基于OpenStack的教學(xué)資源云平臺建設(shè)與應(yīng)用

何 俊 彥

(上海工藝美術(shù)職業(yè)學(xué)院 上海 201808)

基于OpenStack的教學(xué)資源云平臺建設(shè)與應(yīng)用

何 俊 彥

(上海工藝美術(shù)職業(yè)學(xué)院 上海 201808)

針對高校教學(xué)資源管理存在的問題，提出基于OpenStack構(gòu)建適用于教學(xué)資源統(tǒng)一管理的計(jì)算機(jī)云平臺。該云平臺使用IaaS服務(wù)模式，包含物理資源層、虛擬資源層以及云平臺管理層，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用的快速部署，異構(gòu)環(huán)境的整合，降低了運(yùn)維難度。相比較于傳統(tǒng)的教學(xué)資源管理方案，該云平臺有效融合了教育業(yè)務(wù)功能、教務(wù)數(shù)據(jù)、信息共享數(shù)據(jù)。實(shí)際應(yīng)用表明，該云平臺能為高校教學(xué)改革創(chuàng)新提供多樣的教學(xué)環(huán)境，提高了教學(xué)資源的利用效率以及教育管理效率。

教學(xué)資源 云計(jì)算 云平臺 OpenStack

0 引 言

目前，高校中的教學(xué)資源(視頻、課件、作品、素材、圖書等)普遍較為分散，無法轉(zhuǎn)化成數(shù)字化、集聚化、網(wǎng)絡(luò)化的教育資源，無法形成統(tǒng)一的專業(yè)資源庫管理平臺，形成一批有特色的課程、作品和專業(yè)資源庫，更無法實(shí)現(xiàn)共建共享的機(jī)制。一方面，教師希望能改變教學(xué)觀念與模式，形成線上線下混合式的高效教學(xué)管理和互動教學(xué)，基于數(shù)據(jù)科學(xué)有效地進(jìn)行課程教學(xué)評價(jià)。另一方面，學(xué)生希望能開展自主學(xué)習(xí)和個(gè)性化輔導(dǎo)學(xué)習(xí)，突破傳統(tǒng)培養(yǎng)模式，滿足個(gè)性化需求，達(dá)到因材施教自由發(fā)展的目標(biāo)。因此，有必要構(gòu)建一個(gè)能統(tǒng)一調(diào)度高校已有教學(xué)資源，進(jìn)行按需分配使用的管理平臺[1-2]。

整體來看，高校教育的信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已初見成效，信息化環(huán)境已基本完備。綜合上海工藝美術(shù)職業(yè)學(xué)院現(xiàn)狀評估及調(diào)研分析，本文提出利用OpenStack[3]技術(shù)構(gòu)建教學(xué)資源云平臺，該云平臺以課程作為主導(dǎo)，深度整合公共教學(xué)資源和各種專業(yè)教學(xué)資源，有效支持教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

1 OpenStack介紹

云計(jì)算平臺的服務(wù)類型可分為3種[4]：PaaS(平臺即服務(wù))、SaaS(軟件即服務(wù))和IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))。在IaaS服務(wù)類型中，需要使用云計(jì)算管理系統(tǒng)(也稱云操作系統(tǒng))來管理整個(gè)硬件資源。在各類云平臺構(gòu)建工具中，由于OpenStack獲得授權(quán)許可十分便利，且能完全免費(fèi)使用，也十分易于進(jìn)行二次開發(fā)，因此成為目前使用率最高的云平臺構(gòu)建工具[5-6]。

OpenStack始于2010年，最初是作為Rackspace Hosting和NASA的聯(lián)合項(xiàng)目[7]。OpenStack自問世以來已經(jīng)歷了多個(gè)版本的迭代演化，其總體架構(gòu)如圖1所示。以Juno版本為例[8]，其主要組成部分包含：認(rèn)證組件(Keystone)、監(jiān)測組件(Ceilometer)、塊存儲組件(Cinder)、計(jì)算組件(Nova)、鏡像組件(Glance)、對象存儲組件(Swift)、絡(luò)組件(Neutron)、數(shù)據(jù)庫組件(Trove)、儀表盤組件(Horizon)和自動化部署組件(Heat)。這些組件可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行自由組合，實(shí)現(xiàn)靈活的定制和豐富的功能。

圖1 OpenStack總體架構(gòu)

2 云平臺功能需求分析

本文所構(gòu)建的教學(xué)資源云平臺所需要實(shí)現(xiàn)的功能較為復(fù)雜、性能要求高，因此，必須全面考慮基礎(chǔ)支撐平臺、資源、系統(tǒng)功能與應(yīng)用平臺功能。

首先，云平臺應(yīng)能充分利用學(xué)校已具備的各項(xiàng)資源，包括硬件資源(計(jì)算服務(wù)器、文件服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)，軟件資源(各級信息管理系統(tǒng)、多媒體資源等)，教學(xué)資源(教學(xué)視頻、大綱、作業(yè)、PPT、討論答疑等)，還包括通過整合獲取的資源(圖書、視頻等)。

然后，云平臺應(yīng)能提供統(tǒng)一的管理服務(wù)，包括用戶管理、多媒體資源管理、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)挖掘、單點(diǎn)登錄、統(tǒng)一認(rèn)證等。

最終，云平臺需要為師生提供豐富的應(yīng)用服務(wù)，包括教學(xué)資源云平臺門戶、個(gè)人空間、教學(xué)課程云平臺課程建設(shè)模塊、教學(xué)課程云平臺教學(xué)互動模塊、教學(xué)課程云平臺教學(xué)管理模塊、專業(yè)資源庫、課程中心、專業(yè)資源庫。

3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)功能需求分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，云平臺的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)教學(xué)資源云平臺系統(tǒng)由云平臺管理節(jié)點(diǎn)、云平臺資源節(jié)點(diǎn)(包括系統(tǒng)管理資源節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)庫資源節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用系統(tǒng)資源節(jié)點(diǎn))、云存儲系統(tǒng)以及以太網(wǎng)交換機(jī)、安全系統(tǒng)等組成，主要組成部分說明如下：

云平臺管理節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)對整個(gè)教學(xué)資源云平臺所包含的各項(xiàng)資源(包括計(jì)算資源、存儲資源、文件資源等)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理。OpenStack提供了統(tǒng)一的Web接口給管理員和業(yè)務(wù)用戶，以便于對設(shè)定權(quán)限范圍內(nèi)的資源進(jìn)行訪問和操作。

云平臺資源節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)提供支撐各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的計(jì)算資源。由于云平臺系統(tǒng)中的資源節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，根據(jù)覆蓋范圍的大小，使用層次化結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行抽象分類，通?？煞譃橹鳈C(jī)(Host)、集群(Cluster)、機(jī)架(Pod)、資源域(Zone)四個(gè)層次。各層次之間呈遞進(jìn)關(guān)系，使用前一層次作為后一層次的組建單元。例如，以主機(jī)作為基本組成單元進(jìn)行集群的部署。

云存儲：負(fù)責(zé)為計(jì)算節(jié)點(diǎn)提供存儲功能。云平臺根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的不同特點(diǎn)如高I/O訪問、高并發(fā)訪問、大文件共享訪問、小文件隨機(jī)讀寫等，需要選擇相應(yīng)的存儲架構(gòu)如SAN、NAS、存儲虛擬化、云存儲或海量存儲等架構(gòu)。

云平臺通過虛擬化技術(shù)對計(jì)算型服務(wù)器資源和存儲型服務(wù)器資源進(jìn)行池化，將業(yè)務(wù)部署在虛擬機(jī)上。每臺物理服務(wù)器上會運(yùn)行多臺虛擬機(jī)服務(wù)器，為了保證虛擬機(jī)運(yùn)行效率，本文使用IP-SAN構(gòu)建存儲網(wǎng)絡(luò)，保證了存儲系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。同時(shí)需要考慮虛擬機(jī)的負(fù)載均衡問題[9]，合理調(diào)度虛擬機(jī)資源。

4 基于OpenStack的云平臺架構(gòu)

如圖3所示，本文以O(shè)penStack技術(shù)為基礎(chǔ)，采用業(yè)界廣泛使用的IaaS云平臺三層架構(gòu)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。IaaS三層架構(gòu)分別包括物理資源層、資源虛擬化層和云服務(wù)管理層。

圖3 IaaS三層架構(gòu)圖

物理資源層：包括服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)。針對本文所搭建云平臺，在服務(wù)器資源方面選擇計(jì)算型配置的服務(wù)器產(chǎn)品，提供足夠的計(jì)算能力保證虛擬機(jī)的運(yùn)行性能；在存儲資源方面選擇存儲型配置的服務(wù)器產(chǎn)品，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置大容量的本地硬盤，通過分布式文件系統(tǒng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)分布式存儲系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)資源方面在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)方面使用10 GB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，管理網(wǎng)絡(luò)方面使用1 GB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

資源虛擬化層：虛擬化是云計(jì)算平臺的核心技術(shù)之一。本文采取全面虛擬化技術(shù)，即包含計(jì)算虛擬化技術(shù)、存儲虛擬化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，這樣才能為上層云服務(wù)提供有效支持。計(jì)算虛擬化采用Linux系統(tǒng)下開源的KVM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；存儲虛擬化采用Ceph分布式文件系統(tǒng)技術(shù)，有效整合本地存儲服務(wù)器的存儲能力，形成分布式的共享存儲資源池；網(wǎng)絡(luò)虛擬化采用萬兆網(wǎng)絡(luò)與VLAN相互配合的模式。

云服務(wù)管理層：是三層架構(gòu)里的核心組成部分。OpenStack云計(jì)算平臺可以實(shí)現(xiàn)資源的自動管理和動態(tài)分配，例如根據(jù)應(yīng)用需求，調(diào)配合適的資源數(shù)量，并在應(yīng)用結(jié)束后自動回收資源。平臺可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求，定制虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)，包括服務(wù)器的配置、數(shù)量、存儲類型和大小，以及配套的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。云平臺使用者可通過應(yīng)用業(yè)務(wù)交互界面提交業(yè)務(wù)請求，每個(gè)業(yè)務(wù)請求的生命周期由云平臺維護(hù)，從而降低了平臺的業(yè)務(wù)運(yùn)行與維護(hù)成本。

IaaS實(shí)現(xiàn)了資源的高度共享、集中管理以及動態(tài)擴(kuò)展，從而可以提高資源的利用率。同時(shí)可以根據(jù)上層業(yè)務(wù)對資源的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)資源的合理調(diào)配，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

5 云平臺硬件配置方案

在云平臺的實(shí)際構(gòu)建過程中，對照前文所述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，云平臺的管理節(jié)點(diǎn)，資源節(jié)點(diǎn)和存儲節(jié)點(diǎn)的硬件配置如下：

管理節(jié)點(diǎn)使用1臺ThinkServer RD650服務(wù)器，作為云平臺管理控制系統(tǒng)，用于管理和控制整個(gè)云計(jì)算環(huán)境。

資源節(jié)點(diǎn)分為標(biāo)準(zhǔn)資源結(jié)點(diǎn)與高性能資源結(jié)點(diǎn)。

使用5臺ThinkServer服務(wù)器，作為標(biāo)準(zhǔn)資源池，用來運(yùn)行對資源需求比較常規(guī)的系統(tǒng)。每節(jié)點(diǎn)配置2顆E5-2620 V3處理器，256 GB內(nèi)存，4個(gè)千兆以太網(wǎng)口，2個(gè)萬兆以太網(wǎng)口，2塊300 GB SAS盤配置為RAID1模式，安裝Linux操作系統(tǒng)運(yùn)行KVM虛擬化平臺。

使用2臺高端配置的System x3850 X6服務(wù)器，作為高性能資源池，用來運(yùn)行對于CPU和內(nèi)存需求較高、負(fù)載較重、比較關(guān)鍵的大型應(yīng)用來使用。每節(jié)點(diǎn)配置4顆E7-4850 V3處理器，512 GB內(nèi)存，4個(gè)千兆以太網(wǎng)口，2個(gè)萬兆以太網(wǎng)口，2塊600 GB SAS盤配置為RAID1模式，安裝Linux操作系統(tǒng)運(yùn)行KVM虛擬化平臺。

存儲節(jié)點(diǎn)使用3臺存儲型配置的ThinkServer服務(wù)器，每節(jié)點(diǎn)2塊300 GB SAS硬盤配置RAID1安裝Linux操作系統(tǒng)，10塊4TB硬盤作為分布式文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)盤，2塊240 GB SSD作為分布式存儲中的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)加速部分，用來提高分布式文件系統(tǒng)的性能。存儲節(jié)點(diǎn)配置2顆E5-2620 V3處理器，64 GB內(nèi)存，2個(gè)千兆以太網(wǎng)口，2個(gè)萬兆以太網(wǎng)口。

6 云平臺的使用

教師和學(xué)生使用教學(xué)資源云平臺進(jìn)行教學(xué)和學(xué)習(xí)的流程如圖4和圖5所示。通過教學(xué)資源云平臺的建設(shè)，將本校的優(yōu)質(zhì)教育資源數(shù)字化，包括名師的講課、專業(yè)文獻(xiàn)、教材教輔、課件等。實(shí)際使用表明，這些教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)數(shù)字化后易于傳播使用，能滿足教師教育教學(xué)、學(xué)生個(gè)性化自主學(xué)習(xí)需求。

圖4 教師教學(xué)流程圖

圖5 學(xué)生學(xué)習(xí)流程圖

云平臺管理員的操作流程如圖6所示，通過統(tǒng)一管理界面，管理員可以對整個(gè)教學(xué)資源云平臺的運(yùn)作進(jìn)行合理調(diào)度，體現(xiàn)了云平臺對資源的高效管理。

圖6 管理員操作流程圖

同時(shí)，云平臺與學(xué)校原有的各類信息管理系統(tǒng)，包括教務(wù)系統(tǒng)、學(xué)生信息系統(tǒng)、圖書館借閱系統(tǒng)、校園論壇等，進(jìn)行了緊密連接，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間的信息共享與數(shù)據(jù)同步。一方面，云平臺降低了多個(gè)系統(tǒng)之間冗余數(shù)據(jù)的維護(hù)成本與異步數(shù)據(jù)帶來的潛在錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，云平臺避免了原系統(tǒng)服務(wù)功能分散，操作繁瑣的情況，通過統(tǒng)一的門戶界面可以為用戶提供一站式的便捷服務(wù)。

7 結(jié) 語

本文針對高校現(xiàn)有教學(xué)資源利用率不高的問題，基于OpenStack技術(shù)構(gòu)建了教學(xué)資源云平臺，借助虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了包括軟、硬件在內(nèi)的教學(xué)資源的統(tǒng)一分配和部署，提高了教學(xué)資源的靈活性和利用率，滿足了教育教學(xué)的發(fā)展需要，為數(shù)字校園的深入改革奠定了良好基礎(chǔ)。

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CONSTRUCTIONANDAPPLICATIONOFTEACHINGRESOURCESCLOUDPLATFORMBASEDONOPENSTACK

He Junyan

(ShanghaiArtandDesignAcademy,Shanghai201808,China)

Aiming at the problem of teaching resources management in colleges and universities，we propose a computer cloud platform based on OpenStack for unified management of teaching resources. This cloud platform uses IaaS service model, including physical resource layer, virtual resource layer and cloud platform management layer, to realize the rapid deployment of applications, integration of heterogeneous environments, reducing the difficulty operation and maintenance. Compared with traditional teaching resources management solutions, this cloud platform effectively integrates the educational business functions, teaching affairs data and information sharing data. Practical application shows that this cloud platform can provide a variety of teaching environments for teaching reform and innovation, improve the efficiency of teaching resources and education management efficiency.

Teaching resources Cloud computing Cloud platform OpenStack

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.09.025

2016-12-19。何俊彥，高工，主研領(lǐng)域：信息化規(guī)劃，軟件工程。