基于OpenStack云計(jì)算的計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊健兵,陳莉莉

(南通科技職業(yè)學(xué)院 信息與智能工程學(xué)院,江蘇 南通 226007)

0 引言

目前,高校計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺一般是采用在Windows操作系統(tǒng)上安裝VMware Workstation虛擬化軟件,然后在VMware Workstation架構(gòu)下搭建虛擬機(jī),進(jìn)而完成學(xué)習(xí)教學(xué)實(shí)訓(xùn)任務(wù)的方式。滕吉鵬等[1]采用基于VMware Workstation 16和VNC Viewer的技術(shù)架構(gòu)構(gòu)建教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺。李光輝等[2]采用VMware 虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)平臺構(gòu)建教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺。周富肯等[3]采用VMware搭建網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。黃平等[4]采用VMware搭建虛擬機(jī)完成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)。吳榮森[5]采用虛擬機(jī)完成高職計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)。姚友軍[6]使用VMware Workstation搭建Pnetlab網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化教學(xué)。趙耘田等[7]提出利用eNSP模擬仿真軟件和VMware虛擬機(jī)搭建虛擬仿真環(huán)境開展課程實(shí)踐教學(xué)改革。王馨等[8]提出基于VMware服務(wù)器虛擬化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)部署與研究。

傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)平臺也存在一些問題,如隨著時(shí)間推移計(jì)算機(jī)性能逐漸下降;學(xué)生下課后無法使用教學(xué)實(shí)訓(xùn)資源;由于一般實(shí)訓(xùn)室都安裝還原卡,所以無法保存實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)。這些問題都困擾著計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺的發(fā)展。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)已經(jīng)融入人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗Ｔ诮虒W(xué)行業(yè)中,如何把這些技術(shù)融入教學(xué)活動(dòng)、加強(qiáng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)、提高教師工作效率、延長學(xué)生使用教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺時(shí)間、便于教師管理等問題,正成為教育行業(yè)研究的重點(diǎn)。

1 云計(jì)算

云計(jì)算是由虛擬化、網(wǎng)格計(jì)算、分布式計(jì)算等技術(shù)結(jié)合應(yīng)用發(fā)展而來。根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院給出的定義,云計(jì)算是一種用戶能夠通過網(wǎng)絡(luò)訪問以按需付費(fèi)的、便捷的、自助的方式獲取計(jì)算資源,包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用軟件和服務(wù)等,這些資源來自一個(gè)共享的、可自定義配置的虛擬資源池,用戶能夠通過最小的管理代價(jià)或者服務(wù)提供者的交互快速地獲取和釋放資源[9-10]。

OpenStack是一個(gè)開源的云計(jì)算管理平臺項(xiàng)目,是一系列軟件開源項(xiàng)目的組合,由美國國家航空航天局和Rackspace合作研發(fā)并發(fā)起,以Apache許可證授權(quán)。OpenStack為私有云和公有云提供可擴(kuò)展的彈性的云計(jì)算服務(wù)[11]。

2 基于OpenStack云計(jì)算的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)計(jì)

由于OpenStack具有開源、免費(fèi)、容易部署等諸多優(yōu)點(diǎn),根據(jù)計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺的特點(diǎn)和使用現(xiàn)狀,通過研究云計(jì)算技術(shù)、KVM虛擬化技術(shù)和OpenStack云計(jì)算技術(shù)的相關(guān)知識和原理,本文研究并設(shè)計(jì)了基于OpenStack云計(jì)算的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺,能夠?qū)崿F(xiàn)平臺由部署在學(xué)生端到服務(wù)器端的重大轉(zhuǎn)變,學(xué)生能夠全天候使用實(shí)訓(xùn)平臺,減少學(xué)校投入和班級干擾。該平臺由3部分組成,分別是OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)平臺、OpenStack云計(jì)算管理平臺和OpenStack云計(jì)算用戶平臺。平臺的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于OpenStack云計(jì)算教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)計(jì)

2.1 OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)平臺

OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)平臺硬件主要由一系列服務(wù)器組成,其中1臺服務(wù)器為控制節(jié)點(diǎn),其余服務(wù)器為計(jì)算節(jié)點(diǎn)。控制節(jié)點(diǎn)是整個(gè)云計(jì)算基礎(chǔ)平臺的核心,主要負(fù)責(zé)OpenStack系統(tǒng)的管理。計(jì)算節(jié)點(diǎn)是 OpenStack 的資源提供者,主要負(fù)責(zé)提供計(jì)算和存儲資源,用于創(chuàng)建虛擬機(jī)實(shí)例。OpenStack由幾十個(gè)模塊所組成,其中常用的模塊有Keystone、Glance、Nova、Neutron、Dashboard、Cinder和Swift,這些組件一起構(gòu)建OpenStack集群架構(gòu)。Keystone模塊的功能是對用戶和其他模塊進(jìn)行身份及權(quán)限驗(yàn)證。Glance模塊的功能是為虛擬機(jī)提供鏡像支持,方便用戶快速創(chuàng)建虛擬機(jī)。Nova模塊的功能是對虛擬機(jī)的生命周期提供管理。Neutron模塊的功能是為虛擬機(jī)提供網(wǎng)絡(luò)資源,用戶能夠通過網(wǎng)絡(luò)連接到虛擬機(jī)。Dashboard模塊為用戶提供網(wǎng)頁支持,方便用戶操作管理。Cinder模塊為虛擬機(jī)提供塊存儲服務(wù),方便虛擬機(jī)增加存儲空間。Swift模塊的功能是提供對象存儲服務(wù),可以把Glance鏡像存放在Swift中,用戶的數(shù)據(jù)也可以保存在Swift中。

考慮到OpenStack版本眾多,本文OpenStack計(jì)算云平臺構(gòu)建采用OpenStack Train版。控制節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)需要做一些基礎(chǔ)配置,如安裝網(wǎng)絡(luò)配置服務(wù)、設(shè)置NTP時(shí)鐘同步、關(guān)閉防火墻、關(guān)閉Selinux、安裝OpenStack基礎(chǔ)包等。然后在控制節(jié)點(diǎn)安裝 Mysql 數(shù)據(jù)庫服務(wù)、RabbitMQ消息服務(wù)、Keystone 認(rèn)證服務(wù)、Glance鏡像服務(wù)、Nova 計(jì)算服務(wù)、Neutron網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和Dashboard界面服務(wù),同時(shí)也需要對這些服務(wù)進(jìn)行配置和管理。計(jì)算節(jié)點(diǎn)還需要安裝Nova 計(jì)算服務(wù)、Neutron網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、Cinder塊存儲服務(wù)和Swift對象存儲服務(wù)。安裝完成后,可以通過瀏覽器登錄云計(jì)算平臺,創(chuàng)建內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、外部網(wǎng)絡(luò)、路由器,通過路由器連接內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò),并根據(jù)給定鏡像創(chuàng)建虛擬機(jī),設(shè)置訪問規(guī)則后就可以訪問虛擬機(jī)。該虛擬機(jī)就是師生的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺,在OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)上構(gòu)建的虛擬機(jī)位于服務(wù)器上,師生通過遠(yuǎn)程訪問協(xié)議可以連接虛擬機(jī)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作。

2.2 OpenStack云計(jì)算管理平臺

OpenStack云計(jì)算管理平臺利用KVM虛擬化技術(shù)構(gòu)建不同類型的鏡像,不同的鏡像應(yīng)用到不同的計(jì)算機(jī)課程上,鏡像與計(jì)算機(jī)課程一一對應(yīng)。構(gòu)建好鏡像后,把鏡像上傳到OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)平臺。OpenStack能夠創(chuàng)建用戶和租戶,租戶可以實(shí)現(xiàn)對OpenStack資源的隔離,這樣可以為每個(gè)老師與學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)用戶賬號和租戶賬號,然后把用戶加入租戶中,為后續(xù)實(shí)現(xiàn)資源隔離奠定基礎(chǔ)。老師與學(xué)生登錄OpenStack平臺后,可以通過鏡像創(chuàng)建虛擬機(jī),因?yàn)樘摂M機(jī)屬于資源,不同的虛擬機(jī)屬于不同的租戶,這樣師生的虛擬機(jī)可以做到互不干擾相互隔離,可以滿足不同課程的師生學(xué)習(xí)需要。OpenStack創(chuàng)建的虛擬機(jī)具有快速恢復(fù)功能,一旦學(xué)生在操作過程中遇到問題或者錯(cuò)誤,可以通過OpenStack虛擬機(jī)的快速恢復(fù)功能恢復(fù)到原始狀態(tài),能夠保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)順利完成。OpenStack創(chuàng)建的虛擬機(jī)可以做成快照,一旦師生在學(xué)習(xí)操作過程中出現(xiàn)問題,可以把虛擬機(jī)恢復(fù)到創(chuàng)建快照時(shí)的狀態(tài)。

虛擬機(jī)鏡像制作一般是在KVM虛擬機(jī)技術(shù)下完成。首先,安裝具有圖形界面的Linux操作系統(tǒng),Linux操作系統(tǒng)自帶KVM虛擬化技術(shù),因此安裝完Linux操作系統(tǒng)時(shí)即安裝好了KVM虛擬化軟件。其次,在Linux操作系統(tǒng)上安裝Qemu-KVM、Qemu-img、Virt-Install、Libvirt、Bridge-Utils、Virt-Manager等虛擬化管理軟件,為創(chuàng)建虛擬機(jī)做好準(zhǔn)備。再次,通過Virt-Install或者Virt-Manager在Linux中創(chuàng)建虛擬機(jī)。最后,在虛擬機(jī)中安裝各種上課所需要的軟件,虛擬機(jī)關(guān)機(jī)后的磁盤文件就是鏡像文件。磁盤鏡像文件與課程實(shí)訓(xùn)環(huán)境一一對應(yīng),管理員可以把鏡像文件上傳到OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)平臺,供師生教學(xué)需要。

2.3 OpenStack云計(jì)算用戶平臺

OpenStack云計(jì)算用戶平臺主要實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外師生利用SSH協(xié)議或者遠(yuǎn)程桌面訪問教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺。如果教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺構(gòu)建在Linux操作系統(tǒng)上,則學(xué)生通過SSH協(xié)議或者VNC協(xié)議就可以訪問教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺了。如果教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺構(gòu)建在Windows 操作系統(tǒng)上,則把Windows操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程桌面打開,師生通過遠(yuǎn)程桌面連接虛擬機(jī)進(jìn)而訪問教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺。出于安全考慮,學(xué)校校園網(wǎng)資源一般只允許校內(nèi)訪問,對于校外師生需要訪問校園網(wǎng),則可以通過VPN技術(shù)連接校園網(wǎng),然后再通過SSH協(xié)議或者遠(yuǎn)程桌面訪問教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺。

這種方式改變了學(xué)生原來只能在上課期間進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的方式,實(shí)現(xiàn)了學(xué)生可以全天候訪問教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺,提高了學(xué)生動(dòng)手能力,鞏固了學(xué)習(xí)成果,也解決了因?yàn)閷?shí)訓(xùn)室因還原卡問題無法保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的矛盾,避免了建設(shè)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺需要投入大量資金的問題,減輕了學(xué)校負(fù)擔(dān)。

3 結(jié)語

基于OpenStack云計(jì)算的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺實(shí)現(xiàn)了資源的集中統(tǒng)一管理和動(dòng)態(tài)分配,使得傳統(tǒng)機(jī)房計(jì)算機(jī)、路由器、交換機(jī)等物理設(shè)備的維護(hù)和管理成本大大降低,實(shí)現(xiàn)了教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺由原來的部署在教師端和學(xué)生端轉(zhuǎn)向部署在服務(wù)器端的重大改變。基于OpenStack云計(jì)算的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺,可以為師生搭建豐富多彩的實(shí)訓(xùn)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)師生資源環(huán)境的隔離。師生可使用1臺或多臺虛擬機(jī)搭建復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來完成復(fù)雜的實(shí)訓(xùn)任務(wù),大幅提高了實(shí)訓(xùn)平臺的維護(hù)效率和使用效率,降低了經(jīng)費(fèi)投入。