基于OpenStack架構的教育云實現方案

尚賽花

（西安鐵路職業技術學院，陜西 西安 710054）

1 云計算簡介

云計算是通過將計算存儲網絡資源虛擬化，使用云操作系統進行統一管理來提供動態易擴展的各種IT資源。云計算是指改變傳統分散式的IT基礎設施為集中式的IT基礎設施，相應的部署方式和使用模式都發生改變，云計算技術給用戶提供通過網絡以按需、可伸縮的方式獲得所需資源；云計算更加抽象化描述是指服務的交付和使用模式，用戶通過網絡連接以可伸縮的方式獲得所需的服務。服務可以是存儲服務、計算服務等，也可是其他服務。在過去幾年里，云計算的概念獲得了巨大的發展動力，許多企業開始提供私有云、公有云、混合云服務，期望通過改進機器的利用率來降低成本，減少IT運維運營時間。IT發展可以概括為PC大發展階段、互聯網大發展階段，到當前云計算大發展階段，云計算被看作第三次IT產業結構性變革的核心技術，是全世界各個國家爭奪的戰略高地，它將給當今世界帶來生活、生產制造方式以及商業模式的本質改變，云計算已經成為更加接近自然人方式的技術熱點。云計算從服務化不同對象可以分為基礎設施即服務（Infrastructure as a Service，IaaS），平臺即服務（Platform as a Service，PaaS），軟件即服務（Software as a Service，SaaS）3個層次，3層技術涵蓋虛擬化、人工智能與機器學習、Web服務調度、數據庫、集群管理和大數據處理等多個領域，通過高校實驗室搭建云計算環境，使教學與實驗工作能涵蓋眾多層次與領域，利用好新技術，促進教學工作邁上一個新臺階。

2 OpenStack

OpenStack是一個由美國國家航空航天局和Rackspace聯合研發的開源軟件集合，許可證授權以Apache形式發布的開源項目。

OpenStack由幾個主要的組件計算、存儲、網絡組合起來完成具體工作。OpenStack能夠適合絕大多數的云環境，為云環境提供實施簡單、功能豐富、穩定、標準統一的云計算服務棧。OpenStack通過提供基本的計算存儲網絡以及其組合形式，提供了基礎設施IaaS層的服務解決方案，每個服務對外提供獨立的API實現豐富的資源管理能力[1-2]。

OpenStack匯集了業界精英共同開發，為私有云的搭建部署與云運營運維提供相應軟件的開源項目，目前OpenStack開源項目有130多家企業及2 000多位開發者參與，這些公司與個人都為OpenStack項目工作，共同完善IaaS資源的通用軟件[3]。OpenStack開源項目的top任務通過提供極簡的私有云部署過程，且具備方便的可擴展性，來促進云產業的發展。本文希望通過提供私有云實驗室環境搭建的指導信息，來幫助高校實驗室利用OpenStack來搭建自己的私有云環境。

3 學校實驗室數據中心

數據中心的發展經歷了3個階段：（1）面向標準化的數據集中存儲；（2）面向資源NFV化；（3）面向服務的云計算。不同學校不同院系往往建立獨立物理網絡、獨立的服務器資源，如圖1所示。

圖1 IT設施獨立分布

通過網絡、服務器、存儲虛擬化整合，IT資源計算、存儲、網絡作為統一資源，通過云操作系統進行管理，提供豐富的教學方式，通過信息化建設給學校的教學和科研工作帶來實質的改變，更加聚焦于業務理論的拓展，不必關注通用的IT設施，如圖2所示。

隨著云計算產業大發展，高校數據中心也逐步部署私有云環境，傳統的網絡結構已經不能完全滿足虛擬化的要求。目前部分信息化建設較完善的搞笑，基本完成了數據集中化，處于資源虛擬化的階段，云計算技術階段也在快速推進的過程中，且是IT發展的終極方向，通過服務器云化的技術手段，比如OpenStack整合資源，充分利用全校的硬件資源，為師生提供先進的IT基礎環境。

圖2 IT設施云化共享

4 教育云的技術架構

4.1 教育云技術架構

教育云在教育中的逐漸發展，下面基于OpenStack架構搭建的私有實驗室云環境，設計了實驗室教育云的技術架構，OpenStack為云化操作系統部分，如圖3所示。

圖3 教育云技術架構

4.2 基于OpenStack的私有云架構圖

整個OpenStack是由控制節點、計算節點、網絡節點、存儲節點四大部分組成。如圖4所示，這4個節點也可以安裝在一臺機器上，進行單機部署。其中：控制面節點為核心，負責對其余節點管理，包含虛擬機分發、網絡分配、存儲分配遷移等[4]。

（1）計算節點負責對虛擬機進行管理，啟動停止等操作。

（2）網絡節點管理外部和內部網絡之間的IP設置，保證正常通信。

（3）存儲節點負責對虛擬機的額外存儲管理等。

5 基于OpenStack的實驗室環境部署

實驗室環境采用資源集中部署、統一管理，統一維護，機房實驗環境與外部實驗環境互補的方式進行部署，如圖5所示。

圖4 云計算教育平臺技術架構

圖5 云計算部署環境

私有云實驗環境部署利用OpenStack開源云操作系統為核心，對資源機進行虛擬化管理，并且由多種層次的實驗資源進行支撐，整個私有云的管理采用集中化的云管理平臺，統一對IaaS層資源、實驗資源、教學與實驗環境等進行調度以及維護，保障整個實驗環境的可靠性、穩定性和安全性[5]。實驗云環境通過千兆交換機與機房相連，通過路由器與校園網或者廣域網環境互聯互通，實現透明開放的實驗環境。

私有云計算實驗環境的架構如圖6所示，云實驗環境建立在硬件資源虛擬化的資源池基礎上，實現大數據，類PaaS開發環境，并行計算、多種形式的網絡拓撲。為學生提供云存儲、計算虛擬化、大數據并發計算、統一運營運維管理平臺、PaaS層功能、online學習、資源復用等多種服務[6]。

圖6 云計算實驗平臺架構

6 結語

本文搭建的私有換實驗室環境主要實現以OpenStack為IaaS層架構，對資源進行集中托管，資源互聯互通，杜絕信息孤島，充分利用了硬件資源，為師生提供可擴展，不可見的基礎設施。實驗室環境云化后，各種實驗所需硬件資源可以靈活擴展，使教學工作更加地集中在專業學習上。