OpenSt ack私有云在教學資源共享中的應用

何孫杰 匡芳君*

1 引言

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，高校教學資源在提高教學水平中的作用也越來越重要，高校管理者也意識到教學資源共享的應用價值。如何充分發(fā)揮硬件資源的價值，更好地利用信息技術(shù)資源提高教育水平正逐漸受到各大高校的重視。和傳統(tǒng)的教學資源共享相比，考慮到“私有云”的教學資源共享平臺具有節(jié)省成本、共享便捷、管理高效、能耗更低等優(yōu)點。在“私有云”概念出現(xiàn)之前，教育資源管理中也強調(diào)共享，但是這種共享存在成本高、利用率低、維護困難等缺點，如何利用云計算平臺彌補這些不足，進一步提高教學水平顯得尤為重要。本文從傳統(tǒng)IT教學資源共享存在缺陷入手，分析現(xiàn)階段高校教學資源共享需要解決的問題，考慮如何利用云計算平臺解決共享難的問題，以提高資源利用率；然后利用Openstack構(gòu)建教學資源共享平臺，并以視頻教學資源共享為例，展示了利用Openstack私有云構(gòu)建教學資源共享的優(yōu)勢。

2 OpenStack私有云應用研究現(xiàn)狀及優(yōu)勢

2.1 私有云

云計算是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務的增加、使用和交付模式，一般涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴展且經(jīng)常是虛擬化的資源。云是網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)的一種比喻說法。對云計算的定義有多種說法，現(xiàn)在大眾認可度最高的是美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）是定義：云計算是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡訪問，進入可配置的計算資源共享池（資源包括網(wǎng)絡，服務器，存儲，應用軟件，服務），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務供應商進行很少的交互[3]。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 云計算服務原理圖

云計算有以下幾種部署模式：私有云、公有云、社區(qū)云和混合云。私有云一般是為一個機構(gòu)單獨構(gòu)建，并單獨為這個機構(gòu)服務的；公共云由云服務提供商所建立，用戶通過網(wǎng)絡購買租用云中的資源；社區(qū)云為有共同關(guān)注點的多家機構(gòu)所建立；混合云由兩個或兩個以上的云組成，這些云彼此相互獨立，而本文研究在各個高校內(nèi)部資源的共享，使用私有云對于擴展性、共享速度以及安全性方面更有優(yōu)越性。無論哪一種部署模式，按照服務類型一般都可以分為三類[4]：軟件即服務(SaaS)、平臺即服務(PaaS)和基礎設施即服務(IaaS)這三大類。

2.2 OpenStack私有云在教學資源共享中的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 基于私有云的教育資源共享的優(yōu)勢

在“私有云”概念興起之前，許多高校嘗試利用公有云搭建自己的教學資源共享平臺。由于私有云可以完全工作在高校內(nèi)網(wǎng)中，而公有云往往依靠相關(guān)公司的服務器來提供服務，與私有云相比，公有云的安全性不足，服務水平也不及私有云。另外，使用私有云還可節(jié)約成本。私有云平臺可以更好地保障數(shù)據(jù)安全，還可以防止數(shù)據(jù)的泄漏和來源與外部網(wǎng)絡的攻擊。OpenStack是一種云計算控制器結(jié)構(gòu)，利用Python語言編寫。這種構(gòu)架對于硬件平臺成本要求更低，且資源共享速度更快更方便。

2.2.2 OpenStack的框架及部署方式

平臺的目標是在云計算技術(shù)的支持下，建立基于Open-Stack項目的學習資源共享系統(tǒng)。關(guān)鍵技術(shù)在于分布式硬件資源（包括服務器，網(wǎng)絡和存儲設備）的統(tǒng)一，并利用虛擬化技術(shù)形成統(tǒng)一的硬件資源。具體來說，包括由OpenStack提供的用于統(tǒng)一管理的池，開源組件為用戶提供IaaS服務，用戶從IaaS租用資源并存儲他們自己的學習資源。此外，還包括開發(fā)部署和共享學習資源系統(tǒng)，以及為管理員和學生提供學習資源。

OpenStack作為一個開源項目，提供了一個部署云的操作平臺，用于管理大量的計算機、存儲設備和網(wǎng)絡資源組成的資源池，為私有云提供良好的擴展性[1]。OpenStack主要有7個核心組件[2]，各組件之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 Openstack核心組件關(guān)系

（1）計算機組建(Nova)：提供虛擬主機計算資源，將計算能力通過虛擬機的方式交付用戶。

（2）身份認證(Keystone)：提供統(tǒng)一的授權(quán)和身份驗證。

（3）管理門戶(Horizon)：基于API接口，用于管理門戶的Web端則用Python語言開發(fā)。

（4）鏡像管理(Glance)：為平臺提供虛擬磁盤鏡像的目錄分類管理以及鏡像的管理。

（5）網(wǎng)絡管理(Quantum)：實現(xiàn)了虛擬機的網(wǎng)絡資源管理，包括后續(xù)的負載均衡、公網(wǎng)映射、子網(wǎng)IP管理、網(wǎng)絡連接等功能。

（6）對象存儲(Swift)：通過鍵值對的方式實現(xiàn)對象文件的存儲讀取。

（7）快存儲(Cinder)：實現(xiàn)了對塊存儲的管理，為虛擬機提供云硬盤服務。

另外，OpenStack的部署方式主要分為兩種：多點部署及單點部署。單點部署即所有OpenStack組件只需要安裝在同一物理節(jié)點上。只涉及一臺物理節(jié)點，具有所占用資源少，OpenStack的大部分功能都可用；管理、維護方便；網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單，不用考慮復雜的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)；調(diào)試和研究方便，無需跨節(jié)點調(diào)試等優(yōu)點。而多點部署即是采用多結(jié)點的部署方式，適用于有較多硬件資源的情況，具有管理、維護接近真實環(huán)境；OpenStack各組件間的相互依賴關(guān)系更加清晰；Open-Stack各組件的功能和穩(wěn)定性更好等優(yōu)點。

然而，單點部署擴展較難、實用性較差、OpenStack各組件間的關(guān)系不易研究。多點部署涉及到眾多節(jié)點，部署麻煩且不易理清OpenStack各組件間的關(guān)系、維護困難、每個節(jié)點運行各自的服務導致資源浪費。因此，較為實用的部署方式是采用兩種節(jié)點：主控節(jié)點和計算節(jié)點，如圖3所示。這樣，此部署不僅擴展容易、維護方便，而且該架構(gòu)具有高可靠性，能夠持續(xù)穩(wěn)定地提供服務。

圖3 主控節(jié)點和計算節(jié)點示意圖

3 OpenStack私有云在教學資源共享中的應用

3.1 私有云的實現(xiàn)

本章介紹在高校網(wǎng)絡環(huán)境中部署Openstack私有云的實現(xiàn)方法。這里僅說明一般性方法，具體實施方法還要結(jié)合高校各自情況加以說明。

3.1.1 現(xiàn)有教學資源遷移

傳統(tǒng)教學資源主要包括教學課件、教學試題以及教學成績。這些教學資源往往存儲在某一臺或者某幾臺特定的服務器中[5]。這樣，一旦這些服務器發(fā)生故障或者離線，所有教師和學生都將失去對這些資源的訪問能力。對于這部分教學資源可以很方便地遷移到搭建好的云計算平臺上。Openstack云計算平臺提供虛擬機服務支持，只需要將傳統(tǒng)教學資源所在服務器的硬盤數(shù)據(jù)制作成映像文件，并且將該映像文件導入到服務器中，創(chuàng)建特定的虛擬機服務，即可完成遷移工作。遷移過后，用戶訪問可以不受云計算平臺中某臺服務器故障的影響。

3.1.2 分布式計算資源構(gòu)建

許多高校都建有專門的數(shù)據(jù)處理服務器[6]，用來滿足教學和科研過程中對于高強度計算所需要的處理能力。然而，用戶想要申請得到這些計算資源往往需要繁瑣的申請手續(xù)。另外，用于教學目的的資源相對短缺，導致開設的相關(guān)課程教學質(zhì)量下降，不能滿足需求。要創(chuàng)建計算資源云處理平臺，需要在原本的每臺高性能計算機上配置Openstack Computing程序。并且將程序配置在計算節(jié)點模式。這些計算節(jié)點相互連接，并且可以根據(jù)需要，動態(tài)地劃分為多個不同的虛擬計算機。

系統(tǒng)管理員可以將擁有不同權(quán)限的賬號分配給每一個教師，而教師又可以根據(jù)教學需要，為每個學生分配不同性能的虛擬主機。學生可以使用分配到的賬號登錄到遠程桌面，熟悉相關(guān)技術(shù)和操作。這樣一來，高校可以充分利用現(xiàn)有的硬件資源，做到硬件資源分配最優(yōu)化，使得每一個使用需求都能夠得到較好的滿足。這有利于提高教質(zhì)量和水平[7]。

3.2 應用實例分析

學習資源共享平臺利用云計算技術(shù)為高校提供基礎設施服務（IaaS）。它通過OpenStack項目將現(xiàn)有的所有的硬件設施組織到一個統(tǒng)一的虛擬資源池中，并為高校提供租用接口。高?？梢栽谧庥玫幕A設施上存儲學習資源，部署自己的應用程序等。平臺應用層的學習資源共享系統(tǒng)也可以部署在高校租用的資源上供學生使用。在云計算資源共享平臺中，基礎設施管理員負責資源池中資源的分配和監(jiān)控。每個高校都是資源的使用者。他們租用池中的基礎設施并部署自己的資源共享系統(tǒng)來存儲學習資源信息，以及應用程序數(shù)據(jù)庫。同時，高?？梢允褂肳eb控制臺檢查租用資源的使用情況并作出新的租賃決定。學生在高校登錄學習資源共享系統(tǒng)學習平臺，獲取學習資源，獲得學習資源許可，同時支付一定費用。每個高校通過學習資源共享系統(tǒng)的管理平臺來管理學習資源，并監(jiān)控每個學生的學習行為。在實際部署時，管理節(jié)點采用1臺ThinkServer服務器進行平臺管理控制，用來控制云環(huán)境；用5臺ThinkServer常規(guī)服務器，搭配萬兆網(wǎng)口和大容量內(nèi)存來充當資源池；采用具有大硬盤，64GB內(nèi)存，SSD讀寫加速和至少2個千兆網(wǎng)口，2個萬兆網(wǎng)口的服務器作為儲存節(jié)點。

3.2.1 教學視頻資源共享

教學視頻資源一般是指課堂的視頻錄像和一些演示性實驗[8]。傳統(tǒng)的教學資源視頻是存儲在學校的服務器主機的。受限于物理情況，主機的帶寬和處理能力都是有限的。當訪問用戶比較多、點播量很大的時候，經(jīng)常會出現(xiàn)宕機的現(xiàn)象。

這部分資源的云端化處理適宜采用多點對多點（Peer to Peer）的傳輸方式。利用Openstack可以實現(xiàn)這一技術(shù)。在這種基于Web的結(jié)構(gòu)中，用戶可以不用安裝客戶端軟件，服務器可以協(xié)調(diào)處理這些訪問請求，并且將其重定向到已經(jīng)下載了相同資源的用戶。這樣，就不需要每個用戶都從服務器下載視頻數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了減輕服務器壓力，提高用戶體驗。

3.2.2 考勤數(shù)據(jù)生成與共享

考勤是教學工作中的重要環(huán)節(jié)，利用私有云可以提供考勤的效率[9]。傳統(tǒng)考勤方式一般是教師對照名冊，逐個確認學生是否在場。結(jié)合電子圍欄技術(shù)和基于位置信息服務（LBS），可以方便完成考勤工作。該過程可以自動完成，不對教學活動造成任何影響。

4 系統(tǒng)平臺的優(yōu)缺點

分析私有云系統(tǒng)應用于教學資源的優(yōu)點和不足，以便高校評估自身是否適合搭建私有云平臺。該系統(tǒng)具有成本低廉、使用方便、高可靠性等優(yōu)點。利用開源社區(qū)的豐富資源，該系統(tǒng)可以定制出多種強大功能。此外，由于系統(tǒng)整體采用Python語言編寫，因此系統(tǒng)的可維護性非常高。同樣地，由于采用的是開源代碼，這些代碼是由開源社區(qū)維護的，因此當代碼出現(xiàn)問題時，用戶需要向開源社區(qū)求助或者自行解決。當系統(tǒng)變得龐大而復雜的時候，這會給系統(tǒng)的維護帶來不便。另外，該系統(tǒng)的執(zhí)行效率相對較低，在硬件資源緊張的情況下，系統(tǒng)的運行可能會變得非常緩慢。通過分析上述缺點，我們可以從以下研究點加以突破，包括調(diào)度算法優(yōu)化領(lǐng)域、在線遷移優(yōu)化技術(shù)、負載均衡優(yōu)化設計、計算性能優(yōu)化設計、虛擬化性能優(yōu)化技術(shù)、能源損耗優(yōu)化領(lǐng)域等。尤其是調(diào)度算法，比如裝箱問題、啟發(fā)算法、遺傳算法等等，都能提高資源利用率。

5 結(jié)束語

本文提供了高校搭建Openstack云計算平臺的一般方法。Opestack技術(shù)在教學資源共享中的意義重大，但并不是每一所高校都適合使用該技術(shù)搭建教學資源共享平臺。本文分析了這種云計算平臺的特點，高校應當根據(jù)自身需求決定是否搭建以及搭建怎樣規(guī)模的私有云，來盡可能提高教學水平。如果高校規(guī)模比較龐大，可以借鑒Openstack技術(shù)的思路，構(gòu)建自主構(gòu)架的云計算平臺。未來，私有云技術(shù)會在多線程處理技術(shù)、訪問控制技術(shù)、存儲快速響應技術(shù)等關(guān)鍵性技術(shù)領(lǐng)域有重大突破，但是云計算基本組件和服務不會有太大變化。