基于OpenStack云計算的計算機教學實訓平臺設計與實現(xiàn)

楊健兵,陳莉莉

(南通科技職業(yè)學院 信息與智能工程學院,江蘇 南通 226007)

0 引言

目前,高校計算機教學實訓平臺一般是采用在Windows操作系統(tǒng)上安裝VMware Workstation虛擬化軟件,然后在VMware Workstation架構下搭建虛擬機,進而完成學習教學實訓任務的方式。滕吉鵬等[1]采用基于VMware Workstation 16和VNC Viewer的技術架構構建教學實訓平臺。李光輝等[2]采用VMware 虛擬網(wǎng)絡實訓平臺構建教學實訓平臺。周富肯等[3]采用VMware搭建網(wǎng)絡攻防實訓系統(tǒng)。黃平等[4]采用VMware搭建虛擬機完成計算機網(wǎng)絡實踐教學。吳榮森[5]采用虛擬機完成高職計算機實訓教學任務。姚友軍[6]使用VMware Workstation搭建Pnetlab網(wǎng)絡環(huán)境實現(xiàn)理實一體化教學。趙耘田等[7]提出利用eNSP模擬仿真軟件和VMware虛擬機搭建虛擬仿真環(huán)境開展課程實踐教學改革。王馨等[8]提出基于VMware服務器虛擬化的教學實驗部署與研究。

傳統(tǒng)的實訓平臺也存在一些問題,如隨著時間推移計算機性能逐漸下降;學生下課后無法使用教學實訓資源;由于一般實訓室都安裝還原卡,所以無法保存實驗實訓數(shù)據(jù)。這些問題都困擾著計算機教學實訓平臺的發(fā)展。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展,云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能技術已經(jīng)融入人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。在教學行業(yè)中,如何把這些技術融入教學活動、加強教學實訓平臺建設、提高教師工作效率、延長學生使用教學實訓平臺時間、便于教師管理等問題,正成為教育行業(yè)研究的重點。

1 云計算

云計算是由虛擬化、網(wǎng)格計算、分布式計算等技術結合應用發(fā)展而來。根據(jù)美國國家標準和技術研究院給出的定義,云計算是一種用戶能夠通過網(wǎng)絡訪問以按需付費的、便捷的、自助的方式獲取計算資源,包括網(wǎng)絡、服務器、存儲、應用軟件和服務等,這些資源來自一個共享的、可自定義配置的虛擬資源池,用戶能夠通過最小的管理代價或者服務提供者的交互快速地獲取和釋放資源[9-10]。

OpenStack是一個開源的云計算管理平臺項目,是一系列軟件開源項目的組合,由美國國家航空航天局和Rackspace合作研發(fā)并發(fā)起,以Apache許可證授權。OpenStack為私有云和公有云提供可擴展的彈性的云計算服務[11]。

2 基于OpenStack云計算的教學實訓平臺設計

由于OpenStack具有開源、免費、容易部署等諸多優(yōu)點,根據(jù)計算機教學實訓平臺的特點和使用現(xiàn)狀,通過研究云計算技術、KVM虛擬化技術和OpenStack云計算技術的相關知識和原理,本文研究并設計了基于OpenStack云計算的教學實訓平臺,能夠?qū)崿F(xiàn)平臺由部署在學生端到服務器端的重大轉變,學生能夠全天候使用實訓平臺,減少學校投入和班級干擾。該平臺由3部分組成,分別是OpenStack云計算基礎平臺、OpenStack云計算管理平臺和OpenStack云計算用戶平臺。平臺的架構如圖1所示。

圖1 基于OpenStack云計算教學實訓平臺設計

2.1 OpenStack云計算基礎平臺

OpenStack云計算基礎平臺硬件主要由一系列服務器組成,其中1臺服務器為控制節(jié)點,其余服務器為計算節(jié)點。控制節(jié)點是整個云計算基礎平臺的核心,主要負責OpenStack系統(tǒng)的管理。計算節(jié)點是 OpenStack 的資源提供者,主要負責提供計算和存儲資源,用于創(chuàng)建虛擬機實例。OpenStack由幾十個模塊所組成,其中常用的模塊有Keystone、Glance、Nova、Neutron、Dashboard、Cinder和Swift,這些組件一起構建OpenStack集群架構。Keystone模塊的功能是對用戶和其他模塊進行身份及權限驗證。Glance模塊的功能是為虛擬機提供鏡像支持,方便用戶快速創(chuàng)建虛擬機。Nova模塊的功能是對虛擬機的生命周期提供管理。Neutron模塊的功能是為虛擬機提供網(wǎng)絡資源,用戶能夠通過網(wǎng)絡連接到虛擬機。Dashboard模塊為用戶提供網(wǎng)頁支持,方便用戶操作管理。Cinder模塊為虛擬機提供塊存儲服務,方便虛擬機增加存儲空間。Swift模塊的功能是提供對象存儲服務,可以把Glance鏡像存放在Swift中,用戶的數(shù)據(jù)也可以保存在Swift中。

考慮到OpenStack版本眾多,本文OpenStack計算云平臺構建采用OpenStack Train版?？刂乒?jié)點和計算節(jié)點需要做一些基礎配置,如安裝網(wǎng)絡配置服務、設置NTP時鐘同步、關閉防火墻、關閉Selinux、安裝OpenStack基礎包等。然后在控制節(jié)點安裝 Mysql 數(shù)據(jù)庫服務、RabbitMQ消息服務、Keystone 認證服務、Glance鏡像服務、Nova 計算服務、Neutron網(wǎng)絡服務和Dashboard界面服務,同時也需要對這些服務進行配置和管理。計算節(jié)點還需要安裝Nova 計算服務、Neutron網(wǎng)絡服務、Cinder塊存儲服務和Swift對象存儲服務。安裝完成后,可以通過瀏覽器登錄云計算平臺,創(chuàng)建內(nèi)部網(wǎng)絡、外部網(wǎng)絡、路由器,通過路由器連接內(nèi)部網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡,并根據(jù)給定鏡像創(chuàng)建虛擬機,設置訪問規(guī)則后就可以訪問虛擬機。該虛擬機就是師生的教學實訓平臺,在OpenStack云計算基礎上構建的虛擬機位于服務器上,師生通過遠程訪問協(xié)議可以連接虛擬機進行實訓操作。

2.2 OpenStack云計算管理平臺

OpenStack云計算管理平臺利用KVM虛擬化技術構建不同類型的鏡像,不同的鏡像應用到不同的計算機課程上,鏡像與計算機課程一一對應。構建好鏡像后,把鏡像上傳到OpenStack云計算基礎平臺。OpenStack能夠創(chuàng)建用戶和租戶,租戶可以實現(xiàn)對OpenStack資源的隔離,這樣可以為每個老師與學生創(chuàng)建一個用戶賬號和租戶賬號,然后把用戶加入租戶中,為后續(xù)實現(xiàn)資源隔離奠定基礎。老師與學生登錄OpenStack平臺后,可以通過鏡像創(chuàng)建虛擬機,因為虛擬機屬于資源,不同的虛擬機屬于不同的租戶,這樣師生的虛擬機可以做到互不干擾相互隔離,可以滿足不同課程的師生學習需要。OpenStack創(chuàng)建的虛擬機具有快速恢復功能,一旦學生在操作過程中遇到問題或者錯誤,可以通過OpenStack虛擬機的快速恢復功能恢復到原始狀態(tài),能夠保證學生實驗順利完成。OpenStack創(chuàng)建的虛擬機可以做成快照,一旦師生在學習操作過程中出現(xiàn)問題,可以把虛擬機恢復到創(chuàng)建快照時的狀態(tài)。

虛擬機鏡像制作一般是在KVM虛擬機技術下完成。首先,安裝具有圖形界面的Linux操作系統(tǒng),Linux操作系統(tǒng)自帶KVM虛擬化技術,因此安裝完Linux操作系統(tǒng)時即安裝好了KVM虛擬化軟件。其次,在Linux操作系統(tǒng)上安裝Qemu-KVM、Qemu-img、Virt-Install、Libvirt、Bridge-Utils、Virt-Manager等虛擬化管理軟件,為創(chuàng)建虛擬機做好準備。再次,通過Virt-Install或者Virt-Manager在Linux中創(chuàng)建虛擬機。最后,在虛擬機中安裝各種上課所需要的軟件,虛擬機關機后的磁盤文件就是鏡像文件。磁盤鏡像文件與課程實訓環(huán)境一一對應,管理員可以把鏡像文件上傳到OpenStack云計算基礎平臺,供師生教學需要。

2.3 OpenStack云計算用戶平臺

OpenStack云計算用戶平臺主要實現(xiàn)校內(nèi)外師生利用SSH協(xié)議或者遠程桌面訪問教學實訓平臺。如果教學實訓平臺構建在Linux操作系統(tǒng)上,則學生通過SSH協(xié)議或者VNC協(xié)議就可以訪問教學實訓平臺了。如果教學實訓平臺構建在Windows 操作系統(tǒng)上,則把Windows操作系統(tǒng)的遠程桌面打開,師生通過遠程桌面連接虛擬機進而訪問教學實訓平臺。出于安全考慮,學校校園網(wǎng)資源一般只允許校內(nèi)訪問,對于校外師生需要訪問校園網(wǎng),則可以通過VPN技術連接校園網(wǎng),然后再通過SSH協(xié)議或者遠程桌面訪問教學實訓平臺。

這種方式改變了學生原來只能在上課期間進行相關實驗實訓的方式,實現(xiàn)了學生可以全天候訪問教學實訓平臺,提高了學生動手能力,鞏固了學習成果,也解決了因為實訓室因還原卡問題無法保存實驗數(shù)據(jù)的矛盾,避免了建設傳統(tǒng)的計算機教學實訓平臺需要投入大量資金的問題,減輕了學校負擔。

3 結語

基于OpenStack云計算的教學實訓平臺實現(xiàn)了資源的集中統(tǒng)一管理和動態(tài)分配,使得傳統(tǒng)機房計算機、路由器、交換機等物理設備的維護和管理成本大大降低,實現(xiàn)了教學實訓平臺由原來的部署在教師端和學生端轉向部署在服務器端的重大改變。基于OpenStack云計算的教學實訓平臺,可以為師生搭建豐富多彩的實訓環(huán)境,實現(xiàn)師生資源環(huán)境的隔離。師生可使用1臺或多臺虛擬機搭建復雜的網(wǎng)絡環(huán)境來完成復雜的實訓任務,大幅提高了實訓平臺的維護效率和使用效率,降低了經(jīng)費投入。