基于開源云計算技術的虛擬實驗教學平臺的構建與研究

封旭

摘要：本文為解決計算機網絡技術專業在傳統模式下虛擬實驗環境難以持續的問題，通過豐富實踐教學手段和提高虛擬機管理服務水平，在開源云計算技術的支持下，實踐探索建立按需分配的、易用性好的虛擬實驗教學平臺的解決方案。

關鍵詞：開源；云計算技術；虛擬機；實驗教學平臺；云計算服務類型

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）17-0279-02

一、項目背景

1.傳統網絡機房在使用虛擬機搭建網絡實驗環境存在的突出問題。計算機類專業的核心課程都有使用到虛擬機搭建網絡實驗環境。2016年教育部公布高職院校擬招計算機應用技術專業有1035所、計算機網絡技術專業有896所。此類計算機專業的實踐課堂中幾乎都使用到虛擬機搭建多臺服務器來模擬網絡環境，傳統的做法是在PC機上運行VMware Workstation或者Oracle VirtualBox產生虛擬機，在虛擬機上安裝Windows Server和Linux搭建網絡服務器。例如網絡專業開設的云計算技術與應用、Windows系統服務、Linux系統服務、數據庫管理與網站開發、網絡設計與項目實施等核心課程，每個學生在做實訓項目時往往還要求用到1—4臺虛擬服務器。但是傳統網絡機房排課復雜，班級和學生人數多，對虛擬機的需求量大，造成PC機的運行性能明顯不足，程序運行遲緩、存儲空間緊張，加上缺乏有效的權限管理，經常出現虛擬機被刪除的現象，造成跨時段的實驗項目不能延續進行，往往在下一次課時必須重新搭建上一次課所完成的實訓項目配置，重復基礎操作多，新知識技能的訓練時間不夠，制約了學生學習的熱情，而且分散的虛擬機配置難以一致，造成課堂教學進度不能相對同步，嚴重影響實踐課堂教學質量。

2.基于開源云計算技術的虛擬實驗教學平臺擬解決的問題。針對虛擬機變慢、虛擬機被刪、缺乏有效的權限管理等表象問題，必須改進由普通PC機生成虛擬網絡環境的做法，將分散的PC機資源遷移到云端，既可以批量生成虛擬機，集中管理，更新系統和應用只需要在模板上操作，減少系統維護工作量；又可以快速按需定制系統，實現課程模板化同步教學。三大虛擬化廠商可以提供較好的解決方案，比如VMware公司正式推出的ESX和vSphere、Microsoft公司推出的Hyper-V或者Citrix公司推出的Xen都能夠較好的實現這些功能，但是服務價格很高。于是乎，使用開源的云計算技術構建數據中心成為很多網絡實訓室建設的技術手段，既可以節省IT投資成本，又可以提高管理效率。基于開源云計算技術的虛擬實驗教學平臺很有現實的研究意義。

3.開源云計算技術的選型。隨著開源云計算技術的不斷發展，如何利用開源云計算技術有效地、快速地把數據中心資源池化管理，云計算管理平臺的技術選型是應用開源云計算技術構建虛擬化服務基礎架構的關鍵技術所在，實現對數據中心云計算環境的集中管理和控制，通過單一的管理界面，便捷地統一管理數據中心內所有的主機和虛擬機，不僅能提高管理員的管控效率、簡化日常例行工作，更可降低IT環境的復雜度和管理成本。

云計算服務類型分為三個層次，分別是基礎設施即服務層（IaaS）、平臺即服務層（PaaS）和軟件即服務層（SaaS）。虛擬實驗教學平臺的核心建設內容在于IaaS，它能夠把資源（計算、存儲、網絡）實現池化，像自來水一樣便捷、精確地使用，形成了新的資源分配模式。當前開源的云計算技術，最引人注目的莫過于OpenStack、CloudStack、Zstack。

二、虛擬實驗教學平臺的設計

云計算平臺規模部署有三種模式，即公共云、私有云和混合云。作為網絡專業需要的虛擬實驗教學平臺，部署為私有云就可以了。方便地部署和開通新業務，快速發現并且恢復系統故障，通過自動化、智能化手段實現大規模系統可靠的運營是云計算平臺管理技術的關鍵。

1.云計算基礎網絡拓撲。云計算基礎網絡架構，主要分為三個區域，分別為管理網絡、數據網絡和存儲網絡。關鍵設備為服務器和網絡交換機，云計算平臺管理軟件安裝在計算節點和管理節點上，集中對云資源進行管理與調度。

2.虛擬實驗教學平臺的業務組成。適用于網絡技術專業的虛擬實驗教學平臺為滿足資源被合理安全地發放、管理和收回的要求，虛擬機管理中心必須具備兩個功能子系統：資源池系統、用戶管理系統。

（1）云平臺資源池系統。資源池的劃分主要包括計算資源、存儲資源和網絡資源。計算資源的組織規劃要考慮符合虛擬化架構管理軟件的安裝規范、集群建設規范和備份規范；存儲資源的組織規劃要針對虛擬化配置特定功能的配置規范；網絡資源的組織規劃要符合VLAN設置規范。（2）用戶管理系統。為了提高實驗教學的效率，由系統管理員根據班級學生名冊批量生成和管理，適用于使用通用配置虛擬機。普通用戶申請的云資源由管理員指定虛擬機內存硬盤大小、操作系統版本、配置狀態快照等，確保云主機實訓的同一性。針對培優項目的用戶，使用特定分配的資源，保證每個用戶數據的安全性和按需分配的云服務的便利性。

三、使用OpenStack、CloudStack和Zstack部署云平臺的對比研究

1.OpenStack的特點及適用度分析。OpenStack是較早出現的開源云計算服務平臺，發展迅猛，行業內影響力巨大，得到大多數虛擬化產品廠商支持，它是由開源社區來負責推進和維護的。它是采用分布式的架構，核心項目之間耦合度低，可以方便的進行開發定制，然而因為其有多個項目組成，每個項目都要單獨安裝，并且要保證項目間的協作，所以部署會比較麻煩。另外，由于OpenStack處于高速發展階段，不同版本之間項目可能會有較大的變動，因此版本間的升級會比較困難。OpenStack功能強大，組件多，配置煩瑣，雖然初學者體驗感覺難度大，但是由于開源度高，適合深入系統學習云計算技術，比如開展“云計算技術與應用”技能大賽的訓練。OpenStack的安裝使用步驟是環境配置、認證服務、鏡像服務、計算服務、網絡服務、儀表盤設置、塊存儲服務、文件共享系統服務、對象存儲服務、編排服務、數據庫服務；啟動云主機實例。對云計算管理員而言，配置全程在英文字符界面下執行，對做基礎性實驗的高職生而言有很大的挑戰性。

2.CloudStack的特點及適用度分析。CloudStack采用集中式的單體架構，開發者突出強調的是高可用和高擴展的特性，構造的目標是提供一個像Apache HTTP服務器一樣簡單易用的云計算平臺。整個平臺只有一個項目構成，不同模塊之間通過本地調用進行交互，在一臺主機上就可以完成平臺的部署。云主機的部署基于Web交互頁面，設置欄目有控制板、實例、關聯性組、存儲、網絡、模板、事件、項目、角色、賬號、域、地理區域、基礎架構、全局設置、服務方案等。對云計算管理員而言，項目繁多，仍有較大難度。云主機的實例管理屬于偏平管理，由模板快速生成。

3.ZStackk的特點及適用度分析。ZStackk作為一款新開源IaaS軟件，采取星狀架構，各服務項目獨立，可選擇安裝。Zstack的安裝使用非常簡潔，步驟是初始化配置，創建云主機。重點在于初始化環境配置，步驟是創建區域、創建集群、添加物理主機、添加鏡像服務器、添加主存儲、創建計算規格、添加鏡像、創建二層網絡、創建三層網絡；ZStack初始化結束后，各項資源就緒，此時管理員可創建云主機。ZStack最突出的特點是易用性，ZStack對云平臺的管理采用Web交互方式執行，控制臺簡潔明了，有云資源池、硬件設施、網絡、vCenter、平臺管理等欄目；國產軟件，中文標識，對做一般性實驗的高職生而言就很容易部署。

四、結語

通過比較OpenStack、CloudStack和ZStack三者的架構可見，OpenStack的分布式架構靈活性好，不同的項目可以單獨部署，知識分解明晰，缺點是部署麻煩；CloudStack采用集中式架構，所以部署起來會相對容易很多，但是控制臺較復雜；ZStack的易用性最突出，一站式部署與管理，適用于常規虛擬實驗教學平臺的搭建與管理。

參考文獻：

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