基于虛擬仿真平臺的云存儲技術實驗教學改革

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實驗教學改革

孫濤，李娟，劉春，李浩源，項征，劉薇

（大慶師范學院 計算機科學與信息技術學院，黑龍江 大慶 163712）

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

EVE-NG；虛擬仿真；云存儲；CDIO

隨著云計算技術的高速發展和廣泛應用，越來越多的企業將服務器部署在云端，云端的數據存儲性能和數據安全等問題至關重要[1]．云存儲是云計算中的存儲技術，云存儲技術課程旨在讓學生了解云計算中存儲技術的基本原理，熟悉云存儲技術體系及相關技術實現方法，采用理論與實踐相結合的方式，鍛煉學生的動手能力，加深其對理論知識的理解．云存儲技術實驗教學實踐性很強，基于云計算的復雜網絡結構和多種類型設備構成的實驗環境使其很難在實驗室里搭建．因此，云存儲技術這種云計算類的實驗教學環境難以在真實的實驗環境中實現．虛擬仿真技術為開展云存儲技術實驗教學提供了一種新的教學手段．

1 傳統云存儲技術實驗教學存在的問題

傳統云存儲技術實驗教學受實驗設備、實驗軟件限制，無法搭建出完全符合實驗要求的實驗環境，導致理論教學與實驗教學脫節．

1.1 實驗設備數量不足、更新慢

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

1.2 實驗環境單一、與理論脫節

云存儲技術是網絡工程專業課，學生在學習這門課之前需要掌握網絡的原理、交換機與路由器技術、Linux系統管理和服務器管理課程知識．將這些前導課中的技術與云存儲技術課程結合所設計的實驗項目具有很強的綜合性，實驗環境中不僅需要多臺交換機、路由器等網絡設備，還需要多臺安裝有Linux的服務器設備，而大部分實驗室無法提供數量眾多和類型多樣的實驗設備，導致實驗環境單一，與理論教學脫節．

1.3 實驗環境復雜、準備困難

傳統實驗教學采用真實的網絡及服務器設備，每次實驗前教師需要根據實驗要求對多臺不同類型的實驗設備進行初始化配置，由于實驗環境非常復雜，配置過程耗時又費力．而學生在實驗結束后還需要花費較長時間將實驗設備的配置恢復到使用前的狀態．

2 基于EVE-NG的云存儲技術虛擬仿真實驗平臺設計

EVE-NG（Emulated Virtual Environment-Next Generation）是一個B/S架構的網絡虛擬仿真平臺軟件．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等眾多網絡設備操作系統，Windows，CentOS，MacOS等主流操作系統，同樣能運行OpenStack，KVM，QEMU，Docker等虛擬化環境/云計算操作系統[8-10]．

為了EVE-NG能更好地為云存儲技術實踐教學使用，結合課程的實驗教學需求，設計了基于EVE-NG的虛擬仿真實驗教學平臺．平臺采用B/S架構，系統架構見圖1．

圖1 系統架構

整個系統由基礎設施層、技術支撐層、業務功能層3部分組成．其中基礎設施層是由服務器硬件設備組成，使用虛擬化技術為整個虛擬仿真實驗教學平臺提供計算資源、存儲資源和網絡資源的支持；在技術支撐層的實驗系統核心模塊通過API調用EVE-NG核心模塊實現虛擬仿真的功能，系統運行數據、學生實驗數據、用戶數據等信息存儲在數據庫模塊中；業務功能層由實驗拓撲設計、實驗項目管理、實驗參數管理等功能組成．教師登錄后可以管理實驗項目，設計實驗拓撲，批閱實驗報告；學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，管理平臺用戶數據，管理實驗數據等．

3 基于虛擬仿真平臺的云存儲技術實驗案例設計

以網絡工程專業云存儲技術課程中的“Ceph分布式存儲集群實驗”為例，使用基于EVE-NG設計的虛擬仿真實驗平臺構建由多臺網絡設備和存儲服務器組成的Ceph分布式集群實驗環境．

實驗任務介紹：某企業需要部署Ceph存儲服務，為網絡中其它服務器提供安全可靠的共享存儲空間．

3.1 實驗案例設計原則

（1）設計的案例不用追求全面覆蓋知識面，以能夠使學生較好地理解相關的技術原理和應用背景為原則，學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應用服務的部署方法．因此，實驗案例的設計既要保證能夠易于理解，又要具有較好的實踐操作性．

（2）設計的案例能夠激發學生對云存儲技術課程學習的興趣，并調動學習的積極性，讓學生從要我學轉變為我要學，改變學生的學習態度．為此，選擇的實驗案例不能太復雜，否則容易導致實驗很難完成，打擊學生學習積極性．實驗案例更多以驗證性實驗為主，實驗的目的是讓學生在實驗中能夠更直觀地感受云存儲各種技術的應用場景和實現方法，調動學生學習主動性．

3.2 實驗教學體系設計

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

基于CDIO的實驗教學過程由４部分組成，分別是構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）．在實驗案例設計中教師在實驗前引導學生針對項目的需求做構思（Conceive），然后設計（Design）出實驗的主要內容，根據設計的實驗內容學生自主完成實現（Implement）整個實驗，完成實驗后學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，主要目的讓學生了解實驗環境、實驗原理，熟悉實驗內容；中級難度的實驗，以小組為單位多人合作完成較復雜的實驗內容，鍛煉培養學生團隊協作能力和基本的工程能力；高級難度的實驗，學生以小組為單位能夠根據需求完成構思，設計實驗內容，自主實現實驗內容，培養學生的工程能力和實踐創新能力．結合Ceph分布式存儲集群實驗案例設計的實驗級別及實驗內容見表1．

表1 實驗級別及實驗內容

3.3 實驗教學過程設計

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計、Ceph集群安裝部署、存儲共享等步驟．

3.3.1 集群拓撲設計 在安裝部署Ceph集群前，通過項目的需求分析，結合需求設計適合的集群拓撲圖，規劃出合理的網絡參數是項目能否順利實施的關鍵．在初級難度實驗中集群拓撲主體由教師提前給出，學生只需設計出缺少的內容即可完成拓撲的設計．而中級難度由學生自己分析需求并設計集群拓撲．

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器IP地址等參數信息，為每臺服務器規劃分配適合的功能模塊．根據實驗任務中的描述，在虛擬仿真實驗平臺上設計了由3個節點服務器和2臺交換機構成的Ceph分布式集群拓撲（見圖2）．

圖2 Ceph分布式集群拓撲

基于拓撲結構規劃在3個節點服務上部署由6個OSD、3個Mon軟件服務、1個Mgr軟件服務、1個Mds軟件服務組成的Ceph分布式存儲集群．設計規劃的網絡及節點服務器信息見表2．

表2 網絡及節點服務器規劃

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前面設計的集群拓撲和網絡節點規劃參數，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器節點，雙擊不同的設備節點以VNC遠程終端的方式控制虛擬設備．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實現集群的基本功能，但集群存在存儲性能低、穩定性差等問題．在高級難度的實驗中需要對集群存儲性能和穩定性做優化，而集群部署時平衡每個存儲池中的PG數量和PGP數量對提高集群存儲性能和穩定性是相當重要的．

而PGP數量受到PG值的影響制約，編寫Python代碼計算PGP數量，計算結果為256．

Python代碼為：

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

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化前和優化后的存儲性能．使用linux下的dd命令寫入2 G數據，測試不同環境下的寫入時間．具體命令：dd if=/dev/zero of=/test.img bs=1 M count=2 048．存儲性能測試結果見表3．

表3 存儲性能測試 s

通過測試結果，能看出優化過的Ceph集群存儲性能有比較大的提升．

4 虛擬仿真平臺應用效果分析

云存儲技術課程有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過程信息．通過平臺上統計的實驗完成率對虛擬仿真平臺的實驗效果進行分析．統計學生在不同時間內完成實驗的情況，能夠分析出平臺對實驗完成情況產生的影響．不同時間段實驗完成率統計見表4．

表4 不同時間段實驗完成率統計 （％）

結果表明，基于虛擬仿真平臺的實驗教學，大部分學生可以在設定時間內完成實驗，而少部分學生可以在其它時間繼續進行實驗，讓學生在實驗過程中不受時間場地影響，獲得更大的自主權，顯著提高學生的實驗效率，增加了學生學習的興趣．

綜上所述，隨著云計算技術快速發展，云存儲技術發展為綜合性先進科學，而實驗教學對于提高學生的實踐能力、工程能力、創新能力至關重要．將基于EVE-NG構建的虛擬仿真實驗平臺應用于實驗教學，改進了傳統的實驗教學環境，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計的實驗案例是云存儲技術課程實驗教學改革的一次重要實踐，其結果說明使用EVE-NG虛擬仿真實驗平臺的實驗教學在培養學生實踐動手能力和創新能力方面取得較好的實驗教學效果，對高校培養復合型人才具有重要意義．

[1] 于程程，蔣文蓉，閆季鴻．云計算與云安全課程建設方法的探索與實踐[J]．科技資訊，2020，18（13）：92-93．

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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教育研究會計算機基礎教育教學研究課題（2021-AFCEC-158）

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