基于Openstack云計(jì)算技術(shù)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建與應(yīng)用

許彥佳

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)又稱服務(wù)器操作系統(tǒng)，主流系列包括Windows服務(wù)器系列和Linux服務(wù)器系列?！毒W(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》是中職計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的專業(yè)核心課程之一，要上好這門課程要求電腦主機(jī)能夠安裝并流暢運(yùn)行虛擬機(jī)軟件，譬如VMware Workstation或者Virtualbox等。據(jù)了解，目前大部分學(xué)校機(jī)房電腦主機(jī)仍然停留在4G內(nèi)存和機(jī)械硬盤的硬件水平，比較少學(xué)校的機(jī)房能夠配置8G內(nèi)存以及固態(tài)硬盤的電腦主機(jī)，加上機(jī)房硬盤老化和還原卡的影響，導(dǎo)致虛擬機(jī)軟件運(yùn)行服務(wù)器操作系統(tǒng)卡頓，為教師實(shí)訓(xùn)教學(xué)帶來較大的難度，學(xué)生實(shí)訓(xùn)質(zhì)量跟不上甚至無法實(shí)訓(xùn)。

筆者一直任教《網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》課程，所在學(xué)校也碰到上述的難題，促使筆者不斷尋找能夠解決《網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》實(shí)訓(xùn)教學(xué)的理想方案，最終筆者從Openstack云計(jì)算技術(shù)中找到思路并開發(fā)出實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，下面為大家分享基于Openstack云計(jì)算技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在《網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》教學(xué)中的應(yīng)用。

一、Openstack云計(jì)算技術(shù)簡(jiǎn)介

Openstack是一種基于分布式計(jì)算的云計(jì)算服務(wù)，它能夠迅速有效地調(diào)配相關(guān)的硬件資源來響應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，簡(jiǎn)單來說就是按需分配，負(fù)載均衡。目前Openstack占據(jù)了主流的云計(jì)算服務(wù)市場(chǎng)，它是基于開源的Linux內(nèi)核，主要搭建在Ubuntu和CentOS兩類主流Linux平臺(tái)上，已有思科、華為、RedHat等多家公司宣布對(duì)它進(jìn)行支持開發(fā)，接下來將會(huì)有更多更好的版本推出。本文實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用的是OpenstackOcata版本，該版本比較穩(wěn)定，在生產(chǎn)應(yīng)用中有比較好的口碑。

二、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)特色及可行性分析

1.硬件資源要求低，不依賴宿主機(jī)

得益于Openstack強(qiáng)大的云計(jì)算能力，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)只需要較少的硬件資源即能滿足較大的系統(tǒng)應(yīng)用需求，本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)選用的硬件資源均能在電商平臺(tái)選購(gòu)組裝完成，分為適合Linux和Windows實(shí)訓(xùn)兩大系列，如下表：

2.部署簡(jiǎn)單快捷、不受空間限制

本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用單點(diǎn)部署Openstack，即控制節(jié)點(diǎn)Controller，計(jì)算節(jié)點(diǎn)Compute以及存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)Storage都部署在同一臺(tái)服務(wù)器上的方案，類似官方的All-in-one（多合一）模式，能夠滿足隨時(shí)隨地切換到任意機(jī)房上課的需求。

3.可行性分析

目前，我?，F(xiàn)存14個(gè)電腦機(jī)房，有四分之三的機(jī)房電腦主機(jī)老化較嚴(yán)重，但是還能夠運(yùn)行谷歌瀏覽器以及其他小型程序，機(jī)房?jī)?nèi)局域網(wǎng)傳輸速度穩(wěn)定在百兆網(wǎng)絡(luò)水平。我校計(jì)算機(jī)專業(yè)每班學(xué)生平均40人左右，學(xué)生對(duì)《網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》學(xué)習(xí)興致比較高，特別是Linux服務(wù)器系列。綜上所述，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)恰好能夠解決《網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》機(jī)房實(shí)訓(xùn)難題，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)愿望，保障實(shí)訓(xùn)環(huán)境穩(wěn)定統(tǒng)一。

三、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用CentOS7.4和Shell腳本來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)安裝Openstack，新手可以采用官方的DevStack方式來安裝，其中有6大組件要安裝，分別是計(jì)算服務(wù)Nova，鏡像服務(wù)Glance，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)Neutron，存儲(chǔ)服務(wù)Cinder，認(rèn)證服務(wù)Keystone以及Web管理服務(wù)Horizon，這里就不具體展開安裝過程。由于Openstack是調(diào)用Linux底層KVM來實(shí)現(xiàn)虛擬化，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)安裝后要檢查修改配置文件/etc/nova/nova.conf中的“kvm_type=kvm”，確保優(yōu)先調(diào)用KVM。安裝成功后，用谷歌瀏覽器登錄http：//192.168.88.100/dashboard進(jìn)行管理，主頁(yè)如圖1所示，其中192.168.88.100是管理口網(wǎng)卡的IP，可以自定義為任意網(wǎng)段，默認(rèn)以管理員admin登錄操作。登錄進(jìn)去之后通過四個(gè)方面來完善實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建：

1.制作和上傳鏡像

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)安裝完成后要制作各類操作系統(tǒng)的鏡像文件，鏡像文件采用的是qcow2格式，這一點(diǎn)類似于VMware的虛擬硬盤vmdk文件。我?！毒W(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》的教學(xué)范疇包括Windows服務(wù)器系列和Linux服務(wù)器系列，因此一共需要制作和上傳五個(gè)鏡像文件，分別是Windows2003.qcow2，Windows2008.qcow2，Windows2012.qcow2，Centos6.9.qcow2和Centos7.4.qcow2。制作qcow2文件時(shí)要注意的是Windows系統(tǒng)鏡像在安裝制作過程中必須加載官方提供的Virtio虛擬硬盤和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，才能確保鏡像應(yīng)用后能夠正常使用和聯(lián)網(wǎng)。

2.創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)和路由

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)由兩張網(wǎng)卡來負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，其中一張為管理網(wǎng)卡，負(fù)責(zé)客戶端對(duì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的Web訪問和底層SSH管理。另一張為業(yè)務(wù)網(wǎng)卡，負(fù)責(zé)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。一般來說，機(jī)房網(wǎng)絡(luò)都是采用VLAN的管理方式，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)通過創(chuàng)建Flat網(wǎng)絡(luò)和VLAN網(wǎng)絡(luò)可以和任意VLAN網(wǎng)段的機(jī)房互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)快速接入和切換。如圖2所示，首先建立一個(gè)Flat外部網(wǎng)絡(luò)，它的網(wǎng)段（例如88網(wǎng)段）和接入的機(jī)房網(wǎng)段務(wù)必相同，接著建立VLAN55的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，它將為內(nèi)部虛擬機(jī)分配192.168.55.X/24的IP，最后通過配置路由，把Flat網(wǎng)絡(luò)和VLAN網(wǎng)絡(luò)通過各自的網(wǎng)關(guān)地址192.168.88.200和192.168.55.1轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)成功。接下來只要將接入機(jī)房的電腦主機(jī)的網(wǎng)關(guān)地址重新指定為192.168.88.200即可實(shí)現(xiàn)機(jī)房電腦直接訪問實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。如果要保持機(jī)房主機(jī)網(wǎng)關(guān)地址不變，則要對(duì)機(jī)房VLAN重新配置，比較麻煩，此舉為最快捷的做法。

3.創(chuàng)建實(shí)例類型和實(shí)例

實(shí)例指的是由鏡像生成的虛擬機(jī)，實(shí)例類型即是虛擬機(jī)配置模板，它為批量創(chuàng)建實(shí)例提供統(tǒng)一快捷的標(biāo)準(zhǔn)，這一點(diǎn)和VMware的vmx文件有異曲同工之妙。根據(jù)我校計(jì)算機(jī)專業(yè)班級(jí)平均人數(shù)，實(shí)訓(xùn)時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建的實(shí)例數(shù)大約45個(gè)左右，如果采用Web圖形化來創(chuàng)建實(shí)例效率相對(duì)較低，我們選擇采用CLI命令行創(chuàng)建方式，通過編寫Shell腳本來快速批量創(chuàng)建實(shí)例。創(chuàng)建單個(gè)實(shí)例時(shí)間視鏡像文件大小而定，第一次創(chuàng)建實(shí)例成功后接下來的實(shí)例都是快速生成的。例如，要?jiǎng)?chuàng)建45個(gè)最小化安裝的CentOS6.9實(shí)例，單個(gè)實(shí)例從創(chuàng)建到運(yùn)行大約5秒時(shí)間，創(chuàng)建45個(gè)實(shí)例總用時(shí)不到一分鐘。如果啟動(dòng)已經(jīng)事先創(chuàng)建好的45個(gè)實(shí)例費(fèi)時(shí)則小于30秒。而Windows服務(wù)器系統(tǒng)因?yàn)殓R像文件普遍較大，實(shí)例的創(chuàng)建時(shí)間會(huì)稍微長(zhǎng)一點(diǎn)，同系列服務(wù)器的實(shí)例創(chuàng)建時(shí)間均大同小異。

4.設(shè)置安全訪問規(guī)則

Openstack默認(rèn)實(shí)例的連接規(guī)則是只允許ICMP包的進(jìn)出，不允許Remote以及SSH等遠(yuǎn)程服務(wù)連接，這樣對(duì)課堂教學(xué)遠(yuǎn)程操作Windows和Linux會(huì)比較不方便，因此我們?cè)趯?shí)訓(xùn)平臺(tái)中要添加新的出入訪問規(guī)則，如添加SSH協(xié)議的22端口訪問規(guī)則滿足Linux的遠(yuǎn)程登錄，添加TCP協(xié)議的3389端口的訪問規(guī)則滿足Windows的遠(yuǎn)程接入，這樣機(jī)房主機(jī)便不用依賴宿主機(jī)的硬件資源實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)《網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》。

四、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

1.在Linux服務(wù)器實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

目前，大部分Linux教材以CentOS6為主，實(shí)訓(xùn)教學(xué)包括基礎(chǔ)命令練習(xí)，配置FTP，DHCP，DNS等常用服務(wù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)配置與管理等。按照常規(guī)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，學(xué)生只能在VMware中操作，使用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)后，通過Xshell5等SSH連接軟件在宿主機(jī)上便可直接連接到實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上的Linux實(shí)例，既快捷又穩(wěn)定。下面以配置FTP服務(wù)中某個(gè)子實(shí)驗(yàn)為例，首先教師在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)創(chuàng)建并啟動(dòng)45臺(tái)CentOS6.9虛擬機(jī)（實(shí)例），分別命名為CentOS6.9-1，2，3...，并約定實(shí)例的編號(hào)對(duì)應(yīng)學(xué)生的座位號(hào)，再通過VLAN55為實(shí)例分配對(duì)應(yīng)座位號(hào)的IP，最后每位學(xué)生只要通過IP地址就可以連接登錄到對(duì)應(yīng)的實(shí)例上去，開始實(shí)訓(xùn)FTP服務(wù)配置內(nèi)容。我們以座位號(hào)為26的學(xué)生（實(shí)例IP地址為192.168.55.26）為例：

第一步，先讓學(xué)生在自己登錄的實(shí)例上修改YUM源讓其自動(dòng)尋找指定的服務(wù)器來下載安裝包，YUM源repo文件內(nèi)容的關(guān)鍵語句如下：

baseurl=ftp：//192.168.55.200 ?//指定下載安裝包的YUM源服務(wù)器地址

enabled=1//啟用此YUM源

第二步，再讓學(xué)生在自己的實(shí)例上運(yùn)行yum-y install vsftpd命令安裝ftp服務(wù)，如圖3所示。安裝成功后再修改/etc/vsftpd/vsftpd.conf文件的參數(shù)，允許遠(yuǎn)程用戶進(jìn)行匿名下載。

最后，讓學(xué)生在宿主機(jī)的資源管理器上輸入ftp：//192.168.55.26，測(cè)試訪問ftp服務(wù)資源，完成實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。

通過上述實(shí)訓(xùn)操作，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程實(shí)際并不難，學(xué)生完成任務(wù)后基本能夠掌握FTP服務(wù)的搭建方法和原理，體驗(yàn)真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境操作。但如果使用VMware Workstation則容易因?yàn)檫\(yùn)行不暢等宿主機(jī)引起的原因而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，從而削減了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.在Windows服務(wù)器實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

Windows服務(wù)器系列目前主流的平臺(tái)是Windows 2008以及2012，鑒于Windows 2003的輕便性和易學(xué)性，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)共部署了Windows 2003、2008和2012三個(gè)版本。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包括熟練安裝和配置AD域、DNS、IIS、FTP、E-MAIL、DHCP等常用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以及文件系統(tǒng)安全配置、權(quán)限管理、CA服務(wù)配置、系統(tǒng)防火墻防護(hù)等，大部分服務(wù)配置和Linux實(shí)現(xiàn)的功能類似，本文不一一展開，主要不同的地方是學(xué)生通過在宿主機(jī)運(yùn)行“mstsc”遠(yuǎn)程連接命令來調(diào)用遠(yuǎn)程桌面連接服務(wù)，從而登錄Windows服務(wù)器實(shí)例進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作。

五、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果及結(jié)束語

綜上所述我們可以看到實(shí)訓(xùn)平臺(tái)能夠輕松地勝任Windows和Linux兩類網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)輔助，并能夠形象地演示中職學(xué)生需要學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)知識(shí)要點(diǎn)，而且在某些情況下還能方便地演示實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境無法實(shí)現(xiàn)的情形，例如大型域管理和DNS負(fù)載均衡等場(chǎng)景，可以開啟多個(gè)實(shí)例來模擬演示，而實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境則比較難實(shí)現(xiàn)。筆者所教學(xué)的17計(jì)算機(jī)應(yīng)用1班和2班，原本因?yàn)闄C(jī)房環(huán)境影響導(dǎo)致對(duì)《網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》這門課的學(xué)習(xí)存在障礙，自從運(yùn)用了Openstack實(shí)訓(xùn)平臺(tái)之后，教師和學(xué)生不用再擔(dān)心機(jī)房主機(jī)配置低或者老化的問題，45名學(xué)生在同時(shí)操作CentOS6.9和Windows 2003都不會(huì)有卡頓的感覺。由于學(xué)生實(shí)訓(xùn)的環(huán)境沒有差異，他們又對(duì)遠(yuǎn)程連接服務(wù)感到新鮮和好奇，彼此間增加了更多交流協(xié)作，和實(shí)訓(xùn)平臺(tái)“打成一片”，對(duì)《網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》的學(xué)習(xí)真正做到學(xué)以致用。教育部提倡以賽促學(xué)，全國(guó)職業(yè)技能大賽網(wǎng)絡(luò)搭建與應(yīng)用賽項(xiàng)有一半的考核內(nèi)容正是《網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》，筆者所輔導(dǎo)的兩位學(xué)生通過利用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)強(qiáng)化學(xué)習(xí)，提高訓(xùn)練效率，鞏固技能水平，他們參加2019年廣東省網(wǎng)絡(luò)搭建與應(yīng)用技能比賽獲得一等獎(jiǎng)并晉級(jí)國(guó)賽，這再次證明了實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在《網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的有效性。

Openstack實(shí)訓(xùn)平臺(tái)也存在一些不足之處，它和VMware Workstation雖然存在很多相似的操作，但目前還有一些地方不如單機(jī)操作VMware Workstation靈活，例如對(duì)網(wǎng)絡(luò)配置的操作，并且學(xué)生課外能夠在自己的電腦上自主使用VMware Workstation，而Openstack實(shí)訓(xùn)平臺(tái)目前只能在機(jī)房使用。當(dāng)單機(jī)硬件資源相對(duì)充足時(shí)，VMware Workstation能滿足開啟多臺(tái)虛擬機(jī)進(jìn)行操作。而Openstack實(shí)訓(xùn)平臺(tái)要滿足多人開啟多臺(tái)實(shí)例，對(duì)服務(wù)器是一個(gè)挑戰(zhàn)，這時(shí)需要升級(jí)單臺(tái)服務(wù)器的配置，或者繼續(xù)增加服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。

Openstack實(shí)訓(xùn)平臺(tái)使用過程中還會(huì)出現(xiàn)一些 Bug。例如，部署Pike版本的時(shí)候，只要是使用對(duì)等網(wǎng)訪問dashboard的話，打開web頁(yè)面就會(huì)非常卡頓，此時(shí)只要把對(duì)等網(wǎng)環(huán)境切換為三層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，問題就解決了。無論如何，瑕不掩瑜，我們要肯定它對(duì)《網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》教學(xué)的幫助，本文旨在分享推廣Openstack云計(jì)算技術(shù)對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的幫助，有利于對(duì)其他兄弟院校在此方面的應(yīng)用提供借鑒參考，亦希望能通過技術(shù)和教學(xué)的相互交流發(fā)掘其更多有用功能。

責(zé)任編輯何麗華