基于開(kāi)源云計(jì)算技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建與研究

封旭

摘要：本文為解決計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專(zhuān)業(yè)在傳統(tǒng)模式下虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境難以持續(xù)的問(wèn)題，通過(guò)豐富實(shí)踐教學(xué)手段和提高虛擬機(jī)管理服務(wù)水平，在開(kāi)源云計(jì)算技術(shù)的支持下，實(shí)踐探索建立按需分配的、易用性好的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的解決方案。

關(guān)鍵詞：開(kāi)源；云計(jì)算技術(shù)；虛擬機(jī)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)；云計(jì)算服務(wù)類(lèi)型

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）17-0279-02

一、項(xiàng)目背景

1.傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)房在使用虛擬機(jī)搭建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境存在的突出問(wèn)題。計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程都有使用到虛擬機(jī)搭建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。2016年教育部公布高職院校擬招計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)有1035所、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專(zhuān)業(yè)有896所。此類(lèi)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐課堂中幾乎都使用到虛擬機(jī)搭建多臺(tái)服務(wù)器來(lái)模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，傳統(tǒng)的做法是在PC機(jī)上運(yùn)行VMware Workstation或者Oracle VirtualBox產(chǎn)生虛擬機(jī)，在虛擬機(jī)上安裝Windows Server和Linux搭建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。例如網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的云計(jì)算技術(shù)與應(yīng)用、Windows系統(tǒng)服務(wù)、Linux系統(tǒng)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理與網(wǎng)站開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與項(xiàng)目實(shí)施等核心課程，每個(gè)學(xué)生在做實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目時(shí)往往還要求用到1—4臺(tái)虛擬服務(wù)器。但是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)房排課復(fù)雜，班級(jí)和學(xué)生人數(shù)多，對(duì)虛擬機(jī)的需求量大，造成PC機(jī)的運(yùn)行性能明顯不足，程序運(yùn)行遲緩、存儲(chǔ)空間緊張，加上缺乏有效的權(quán)限管理，經(jīng)常出現(xiàn)虛擬機(jī)被刪除的現(xiàn)象，造成跨時(shí)段的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不能延續(xù)進(jìn)行，往往在下一次課時(shí)必須重新搭建上一次課所完成的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目配置，重復(fù)基礎(chǔ)操作多，新知識(shí)技能的訓(xùn)練時(shí)間不夠，制約了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，而且分散的虛擬機(jī)配置難以一致，造成課堂教學(xué)進(jìn)度不能相對(duì)同步，嚴(yán)重影響實(shí)踐課堂教學(xué)質(zhì)量。

2.基于開(kāi)源云計(jì)算技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)擬解決的問(wèn)題。針對(duì)虛擬機(jī)變慢、虛擬機(jī)被刪、缺乏有效的權(quán)限管理等表象問(wèn)題，必須改進(jìn)由普通PC機(jī)生成虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的做法，將分散的PC機(jī)資源遷移到云端，既可以批量生成虛擬機(jī)，集中管理，更新系統(tǒng)和應(yīng)用只需要在模板上操作，減少系統(tǒng)維護(hù)工作量；又可以快速按需定制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)課程模板化同步教學(xué)。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(shí)現(xiàn)這些功能，但是服務(wù)價(jià)格很高。于是乎，使用開(kāi)源的云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)中心成為很多網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)的技術(shù)手段，既可以節(jié)省IT投資成本，又可以提高管理效率?；陂_(kāi)源云計(jì)算技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)很有現(xiàn)實(shí)的研究意義。

3.開(kāi)源云計(jì)算技術(shù)的選型。隨著開(kāi)源云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，如何利用開(kāi)源云計(jì)算技術(shù)有效地、快速地把數(shù)據(jù)中心資源池化管理，云計(jì)算管理平臺(tái)的技術(shù)選型是應(yīng)用開(kāi)源云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建虛擬化服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)所在，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心云計(jì)算環(huán)境的集中管理和控制，通過(guò)單一的管理界面，便捷地統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有的主機(jī)和虛擬機(jī)，不僅能提高管理員的管控效率、簡(jiǎn)化日常例行工作，更可降低IT環(huán)境的復(fù)雜度和管理成本。

云計(jì)算服務(wù)類(lèi)型分為三個(gè)層次，分別是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)層（PaaS）和軟件即服務(wù)層（SaaS）。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的核心建設(shè)內(nèi)容在于IaaS，它能夠把資源（計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)）實(shí)現(xiàn)池化，像自來(lái)水一樣便捷、精確地使用，形成了新的資源分配模式。當(dāng)前開(kāi)源的云計(jì)算技術(shù)，最引人注目的莫過(guò)于OpenStack、CloudStack、Zstack。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

云計(jì)算平臺(tái)規(guī)模部署有三種模式，即公共云、私有云和混合云。作為網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)需要的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，部署為私有云就可以了。方便地部署和開(kāi)通新業(yè)務(wù)，快速發(fā)現(xiàn)并且恢復(fù)系統(tǒng)故障，通過(guò)自動(dòng)化、智能化手段實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)可靠的運(yùn)營(yíng)是云計(jì)算平臺(tái)管理技術(shù)的關(guān)鍵。

1.云計(jì)算基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｔ朴?jì)算基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要分為三個(gè)區(qū)域，分別為管理網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。關(guān)鍵設(shè)備為服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，云計(jì)算平臺(tái)管理軟件安裝在計(jì)算節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)上，集中對(duì)云資源進(jìn)行管理與調(diào)度。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的業(yè)務(wù)組成。適用于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專(zhuān)業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為滿(mǎn)足資源被合理安全地發(fā)放、管理和收回的要求，虛擬機(jī)管理中心必須具備兩個(gè)功能子系統(tǒng)：資源池系統(tǒng)、用戶(hù)管理系統(tǒng)。

（1）云平臺(tái)資源池系統(tǒng)。資源池的劃分主要包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源。計(jì)算資源的組織規(guī)劃要考慮符合虛擬化架構(gòu)管理軟件的安裝規(guī)范、集群建設(shè)規(guī)范和備份規(guī)范；存儲(chǔ)資源的組織規(guī)劃要針對(duì)虛擬化配置特定功能的配置規(guī)范；網(wǎng)絡(luò)資源的組織規(guī)劃要符合VLAN設(shè)置規(guī)范。（2）用戶(hù)管理系統(tǒng)。為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，由系統(tǒng)管理員根據(jù)班級(jí)學(xué)生名冊(cè)批量生成和管理，適用于使用通用配置虛擬機(jī)。普通用戶(hù)申請(qǐng)的云資源由管理員指定虛擬機(jī)內(nèi)存硬盤(pán)大小、操作系統(tǒng)版本、配置狀態(tài)快照等，確保云主機(jī)實(shí)訓(xùn)的同一性。針對(duì)培優(yōu)項(xiàng)目的用戶(hù)，使用特定分配的資源，保證每個(gè)用戶(hù)數(shù)據(jù)的安全性和按需分配的云服務(wù)的便利性。

三、使用OpenStack、CloudStack和Zstack部署云平臺(tái)的對(duì)比研究

1.OpenStack的特點(diǎn)及適用度分析。OpenStack是較早出現(xiàn)的開(kāi)源云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，發(fā)展迅猛，行業(yè)內(nèi)影響力巨大，得到大多數(shù)虛擬化產(chǎn)品廠商支持，它是由開(kāi)源社區(qū)來(lái)負(fù)責(zé)推進(jìn)和維護(hù)的。它是采用分布式的架構(gòu)，核心項(xiàng)目之間耦合度低，可以方便的進(jìn)行開(kāi)發(fā)定制，然而因?yàn)槠溆卸鄠€(gè)項(xiàng)目組成，每個(gè)項(xiàng)目都要單獨(dú)安裝，并且要保證項(xiàng)目間的協(xié)作，所以部署會(huì)比較麻煩。另外，由于OpenStack處于高速發(fā)展階段，不同版本之間項(xiàng)目可能會(huì)有較大的變動(dòng)，因此版本間的升級(jí)會(huì)比較困難。OpenStack功能強(qiáng)大，組件多，配置煩瑣，雖然初學(xué)者體驗(yàn)感覺(jué)難度大，但是由于開(kāi)源度高，適合深入系統(tǒng)學(xué)習(xí)云計(jì)算技術(shù)，比如開(kāi)展“云計(jì)算技術(shù)與應(yīng)用”技能大賽的訓(xùn)練。OpenStack的安裝使用步驟是環(huán)境配置、認(rèn)證服務(wù)、鏡像服務(wù)、計(jì)算服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、儀表盤(pán)設(shè)置、塊存儲(chǔ)服務(wù)、文件共享系統(tǒng)服務(wù)、對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)、編排服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)；啟動(dòng)云主機(jī)實(shí)例。對(duì)云計(jì)算管理員而言，配置全程在英文字符界面下執(zhí)行，對(duì)做基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的高職生而言有很大的挑戰(zhàn)性。

2.CloudStack的特點(diǎn)及適用度分析。CloudStack采用集中式的單體架構(gòu)，開(kāi)發(fā)者突出強(qiáng)調(diào)的是高可用和高擴(kuò)展的特性，構(gòu)造的目標(biāo)是提供一個(gè)像Apache HTTP服務(wù)器一樣簡(jiǎn)單易用的云計(jì)算平臺(tái)。整個(gè)平臺(tái)只有一個(gè)項(xiàng)目構(gòu)成，不同模塊之間通過(guò)本地調(diào)用進(jìn)行交互，在一臺(tái)主機(jī)上就可以完成平臺(tái)的部署。云主機(jī)的部署基于Web交互頁(yè)面，設(shè)置欄目有控制板、實(shí)例、關(guān)聯(lián)性組、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、模板、事件、項(xiàng)目、角色、賬號(hào)、域、地理區(qū)域、基礎(chǔ)架構(gòu)、全局設(shè)置、服務(wù)方案等。對(duì)云計(jì)算管理員而言，項(xiàng)目繁多，仍有較大難度。云主機(jī)的實(shí)例管理屬于偏平管理，由模板快速生成。

3.ZStackk的特點(diǎn)及適用度分析。ZStackk作為一款新開(kāi)源IaaS軟件，采取星狀架構(gòu)，各服務(wù)項(xiàng)目獨(dú)立，可選擇安裝。Zstack的安裝使用非常簡(jiǎn)潔，步驟是初始化配置，創(chuàng)建云主機(jī)。重點(diǎn)在于初始化環(huán)境配置，步驟是創(chuàng)建區(qū)域、創(chuàng)建集群、添加物理主機(jī)、添加鏡像服務(wù)器、添加主存儲(chǔ)、創(chuàng)建計(jì)算規(guī)格、添加鏡像、創(chuàng)建二層網(wǎng)絡(luò)、創(chuàng)建三層網(wǎng)絡(luò)；ZStack初始化結(jié)束后，各項(xiàng)資源就緒，此時(shí)管理員可創(chuàng)建云主機(jī)。ZStack最突出的特點(diǎn)是易用性，ZStack對(duì)云平臺(tái)的管理采用Web交互方式執(zhí)行，控制臺(tái)簡(jiǎn)潔明了，有云資源池、硬件設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)、vCenter、平臺(tái)管理等欄目；國(guó)產(chǎn)軟件，中文標(biāo)識(shí)，對(duì)做一般性實(shí)驗(yàn)的高職生而言就很容易部署。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)比較OpenStack、CloudStack和ZStack三者的架構(gòu)可見(jiàn)，OpenStack的分布式架構(gòu)靈活性好，不同的項(xiàng)目可以單獨(dú)部署，知識(shí)分解明晰，缺點(diǎn)是部署麻煩；CloudStack采用集中式架構(gòu)，所以部署起來(lái)會(huì)相對(duì)容易很多，但是控制臺(tái)較復(fù)雜；ZStack的易用性最突出，一站式部署與管理，適用于常規(guī)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的搭建與管理。

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