基于开源云计算技术的虚拟实验教学平台的构建与研究
作者：封旭
来源：《教育教学论坛》2019年第17期
        摘要：本文为解决计算机网络技术专业在传统模式下虚拟实验环境难以持续的问题，通过丰富实践教学手段和提高虚拟机管理服务水平，在开源云计算技术的支持下，实践探索建立按需分配的、易用性好的虚拟实验教学平台的解决方案。
        关键词：开源；云计算技术；虚拟机；实验教学平台；云计算服务类型
        中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）17-0279-02
        一、项目背景
        1.传统网络机房在使用虚拟机搭建网络实验环境存在的突出问题。计算机类专业的核心课程都有使用到虚拟机搭建网络实验环境。2016年教育部公布高职院校拟招计算机应用技术专业有1035所、计算机网络技术专业有896所。此类计算机专业的实践课堂中几乎都使用到虚拟机搭建多台服务器来模拟网络环境，传统的做法是在PC机上运行VMware Workstation或者Oracl
e VirtualBox产生虚拟机，在虚拟机上安装Windows Server和Linux搭建网络服务器。例如网络专业开设的云计算技术与应用、Windows系统服务、Linux系统服务、数据库管理与网站开发、网络设计与项目实施等核心课程，每个学生在做实训项目时往往还要求用到1—4台虚拟服务器。但是传统网络机房排课复杂，班级和学生人数多，对虚拟机的需求量大，造成PC机的运行性能明显不足，程序运行迟缓、存储空间紧张，加上缺乏有效的权限管理，经常出现虚拟机被删除的现象，造成跨时段的实验项目不能延续进行，往往在下一次课时必须重新搭建上一次课所完成的实训项目配置，重复基础操作多，新知识技能的训练时间不够，制约了学生学习的热情，而且分散的虚拟机配置难以一致，造成课堂教学进度不能相对同步，严重影响实践课堂教学质量。
        2.基于开源云计算技术的虚拟实验教学平台拟解决的问题。针对虚拟机变慢、虚拟机被删、缺乏有效的权限管理等表象问题，必须改进由普通PC机生成虚拟网络环境的做法，将分散的PC机资源迁移到云端，既可以批量生成虚拟机，集中管理，更新系统和应用只需要在模板上操作，减少系统维护工作量；又可以快速按需定制系统，实现课程模板化同步教学。三大虚拟化厂商可以提供较好的解决方案，比如VMware公司正式推出的ESX和vSphere、Microsoft公司推出的Hyper-V或者Citrix公司推出的Xen都能够较好的实现这些功能，但是服
务价格很高。于是乎，使用开源的云计算技术构建数据中心成为很多网络实训室建设的技术手段，既可以节省IT投资成本，又可以提高管理效率。基于开源云计算技术的虚拟实验教学平台很有现实的研究意义。
        3.开源云计算技术的选型。随着开源云计算技术的不断发展，如何利用开源云计算技术有效地、快速地把数据中心资源池化管理，云计算管理平台的技术选型是应用开源云计算技术构建虚拟化服务基础架构的关键技术所在，实现对数据中心云计算环境的集中管理和控制，通过单一的管理界面，便捷地统一管理数据中心内所有的主机和虚拟机，不仅能提高管理员的管控效率、简化日常例行工作，更可降低IT环境的复杂度和管理成本。
        云计算服务类型分为三个层次，分别是基础设施即服务层（IaaS）、平台即服务层（PaaS）和软件即服务层（SaaS）。虚拟实验教学平台的核心建设内容在于IaaS，它能够把资源（计算、存储、网络）实现池化，像自来水一样便捷、精确地使用，形成了新的资源分配模式。当前开源的云计算技术，最引人注目的莫过于OpenStack、CloudStack、Zstack。
        二、虚拟实验教学平台的设计
        云计算平台规模部署有三种模式，即公共云、私有云和混合云。作为网络专业需要的虚拟实验教学平台，部署为私有云就可以了。方便地部署和开通新业务，快速发现并且恢复系统故障，通过自动化、智能化手段实现大规模系统可靠的运营是云计算平台管理技术的关键。
        1.云计算基础网络拓扑。云计算基础网络架构，主要分为三个区域，分别为管理网络、数据网络和存储网络。关键设备为服务器和网络交换机，云计算平台管理软件安装在计算节点和管理节点上，集中对云资源进行管理与调度。
        2.虚拟实验教学平台的业务组成。适用于网络技术专业的虚拟实验教学平台为满足资源被合理安全地发放、管理和收回的要求，虚拟机管理中心必须具备两个功能子系统：资源池系统、用户管理系统。
        （1）云平台资源池系统。资源池的划分主要包括计算资源、存储资源和网络资源。计算资源的组织规划要考虑符合虚拟化架构管理软件的安装规范、集建设规范和备份规范；存储资源的组织规划要针对虚拟化配置特定功能的配置规范；网络资源的组织规划要符合VLAN设置规范。（2）用户管理系统。为了提高实验教学的效率，由系统管理员根据班级学
生名册批量生成和管理，适用于使用通用配置虚拟机。普通用户申请的云资源由管理员指定虚拟机内存硬盘大小、操作系统版本、配置状态快照等，确保云主机实训的同一性。针对培优项目的用户，使用特定分配的资源，保证每个用户数据的安全性和按需分配的云服务的便利性。
        三、使用OpenStack、CloudStack和Zstack部署云平台的对比研究
        1.OpenStack的特点及适用度分析。OpenStack是较早出现的开源云计算服务平台，发展迅猛，行业内影响力巨大，得到大多数虚拟化产品厂商支持，它是由开源社区来负责推进和维护的。它是采用分布式的架构，核心项目之间耦合度低，可以方便的进行开发定制，然而因为其有多个项目组成，每个项目都要单独安装，并且要保证项目间的协作，所以部署会比较麻烦。另外，由于OpenStack处于高速发展阶段，不同版本之间项目可能会有较大的变动，因此版本间的升级会比较困难。OpenStack功能强大，组件多，配置烦琐，虽然初学者体验感觉难度大，但是由于开源度高，适合深入系统学习云计算技术，比如开展“云计算技术与应用”技能大赛的训练。OpenStack的安装使用步骤是环境配置、认证服务、镜像服务、计算服务、网络服务、仪表盘设置、块存储服务、文件共享系统服务、对象存储服务、编排服
务、数据库服务；启动云主机实例。对云计算管理员而言，配置全程在英文字符界面下执行，对做基础性实验的高职生而言有很大的挑战性。
        2.CloudStack的特点及适用度分析。CloudStack采用集中式的单体架构，开发者突出强调的是高可用和高扩展的特性，构造的目标是提供一个像Apache HTTP服务器一样简单易用的云计算平台。整个平台只有一个项目构成，不同模块之间通过本地调用进行交互，在一台主机上就可以完成平台的部署。云主机的部署基于Web交互页面，设置栏目有控制板、实例、关联性组、存储、网络、模板、事件、项目、角、账号、域、地理区域、基础架构、全局设置、服务方案等。对云计算管理员而言，项目繁多，仍有较大难度。云主机的实例管理属于偏平管理，由模板快速生成。
        3.ZStackk的特点及适用度分析。ZStackk作为一款新开源IaaS软件，采取星状架构，各服务项目独立，可选择安装。Zstack的安装使用非常简洁，步骤是初始化配置，创建云主机。重点在于初始化环境配置，步骤是创建区域、创建集、添加物理主机、添加镜像服务器、添加主存储、创建计算规格、添加镜像、创建二层网络、创建三层网络；ZStack初始化结束后，各项资源就绪，此时管理员可创建云主机。ZStack最突出的特点是易用性，ZStack
对云平台的管理采用Web交互方式执行，控制台简洁明了，有云资源池、硬件设施、网络、vCenter、平台管理等栏目；国产软件，中文标识，对做一般性实验的高职生而言就很容易部署。
        四、结语
        通过比较OpenStack、CloudStack和ZStack三者的架构可见，OpenStack的分布式架构灵活性好，不同的项目可以单独部署，知识分解明晰，缺点是部署麻烦；CloudStack采用集中式架构，所以部署起来会相对容易很多，但是控制台较复杂；ZStack的易用性最突出，一站式部署与管理，适用于常规虚拟实验教学平台的搭建与管理。
        参考文献：
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        [2]顾炯炯.云计算机架构技术与实践[M].北京：清华大学出版社，2014.
        [3]李俊峰.利用虚拟化技术搭建计算机网络教学实验平台[J].科技风，2013，（18）.