王軍鋒，衛(wèi) 偉

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，各高校專(zhuān)業(yè)逐步建立起了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，利用上機(jī)實(shí)驗(yàn)配合課堂理論教學(xué)，使學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力得到了有效切實(shí)的提高.實(shí)驗(yàn)室日漸成為高校日常教育的重要組成部分.但是，隨著時(shí)間的推移，日益陳舊的計(jì)算機(jī)設(shè)備環(huán)境已經(jīng)不能滿足學(xué)生上機(jī)實(shí)踐的需求，尤其對(duì)于有高計(jì)算性能［1］要求的科研實(shí)驗(yàn)更是難以滿足，云計(jì)算和大數(shù)據(jù)課程的興起也沒(méi)有實(shí)踐平臺(tái)，大多停留在理論教學(xué)階段，而且大批量采購(gòu)新設(shè)備在一定程度上對(duì)學(xué)校的經(jīng)費(fèi)開(kāi)支造成了不小的壓力.如何利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，配合最新的信息技術(shù)，打造能滿足科研和教學(xué)雙重要求的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室，日漸成為高校機(jī)房管理的一項(xiàng)難題.而近來(lái)蓬勃發(fā)展的云計(jì)算技術(shù)正好給解決這項(xiàng)難題提供了新的思路和方法［2－4］.本文基于最新的Openstack［5］云平臺(tái)，提出構(gòu)建全新符合高校科研和教學(xué)要求的實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)，并進(jìn)行了功能設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).

1 高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)現(xiàn)狀

在當(dāng)前高?？焖侔l(fā)展的前提下，高校機(jī)房建設(shè)已經(jīng)取得了不小的進(jìn)步，改善了不少軟硬件的環(huán)境，對(duì)于輔助科研和教學(xué)起了不小的作用.但是，在機(jī)房的日常運(yùn)維和管理中，還是可以發(fā)現(xiàn)不少問(wèn)題，主要有以下幾個(gè)方面.

1）在學(xué)校層面，需要花費(fèi)較高經(jīng)費(fèi)購(gòu)置新的設(shè)備來(lái)替換舊機(jī)器，且各學(xué)院專(zhuān)業(yè)都擁有各自不同機(jī)房，機(jī)房的硬件采購(gòu)，運(yùn)維人員成本不小.同時(shí)，機(jī)房設(shè)備在大多數(shù)時(shí)間段處于空載，使用率較低，各學(xué)院之間基本沒(méi)有在設(shè)備使用上存在共享.

2）在機(jī)房管理層面，目前主流機(jī)房都采用硬盤(pán)保護(hù)卡，通常根據(jù)機(jī)房每學(xué)期的教學(xué)上機(jī)任務(wù)課表，由管理員一次性在一臺(tái)機(jī)器上裝好需要的系統(tǒng)和軟件環(huán)境，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)數(shù)據(jù)拷貝安裝到機(jī)房其他機(jī)器.一旦涉及到軟件的更新升級(jí)或者設(shè)置，就要大動(dòng)干戈對(duì)全部硬盤(pán)數(shù)據(jù)對(duì)拷，管理成本較高.

3）在師生教學(xué)層面，因?yàn)橛脖P(pán)保護(hù)卡的原因，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)個(gè)人數(shù)據(jù)在不借助U盤(pán)情況下，無(wú)法保存到本地，開(kāi)關(guān)機(jī)后，無(wú)法在下一堂課繼續(xù)未完成實(shí)驗(yàn)，無(wú)法保障真正的教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果.同時(shí)，學(xué)生受限于上機(jī)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和地點(diǎn)，無(wú)法個(gè)性調(diào)配安排，未滿足現(xiàn)代化自主學(xué)習(xí)的理念.

4）在高等科研層面，信息技術(shù)日新月異，尤其以云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)［6］為代表的前沿技術(shù)正陸續(xù)在高校萌芽發(fā)展，不少高校甚至已陸續(xù)開(kāi)通了相關(guān)課程.學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時(shí)，卻無(wú)法切身動(dòng)手體會(huì)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)帶來(lái)的直觀效果.傳統(tǒng)機(jī)房很少有這樣的環(huán)境可以提供虛擬化、分布式計(jì)算環(huán)境.而對(duì)于搭建云計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，本身又是一項(xiàng)代價(jià)不小的工作，在虛擬化平臺(tái)、分布式平臺(tái)上進(jìn)行個(gè)人應(yīng)用開(kāi)發(fā)更是無(wú)從談起.

2 云計(jì)算技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

云計(jì)算是信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，它是一種通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可以按需給用戶提供不同層面的資源服務(wù)，分為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure As A Service，IAAS）、平臺(tái)即服務(wù)（PAAS）、軟件即服務(wù)（SAAS）.其中IAAS可以給用戶提供基礎(chǔ)的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源等.把云計(jì)算技術(shù)運(yùn)用到高校資源管理，改善課程教學(xué)和科研計(jì)算環(huán)境成為一種趨勢(shì)［7－10］.

結(jié)合云計(jì)算集中部署管理的優(yōu)勢(shì)，高校在機(jī)房建設(shè)規(guī)劃的時(shí)候，不必像傳統(tǒng)機(jī)房那樣規(guī)劃大面積機(jī)房場(chǎng)地，配備人員管理和運(yùn)維，只需要簡(jiǎn)單購(gòu)置若干高性能服務(wù)器置于學(xué)校數(shù)據(jù)中心，統(tǒng)一管理和運(yùn)維，就可以減少場(chǎng)地和人員上的投入.

基于云計(jì)算共享［11］和按需分配資源的特點(diǎn)，學(xué)校層面購(gòu)置服務(wù)器層面后，搭建云平臺(tái).各學(xué)院各專(zhuān)業(yè)可以減少采購(gòu)新的PC機(jī)，根據(jù)學(xué)院需求，共享校內(nèi)虛擬機(jī)的物理資源.同時(shí)，也可以共享平臺(tái)存儲(chǔ)，隨時(shí)上傳下載課件資料數(shù)據(jù)，方便師生使用.

云計(jì)算平臺(tái)可以自定義鏡像，以方便建立虛擬機(jī)，這為個(gè)性化定制系統(tǒng)軟件環(huán)境提供了不少幫助.無(wú)論是普通的上機(jī)編程實(shí)驗(yàn)，或者是做配置性實(shí)驗(yàn)，亦或者需要高性能科研計(jì)算，都可以通過(guò)上傳自定義鏡像，快速啟動(dòng)虛擬機(jī)建立滿足需要的環(huán)境，且可以在各個(gè)環(huán)境間快速切換.

云計(jì)算通過(guò)web自主服務(wù)的特點(diǎn)，學(xué)生可以不受限于時(shí)間地點(diǎn)，通過(guò)一個(gè)客戶端，在校園網(wǎng)可以接入的地方，隨時(shí)完成上機(jī)實(shí)驗(yàn).且可以通過(guò)快照功能，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以備下次從快照直接啟動(dòng)虛擬機(jī)繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，保障實(shí)驗(yàn)效果.

Openstack是當(dāng)前開(kāi)源云計(jì)算技術(shù)社區(qū)里最為活躍的一個(gè)項(xiàng)目，眾多廠商紛紛加入這個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，例如 HP、Redhat、IBM 等，對(duì) Openstack表示硬件服務(wù)器架構(gòu)層面上的支持，不少存儲(chǔ)服務(wù)廠商也陸續(xù)推出了自身對(duì)于Openstack的存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng).這在很大程度上推動(dòng)了Openstack這個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目的發(fā)展.與此同時(shí)，本身該項(xiàng)目因?yàn)殚_(kāi)源，軟件使用幾乎無(wú)成本，不涉及商業(yè)使用授權(quán)，且底層源代碼使用者可控，在熟悉代碼結(jié)構(gòu)技術(shù)上，方便程序開(kāi)發(fā)者對(duì)于自身特定需求可有針對(duì)性地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)［12－13］，完成后可以擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán).而且Openstack官方社區(qū)每半年即推出一個(gè)新版本，這樣的快速迭代使本身這個(gè)開(kāi)源平臺(tái)越來(lái)越完善穩(wěn)定.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1，教學(xué)科研實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)分成三個(gè)層面，分別是基礎(chǔ)設(shè)施資源層、應(yīng)用管理層和web實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自助門(mén)戶層.虛擬云實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)特點(diǎn)是可以讓各租戶在校園網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，通過(guò)任意手持終端即可訪問(wèn)云桌面，即可動(dòng)態(tài)獲得計(jì)算資源和快速部署應(yīng)用程序，完成科研和教學(xué)的需要.

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Figure 1 System architecture

基礎(chǔ)設(shè)施資源層面借助開(kāi)源的Openstack云計(jì)算解決方案，利用KVM（Kernel－based Virtual Machine，KVM）虛擬化把多臺(tái)計(jì)算性能強(qiáng)勁的物理服務(wù)器的資源虛擬化，形成cpu、內(nèi)存、硬盤(pán)等硬件資源池，用戶可以按需取得所需資源服務(wù).

應(yīng)用管理層則是將云平臺(tái)中的用戶認(rèn)證，資源管理，鏡像管理等服務(wù)以服務(wù)端點(diǎn)的方式提供給用戶使用.

web實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自助門(mén)戶是基于Openstack Dashboard項(xiàng)目二次開(kāi)發(fā)的統(tǒng)一系統(tǒng)入口.在校園網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，師生只需通過(guò)分配的用戶名和密碼，即可登錄云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成資源的獲取和快速部署應(yīng)用，完成科研和教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要.

3.2 實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

在研究Openstack的原生服務(wù)情況下，結(jié)合校園實(shí)際科研和教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求，執(zhí)行了有針對(duì)性的二次功能設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，限于篇幅原因，以下幾個(gè)方面僅對(duì)幾個(gè)核心模塊進(jìn)行功能設(shè)計(jì).

3.2.1 工作流程設(shè)計(jì)

用戶登錄實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)，用帳號(hào)密碼登錄，身份驗(yàn)證通過(guò)后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)平臺(tái).可以通過(guò)界面上的操作取得計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等服務(wù)，按需取得資源，創(chuàng)建虛擬機(jī)，并通過(guò)noVNC等方式，可以遠(yuǎn)程登錄進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn)操作.結(jié)束后，通過(guò)快照保存當(dāng)前虛擬機(jī)狀態(tài)，然后操作釋放資源.整個(gè)工作流程設(shè)計(jì)如圖2.詳細(xì)流程如下：

圖2 基本工作流Figure 2 The basic work flow

1）用戶登錄平臺(tái)通過(guò)驗(yàn)證，其中鍵入瀏覽器的登錄地址為部署云平臺(tái)時(shí)候就預(yù)先規(guī)劃好的.

2）根據(jù)用戶的自身業(yè)務(wù)需求，選擇一個(gè)可用的公用鏡像以啟動(dòng)響應(yīng)操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)實(shí)例，其中虛擬機(jī)的配置（內(nèi)存、硬盤(pán)、cpu等）需要和鏡像匹配.

3）根據(jù)是否有與外網(wǎng)通信功能，可以在租戶內(nèi)為虛擬機(jī)分配Floating IP，讓其可以和外網(wǎng)通信.如若不需要，則可以不綁定.

4）用戶啟動(dòng)虛擬機(jī)之后，可以通過(guò)noVNC或者ssh協(xié)議連接到虛擬機(jī)，完成應(yīng)用部署和響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作.

5）當(dāng)完成操作后，用戶關(guān)閉虛擬機(jī)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)為虛擬機(jī)創(chuàng)建快照保存當(dāng)前狀態(tài)，然后釋放資源.

6）當(dāng)用戶退出系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)判斷當(dāng)前虛擬機(jī)快照是否需要更新，若需要，則自動(dòng)創(chuàng)建快照并更新，否則直接退出系統(tǒng).

7）當(dāng)用戶再次登錄系統(tǒng)的時(shí)候，可以通過(guò)快照恢復(fù)虛擬機(jī).

3.2.2 快照和鏡像管理

鏡像的屬性分為個(gè)人私有和全局共享兩種.全局共享的鏡像所有用戶都可見(jiàn)，可以用來(lái)創(chuàng)建虛擬機(jī)；個(gè)人私有的虛擬機(jī)只有創(chuàng)建鏡像的用戶可以使用.當(dāng)鏡像上傳后，用戶還可以控制鏡像的這兩種屬性切換.流程圖設(shè)計(jì)如圖3.

圖3 鏡像共享Figure 3 Image shareing

快照的作用是用來(lái)保存虛擬機(jī)的狀態(tài)，從快照啟動(dòng)虛擬機(jī)可以模仿“開(kāi)機(jī)”效果.為了保障虛擬機(jī)數(shù)據(jù)的有效性，系統(tǒng)需要定期保存當(dāng)前虛擬機(jī)快照，但是頻繁的快照操作會(huì)引起系統(tǒng)的性能下降.本文設(shè)計(jì)如下，當(dāng)用戶需要關(guān)閉虛擬機(jī)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)當(dāng)前的虛擬機(jī)進(jìn)行快照備份，流程圖如圖4.

圖4 快照管理Figure 4 Snapshot management

3.3 實(shí)驗(yàn)室自助服務(wù)門(mén)戶系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室自助服務(wù)門(mén)戶系統(tǒng)是一個(gè)基于python django框架的應(yīng)用，包含定制鏡像，教師批量創(chuàng)建課程虛擬機(jī)，供教學(xué)資料分享的云網(wǎng)盤(pán)，web實(shí)時(shí)群聊等功能.

3.3.1 定制鏡像模版

在Openstack的Glance模塊中預(yù)裝了一些操作系統(tǒng)的鏡像，例如 Window XP、Windows Server 2003、Linux等.任課老師可以登錄某個(gè)操作系統(tǒng)的實(shí)例，在該系統(tǒng)實(shí)例上安裝配置所需要的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，然后使用Openstack的創(chuàng)建快照功能為此實(shí)例創(chuàng)建一個(gè)快照.快照是對(duì)實(shí)例當(dāng)前狀態(tài)的備份，屬于用戶自定義的鏡像模版.教室可以使用該快照為每一個(gè)學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)操作系統(tǒng)實(shí)例.教師應(yīng)當(dāng)給每個(gè)快照（鏡像模版）標(biāo)注必要的文本信息，如操作系統(tǒng)版本、主要的軟件配置等，以便他人能夠輕松判斷鏡像模版的作用，可以使用課程的名稱(chēng)和編號(hào)來(lái)命名鏡像模版.

3.3.2 批量創(chuàng)建

教師可以在申請(qǐng)?zhí)摂M機(jī)頁(yè)面點(diǎn)選課程和參與課程的班級(jí)來(lái)批量啟動(dòng)虛擬機(jī).在學(xué)期初，教師可以在系統(tǒng)后臺(tái)導(dǎo)入特定格式要求的班級(jí)學(xué)生Excel格式的名單，以后只要涉及到該班級(jí)，就會(huì)遍歷名單來(lái)創(chuàng)建.課程跟課程鏡像綁定，點(diǎn)選相關(guān)課程實(shí)質(zhì)上就是選擇以該課程命名的虛擬機(jī)鏡像.創(chuàng)建完成以后，學(xué)生登錄后，可以在云教室頁(yè)面，在該課程下都有一臺(tái)相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的虛擬機(jī)，可以完成后續(xù)教學(xué)和科研活動(dòng).

3.3.3 云網(wǎng)盤(pán)

為方便師生之間的教學(xué)資料的共享與保存，本文中還設(shè)計(jì)了自助服務(wù)門(mén)戶中的網(wǎng)盤(pán)功能.師生登錄自助服務(wù)門(mén)戶后，在左側(cè)導(dǎo)航欄中，點(diǎn)擊云網(wǎng)盤(pán)，就可以看到按課程羅列的教學(xué)資料共享窗口，每個(gè)文件的下方信息里會(huì)顯示文件名稱(chēng)，上傳者是哪位老師、上傳時(shí)間，以及一個(gè)下載鏈接.學(xué)生可以下載每個(gè)課程下面的資料.

在教師頁(yè)面，有上傳共享資料的按鈕，點(diǎn)擊，彈出上傳窗口，會(huì)要求選擇本地要上傳的文件，選擇文件隸屬于哪個(gè)課程、文件備注信息等，遞交之后可以在該課程下的文件列表中找到，可供其他師生下載使用.

3.3.4 實(shí)時(shí)群聊

平臺(tái)中嵌入了基于開(kāi)源Socket IO的實(shí)時(shí)web群聊功能，只需在云教室內(nèi)點(diǎn)開(kāi)群聊窗口，輸入昵稱(chēng)，即可加入當(dāng)前師生的群聊，方便師生之間答疑指導(dǎo)，學(xué)生之間自主討論.且不占用任何當(dāng)前客戶端資源.

3.4 部分核心接口代碼實(shí)現(xiàn)

部分核心代碼如圖5.

4 系統(tǒng)測(cè)試與使用

4.1 資源流轉(zhuǎn)

任課教師為課程的班級(jí)批量申請(qǐng)?zhí)摂M機(jī)如圖6，虛擬機(jī)的數(shù)量為該課程學(xué)生數(shù)目.遞交的數(shù)據(jù)包含了課程學(xué)生信息、虛擬機(jī)鏡像信息以及所需要虛擬機(jī)的配置信息.然后實(shí)驗(yàn)室管理員會(huì)收到郵件通知有教師遞交了資源申請(qǐng)，相應(yīng)申請(qǐng)通知也會(huì)在管理員的頁(yè)面上提示，點(diǎn)擊審批通過(guò)以后，該課程的所有的學(xué)生資源將被創(chuàng)建起來(lái)，默認(rèn)所有創(chuàng)建起來(lái)的虛擬機(jī)已經(jīng)帶有訪問(wèn)IP.

圖5 部分核心代碼Figure 5 Part of core code

虛擬機(jī)創(chuàng)建起來(lái)以后，學(xué)生登錄自助門(mén)戶，點(diǎn)擊我的云教室，即可看到多個(gè)云教室標(biāo)簽頁(yè)，按照課程羅列了以他學(xué)號(hào)命名的虛擬機(jī).同時(shí)，虛擬機(jī)信息里暴露了訪問(wèn)該虛擬機(jī)的IP、登錄的賬戶名、密碼.學(xué)生也可以對(duì)該虛擬機(jī)進(jìn)行開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、重啟等操作.點(diǎn)擊虛擬機(jī)框，可以進(jìn)入虛擬機(jī)的VNC（Virtual Network Computer）終端畫(huà)面如圖7，也可以通過(guò)客戶端本身的VVNC工具或者SSH（Secure Shell）、支持 RDP（Remote Desktop Protocol）協(xié)議的軟件來(lái)遠(yuǎn)程登錄訪問(wèn)虛擬機(jī).默認(rèn)對(duì)所有的虛擬機(jī)打開(kāi)了icmp規(guī)則（可以ping網(wǎng)絡(luò)），打開(kāi)了Tcp 22端口（方便linux系統(tǒng)的SSH遠(yuǎn)程登錄），打開(kāi)了Windows系列的遠(yuǎn)程桌面功能.

圖6 批量申請(qǐng)?zhí)摂M機(jī)Figure 6 Batch applying

所有的學(xué)生信息均來(lái)自于實(shí)驗(yàn)課程老師的課程名單（教師具備導(dǎo)入學(xué)生名單功能）.學(xué)生通過(guò)身份驗(yàn)證后，在平臺(tái)云教室菜單下可以看到自己的專(zhuān)用課程虛擬機(jī)列表，列表中標(biāo)注了該虛擬機(jī)的訪問(wèn)IP，登錄的用戶名、密碼.虛擬機(jī)名稱(chēng)都以學(xué)號(hào)命名，點(diǎn)擊該列表中的虛擬機(jī)框圖，如果未開(kāi)機(jī)，則學(xué)生可以開(kāi)啟虛擬機(jī).根據(jù)這些信息，學(xué)生可以使用客戶端預(yù)裝的遠(yuǎn)程桌面或VNC工具，遠(yuǎn)程登錄到其虛擬機(jī)，開(kāi)始做課程實(shí)驗(yàn).

4.2 網(wǎng)盤(pán)和群聊功能

在云教室內(nèi)部點(diǎn)擊云網(wǎng)盤(pán)，可以上傳下載課程文件資料如圖8.在主頁(yè)右側(cè)，加入實(shí)時(shí)群聊，參與課程討論如圖9.

圖7 虛擬機(jī)vnc界面Figure 7 vm's vnc interface

圖8 共享網(wǎng)盤(pán)Figure 8 Shared network drive

5 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了基于Openstack構(gòu)建高校教學(xué)科研實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)的設(shè)計(jì)和和實(shí)現(xiàn)，旨在為校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室提供快速按需獲得計(jì)算資源的方法.同時(shí)，又可以為云計(jì)算和大數(shù)據(jù)課程相關(guān)的實(shí)踐提供有力的平臺(tái)支撐.實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)虛擬化資源池，可以有效避免重復(fù)購(gòu)置計(jì)算機(jī)設(shè)備，減少繁瑣的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境維護(hù)工作，改善教學(xué)實(shí)驗(yàn)科研環(huán)境.

圖9 群聊Figure 9 Group Chatting

本文中未涉及介紹虛擬機(jī)監(jiān)控相關(guān)服務(wù)，對(duì)于虛擬機(jī)的性能評(píng)測(cè)需要進(jìn)一步的研究.

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