基于私有云架構的IaaS技能實訓平臺設計與構建

摘要：針對當前高校云計算技能實訓中資源分配與管理靈活性不夠、管理效率偏低等關鍵問題，結合云計算控制、計算、網絡、存儲、編排等技術，創新“三層虛擬化”思想，設計了一種集認證、測量、編排和快照等功能于一體的IaaS技能實訓系統?；趯嵱査接性破脚_構建和租戶項目設計，按需分配資源至各實訓分組。實驗結果表明，平臺為高校云計算IaaS技術實踐教學提供了良好的集成實訓環境，有效提升了實訓平臺日常運維和管理的便捷性。

關鍵詞：私有云；IaaS；技能實訓平臺；三層虛擬化

一、 前言

基于服務器、存儲和網絡等物理硬件設備邏輯化和資源池化，網絡服務提供者可采用按需計費方式將計算、存儲和網絡基礎設施即服務IaaS（Infrastructure as a Service）[1]租用給用戶[2]。2020年4月20日國家發改委明確實施“新基建”[3]國家戰略以來，國內云計算市場規模呈現井噴之勢。然而，當前行業人才需求與高校人才培養供給之間尚存在較大的差距[4]。究其原因，主要在于近年來相關專業畢業生實踐技能偏弱，企業無法破解對應屆生崗前較長時間實踐技能專項培訓的難題。因此，在國家“雙高”建設背景下[5]，如何創新設計適應云計算技術發展的實踐平臺，構建高水平技術技能型實踐訓練環境，已成為當前高校云計算專業（群）發展亟需解決的一個現實問題。

（一）IaaS系統特征

單機環境下集中部署IaaS系統，雖然能實現相關功能，但無法支持功能細分和后續擴展，且難以應用于大型系統的建設和運維。因此，業界普遍認為按照服務、角色定位規劃和部署不同節點設備更為合理。以OpenStack架構為例，控制節點主要提供云平臺的認證、計量、計費、鏡像、面板等管理功能；計算、存儲、網絡節點則分別提供CPU、內存、磁盤、網絡等底層硬件資源。相比其他IT架構，IaaS系統具有三個顯著特征：①節點數量較多，系統內主機節點功能不一、數量眾多；②配置差異顯著，不同類型節點對于硬件配置要求差異顯著（如計算節點通常要求CPU、內存資源較高，以滿足多虛機運行需求，而存儲節點則關注與存儲設備數量和性能參數等，以便于提供大量不同類型存儲資源）；③擴展需求高，面向云計算用戶數量和租用項目規模的擴大，云計算平臺必須支持系統功能和資源容量的擴展。

（二）基于普通主機的方案

近年來，得益于CPU虛擬化技術發展，VMware Workstation或Hyper-V等主流Workstation虛擬化平臺支持在單一PC主機中構建多個虛機和虛擬網絡。僅就理論和功能而言，利用多個虛機代替對應真實物理節點，一定程度上滿足了IaaS平臺多節點的特定需求。然而，基于普通主機構建IaaS訓練環境，存在兩個典型問題。其一，普通主機的CPU、內存和硬盤等配置參數普遍不高，難以滿足多個虛機（如四個甚至更多）運行以及高資源（CPU和內存）開銷的實際需求；其二，普通PC的硬件性能原本就難以匹配真實應用環境中服務器性能，基于此類設備再虛擬化所獲得的虛擬化資源的可用性和可靠性必然更低。因此，在普通機房標準主機中運行多個高配虛機，難免節點卡頓、系統死機等故障發生。

（三）基于服務器的方案

為解決上述普通PC硬件性能瓶頸所帶來的問題，部分“雙一流”或“雙高”學校不惜斥巨資采購大量服務器，構建云計算專業實訓室。其工作原理基本相同，不同點在于服務器性能高于普通主機。因此，該模式在一定程度上能緩解普通主機性能不足帶來的相關問題，但無法規避單主機帶來的通病問題，包括可靠性差、資源有限，管理和擴展困難等問題。后者則是以組為單位部署多個服務器，布局一系列云計算物理節點。該模式與私有云生產環境部署基本接近，設備整體性能較高。但存在兩方面問題：一是需要大量資金采購硬件服務器，增加了建設成本投入；二是，由于私有云節點參數配置差異較大，采用同類型物理服務器，必然帶來部分服務器資源利用率低或者資源不足等情況。

（四）實訓平臺管理

IaaS實訓平臺的高效使用和運維離不開實訓管理系統。在基于普通主機和單服務器方案中，虛機（節點）的管理通過虛擬化軟件得以實現。一方面，通過編輯功能、調整參數的類型和值，用戶可實現虛機的修改；另一方面，基于快照的新建和恢復功能，管理員能保存和快速切換虛機狀態。需要注意的是，上述功能存在一個共同特點，即很大程度上依賴于手工操作，缺乏自動化管理功能。

現有IaaS實訓平臺或者環境建設中主要在以下三方面的存在不足。① 普通主機硬件資源無法滿足高開銷節點的要求，造成運行效果與預期相差較大；② 服務器物理層面資源分配與管理靈活性不夠，導致部分設備資源不足或浪費情況；③ 缺乏管理統一系統，以至于實踐教學和管理效率偏低。

二、實訓平臺設計

針對上述實訓平臺中資源分配困難問題，結合私有云在資源管理與動態租用等方面的特征優勢，本文構建實訓私有云資源池，基于租戶項目組織實訓分組，實現實訓分組資源的按需分配。針對實訓平臺管理效率低下問題，結合認證、測量、編排以及快照功能，構建集成化資源管理平臺。IaaS實訓平臺設計的核心思想是“三層虛擬化”，詳細架構如圖1所示。

在實訓私有云部分，物理層為平臺提供物理資源，主要包括服務器、主機和存儲等硬件設備；管理層通過計算、存儲、網絡、鏡像服務對物理資源虛擬化，基于認證、測量、編排和面板服務將虛擬化資源池中對象分配給多個分組（項目）使用；資源層則對上述資源池中資源按照各虛擬機節點要求再虛擬化?；谒接性疲芾韱T可為多訓練分組提供的邏輯資源，預創建或者用戶自定義虛擬機的數量和參數配置。

在實訓平臺部分，虛擬層是指實訓用戶使用組內虛擬機代表物理節點，用戶基于虛擬化后的邏輯資源，構建多個虛機主機節點對象，構建雙層虛擬化后的IaaS實訓環境，進而完成私有云平臺的安裝、部署和運維等實踐訓練。

（一）實訓私有云設計

基于對數據中心大型計算、存儲、網絡等資源的管理與支撐，OpenStack為IaaS服務提供了良好的整體性解決方案。考慮到系統組件間解耦性，OpenStack系統被細分為多個獨立子項目（即組件），其核心組件包括認證、鏡像、計算、網絡、界面、塊存儲、對象存儲、測量、編排、數據庫等?；萜?、IBM、紅帽、戴爾、思杰、思科等500余家行業頭部和知名企業加入基金會，推動了OpenStack技術的快速發展。作為行業內開源私有云平臺事實標準，OpenStack已成為眾多云計算廠商產品開發的核心支撐，目前最新版本為Yoga版。

針對當前IaaS實踐技能訓練環境中存在的節點多樣化、資源分布缺乏靈活性以及管理不便等關鍵問題，本文基于OpenStack私有云在資源分配和統一管理方面的突出優勢，提出了基于私有云的IaaS技能實訓平臺構建思路。鑒于OpenStack系統龐大、功能復雜，采用默認方式安裝所有組件功能，無法規避物理服務器計算和存儲消耗增加等問題，對OpenStack原有系統的合理裁剪，一方面，簡化系統部署內容、減少不必要資源開銷，另一方面，增強系統可用性和擴展性。

基于認證、計算、鏡像、存儲、網絡、測量和編排等核心子項目，采用OpenStack Train版本構建實訓私有云系統，提高實訓資源分配提供的靈活性，增加實訓分組、資源、權限以及狀態等要素的管理功能。

（二）實訓平臺設計

為解決當前IaaS實訓平臺中資源分配困難、管理效率低下等關鍵問題，首先從私有云實踐項目需求出發，結合實訓用戶具體需求，以租戶項目為單位為各實訓分組分配相關資源；然后，基于所分配資源，創建基于虛擬機組（節點主機群）的實訓環境；最后，根據實訓前置環境要求，通過快照方式快速還原和記錄虛擬機組（實訓功能）狀態。概括而言，技能訓練平臺設計業務流程主要包括兩方面。一是基于項目內虛機部署節點，基于組內所分配資源，通過編排或模板等方式，自動或手工創建或更新虛機組；二是基于快照管理實訓狀態，通過已有快照恢復快速構建實訓所需前提環境，將實訓完成結果狀態保持為快照，便于結果驗證和為后續實驗構建基礎，如圖2所示。

1.項目內虛機部署節點

在實訓平臺中，不同類型節點均有由私有云項目中虛擬機充當。為有效隔離和管理分組資源，以實驗私有云中項目（租戶）為載體分配和管理各實訓分組資源和信息，即在一個默認域中創建多個項目。在每個實訓分組內，設計包括控制節點、計算節點、塊存儲節點技能訓練的前提是創建虛擬機組。默認實訓環境下8個分組共需創建8組不同規格的邏輯分配與資源分配，其最佳解決方案則是私有云中編排服務。因此，對于默認環境下虛機創建，采用基于模板創建棧的思路，主要包含三個階段：首先，準備所需鏡像、實例類型和秘鑰對等資源；然后，創建虛擬機實例yaml模板文件，配置對應網絡ID，定義鏡像、實例類型、秘鑰對等資源；最后，基于模板創建棧，構建虛擬機。

圖2實訓平臺業務流程

當預設實訓虛擬機組配置無法滿足實訓所需性能需求時，用戶需要判斷當前組內所分配資源是否充足，若資源充足，可直接編輯更新虛擬機組，否則需要向域管理員申請增加資源后再更新虛擬機組。

2.基于快照管理實訓狀態

當實訓所需虛擬機建立完成后，用戶即可進行技能訓練。私有云技能訓練中包含多個關聯模塊內容，如創建主機實例至少需要認證、鏡像、網絡等服務運行正常。如果用戶每次實驗都是重頭開始，在非重點內容上花費太多時間和精力顯然不行。鑒于不同訓練模塊在是否需要或需要何種前置環境等方面均存在較大差異，如何有效管理不同階段虛擬機的狀態，對于教學實踐尤為重要。在本技能訓練平臺中，引入快照技術，實現前置環境的快速切換以及當前配置狀態的保存功能。

針對具體實驗要求，用戶需要判斷是否要通過快照恢復方式快速轉到前置環境，在技能訓練完成后，對于正確的狀態，用戶可以使用創建快照方式保存當前信息便于后續模塊訓練使用；對于故障狀態，用戶也可使用快照創建方式記錄狀態，存入典型故障庫，便于后續快速恢復。

三、平臺實現與性能測試

（一）實訓平臺實現

為驗證和評估所提方法的可行性和有效性，采用華為RH2288 V3（Intel Xeon CPU E5-2620 v4 @ 2.10GHz）服務器為平臺構建實訓私有云平臺，并構建IaaS技能訓練平臺。

私有云物理平臺設計方案中，利用機架式服務器集群作為硬件平臺，設計和部署控制、計算和存儲等三類節點設備。負載均衡和零切換需求對于控制系統至關重要，考慮到控制API 服務和內部組件的無狀態性，設計3臺標準服務器部署控制節點Active/Active HA集群，保障私有云平臺的高可用性和擴展性。對于虛機資源提供需求，通過5臺高配（雙路CPU、512GB內存）計算服務器，保障8個實訓分組的充足計算資源。此外，部署1臺塊存儲和2臺對象存儲，實現存儲設備擴展和獨立管理。為避免底層服務器資源非必要開銷，服務器均預裝64位Centos 7最小化系統。服務器硬件設備清單見1。

在每個訓練分組（項目）內，針對IaaS典型技能模塊訓練的特定需求，創建包括控制節點、計算節點、塊存儲節點各1個，對象存儲節點2個的默認訓練環境，每個訓練分組中包含9個邏輯處理器、20GB內存、280GB硬盤等資源。

（二）平臺性能測試

為驗證和評估所提IaaS實訓平臺的可靠性和運行效率，對技能實訓平臺可靠性和擴展性進行測試，并在系統管理能力方面將本方法與現有相關方法進行對比分析。

1.可靠性測試

私有云是IaaS技能實訓平臺的重要基礎環境，控制系統是私有云的核心，關系著整個云系統的可靠性與可用性。測試階段，分別模擬網絡故障和節點掉電兩種典型故障現象，即：隨機將一個控制節點主機網絡斷開，將一個控制器節點主機關機，測試控制系統是否正常運行。實驗結果表明，三臺控制節點中的其余兩個節點所構建的HA集群均處于Active狀態，控制系統功能不受任何影響，業務無中斷現象發生。

2.擴展性測試

為測試實訓系統擴展性能，在原有計算節點基礎上增加2臺同型號物理服務器，并加入計算模塊；在原有3個存儲節點基礎上增加1臺同型號服務器，并加入塊存儲模塊。實驗結果表明，在OpenStack私有云環境中，無需暫?，F有系統和運行業務，對應計算和存儲資源按比例增加，實現了近似即插即用的效果。此外，將5臺高性能PC利舊，作為計算節點增加值私有云中，結果表明：除本身性能參數略低外，其他運行結果與物理服務器基本接近。

（三）系統對比分析

關于IaaS技能實訓平臺評估，目前還缺乏統一衡量標準。結合IT系統和教學實訓系統評價指標，從分組方式等7個指標角度，將所提基于私有云的實訓平臺與現有基于純硬件和基于虛擬化平臺對比，詳見表2所示。本文所提基于私有云實訓系統采用云計算中特有方式（項目）進行組織，其特點在于可以按需、靈活分配資源。相比基于虛擬化的平臺，所分配資源充足，實訓環境性能較高；相比基于純硬件的平臺，采用資源邏輯分配后，實訓環境性能基本相近，不僅避免了部分節點主機不必要的資源，而且有效降低了建設成本。在平臺擴展性方面，私有云具有與生俱來的便于擴展的優勢。在管理系統方面，基于純硬件的平臺基本依賴于手工方式，效率地低下；基于虛擬化的平臺雖然支持克隆、快照等單個虛機處理能力，但未能實現全自動化方式。測試結果表明，整體效率偏低。此外，私有云實訓平臺中能較好地滿足現有主機的利舊需求，更適應低投入、性能要求不高的場景應用。

四、結語

建立高效IaaS技能實訓平臺是提升云計算技術應用及相關專業學生云平臺實踐技能的重要保障，本文所提實訓平臺有效融入控制、計算、網絡、存儲、編排等技術，重點解決當前高校IaaS技能實訓中設備數量不足、性能偏低、擴展性差、建設成本高以及管理效率低下等主要問題。常州工程職業技術學院課程實踐教學表明，基于私有云架構的IaaS技能實訓平臺的設計與建設能有效強化學生對IaaS平臺中核心組件的認知，充分調動學生云計算技術應用架構平臺課程實踐操作學習的積極性，進而有利于學生專業核心能力的全面提升；同時，也為高校云計算專業實訓室的建設、日常使用與管理提供了一種參考方法。

參考文獻

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[5] 單以才，駱德云，武凱，等.“雙高”背景下的高職院校專業實驗室集群建設[J].實驗室研究與探索，2020，39（3）：224-228.

基金項目：1.江蘇省教育科學“十四五”規劃重點課題（B/2021/03/37）；2.江蘇省高校“青藍工程”項目 （2022CZIE）

（作者單位：常州工程職業技術學院智能制造學院）