基于虛擬仿真平臺的云存儲技術(shù)實驗教學(xué)改革

孫濤，李娟，劉春，李浩源，項征，劉薇

基于虛擬仿真平臺的云存儲技術(shù)實驗教學(xué)改革

孫濤，李娟，劉春，李浩源，項征，劉薇

（大慶師范學(xué)院 計算機科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163712）

分析云存儲技術(shù)實驗教學(xué)平臺存在的問題，以EVE-NG技術(shù)為核心設(shè)計了虛擬仿真實驗教學(xué)平臺．介紹了在虛擬仿真平臺上云存儲技術(shù)實驗案例的設(shè)計過程，從實驗案例的設(shè)計原則、實驗教學(xué)體系分級設(shè)計、實驗教學(xué)過程等方面對案例做了詳細介紹．應(yīng)用效果分析表明，虛擬仿真平臺在實驗教學(xué)中取得良好的效果．

EVE-NG；虛擬仿真；云存儲；CDIO

隨著云計算技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，越來越多的企業(yè)將服務(wù)器部署在云端，云端的數(shù)據(jù)存儲性能和數(shù)據(jù)安全等問題至關(guān)重要[1]．云存儲是云計算中的存儲技術(shù)，云存儲技術(shù)課程旨在讓學(xué)生了解云計算中存儲技術(shù)的基本原理，熟悉云存儲技術(shù)體系及相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)方法，采用理論與實踐相結(jié)合的方式，鍛煉學(xué)生的動手能力，加深其對理論知識的理解．云存儲技術(shù)實驗教學(xué)實踐性很強，基于云計算的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多種類型設(shè)備構(gòu)成的實驗環(huán)境使其很難在實驗室里搭建．因此，云存儲技術(shù)這種云計算類的實驗教學(xué)環(huán)境難以在真實的實驗環(huán)境中實現(xiàn)．虛擬仿真技術(shù)為開展云存儲技術(shù)實驗教學(xué)提供了一種新的教學(xué)手段．

1 傳統(tǒng)云存儲技術(shù)實驗教學(xué)存在的問題

傳統(tǒng)云存儲技術(shù)實驗教學(xué)受實驗設(shè)備、實驗軟件限制，無法搭建出完全符合實驗要求的實驗環(huán)境，導(dǎo)致理論教學(xué)與實驗教學(xué)脫節(jié)．

1.1 實驗設(shè)備數(shù)量不足、更新慢

近年來高校越來越重視實踐教學(xué)，不斷加大投入改善實驗教學(xué)條件．但一方面，仍然存在實驗設(shè)備數(shù)量不足，設(shè)備性能低下，電源及網(wǎng)絡(luò)線路老化等問題；另一方面，由于計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷更新，實驗硬件也需要不斷升級或更換才能適應(yīng)新技術(shù)，而有限的經(jīng)費無法滿足頻繁升級或更換實驗設(shè)備的需求[2-4]．

1.2 實驗環(huán)境單一、與理論脫節(jié)

云存儲技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)課，學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課之前需要掌握網(wǎng)絡(luò)的原理、交換機與路由器技術(shù)、Linux系統(tǒng)管理和服務(wù)器管理課程知識．將這些前導(dǎo)課中的技術(shù)與云存儲技術(shù)課程結(jié)合所設(shè)計的實驗項目具有很強的綜合性，實驗環(huán)境中不僅需要多臺交換機、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，還需要多臺安裝有Linux的服務(wù)器設(shè)備，而大部分實驗室無法提供數(shù)量眾多和類型多樣的實驗設(shè)備，導(dǎo)致實驗環(huán)境單一，與理論教學(xué)脫節(jié)．

1.3 實驗環(huán)境復(fù)雜、準(zhǔn)備困難

傳統(tǒng)實驗教學(xué)采用真實的網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)器設(shè)備，每次實驗前教師需要根據(jù)實驗要求對多臺不同類型的實驗設(shè)備進行初始化配置，由于實驗環(huán)境非常復(fù)雜，配置過程耗時又費力．而學(xué)生在實驗結(jié)束后還需要花費較長時間將實驗設(shè)備的配置恢復(fù)到使用前的狀態(tài)．

2 基于EVE-NG的云存儲技術(shù)虛擬仿真實驗平臺設(shè)計

EVE-NG（Emulated Virtual Environment-Next Generation）是一個B/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真平臺軟件．它支持Dynamips，IOL，QEMU３大組件，這３個組件完成了EVE-NG平臺上所有設(shè)備的虛擬化，是支撐EVE-NG仿真平臺的核心[5-7]．在這３大組件的支持下EVE-NG能運行Cisco，H3C，Huawei等眾多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備操作系統(tǒng)，Windows，CentOS，MacOS等主流操作系統(tǒng)，同樣能運行OpenStack，KVM，QEMU，Docker等虛擬化環(huán)境/云計算操作系統(tǒng)[8-10]．

為了EVE-NG能更好地為云存儲技術(shù)實踐教學(xué)使用，結(jié)合課程的實驗教學(xué)需求，設(shè)計了基于EVE-NG的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺．平臺采用B/S架構(gòu)，系統(tǒng)架構(gòu)見圖1．

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

整個系統(tǒng)由基礎(chǔ)設(shè)施層、技術(shù)支撐層、業(yè)務(wù)功能層3部分組成．其中基礎(chǔ)設(shè)施層是由服務(wù)器硬件設(shè)備組成，使用虛擬化技術(shù)為整個虛擬仿真實驗教學(xué)平臺提供計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源的支持；在技術(shù)支撐層的實驗系統(tǒng)核心模塊通過API調(diào)用EVE-NG核心模塊實現(xiàn)虛擬仿真的功能，系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、學(xué)生實驗數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等信息存儲在數(shù)據(jù)庫模塊中；業(yè)務(wù)功能層由實驗拓撲設(shè)計、實驗項目管理、實驗參數(shù)管理等功能組成．教師登錄后可以管理實驗項目，設(shè)計實驗拓撲，批閱實驗報告；學(xué)生可以選擇實驗項目，在線進行實驗，撰寫實驗報告；管理員可以維護實驗平臺信息，管理平臺用戶數(shù)據(jù)，管理實驗數(shù)據(jù)等．

3 基于虛擬仿真平臺的云存儲技術(shù)實驗案例設(shè)計

以網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)云存儲技術(shù)課程中的“Ceph分布式存儲集群實驗”為例，使用基于EVE-NG設(shè)計的虛擬仿真實驗平臺構(gòu)建由多臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和存儲服務(wù)器組成的Ceph分布式集群實驗環(huán)境．

實驗任務(wù)介紹：某企業(yè)需要部署Ceph存儲服務(wù)，為網(wǎng)絡(luò)中其它服務(wù)器提供安全可靠的共享存儲空間．

3.1 實驗案例設(shè)計原則

（1）設(shè)計的案例不用追求全面覆蓋知識面，以能夠使學(xué)生較好地理解相關(guān)的技術(shù)原理和應(yīng)用背景為原則，學(xué)生通過實踐操作并分析、排除實驗故障的過程，不僅可以進一步理解課程中的知識點，還可以熟練掌握相關(guān)應(yīng)用服務(wù)的部署方法．因此，實驗案例的設(shè)計既要保證能夠易于理解，又要具有較好的實踐操作性．

（2）設(shè)計的案例能夠激發(fā)學(xué)生對云存儲技術(shù)課程學(xué)習(xí)的興趣，并調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生從要我學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槲乙獙W(xué)，改變學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度．為此，選擇的實驗案例不能太復(fù)雜，否則容易導(dǎo)致實驗很難完成，打擊學(xué)生學(xué)習(xí)積極性．實驗案例更多以驗證性實驗為主，實驗的目的是讓學(xué)生在實驗中能夠更直觀地感受云存儲各種技術(shù)的應(yīng)用場景和實現(xiàn)方法，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性．

3.2 實驗教學(xué)體系設(shè)計

為了讓實驗案例更符合企業(yè)對工程人才的要求，在案例的設(shè)計中將CDIO工程教育模式融入到云存儲技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中．CDIO的教育理念注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，通過任務(wù)化、項目化或應(yīng)用型的實驗項目，能夠讓學(xué)生的個人能力與團隊協(xié)同能力都能得到提升，鍛煉了學(xué)生的項目設(shè)計和實施能力，從而實現(xiàn)了理論-實踐-工程的升級式教學(xué)過程．

基于CDIO的實驗教學(xué)過程由４部分組成，分別是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）．在實驗案例設(shè)計中教師在實驗前引導(dǎo)學(xué)生針對項目的需求做構(gòu)思（Conceive），然后設(shè)計（Design）出實驗的主要內(nèi)容，根據(jù)設(shè)計的實驗內(nèi)容學(xué)生自主完成實現(xiàn)（Implement）整個實驗，完成實驗后學(xué)生以演示的方式展示項目運作（Operate）的情況．

將實驗難度分為初級、中級、高級3個等級．初級難度的實驗，以教師講解實驗原理和演示實驗過程為主，主要目的讓學(xué)生了解實驗環(huán)境、實驗原理，熟悉實驗內(nèi)容；中級難度的實驗，以小組為單位多人合作完成較復(fù)雜的實驗內(nèi)容，鍛煉培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作能力和基本的工程能力；高級難度的實驗，學(xué)生以小組為單位能夠根據(jù)需求完成構(gòu)思，設(shè)計實驗內(nèi)容，自主實現(xiàn)實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和實踐創(chuàng)新能力．結(jié)合Ceph分布式存儲集群實驗案例設(shè)計的實驗級別及實驗內(nèi)容見表1．

表1 實驗級別及實驗內(nèi)容

3.3 實驗教學(xué)過程設(shè)計

在實驗過程中實驗的初級、中級、高級每個等級都要完成集群拓撲設(shè)計、Ceph集群安裝部署、存儲共享等步驟．

3.3.1 集群拓撲設(shè)計 在安裝部署Ceph集群前，通過項目的需求分析，結(jié)合需求設(shè)計適合的集群拓撲圖，規(guī)劃出合理的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是項目能否順利實施的關(guān)鍵．在初級難度實驗中集群拓撲主體由教師提前給出，學(xué)生只需設(shè)計出缺少的內(nèi)容即可完成拓撲的設(shè)計．而中級難度由學(xué)生自己分析需求并設(shè)計集群拓撲．

以中級難度實驗為例，通過對項目需求的分析，合理劃分交換機接口和服務(wù)器IP地址等參數(shù)信息，為每臺服務(wù)器規(guī)劃分配適合的功能模塊．根據(jù)實驗任務(wù)中的描述，在虛擬仿真實驗平臺上設(shè)計了由3個節(jié)點服務(wù)器和2臺交換機構(gòu)成的Ceph分布式集群拓撲（見圖2）．

圖2 Ceph分布式集群拓撲

基于拓撲結(jié)構(gòu)規(guī)劃在3個節(jié)點服務(wù)上部署由6個OSD、3個Mon軟件服務(wù)、1個Mgr軟件服務(wù)、1個Mds軟件服務(wù)組成的Ceph分布式存儲集群．設(shè)計規(guī)劃的網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點服務(wù)器信息見表2．

表2 網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點服務(wù)器規(guī)劃

3.3.2 Ceph集群安裝部署 在初、中、高3個不同難度的實驗中都需要根據(jù)前面設(shè)計的集群拓撲和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點規(guī)劃參數(shù)，在虛擬仿真實驗平臺上安裝、部署Ceph集群．啟動平臺上所有交換機和服務(wù)器節(jié)點，雙擊不同的設(shè)備節(jié)點以VNC遠程終端的方式控制虛擬設(shè)備．在虛擬仿真平臺上部署Ceph集群的過程見圖3．

圖3 虛擬仿真平臺部署Ceph集群過程

在初、中級難度的安裝部署過程中全部使用默認的配置方法部署的集群只能夠?qū)崿F(xiàn)集群的基本功能，但集群存在存儲性能低、穩(wěn)定性差等問題．在高級難度的實驗中需要對集群存儲性能和穩(wěn)定性做優(yōu)化，而集群部署時平衡每個存儲池中的PG數(shù)量和PGP數(shù)量對提高集群存儲性能和穩(wěn)定性是相當(dāng)重要的．

而PGP數(shù)量受到PG值的影響制約，編寫Python代碼計算PGP數(shù)量，計算結(jié)果為256．

Python代碼為：

在實驗過程中不同難度的實驗要求學(xué)生完成的內(nèi)容也不相同．在高級難度的實驗中為了獲得更好存儲優(yōu)化效果，可以鼓勵學(xué)生組隊，通過查閱相關(guān)資料嘗試設(shè)計新的PGP優(yōu)化計算方法，鍛煉學(xué)生創(chuàng)新能力．

3.3.3 存儲共享 在客戶端使用塊存儲和文件存儲方式將Ceph集群的共享存儲掛載到本地．完成Ceph集群部署的存儲共享后，鼓勵學(xué)生以小組方式展示Ceph集群的運行效果．展示方法是對掛載到本地的Ceph塊存儲和文件存儲測試其優(yōu)化前和優(yōu)化后的存儲性能．使用linux下的dd命令寫入2 G數(shù)據(jù)，測試不同環(huán)境下的寫入時間．具體命令：dd if=/dev/zero of=/test.img bs=1 M count=2 048．存儲性能測試結(jié)果見表3．

表3 存儲性能測試 s

通過測試結(jié)果，能看出優(yōu)化過的Ceph集群存儲性能有比較大的提升．

4 虛擬仿真平臺應(yīng)用效果分析

云存儲技術(shù)課程有5個實驗，分別是RAID與LVM、IP-SAN及存儲多路徑、GlusterFS存儲集群、Ceph分布式存儲集群、Redis集群．虛擬仿真實驗平臺上記錄了實驗教學(xué)過程信息．通過平臺上統(tǒng)計的實驗完成率對虛擬仿真平臺的實驗效果進行分析．統(tǒng)計學(xué)生在不同時間內(nèi)完成實驗的情況，能夠分析出平臺對實驗完成情況產(chǎn)生的影響．不同時間段實驗完成率統(tǒng)計見表4．

表4 不同時間段實驗完成率統(tǒng)計 （％）

結(jié)果表明，基于虛擬仿真平臺的實驗教學(xué)，大部分學(xué)生可以在設(shè)定時間內(nèi)完成實驗，而少部分學(xué)生可以在其它時間繼續(xù)進行實驗，讓學(xué)生在實驗過程中不受時間場地影響，獲得更大的自主權(quán)，顯著提高學(xué)生的實驗效率，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣．

綜上所述，隨著云計算技術(shù)快速發(fā)展，云存儲技術(shù)發(fā)展為綜合性先進科學(xué)，而實驗教學(xué)對于提高學(xué)生的實踐能力、工程能力、創(chuàng)新能力至關(guān)重要．將基于EVE-NG構(gòu)建的虛擬仿真實驗平臺應(yīng)用于實驗教學(xué)，改進了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)環(huán)境，讓師生不再受硬件條件、時間、場地限制，隨時可以進行實驗．基于虛擬仿真平臺設(shè)計的實驗案例是云存儲技術(shù)課程實驗教學(xué)改革的一次重要實踐，其結(jié)果說明使用EVE-NG虛擬仿真實驗平臺的實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新能力方面取得較好的實驗教學(xué)效果，對高校培養(yǎng)復(fù)合型人才具有重要意義．

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Experimental teaching reform of cloud storage technology based on virtual simulation platform

SUN Tao，LI Juan，LIU Chun，LI Haoyuan，XIANG Zheng，LIU Wei

（School of Computer Science and Information Technology，Daqing Normal University，Daqing 163712，China）

Analyzes the problems existing in the experimental teaching platform of cloud storage technology，and designs a virtual simulation experimental teaching platform with EVE-NG technology as the core. Introduces the design process of the experimental case of cloud storage technology on the virtual simulation platform，and introduces the case in detail from the design principles of the experimental case，the hierarchical design of the experimental teaching system，the experimental teaching process and so on.Analysis of the application effect shows that the virtual simulation platform has achieved good results in experimental teaching.

EVE-NG；virtual simulation；cloud storage；CDIO

1007-9831（2023）01-0074-05

TP391.9∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.01.016

2022-05-28

全國高等院校計算機基礎(chǔ)教育研究會計算機基礎(chǔ)教育教學(xué)研究課題（2021-AFCEC-158）

孫濤（1978-），男，黑龍江大慶人，高級實驗師，碩士，從事網(wǎng)絡(luò)管理及網(wǎng)絡(luò)安全研究．E-mail：120092119@qq.com