基于OpenStack的云計(jì)算平臺(tái)在高校教學(xué)中的應(yīng)用

盧春光，賈亞娟

（河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，IT產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了多次變革，從個(gè)人計(jì)算機(jī)變革，互聯(lián)網(wǎng)變革，到目前的云計(jì)算變革。云計(jì)算的變革，改變了我們獲取計(jì)算機(jī)硬件、軟件和服務(wù)等資源的方式。云計(jì)算平臺(tái)通過網(wǎng)絡(luò)將我們所需要的各項(xiàng)計(jì)算資源以動(dòng)態(tài)的方式交付，讓用戶可以通過PC或手機(jī)等終端設(shè)備靈活進(jìn)行訪問，在各行各業(yè)應(yīng)用廣泛。在高等院校中，通過計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行教學(xué)模擬或?qū)嵺`練習(xí)已經(jīng)越來越普及，更多的課程需要借助計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行輔助。目前，大多數(shù)學(xué)校存在計(jì)算機(jī)教學(xué)場地不足、計(jì)算機(jī)設(shè)備更新緩慢、設(shè)備維護(hù)人員短缺等現(xiàn)象。通過云計(jì)算平臺(tái)，可以更高效地進(jìn)行資源整合及管理，幫助高校更好地進(jìn)行教學(xué)與管理[1]。

1 高校教學(xué)現(xiàn)狀分析

在高校的教學(xué)中，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)已經(jīng)不可或缺。目前 “一機(jī)多用”的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，即使在一個(gè)計(jì)算機(jī)教學(xué)機(jī)房，不同專業(yè)的教師和學(xué)生在共同使用相同的設(shè)備。在這種情況下，計(jì)算機(jī)需要安裝的軟件比較多，會(huì)帶來非常大的資源消耗，容易出現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟硬件故障，影響課堂教學(xué)。由于課堂教學(xué)與實(shí)踐的時(shí)間較短，除去教師講解操作的時(shí)間，留給學(xué)生實(shí)踐操作的時(shí)間較少，會(huì)出現(xiàn)部分同學(xué)無法在課堂時(shí)間完成相應(yīng)的練習(xí)。當(dāng)學(xué)生下次進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，計(jì)算機(jī)設(shè)備會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)還原，之前的操作會(huì)被清空，如果要繼續(xù)完成上一次的練習(xí)，需要重新開始，影響學(xué)習(xí)效果。因計(jì)算機(jī)設(shè)備需要在課后定期進(jìn)行維護(hù)管理等，學(xué)生在課后時(shí)間無法直接使用，對(duì)通過課后練習(xí)來加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果的影響較大。

2 云計(jì)算平臺(tái)現(xiàn)狀分析

當(dāng)前，云計(jì)算平臺(tái)按照部署模式，可分為公有云、私有云和混合云[2]。公有云的優(yōu)點(diǎn)是使用簡單，不需要擔(dān)心運(yùn)維管理，缺點(diǎn)是長期使用費(fèi)用較高，不方便定制教學(xué)環(huán)境。私有云是由使用單位自己建設(shè)的云平臺(tái)，提供內(nèi)部資源訪問，其缺點(diǎn)是初期建設(shè)成本較高，但是優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在后期進(jìn)行資源管理、動(dòng)態(tài)調(diào)整及教學(xué)環(huán)境分類定制等方面，適合長期使用。混合云是由兩種及以上的云平臺(tái)組成，適合規(guī)模較小的企業(yè)單位使用。

典型的私有云平臺(tái)有3A Cloud，OATOS，Eucalyptus，OpenStack等[3]。其中，OpenStack是一個(gè)開源的云計(jì)算平臺(tái)，部署實(shí)施比較簡單，伸縮和擴(kuò)展方便，國內(nèi)外有眾多的廠商使用，相關(guān)論壇比較多，便于后期的運(yùn)維管理。因此，本文介紹基于OpenStack的云計(jì)算平臺(tái)在高校教學(xué)中的應(yīng)用。

3 基于OpenStack的云計(jì)算教學(xué)平臺(tái)

3.1 OpenStack架構(gòu)及工作原理

OpenStack是一個(gè)開源的云計(jì)算項(xiàng)目，由多個(gè)核心組件組合起來完成工作，可基于瀏覽器的可視化平臺(tái)進(jìn)行各項(xiàng)操作管理[4]，其核心架構(gòu)如圖1所示。

圖1 OpenStack核心架構(gòu)

OpenStack每一個(gè)組件實(shí)現(xiàn)其中的一部分功能，不同的組件可以相互調(diào)用，共同配合實(shí)現(xiàn)用戶的服務(wù)請(qǐng)求，不同的用戶可以選擇符合自己需求的組件進(jìn)行搭建部署，其核心組件是必不可少的[5]，云計(jì)算教學(xué)平臺(tái)搭建選用的核心組件及其功能介紹。（1）keystone：身份認(rèn)證服務(wù)，用戶想要訪問OpenStack其他資源，需要向keystone申請(qǐng)授權(quán)，獲取Token值，然后才能申請(qǐng)相應(yīng)的資源和權(quán)限。（2）nova：計(jì)算服務(wù)，管理虛擬機(jī)實(shí)例的生命周期。（3）glance：鏡像服務(wù)，為創(chuàng)建虛擬機(jī)提供鏡像模板，支持多種格式。（4）neutron：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為創(chuàng)建的虛擬機(jī)提供網(wǎng)絡(luò)管理。（5）cinder：塊存儲(chǔ)，為創(chuàng)建的虛擬機(jī)實(shí)例提供持久的存儲(chǔ)。（6）swift：對(duì)象存儲(chǔ)，提供基于云的彈性存儲(chǔ)。（7）ceilometers：監(jiān)控服務(wù)，用于監(jiān)控和度量資源。（8）heat：編配服務(wù)，通過定義模板，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)實(shí)例的自動(dòng)化部署。（9）horizon：控制臺(tái)服務(wù)，通過Web管理界面，進(jìn)行各項(xiàng)服務(wù)的管理。

3.2 云計(jì)算教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

通過OpenStack部署教學(xué)云平臺(tái)，對(duì)高校教學(xué)現(xiàn)狀會(huì)有較大的改善。基于OpenStack的云計(jì)算教學(xué)平臺(tái)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于OpenStack的云計(jì)算教學(xué)平臺(tái)的架構(gòu)

該教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)分為基礎(chǔ)平臺(tái)、管理平臺(tái)和應(yīng)用平臺(tái)。

（1）基礎(chǔ)平臺(tái)：教學(xué)平臺(tái)的基礎(chǔ)平臺(tái)基于OpenStack架構(gòu)進(jìn)行搭建，由1臺(tái)控制節(jié)點(diǎn)服務(wù)器、1臺(tái)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器、N臺(tái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，N臺(tái)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器以及交換機(jī)和防火墻等硬件設(shè)備組成。

在控制節(jié)點(diǎn)服務(wù)器安裝消息服務(wù)QPID、數(shù)據(jù)庫服務(wù)MySQL、認(rèn)證服務(wù)Keystone、鏡像服務(wù)Glance、計(jì)算控制服務(wù)Nova、塊存儲(chǔ)控制服務(wù)、對(duì)象存儲(chǔ)控制服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)Neutron、控制臺(tái)服務(wù)Horizon、編配服務(wù)Heat、監(jiān)控服務(wù)Ceilometer、計(jì)算節(jié)點(diǎn)服務(wù)器安裝計(jì)算服務(wù)Nova Compute、網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)Neutron、監(jiān)控服務(wù)Ceilometer Compute、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器安裝塊存儲(chǔ)服務(wù)Cinder和對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)Swift、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器安裝網(wǎng)絡(luò)服務(wù)Neutron。服務(wù)器的操作系統(tǒng)采用Linux的CentOS版本，配合交換機(jī)和防火墻完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)服務(wù)的安裝，實(shí)現(xiàn)管理層的訪問。

（2）管理平臺(tái)：在基礎(chǔ)平臺(tái)構(gòu)建完成的基礎(chǔ)上，進(jìn)行管理平臺(tái)的搭建。在管理平臺(tái)，通過不同Web網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)課程平臺(tái)、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、軟件平臺(tái)、鏡像資源、網(wǎng)盤資源和用戶資料的管理等模塊的構(gòu)建。課程平臺(tái)和實(shí)訓(xùn)平臺(tái)提供各自的資源上傳模板，專業(yè)教師上傳資源之前需要按照模板進(jìn)行資源的整理，通過提供的Web接口可以讓教師、學(xué)生及管理員進(jìn)行訪問。軟件/鏡像平臺(tái)根據(jù)教師教學(xué)所需要的軟件，由學(xué)校統(tǒng)一進(jìn)行購買，按照不同院系，不同專業(yè)進(jìn)行分類，供教師和學(xué)生下載使用。提供不同專業(yè)教師所需鏡像資源，教師將教學(xué)所需要的操作系統(tǒng)類型及各種軟件通過申請(qǐng)表向管理員提出申請(qǐng)，由管理員通過OpenStack的Glance服務(wù)，定制不同的教學(xué)鏡像，如Windows7，CentOS7，Ubuntu，Windows Server等。網(wǎng)盤資源平臺(tái)通過OpenStack的對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)Swift構(gòu)建，提供教師和學(xué)生上傳下載各類教輔資料。用戶資料平臺(tái)用來管理注冊(cè)的教師賬號(hào)和學(xué)生賬號(hào)信息，并對(duì)學(xué)校管理員、院系和各專業(yè)教師賦予相應(yīng)權(quán)限，以便更改教師和學(xué)生信息。

（3）用戶平臺(tái)：在用戶平臺(tái)，可以使用瀏覽器訪問管理平臺(tái)的各項(xiàng)資源。管理員可以對(duì)所有資源進(jìn)行訪問和管理；院系管理員可以訪問已被授權(quán)的各項(xiàng)教學(xué)資源及其他公共資源；普通教師可以訪問自己所授課程的各項(xiàng)資源及其他公共資源；學(xué)生可以通過校園網(wǎng)絡(luò)訪問本專業(yè)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，各項(xiàng)課程所需的軟件資源以及網(wǎng)盤教輔資料等；師生可以通過專屬VPN等工具從校外訪問教學(xué)云平臺(tái)，如在疫情防控下，學(xué)校通過網(wǎng)絡(luò)授課，學(xué)生無法返校，可以通過教學(xué)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)正常的各項(xiàng)課程教學(xué)，降低對(duì)教學(xué)質(zhì)量的影響。教師和學(xué)生可以注冊(cè)校內(nèi)論壇，對(duì)學(xué)校的課程建設(shè)和其他建設(shè)提出各自的意見，促進(jìn)學(xué)校的教學(xué)診改和其他方面工作的推進(jìn)。在學(xué)校的教學(xué)平臺(tái)推進(jìn)過程中，應(yīng)結(jié)合云桌面的建設(shè)，逐漸淘汰舊的物理機(jī)設(shè)備，目前階段還應(yīng)兩者結(jié)合使用，以節(jié)約成本。

3.3 云計(jì)算教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用優(yōu)勢

通過搭建云計(jì)算教學(xué)平臺(tái)，可以解決傳統(tǒng)基于物理設(shè)備進(jìn)行教學(xué)的不足。

（1）學(xué)生可以進(jìn)行持續(xù)性學(xué)習(xí)：相比傳統(tǒng)的教學(xué)和實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，學(xué)生可以在現(xiàn)場課程結(jié)束之后重復(fù)進(jìn)行學(xué)習(xí)或者對(duì)課堂練習(xí)進(jìn)行持續(xù)操作，無論是在圖書館、自習(xí)室或者宿舍，無論是工作日或是周末，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（2）教師可以將更多精力投入教學(xué)：通過云計(jì)算教學(xué)平臺(tái)的使用，教師可以減少大量因計(jì)算機(jī)或多媒體等設(shè)備軟硬件故障帶來的精力消耗，將更多的精力投入課堂講授及學(xué)生輔導(dǎo)。

（3）便于管理員的維護(hù)：云計(jì)算教學(xué)平臺(tái)通過服務(wù)器來搭建，硬件設(shè)備相對(duì)集中，運(yùn)行維護(hù)起來更加方便。冗余備份機(jī)制大大降低了云平臺(tái)出現(xiàn)故障的概率，為師生提供更好的教與學(xué)平臺(tái)。

（4）提供線上教學(xué)：在過去的一年中，因疫情原因，全國高校出現(xiàn)師生無法返校的困境，各個(gè)學(xué)校先后提出停課不停學(xué)的口號(hào)，教師在家中通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行授課，學(xué)生在家中學(xué)習(xí)。許多課程需要進(jìn)行大量的虛擬實(shí)訓(xùn)練習(xí)，而學(xué)生由于計(jì)算機(jī)留在學(xué)校或設(shè)備配置低等原因不能按照要求完成學(xué)習(xí)任務(wù)，造成學(xué)習(xí)效果較差。通過部署云計(jì)算平臺(tái)，師生使用定制VPN可以從校園網(wǎng)以外的網(wǎng)絡(luò)訪問校內(nèi)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，進(jìn)行相關(guān)的學(xué)習(xí)，可以真正實(shí)現(xiàn)停課不停學(xué)的目標(biāo)。

4 結(jié)語

基于OpenStack的云計(jì)算教學(xué)平臺(tái)，有效地整合了各項(xiàng)軟硬件資源，解決了因設(shè)備、場地等問題帶來的不足，方便了教學(xué)資源的共享，學(xué)生由課堂上的被動(dòng)式學(xué)習(xí)，逐漸地轉(zhuǎn)變?yōu)檎n上課下的主動(dòng)式學(xué)習(xí)，提高了教與學(xué)的效率。同時(shí)，云計(jì)算教學(xué)平臺(tái)的實(shí)施，推動(dòng)了教學(xué)模式的探索，為教學(xué)診改提供數(shù)據(jù)與平臺(tái)支撐，有效地推動(dòng)了教學(xué)的發(fā)展。