OpenSt ack私有云在教學資源共享中的應用

何孫杰 匡芳君*

1 引言

隨著大數據時代的到來，高校教學資源在提高教學水平中的作用也越來越重要，高校管理者也意識到教學資源共享的應用價值。如何充分發揮硬件資源的價值，更好地利用信息技術資源提高教育水平正逐漸受到各大高校的重視。和傳統的教學資源共享相比，考慮到“私有云”的教學資源共享平臺具有節省成本、共享便捷、管理高效、能耗更低等優點。在“私有云”概念出現之前，教育資源管理中也強調共享，但是這種共享存在成本高、利用率低、維護困難等缺點，如何利用云計算平臺彌補這些不足，進一步提高教學水平顯得尤為重要。本文從傳統IT教學資源共享存在缺陷入手，分析現階段高校教學資源共享需要解決的問題，考慮如何利用云計算平臺解決共享難的問題，以提高資源利用率；然后利用Openstack構建教學資源共享平臺，并以視頻教學資源共享為例，展示了利用Openstack私有云構建教學資源共享的優勢。

2 OpenStack私有云應用研究現狀及優勢

2.1 私有云

云計算是基于互聯網的相關服務的增加、使用和交付模式，一般涉及通過互聯網來提供動態易擴展且經常是虛擬化的資源。云是網絡、互聯網的一種比喻說法。對云計算的定義有多種說法，現在大眾認可度最高的是美國國家標準與技術研究院（NIST）是定義：云計算是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問，進入可配置的計算資源共享池（資源包括網絡，服務器，存儲，應用軟件，服務），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務供應商進行很少的交互[3]。其體系結構如圖1所示。

圖1 云計算服務原理圖

云計算有以下幾種部署模式：私有云、公有云、社區云和混合云。私有云一般是為一個機構單獨構建，并單獨為這個機構服務的；公共云由云服務提供商所建立，用戶通過網絡購買租用云中的資源；社區云為有共同關注點的多家機構所建立；混合云由兩個或兩個以上的云組成，這些云彼此相互獨立，而本文研究在各個高校內部資源的共享，使用私有云對于擴展性、共享速度以及安全性方面更有優越性。無論哪一種部署模式，按照服務類型一般都可以分為三類[4]：軟件即服務(SaaS)、平臺即服務(PaaS)和基礎設施即服務(IaaS)這三大類。

2.2 OpenStack私有云在教學資源共享中的關鍵技術

2.2.1 基于私有云的教育資源共享的優勢

在“私有云”概念興起之前，許多高校嘗試利用公有云搭建自己的教學資源共享平臺。由于私有云可以完全工作在高校內網中，而公有云往往依靠相關公司的服務器來提供服務，與私有云相比，公有云的安全性不足，服務水平也不及私有云。另外，使用私有云還可節約成本。私有云平臺可以更好地保障數據安全，還可以防止數據的泄漏和來源與外部網絡的攻擊。OpenStack是一種云計算控制器結構，利用Python語言編寫。這種構架對于硬件平臺成本要求更低，且資源共享速度更快更方便。

2.2.2 OpenStack的框架及部署方式

平臺的目標是在云計算技術的支持下，建立基于Open-Stack項目的學習資源共享系統。關鍵技術在于分布式硬件資源（包括服務器，網絡和存儲設備）的統一，并利用虛擬化技術形成統一的硬件資源。具體來說，包括由OpenStack提供的用于統一管理的池，開源組件為用戶提供IaaS服務，用戶從IaaS租用資源并存儲他們自己的學習資源。此外，還包括開發部署和共享學習資源系統，以及為管理員和學生提供學習資源。

OpenStack作為一個開源項目，提供了一個部署云的操作平臺，用于管理大量的計算機、存儲設備和網絡資源組成的資源池，為私有云提供良好的擴展性[1]。OpenStack主要有7個核心組件[2]，各組件之間的關系如圖2所示。

圖2 Openstack核心組件關系

（1）計算機組建(Nova)：提供虛擬主機計算資源，將計算能力通過虛擬機的方式交付用戶。

（2）身份認證(Keystone)：提供統一的授權和身份驗證。

（3）管理門戶(Horizon)：基于API接口，用于管理門戶的Web端則用Python語言開發。

（4）鏡像管理(Glance)：為平臺提供虛擬磁盤鏡像的目錄分類管理以及鏡像的管理。

（5）網絡管理(Quantum)：實現了虛擬機的網絡資源管理，包括后續的負載均衡、公網映射、子網IP管理、網絡連接等功能。

（6）對象存儲(Swift)：通過鍵值對的方式實現對象文件的存儲讀取。

（7）快存儲(Cinder)：實現了對塊存儲的管理，為虛擬機提供云硬盤服務。

另外，OpenStack的部署方式主要分為兩種：多點部署及單點部署。單點部署即所有OpenStack組件只需要安裝在同一物理節點上。只涉及一臺物理節點，具有所占用資源少，OpenStack的大部分功能都可用；管理、維護方便；網絡結構簡單，不用考慮復雜的網絡拓撲結構；調試和研究方便，無需跨節點調試等優點。而多點部署即是采用多結點的部署方式，適用于有較多硬件資源的情況，具有管理、維護接近真實環境；OpenStack各組件間的相互依賴關系更加清晰；Open-Stack各組件的功能和穩定性更好等優點。

然而，單點部署擴展較難、實用性較差、OpenStack各組件間的關系不易研究。多點部署涉及到眾多節點，部署麻煩且不易理清OpenStack各組件間的關系、維護困難、每個節點運行各自的服務導致資源浪費。因此，較為實用的部署方式是采用兩種節點：主控節點和計算節點，如圖3所示。這樣，此部署不僅擴展容易、維護方便，而且該架構具有高可靠性，能夠持續穩定地提供服務。

圖3 主控節點和計算節點示意圖

3 OpenStack私有云在教學資源共享中的應用

3.1 私有云的實現

本章介紹在高校網絡環境中部署Openstack私有云的實現方法。這里僅說明一般性方法，具體實施方法還要結合高校各自情況加以說明。

3.1.1 現有教學資源遷移

傳統教學資源主要包括教學課件、教學試題以及教學成績。這些教學資源往往存儲在某一臺或者某幾臺特定的服務器中[5]。這樣，一旦這些服務器發生故障或者離線，所有教師和學生都將失去對這些資源的訪問能力。對于這部分教學資源可以很方便地遷移到搭建好的云計算平臺上。Openstack云計算平臺提供虛擬機服務支持，只需要將傳統教學資源所在服務器的硬盤數據制作成映像文件，并且將該映像文件導入到服務器中，創建特定的虛擬機服務，即可完成遷移工作。遷移過后，用戶訪問可以不受云計算平臺中某臺服務器故障的影響。

3.1.2 分布式計算資源構建

許多高校都建有專門的數據處理服務器[6]，用來滿足教學和科研過程中對于高強度計算所需要的處理能力。然而，用戶想要申請得到這些計算資源往往需要繁瑣的申請手續。另外，用于教學目的的資源相對短缺，導致開設的相關課程教學質量下降，不能滿足需求。要創建計算資源云處理平臺，需要在原本的每臺高性能計算機上配置Openstack Computing程序。并且將程序配置在計算節點模式。這些計算節點相互連接，并且可以根據需要，動態地劃分為多個不同的虛擬計算機。

系統管理員可以將擁有不同權限的賬號分配給每一個教師，而教師又可以根據教學需要，為每個學生分配不同性能的虛擬主機。學生可以使用分配到的賬號登錄到遠程桌面，熟悉相關技術和操作。這樣一來，高校可以充分利用現有的硬件資源，做到硬件資源分配最優化，使得每一個使用需求都能夠得到較好的滿足。這有利于提高教質量和水平[7]。

3.2 應用實例分析

學習資源共享平臺利用云計算技術為高校提供基礎設施服務（IaaS）。它通過OpenStack項目將現有的所有的硬件設施組織到一個統一的虛擬資源池中，并為高校提供租用接口。高?？梢栽谧庥玫幕A設施上存儲學習資源，部署自己的應用程序等。平臺應用層的學習資源共享系統也可以部署在高校租用的資源上供學生使用。在云計算資源共享平臺中，基礎設施管理員負責資源池中資源的分配和監控。每個高校都是資源的使用者。他們租用池中的基礎設施并部署自己的資源共享系統來存儲學習資源信息，以及應用程序數據庫。同時，高?？梢允褂肳eb控制臺檢查租用資源的使用情況并作出新的租賃決定。學生在高校登錄學習資源共享系統學習平臺，獲取學習資源，獲得學習資源許可，同時支付一定費用。每個高校通過學習資源共享系統的管理平臺來管理學習資源，并監控每個學生的學習行為。在實際部署時，管理節點采用1臺ThinkServer服務器進行平臺管理控制，用來控制云環境；用5臺ThinkServer常規服務器，搭配萬兆網口和大容量內存來充當資源池；采用具有大硬盤，64GB內存，SSD讀寫加速和至少2個千兆網口，2個萬兆網口的服務器作為儲存節點。

3.2.1 教學視頻資源共享

教學視頻資源一般是指課堂的視頻錄像和一些演示性實驗[8]。傳統的教學資源視頻是存儲在學校的服務器主機的。受限于物理情況，主機的帶寬和處理能力都是有限的。當訪問用戶比較多、點播量很大的時候，經常會出現宕機的現象。

這部分資源的云端化處理適宜采用多點對多點（Peer to Peer）的傳輸方式。利用Openstack可以實現這一技術。在這種基于Web的結構中，用戶可以不用安裝客戶端軟件，服務器可以協調處理這些訪問請求，并且將其重定向到已經下載了相同資源的用戶。這樣，就不需要每個用戶都從服務器下載視頻數據，從而實現了減輕服務器壓力，提高用戶體驗。

3.2.2 考勤數據生成與共享

考勤是教學工作中的重要環節，利用私有云可以提供考勤的效率[9]。傳統考勤方式一般是教師對照名冊，逐個確認學生是否在場。結合電子圍欄技術和基于位置信息服務（LBS），可以方便完成考勤工作。該過程可以自動完成，不對教學活動造成任何影響。

4 系統平臺的優缺點

分析私有云系統應用于教學資源的優點和不足，以便高校評估自身是否適合搭建私有云平臺。該系統具有成本低廉、使用方便、高可靠性等優點。利用開源社區的豐富資源，該系統可以定制出多種強大功能。此外，由于系統整體采用Python語言編寫，因此系統的可維護性非常高。同樣地，由于采用的是開源代碼，這些代碼是由開源社區維護的，因此當代碼出現問題時，用戶需要向開源社區求助或者自行解決。當系統變得龐大而復雜的時候，這會給系統的維護帶來不便。另外，該系統的執行效率相對較低，在硬件資源緊張的情況下，系統的運行可能會變得非常緩慢。通過分析上述缺點，我們可以從以下研究點加以突破，包括調度算法優化領域、在線遷移優化技術、負載均衡優化設計、計算性能優化設計、虛擬化性能優化技術、能源損耗優化領域等。尤其是調度算法，比如裝箱問題、啟發算法、遺傳算法等等，都能提高資源利用率。

5 結束語

本文提供了高校搭建Openstack云計算平臺的一般方法。Opestack技術在教學資源共享中的意義重大，但并不是每一所高校都適合使用該技術搭建教學資源共享平臺。本文分析了這種云計算平臺的特點，高校應當根據自身需求決定是否搭建以及搭建怎樣規模的私有云，來盡可能提高教學水平。如果高校規模比較龐大，可以借鑒Openstack技術的思路，構建自主構架的云計算平臺。未來，私有云技術會在多線程處理技術、訪問控制技術、存儲快速響應技術等關鍵性技術領域有重大突破，但是云計算基本組件和服務不會有太大變化。