)算平臺(tái)、OpenStack開源云平臺(tái)等。

在高校中，典型的教育云服務(wù)(如視頻播放、作業(yè)上傳、開放實(shí)驗(yàn)等)需要較高的網(wǎng)絡(luò)帶寬，而云平臺(tái)的主要用戶(教師、學(xué)生和管理人員)大部分時(shí)間在校園內(nèi)，校園網(wǎng)一般部署了百兆或千兆帶寬的局域網(wǎng)絡(luò)。因此，采用私有云技術(shù)構(gòu)建教育云平臺(tái)可以有效地利用高校現(xiàn)有的硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)資源，以較低的成本實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的私有云服務(wù)，是一種較好的教育云平臺(tái)建設(shè)解決方案。

1.2 教育私有云構(gòu)建模式比較

高校的教育私有云平臺(tái)主要應(yīng)用在教學(xué)和科研環(huán)境中，需要充分考慮平臺(tái)的易用性、功能的完備性和成本投入等因素。目前私有云平臺(tái)建設(shè)主要有自行開發(fā)方案、商業(yè)解決方案和開源解決方案3種模式。表1對(duì)這3種模式的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比[10]。

表1 私有教育云平臺(tái)構(gòu)建模式對(duì)比

在3種構(gòu)建教育私有云的模式中，開源解決方案無(wú)需各種軟件的商業(yè)授權(quán)費(fèi)用，使用成本遠(yuǎn)低于商業(yè)解決方案。一般不需要編寫大量代碼，主要工作是規(guī)劃、實(shí)施和集成等，其技術(shù)難度遠(yuǎn)小于自行開發(fā)方案。此外，開源解決方案的可擴(kuò)展性強(qiáng)，能有效避免廠家鎖定問(wèn)題。筆者認(rèn)為這是目前比較適合我國(guó)高校實(shí)際情況的構(gòu)建模式，因此本文討論的私有教育云平臺(tái)的構(gòu)建與應(yīng)用采用開源云計(jì)算方案。

目前開源云計(jì)算有OpenStack、Eucalyptus和CloudStack等多個(gè)項(xiàng)目，其中OpenStack是2010年美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)與Rackspace合作研發(fā)的開源云計(jì)算平臺(tái)[11]，獲得了多個(gè)公司和開源組織的支持，并能夠兼容亞馬遜的公共云平臺(tái)，已經(jīng)成為開放云平臺(tái)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。因此，本平臺(tái)的構(gòu)建采用OpenStack解決方案。

2 私有教育云平臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)

2.1 私有教育云平臺(tái)層次架構(gòu)

云計(jì)算有3種服務(wù)模式，即IaaS、PaaS和SaaS。私有教育云平臺(tái)一般只需提供IaaS和SaaS服務(wù)，IaaS提供計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等資源的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，SaaS用來(lái)提供教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、流媒體、在線測(cè)試等教育應(yīng)用服務(wù)。在云計(jì)算中，PaaS用來(lái)構(gòu)建應(yīng)用開發(fā)的中間平臺(tái)，而私有教育云平臺(tái)一般不需要提供PaaS服務(wù)。本文提出的私有教育云平臺(tái)層次模型如圖1所示。

圖1 私有教育云平臺(tái)層次模型

該層次模型分為3個(gè)層次。

底層為物理設(shè)備層，包含物理服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、安全設(shè)備等物理設(shè)施。

中間層為IaaS層，首先通過(guò)KVM、Xen、VMWare等虛擬化軟件把物理設(shè)備虛擬化成為虛擬設(shè)備，然后使用OpenStack等云計(jì)算平臺(tái)管理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分配和管理私有教育云的各種虛擬資源，包括計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源，并提供統(tǒng)一身份認(rèn)證和管理工具等。

上層為SaaS層，主要提供教育云應(yīng)用服務(wù)，包括教學(xué)管理、在線測(cè)試、CMS、流媒體、問(wèn)卷調(diào)查、WIKI等。SaaS層的教育應(yīng)用服務(wù)部署在IaaS之上，并能通過(guò)IaaS提供的接口訪問(wèn)下層資源。

2.2 OpenStack組件

教育云平臺(tái)的構(gòu)建采用OpenStack的JUNO版本。JUNO是OpenStack的第10個(gè)版本，共有10個(gè)組件，可以分為基礎(chǔ)服務(wù)、存儲(chǔ)、共用服務(wù)和高層服務(wù)4種類型。

(1) 基礎(chǔ)服務(wù):包含Compute、Networking、Dashboard等3種服務(wù)。其中Nova組件是Compute的具體實(shí)現(xiàn)，主要功能是管理計(jì)算實(shí)例的生命周期，即按照命令啟動(dòng)、調(diào)度和銷毀虛擬機(jī)；Neutron組件是Networking的具體實(shí)現(xiàn)，主要功能是提供可插拔、可拓展和API驅(qū)動(dòng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；Horizon組件是Dashboard的具體實(shí)現(xiàn)，提供了通過(guò)Web圖形界面管理OpenStack服務(wù)的方式。

(2) 存儲(chǔ)服務(wù):OpenStack提供了對(duì)象存儲(chǔ)(Object Storage)和塊存儲(chǔ)(Block Storage)服務(wù)。Swift組件是Object Storage的具體實(shí)現(xiàn)，提供了分布式、可拓展和冗余的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)；Cinder組件是Block Storage的具體實(shí)現(xiàn)，為虛擬機(jī)提供了持久化的塊存儲(chǔ)服務(wù)。

(3) 共用服務(wù):包含了Identity、Image、Telemetry等3種服務(wù)。其中，Keystone組件是Identity的具體實(shí)現(xiàn)，為OpenStack提供統(tǒng)一的身份認(rèn)證服務(wù)；Glance組件是Image的具體實(shí)現(xiàn)，為Compute提供虛擬機(jī)磁盤鏡像的存儲(chǔ)、檢索和獲取服務(wù)；Ceilometer組件是Telemetry的具體實(shí)現(xiàn)，提供了云平臺(tái)的計(jì)量、統(tǒng)計(jì)和計(jì)費(fèi)等服務(wù)。

(4) 高層服務(wù):包含Orchestration和Database兩種服務(wù)。其中Heat組件是Orchestration的具體實(shí)現(xiàn)，類似于亞馬遜AWS CloudFormation，用戶可通過(guò)模板配置和部署各種資源；Trove組件是Database的具體實(shí)現(xiàn)，支持關(guān)系型和非關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，私有教育云平臺(tái)可以分為計(jì)算型、存儲(chǔ)型和通用型3種，OpenStack的各個(gè)組件可以按照具體應(yīng)用場(chǎng)景中用戶的不同需要進(jìn)行選擇和部署。

3 典型的私有教育云應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 計(jì)算型私有教育云

計(jì)算型私有教育云主要應(yīng)用在計(jì)算密集型的場(chǎng)景中，如高校科研中的高性能科學(xué)計(jì)算、動(dòng)畫專業(yè)的作品渲染以及數(shù)據(jù)分析課程中的大數(shù)據(jù)分析處理等。計(jì)算密集包括CPU密集、內(nèi)存密集或兩者皆有的情況，一般不包括存儲(chǔ)密集和網(wǎng)絡(luò)密集的情況。

計(jì)算型私有教育云需要速度快、數(shù)量大的CPU核心以及大容量的內(nèi)存。可以使用多臺(tái)價(jià)格低廉的PC Server(即X86架構(gòu)服務(wù)器)構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施，每臺(tái)PC Server可以支持多顆CPU，每顆CPU包含多顆核心，然后通過(guò)OpenStack產(chǎn)生大量的虛擬計(jì)算節(jié)點(diǎn)。需要使用的核心組件為Nova、Glance和Keystone，并可以根據(jù)特定的需要增加一些組件如Neutron、Horizon、Heat等。

計(jì)算任務(wù)決定了計(jì)算型私有教育云的不同技術(shù)策略。例如，大量短時(shí)間運(yùn)行的計(jì)算任務(wù)和少量長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的計(jì)算任務(wù)有著不同的技術(shù)需求，前者可以通過(guò)CPU和內(nèi)存的超分配機(jī)制優(yōu)化資源的利用，后者一般不對(duì)CPU和內(nèi)存進(jìn)行超分配。資源超分配比例即虛擬資源與實(shí)際物理資源的比例，在OpenStack中，CPU的超分配比例默認(rèn)為16∶1。如果一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)有8個(gè)CPU核心，則調(diào)度器可以為該節(jié)點(diǎn)上的所有實(shí)例共分配128個(gè)虛擬核心。內(nèi)存的超分配比例默認(rèn)為1.5∶1，如果一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)有32 GB內(nèi)存，則調(diào)度器為該節(jié)點(diǎn)上的所有實(shí)例分配的內(nèi)存總數(shù)不多于48 GB即可。較大的超分配比例可以有效地提高資源利用效率，但是在負(fù)載較重時(shí)會(huì)降低實(shí)例的性能，影響教育云用戶的感受。因此，需要根據(jù)不同的情況選擇合適的CPU與內(nèi)存超分配比例。

3.2 存儲(chǔ)型私有教育云

存儲(chǔ)型私有教育云主要應(yīng)用在存儲(chǔ)密集的場(chǎng)景中，例如校園網(wǎng)內(nèi)的文件上傳/下載服務(wù)、教學(xué)數(shù)據(jù)備份、教育資料歸檔、教育視頻流等。存儲(chǔ)型私有教育云通過(guò)數(shù)據(jù)的分布存儲(chǔ)和冗余機(jī)制(默認(rèn)在不同位置存儲(chǔ)3份)實(shí)現(xiàn)了非常高的容錯(cuò)能力，保證了校園網(wǎng)中數(shù)據(jù)資料的安全。

通過(guò)OpenStack構(gòu)建的存儲(chǔ)型私有教育云可以提供對(duì)象存儲(chǔ)和塊存儲(chǔ)兩種服務(wù)。Swift組件通過(guò)“賬戶-容器-對(duì)象 ”(Account-Container-Object)的形式提供對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)，一個(gè)賬戶下可有多個(gè)容器，每個(gè)容器中可存儲(chǔ)多個(gè)對(duì)象，通過(guò)環(huán)(Ring)來(lái)記錄存儲(chǔ)對(duì)象與物理位置間的映射關(guān)系[10]。Cinder組件為虛擬服務(wù)器提供持久的塊存儲(chǔ)服務(wù)，能夠像文件系統(tǒng)一樣被虛擬服務(wù)器分區(qū)、格式化和加載，即使在虛擬服務(wù)器的生命周期結(jié)束后，塊存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)也能夠長(zhǎng)期保存下來(lái)。存儲(chǔ)型私有教育云也可以根據(jù)特定的需要增加一些組件，如Nova、Horizon、Glance等。

具體的存儲(chǔ)任務(wù)決定了存儲(chǔ)型私有教育云的不同技術(shù)策略。例如，有些存儲(chǔ)任務(wù)要求大容量的存儲(chǔ)空間，有些存儲(chǔ)任務(wù)要求高存儲(chǔ)速度。前者可以使用機(jī)械硬盤陣列構(gòu)建大容量的存儲(chǔ)集群，后者則需要使用高速的固態(tài)硬盤構(gòu)建緩存池。

3.3 通用型私有教育云

通用型私有教育云不強(qiáng)調(diào)針對(duì)某個(gè)特定的應(yīng)用場(chǎng)景，而是在計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等要素之間保持平衡，適用于一般性需求。高校的Web服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、在線實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)等應(yīng)用都可以架構(gòu)在通用型私有教育云平臺(tái)中。

通用型私有教育云通常實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)3種基本服務(wù)。

計(jì)算資源被設(shè)計(jì)為資源池，能夠按照用戶的要求實(shí)現(xiàn)按需分配，由調(diào)度器自動(dòng)配置到最合適的硬件環(huán)境中。和計(jì)算型私有教育云一樣，通用型私有教育云中的CPU和內(nèi)存也能夠?qū)崿F(xiàn)資源的超分配，從而提高硬件的利用效率。

存儲(chǔ)服務(wù)可以提供臨時(shí)存儲(chǔ)、對(duì)象存儲(chǔ)和塊存儲(chǔ)3種服務(wù)。臨時(shí)存儲(chǔ)會(huì)在虛擬服務(wù)器的生命周期結(jié)束后釋放資源，對(duì)象存儲(chǔ)和塊存儲(chǔ)則可以把數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保存下來(lái)。用戶可以根據(jù)需要選擇一種或多種存儲(chǔ)服務(wù)模式。 網(wǎng)絡(luò)本身也是一種資源。Neutron組件實(shí)現(xiàn)了為用戶提供控制權(quán)建立虛擬網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)的功能。在校園網(wǎng)環(huán)境中，OpenStack網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般需要?jiǎng)澐譃?個(gè)網(wǎng)段:第一個(gè)網(wǎng)段為云平臺(tái)的內(nèi)網(wǎng)管理接口，第二個(gè)網(wǎng)段為云平臺(tái)的內(nèi)網(wǎng)計(jì)算接口，第三個(gè)網(wǎng)段為云平臺(tái)的外部訪問(wèn)接口(即校園網(wǎng)接口)。

OpenStack云平臺(tái)可以架構(gòu)在Ubuntu、RHEL(Red Hat Enterprise Linux)、CentOS、SLES(SUSE Linux Enterprise Server)等多種Linux發(fā)行版本之上，支持KVM、Xen、VMWare、Hyper-V等多種虛擬化環(huán)境。分配給客戶的虛擬服務(wù)器可以使用Windows、Unix、Linux等不同的操作系統(tǒng)，并配置不同的數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用服務(wù)。

4 通用型私有教育云平臺(tái)構(gòu)建實(shí)例

4.1 硬件環(huán)境

筆者已經(jīng)在校園網(wǎng)中構(gòu)建了用于教學(xué)和科研的通用型私有教育云平臺(tái)[12]。由于小型機(jī)等設(shè)備較為昂貴，故云平臺(tái)物理節(jié)點(diǎn)采用了PC Server。為了節(jié)約建設(shè)成本和減少初期投入，在平臺(tái)構(gòu)建初期，可以只采用3臺(tái)PC Server——服務(wù)器I、服務(wù)器II和服務(wù)器III，分別作為控制節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)。硬件配置如表2所示。

表2 私有教育云平臺(tái)服務(wù)器的硬件配置

由于云計(jì)算技術(shù)本身能夠支持各種資源的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，如果相關(guān)資源不能滿足教育應(yīng)用和發(fā)展的需要，也可以在云平臺(tái)中動(dòng)態(tài)加入新的設(shè)備和資源，如增加計(jì)算節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)集群等。

4.2 網(wǎng)絡(luò)配置

服務(wù)器I作為云平臺(tái)的控制節(jié)點(diǎn)，只需要一塊網(wǎng)卡用于內(nèi)網(wǎng)管理網(wǎng)段；服務(wù)器II作為云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，需要3塊網(wǎng)卡分別用于內(nèi)網(wǎng)管理網(wǎng)段、內(nèi)網(wǎng)計(jì)算網(wǎng)段和校園網(wǎng)訪問(wèn)網(wǎng)段；服務(wù)器III作為云平臺(tái)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，需要2塊網(wǎng)卡分別用于內(nèi)網(wǎng)管理網(wǎng)段和內(nèi)網(wǎng)計(jì)算網(wǎng)段。服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)配置說(shuō)明如表3所示。

表3 服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)配置說(shuō)明

4.3 功能組件配置

服務(wù)器I(controller)為云平臺(tái)的控制節(jié)點(diǎn)，安裝Glance、Keystone和Horizon等組件；服務(wù)器II(network)為云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，安裝組件Neutron等組件；服務(wù)器III(compute1)為云平臺(tái)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，安裝Nova、Neutron等組件。表4為3臺(tái)服務(wù)器的功能組件配置說(shuō)明。

表4 服務(wù)器的功能組件配置說(shuō)明

4.4 安裝與管理

服務(wù)器首先要安裝基礎(chǔ)操作系統(tǒng)(BaseOS)。本平臺(tái)使用Ubuntu Server 14.04的64位版本。在基礎(chǔ)操作系統(tǒng)安裝完成后安裝OpenStack云平臺(tái)，安裝過(guò)程主要分為7個(gè)主要步驟，如圖2所示。

在OpenStack安裝和配置完成后，就可以用命令行或Web圖形界面的方式使用和管理私有教育云平臺(tái)資源，如創(chuàng)建虛擬機(jī)實(shí)例、管理鏡像文件等。筆者利用私有云平臺(tái)Glance組件提供的鏡像功能，將常用的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)制作成鏡像，大大簡(jiǎn)化了SaaS層應(yīng)用的開發(fā)和部署工作。

4.5 私有教育云SaaS服務(wù)實(shí)例

在私有教育云平臺(tái)的SaaS層，筆者構(gòu)建了開放教學(xué)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)例，并將其用于Web開發(fā)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。私有教育云平臺(tái)提供3種軟件測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境，用于Java、.Net和PHP等3種開發(fā)技術(shù)的配置和測(cè)試實(shí)驗(yàn)。這3種云測(cè)試環(huán)境的詳細(xì)說(shuō)明如表5所示。

圖2 私有教育云平臺(tái)安裝步驟

測(cè)試環(huán)境操作系統(tǒng)開發(fā)語(yǔ)言Web服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)JavaUbuntuServer14.04Servlet3.0/JSP2.2Tomcat7MySQL5.5.NetWindowsServer2008R2.Net3.5IIS7SQLServer2008PHPUbuntuServer14.04PHP5Apache2.4MySQL5.5

其他教師和學(xué)生在使用時(shí)，不需要重新配置服務(wù)器和各種應(yīng)用軟件，只需要以下3個(gè)步驟即可:

(1) 申請(qǐng)滿足需要的云平臺(tái)IaaS層虛擬資源；

(2) 選擇合適的應(yīng)用鏡像并部署；

(3) 更新應(yīng)用的個(gè)性化模板與內(nèi)容。

在使用過(guò)程中，如果系統(tǒng)資源不能滿足需要，可以向管理員提出申請(qǐng)，即可動(dòng)態(tài)增加相關(guān)資源。

5 結(jié)語(yǔ)

把云計(jì)算技術(shù)引入高等教育領(lǐng)域，在一定程度上解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教育平臺(tái)建設(shè)周期長(zhǎng)、成本高的問(wèn)題。利用私有云平臺(tái)可方便地實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的虛擬化、常用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)功能的模板化。教師可以從私有云平臺(tái)分配虛擬計(jì)算和存儲(chǔ)資源，并通過(guò)業(yè)務(wù)鏡像實(shí)現(xiàn)常用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的快速部署，實(shí)現(xiàn)功能的按需定制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教育服務(wù)的差異化和個(gè)性化。

以O(shè)penStack為代表的開源云計(jì)算平臺(tái)提供了豐富的功能和大量的二次開發(fā)接口，能夠很好地滿足高校信息化建設(shè)的需要。私有教育云平臺(tái)使用開源軟件構(gòu)建，降低了建設(shè)成本，避免了軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛，是高校教育云建設(shè)的一種較好的解決方案。參考文獻(xiàn)(References)

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