基于OpenStack的地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺構(gòu)建

王 焱, 吳青林

(1. 漢江師范學(xué)院 教育系, 湖北 十堰 442000; 2. 漢江師范學(xué)院 計算機科學(xué)系, 湖北 十堰 442000)

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)是國家前進的基本動力,它可以改變?nèi)藗兊纳?、學(xué)習(xí)和工作的方式,提升生活質(zhì)量。2015年5月國務(wù)院辦公廳下發(fā)了《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》,提出將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入人才培養(yǎng)體系,進一步明確了高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培養(yǎng)的任務(wù)和途徑。構(gòu)建地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺是實現(xiàn)地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的重要途徑,有利于加強地方高校對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的管理,提升地方高校學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

1 地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺建設(shè)存在的問題

(1) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺定位不準。部分地方高校在建設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺時沒有準確把握平臺的功能定位,存在建設(shè)盲目性,缺乏系統(tǒng)的功能規(guī)劃,部分高校甚至混淆了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺與教學(xué)資源平臺的功能,與教學(xué)資源平臺的資源內(nèi)容出現(xiàn)重復(fù),導(dǎo)致創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺無法充分發(fā)揮功能。另外部分地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺面向的對象局限在少部分優(yōu)秀學(xué)生,難以在平臺上滿足大部分學(xué)生對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的需求,不能充分發(fā)揮創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實訓(xùn)平臺全面提升學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的功能。

(2) 信息易形成數(shù)據(jù)孤島。數(shù)據(jù)孤島主要體現(xiàn)在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目數(shù)據(jù)孤立和個人數(shù)據(jù)孤立兩個方面。當(dāng)前地方高校進行的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目在數(shù)量上呈現(xiàn)逐年增多的趨勢,但項目之間的聯(lián)系和差異性難以在平臺中體現(xiàn),學(xué)生在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目實踐中缺乏對全校項目的整體把握,導(dǎo)致項目部分相似,重復(fù)建設(shè),不利于團隊之間相互合作。同時學(xué)生的個人數(shù)據(jù)也分別保存在不同的信息管理系統(tǒng)中,使得學(xué)生難以對自己的知識結(jié)構(gòu)和能力水平進行整體把握。數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象,不利于發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)才智,創(chuàng)新項目難以在學(xué)生群體中進行持續(xù)深入研究。

(3) 難以提供在線基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。當(dāng)前大多數(shù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺主要以展示創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)視頻課程資源為主,而對學(xué)生提供的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)需要的計算資源、存儲資源等基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)資源提供較少,這樣對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目開展的支持力度有限?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中大多數(shù)項目都需要云主機、云桌面、云數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)云資源,而傳統(tǒng)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺難以滿足創(chuàng)業(yè)者對這類資源的需求,學(xué)生只有借助公共云資源進行實踐創(chuàng)新,這樣導(dǎo)致費用較高,增加了經(jīng)濟負擔(dān),不利于學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐。

2 地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺概念

云計算是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式,用戶通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴展的方式獲得所需計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)帶寬等資源和服務(wù)[1-2]。按云計算提供的資源和服務(wù)類型可以將云計算架構(gòu)分為IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、PaaS(平臺即服務(wù))和SaaS(軟件即服務(wù))三個層次,包括虛擬化技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)存儲技術(shù)以及大規(guī)模數(shù)據(jù)管理等技術(shù),具有良好的伸縮性和靈活性等特點。云計算可以動態(tài)地根據(jù)用戶的不同需求完成軟硬件資源配置,提供不同的服務(wù),充分實現(xiàn)資源共享,使資源利用率達到最優(yōu)化。

地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺是基于“互聯(lián)網(wǎng)+”,以云計算技術(shù)為基礎(chǔ),將地方高校與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作相關(guān)的資源進行整合,并且充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)分析的優(yōu)勢,對地方高校學(xué)生的創(chuàng)業(yè)行為數(shù)據(jù)進行分析,為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供個性化的服務(wù)。地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺主要目標(biāo)是將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目管理、團隊管理、訓(xùn)練體系、大賽管理、實踐資源等各類資源整合在一起,從真實創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過程中采集數(shù)據(jù)建構(gòu)虛擬學(xué)習(xí)情景,模擬創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過程,為地方高校學(xué)生提供創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐活動的虛擬實踐場所。

3 地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺的構(gòu)建

3.1 可行性分析

2016年2月,教育部《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確提出利用云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù),創(chuàng)新資源平臺、管理平臺建設(shè)的發(fā)展方向,為地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺提供了良好的機遇。高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺實際上是云計算在教育領(lǐng)域的遷移應(yīng)用,隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略、云計算技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展,云理念逐步深入教育領(lǐng)域,在教學(xué)、科研、管理等方面都發(fā)揮著一定的作用。當(dāng)前,大部分高校已建立了云計算辦公系統(tǒng),使用云終端代替原有PC機,為建立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ),并提供了寶貴的建設(shè)和管理經(jīng)驗。另外,當(dāng)前學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)平臺具有很強的依賴性,建設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺符合學(xué)生的思維和行為方式,有利于發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+”的平臺優(yōu)勢,引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè),確保創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資源的高效管理和靈活調(diào)度,能夠更好地滿足地方高校大學(xué)生對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的需求。

3.2 地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺整體架構(gòu)

地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺整合了各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資源,對學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過程和實踐資源進行統(tǒng)一管理,根據(jù)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的特點,按需為學(xué)生提供個性化資源。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺整體架構(gòu)見圖1。

圖1 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺整體架構(gòu)

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺的設(shè)計應(yīng)達到如下目標(biāo):

(1) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練體系:構(gòu)建“本地實驗+虛擬仿真實驗+在線實驗”相結(jié)合的平臺化實驗?zāi)Ｊ?為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供各類虛擬實踐資源,完成從虛擬創(chuàng)業(yè)到實際創(chuàng)業(yè)的過渡。

(2) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目管理:構(gòu)建項目產(chǎn)生、項目申報、項目實踐、項目評價、項目孵化、項目實戰(zhàn)等全生命周期的項目管理方式。

(3) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊管理:以創(chuàng)業(yè)為牽引、以指導(dǎo)教師為核心,構(gòu)建團隊組建、團隊分工、團隊協(xié)同的統(tǒng)一管理體系。

(4) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽管理:創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽流程采用網(wǎng)絡(luò)形式管理,協(xié)調(diào)大賽組織步驟。

(5) 大數(shù)據(jù)分析:構(gòu)建統(tǒng)一的管理流、數(shù)據(jù)流和視頻流通道,為大數(shù)據(jù)分析提供支撐。

3.3 地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺設(shè)計

地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺主要采用OpenStack技術(shù)進行設(shè)計[3],OpenStack是由NASA(美國國家航空航天局)和Rackspace合作研發(fā)并發(fā)起的開源云計算管理平臺項目。OpenStack獲得授權(quán)許可十分便利,方便進行二次開發(fā),是當(dāng)前使用率最高的云平臺構(gòu)建工具。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺包括物理資源層、資源虛擬化層、云服務(wù)管理層和服務(wù)層四個層次[4-5]。四個層次的關(guān)系如圖2所示。

圖2 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺層次圖

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺四個層次功能如下:

(1) 物理資源層:包括服務(wù)器資源、存儲設(shè)備資源和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源三部分,主要為云平臺正常運行提供硬件設(shè)施的物理保障。地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺的安裝配置和部署分為管理節(jié)點、資源節(jié)點和存儲節(jié)點。管理節(jié)點采用1臺Think Server RD650服務(wù)器,用于管理和控制整個創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺系統(tǒng); 資源節(jié)點由7臺Think Server TS560服務(wù)器組成; 存儲節(jié)點由3臺存儲型配置的Think Server服務(wù)器構(gòu)成。

(2) 資源虛擬化層:云平臺通過虛擬化技術(shù)對計算型服務(wù)器資源、存儲型服務(wù)器資源和網(wǎng)絡(luò)資源進行池化,將各種孤立的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源整合成為可以統(tǒng)一管理、彈性調(diào)度、靈活分配的資源池,各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)共享云中的資源。采用Linux系統(tǒng)下開源的KVM(kernel-based virtual machine)技術(shù)實現(xiàn)計算虛擬化,采用Ceph整合本地存儲服務(wù)器的存儲能力實現(xiàn)存儲虛擬化,Ceph的塊設(shè)備存儲可以對接OpenStack的Cinder后端存儲、Glance的鏡像存儲和虛擬機的數(shù)據(jù)存儲,采用萬兆網(wǎng)絡(luò)與VLAN相互配合的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化。

(3) 云資源管理層:主要實現(xiàn)自動管理和動態(tài)分配、部署、配置、重新配置以及回收資源,也可以自動安裝應(yīng)用。該層是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺的核心,由OpenStack開源軟件實現(xiàn),主要包括Nova(計算組件)、Keystone(認證服務(wù))、Swift(對象存儲)、Glance(鏡像服務(wù))、Horizon(儀表板)、Clinder(塊存儲)、Neutron(網(wǎng)絡(luò)服務(wù))7個組件,其中Keystone組件主要起到身份認證的作用,它是各個組件工作的門戶,經(jīng)過Keystone組件身份認證后,其他組件才能正常工作,以上組件共同完成對虛擬資源的管理,統(tǒng)一對外提供服務(wù)。組件相互關(guān)系見圖3。

(4) 服務(wù)層:服務(wù)層主要實現(xiàn)與平臺用戶的交互,平臺上有管理員用戶和普通云用戶兩種用戶,管理員用戶通過主節(jié)點對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺的后臺進行管理,包括云服務(wù)狀態(tài)監(jiān)控、各種虛擬資源的管理以及云端用戶的管理。普通云用戶需要通過Web界面實名注冊,當(dāng)管理審核通過后,根據(jù)實際需求申請?zhí)摂M資源,獲得使用資源的權(quán)限,才能實現(xiàn)對云平臺的操作。用戶操作云平臺的具體流程見圖4。

地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺采用Fuel自動化工具進行快速多節(jié)點安裝的方式實現(xiàn),Fuel 是一個為OpenStack端到端“一鍵部署”設(shè)計的工具,具有節(jié)點的自動發(fā)現(xiàn)和預(yù)校驗、支持多種操作系統(tǒng)等特點,其配置簡單、快速。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺搭建主要過程為:首先下載Fuel,安裝完成后通過瀏覽器進入Fuel的用戶界面,然后對OpenStack環(huán)境進行搭建,對OpenStack的部署模式、計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等屬性進行設(shè)置,接下來通過Fuel為云平臺添加控制節(jié)點和計算節(jié)點,最后通過OpenStack界面對應(yīng)用云平臺的用戶服務(wù)。

3.4 關(guān)鍵技術(shù)

(1) IaaS層虛擬化解決方案。IaaS即“基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)”,將虛擬化的物理資源進行分割和包裝,用戶通過互聯(lián)網(wǎng)可從完善的計算機基礎(chǔ)設(shè)施獲得服務(wù),包括計算機、存儲空間、網(wǎng)絡(luò)連接、負載均衡和防火墻等基本計算資源服務(wù),以及存儲、鏡像、身份認證、監(jiān)控等配套服務(wù)[6-7]。通過虛擬化可以實現(xiàn)資源的動態(tài)遷移、虛擬機快照、虛擬機克隆、P2V(physical to virtual machine)等功能。OpenStack對當(dāng)前流行的虛擬化管理程序Xen、KVM、Hyper-V、VMware等都支持,但由于以前OpenStack是基于KVM開發(fā)的,多數(shù)情況下在進行云平臺構(gòu)建時會選擇KVM虛擬化管理程序。

圖3 OpenStack組件的相互關(guān)系

圖4 云端用戶使用云平臺操作流程

(2) 云存儲方案。云存儲就是將存儲資源放到云端供用戶訪問存取的一種網(wǎng)絡(luò)存儲方案,以數(shù)據(jù)存儲和管理為核心,將網(wǎng)絡(luò)中的各種不同類型的存儲設(shè)備通過一定的調(diào)度機制進行整合,向云終端用戶提供云存儲服務(wù)[8-9]。云存儲改變了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲在某一臺物理設(shè)備的存放模式,通過在邏輯上統(tǒng)一的存儲資源池對云端用戶提供服務(wù),具有良好的可擴展性和安全性。本平臺采用Ceph整合本地存儲服務(wù)器的存儲能力實現(xiàn)存儲虛擬化,Ceph是當(dāng)前非常流行的開源分布式存儲系統(tǒng),提供塊存儲服務(wù)、對象存儲服務(wù)以及文件系統(tǒng)存儲服務(wù),是OpenStack的主流后端存儲,為OpenStack提供統(tǒng)一共享存儲服務(wù)。

(3) 數(shù)據(jù)遷移方案。原有平臺數(shù)據(jù)需要遷移到創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺數(shù)據(jù)中心上,數(shù)據(jù)遷移應(yīng)保證原有數(shù)據(jù)的安全性和完整性,避免因數(shù)據(jù)遷移造成原有數(shù)據(jù)的丟失。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的引擎類型、數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量大小、業(yè)務(wù)讀寫數(shù)據(jù)庫的頻率等因素,遷移數(shù)據(jù)庫的方法有所不同。主要涉及云平臺數(shù)據(jù)庫初始化、備份本地全量數(shù)據(jù)庫、導(dǎo)入全量數(shù)據(jù)到云平臺數(shù)據(jù)庫、全量或者增量遷移、數(shù)據(jù)校驗和訂正、應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫程序改造等步驟。全量校驗及增量數(shù)據(jù)要做到實時校驗,快速、準確地驗證遷移數(shù)據(jù)的一致性[10]，其遷移過程見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)遷移過程

4 地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺特點分析

(1) 高度的靈活性和擴展性。傳統(tǒng)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺受到物理空間資源、人力資源、財力資源等多方面的局限,難以滿足地方高校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的需要。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺利用“互聯(lián)網(wǎng)+”理念探索出虛實相結(jié)合的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺,創(chuàng)業(yè)團隊可以突破時空限制,可以在任何時間和地點利用云平臺的資源。該平臺廣泛采用虛擬化、分布式存儲、分布式計算等先進技術(shù)與應(yīng)用模式,與地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動緊密結(jié)合,兼顧了學(xué)校、教師、學(xué)生以及企業(yè)的不同需求,具有高度的靈活性和擴展性。

(2) 資源集成度高。地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的相關(guān)資源融為一體,不同參與方形成利益共同體,都可以從云平臺獲取資源,地方高校、企業(yè)、大學(xué)生協(xié)同工作更為方便,由松散型合作向深層次緊密合作方向發(fā)展,云平臺會通過大數(shù)據(jù)分析項目特點和投資者的投資偏好,將項目推薦給具有類似偏好的投資者,實現(xiàn)資源按需分配和利益互惠,提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、業(yè)務(wù)水平和經(jīng)濟效益,創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺成為一個沒有圍墻的開放的共享平臺。

(3) 建設(shè)與管理成本低。地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資源統(tǒng)一集中到服務(wù)平臺上,為創(chuàng)業(yè)團隊提供了全方位創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)服務(wù)。與傳統(tǒng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺相比,云平臺動態(tài)部署和分配,學(xué)校無須再為終端購置專門軟件,降低了軟件采購成本,在新的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺中原有的服務(wù)設(shè)備能夠繼續(xù)利用,與云平臺融為一體,原有硬件的使用周期大為延長。整個云平臺數(shù)據(jù)采用分布式存儲在云平臺中不同的結(jié)點,由云服務(wù)管理平臺集中管理和調(diào)度,建設(shè)和管理成本大為降低。

5 結(jié)語

地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)云平臺是為地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)搭建的資源共享平臺,解決了傳統(tǒng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺對大部分學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)需求無法滿足的實際問題,對培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才具有重要的意義。