基于Docker的課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)探討

崔艷敏

摘要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)教育也越來(lái)越重視了，在現(xiàn)如今的大時(shí)代背景下各種新興技術(shù)都運(yùn)用到了教育中，而今天我們要講的是基于Docker的課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，目前高校的計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，很多老師都將PaaS平臺(tái)建立在虛擬機(jī)中，而虛擬機(jī)的消耗較大且資源有所不足，本文將根據(jù)高校師生的需求并結(jié)合高校計(jì)算機(jī)資源和網(wǎng)絡(luò)資源提出基于Docker的課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)來(lái)支持高校計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為高校的教育事業(yè)提供一點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：教育;Docker;PaaS平臺(tái);課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

隨著科技的不斷發(fā)展云計(jì)算也已經(jīng)運(yùn)用到了各行各業(yè)之中，相對(duì)于傳統(tǒng)的虛擬化技術(shù)雖然隔離性和安全性不夠，但是容器技術(shù)更加的輕量化同時(shí)資源利用率較高，并且還非常容易部署，在現(xiàn)如今的計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中很多老師都是用的PaaS平臺(tái)來(lái)進(jìn)行教學(xué)，雖然PaaS可以提供一個(gè)比較完善的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以有效的節(jié)省開(kāi)發(fā)部屬時(shí)間，但是PaaS平臺(tái)也有很多的缺陷，由于PaaS的很多基礎(chǔ)構(gòu)建都在虛擬機(jī)中的，而虛擬機(jī)就會(huì)需要消耗很多的計(jì)算機(jī)資源，進(jìn)而導(dǎo)致資源利用率低下的問(wèn)題。同時(shí)在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生們?cè)诟咝＝邮芙逃倪^(guò)程中往往會(huì)學(xué)到很多需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的課程如網(wǎng)站開(kāi)發(fā)、java編程、網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)等，有些課程就需要在同一臺(tái)主機(jī)上安裝并部署虛擬機(jī)來(lái)更好的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此學(xué)生需要的是一個(gè)更加穩(wěn)定的開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，所以必須要將PaaS平臺(tái)進(jìn)行改善，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行環(huán)境的多樣化并提高資源的利用效率，降低消耗。要做到這幾點(diǎn)我們就需要進(jìn)行鏡像模塊設(shè)計(jì)、資源調(diào)度設(shè)計(jì)、平臺(tái)基礎(chǔ)構(gòu)建設(shè)計(jì)、控制臺(tái)設(shè)計(jì)等，只要將這些模塊設(shè)計(jì)完成后就能夠?qū)崿F(xiàn)基于Docker的課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)將會(huì)具有Docker哦容器的創(chuàng)建、刪除[1]、彈性伸縮、日子、監(jiān)控和吃就會(huì)存儲(chǔ)等功能。

1 設(shè)計(jì)概要

基于Docker的課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要是將實(shí)際的實(shí)驗(yàn)鏡像托管到PaaS管理的云基礎(chǔ)設(shè)施中。這樣不僅能夠預(yù)防操作系統(tǒng)上過(guò)多的服務(wù)軟件沖突還能節(jié)省機(jī)房PC機(jī)安裝的維護(hù)和同傳工作。按照這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)PaaS（平臺(tái)即服務(wù)）和IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）的協(xié)同工作，同時(shí)還能達(dá)到高端開(kāi)發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)有效的提高計(jì)算機(jī)資源利用率的目的，并且降低了成本。課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則主要是由課程實(shí)驗(yàn)鏡像管理模塊、集群管理模塊、web管理服務(wù)模塊、Docker容器服務(wù)模塊和資源調(diào)度模塊組成的。

2 基于Docker的課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

2.1 Docker容器服務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)

Docker容器服務(wù)模塊主要是給普通用戶在使用課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的時(shí)候提供一個(gè)個(gè)人容器的管理服務(wù)。鏡像存儲(chǔ)的運(yùn)行實(shí)例就是Docker容器，而要想啟動(dòng)Docker容器有兩種方法：（1）處于終止?fàn)顟B(tài)下容器進(jìn)行重新啟動(dòng)[2]，這種方法需要用戶使用命令“docker psa”來(lái)獲取終止?fàn)顟B(tài)下的容器，同時(shí)使用命令“docker start”加速容器id啟動(dòng)終止?fàn)顟B(tài)下的容器;（2）基于鏡像狀態(tài)下時(shí)新建容器然后啟動(dòng)，這種方法需要用戶通過(guò)“Docker Private Registr”下載鏡像進(jìn)而創(chuàng)建出容器再進(jìn)行啟動(dòng)。

Docker課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)步驟：1.老師讓學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候在web運(yùn)行端運(yùn)行“docker run”命令。2.系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在本地鏡像中尋找所需要的鏡像，如果沒(méi)有找到就需要手動(dòng)在鏡像庫(kù)中進(jìn)行下載。3.在鏡像狀態(tài)下創(chuàng)建一個(gè)容器然后啟動(dòng)，啟動(dòng)完成后給容器分配一個(gè)文件系統(tǒng)，同時(shí)在鏡像層中掛載可讀寫(xiě)層。4.建立橋接關(guān)系同時(shí)給容器分配IP地址，然后執(zhí)行實(shí)驗(yàn)所需的應(yīng)用程序。

2.2 課程實(shí)驗(yàn)鏡像管理模塊

在學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，老師要將事先準(zhǔn)備好的系統(tǒng)鏡像放到平臺(tái)上供學(xué)生選擇，讓學(xué)生在創(chuàng)建容器時(shí)使用作為容器的初始鏡像，這種系統(tǒng)鏡像就是PaaS平臺(tái)鏡像。老師可以通過(guò)鏡像管理模塊對(duì)鏡像進(jìn)行創(chuàng)建[3]、打開(kāi)、停止等操作，還能調(diào)整鏡像的一些參數(shù)。

課程實(shí)驗(yàn)的Docker鏡像有兩種創(chuàng)建的方式：1.為既有鏡像創(chuàng)建容器，創(chuàng)建完成后并安裝相應(yīng)的軟件，然后再運(yùn)行“docker commit”命令保存鏡像。2.運(yùn)行“docker build”命令，然后再執(zhí)行一個(gè)能夠自定義的Dockerfile，執(zhí)行完成后就在現(xiàn)有的鏡像基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個(gè)新的layer。以第二種方式為例，在使用第二種方式的時(shí)候，老師可以根據(jù)本節(jié)課程中所需要的軟件和配置對(duì)Dockerfile文件進(jìn)行自定義修改，一把是修改上一層image或者config信息。如執(zhí)行“run”命令功能就是修改上一層image的內(nèi)容，執(zhí)行“expose”命令則是捕獲當(dāng)前容器暗雷的端口監(jiān)聽(tīng)情況。具體的步驟如下：首先，老師利用Docker Client向Docker Server發(fā)送“docker build”命令，然后再將Dockerfile等內(nèi)容一并通過(guò)Docker Client 發(fā)送過(guò)去，在Docker Server接受到發(fā)送請(qǐng)求過(guò)后再將其發(fā)送到Docker Daemon，最后就能進(jìn)行解析最終鏡像了。

2.3 資源調(diào)度模塊

想要實(shí)現(xiàn)資源調(diào)度模塊必須要做好以下四個(gè)步驟：請(qǐng)求[4]、探測(cè)、分配以及監(jiān)控，只要將著四個(gè)步驟全部完成才能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)平臺(tái)的資源調(diào)度功能。在高校的計(jì)算機(jī)機(jī)房中，通常有很多不同的班級(jí)上不同的實(shí)驗(yàn)課，也就需要不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，所以為了讓不同的服務(wù)器資源平衡這個(gè)系統(tǒng)使用了Docker容器來(lái)作為Mesos的執(zhí)行器，扶著執(zhí)行所有的任務(wù)。

2.4 集群管理模塊

在集群管理模塊中，主要含有以下幾種核心功能：通信模塊功能、域名解析功能以及權(quán)限管理功能。老師在學(xué)校機(jī)房上計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)課的時(shí)候，由于有很多的學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)就會(huì)同時(shí)用到Docker，這就需要合理的分配每個(gè)容器的IP地址了，所以老師需要在平臺(tái)中利用flannel網(wǎng)絡(luò)給各個(gè)容器分配IP地址，同時(shí)完善它的使用規(guī)則，并且使用內(nèi)網(wǎng)IP通信進(jìn)行全面完善。域名解析功能主要是使用了SkyDNS當(dāng)做集群服務(wù)器，同時(shí)它具有查找不同記錄的功能。

2.5 web管理服務(wù)模塊

Web管理服務(wù)模塊主要是能夠判斷在平臺(tái)使用過(guò)程中的使用者角色權(quán)限，然后呈現(xiàn)出兩個(gè)不同的門戶網(wǎng)站，兩個(gè)門戶網(wǎng)站都是前段管理平面的管理子系統(tǒng)，一個(gè)是面向老師的管理門戶網(wǎng)站，一個(gè)是面向?qū)W生的實(shí)驗(yàn)操作門戶。平臺(tái)的使用者們可以通過(guò)操作不同的門戶網(wǎng)站進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)平臺(tái)的維護(hù)和使用。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)的目的是對(duì)比Docker容器更KVM虛擬機(jī)兩種虛擬化方式會(huì)對(duì)性能造成的影響，測(cè)試準(zhǔn)備會(huì)設(shè)置分配足夠的資源給測(cè)試的虛擬機(jī)以及容器。將Ubuntu Server設(shè)置為測(cè)試系統(tǒng)，然后分別安裝KVM虛擬機(jī)軟件以及Docker容器，配置所需的參數(shù)并加以調(diào)試，這樣才能發(fā)揮最佳的性能，更好的比較出兩種虛擬化方式的優(yōu)劣。

由于PaaS平臺(tái)完全是依托Docker容器建立的，所以也有了Docker的問(wèn)題，也就是Docker的運(yùn)行操作系統(tǒng)平臺(tái)過(guò)于單一，并且相比于KVM虛擬機(jī)軟件來(lái)說(shuō)隔離機(jī)制也比較差導(dǎo)致了安全性也相對(duì)低下，同時(shí)還存在了網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制薄弱和資源分配顆粒不精確的一系列問(wèn)題。所以要想更好的使用Docker課程平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)還需要我們?cè)陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行深入的探討，盡可能的解決這些問(wèn)題，優(yōu)化這個(gè)平臺(tái)的功能。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然云計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展使得PaaS技術(shù)運(yùn)用到了各行各業(yè)之中，但是由于這種技術(shù)的操作手段過(guò)于簡(jiǎn)單使得這一行的入行標(biāo)準(zhǔn)也隨著下降，但是PaaS技術(shù)的簡(jiǎn)單，讓開(kāi)發(fā)者能夠利用簡(jiǎn)單的技術(shù)操作就能為用戶提供所需要的服務(wù)。綜上所述，文中簡(jiǎn)單介紹了基于Docker的課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)原理和方法，只要構(gòu)建出了平臺(tái)的五大模塊那么平臺(tái)也就基本成型了。但是即便Docker平臺(tái)構(gòu)建完成也有很大的缺陷，如網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制薄弱和資源分配顆粒不精確等一系列問(wèn)題，希望開(kāi)發(fā)人員在進(jìn)行開(kāi)發(fā)的時(shí)候后能夠盡可能的探索各種優(yōu)化方案解決這些問(wèn)題，為高校的教育事業(yè)盡一份力。

參考文獻(xiàn)：

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