尚賽花

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054）

1 云計算簡介

云計算是通過將計算存儲網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化，使用云操作系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理來提供動態(tài)易擴展的各種IT資源。云計算是指改變傳統(tǒng)分散式的IT基礎(chǔ)設(shè)施為集中式的IT基礎(chǔ)設(shè)施，相應(yīng)的部署方式和使用模式都發(fā)生改變，云計算技術(shù)給用戶提供通過網(wǎng)絡(luò)以按需、可伸縮的方式獲得所需資源；云計算更加抽象化描述是指服務(wù)的交付和使用模式，用戶通過網(wǎng)絡(luò)連接以可伸縮的方式獲得所需的服務(wù)。服務(wù)可以是存儲服務(wù)、計算服務(wù)等，也可是其他服務(wù)。在過去幾年里，云計算的概念獲得了巨大的發(fā)展動力，許多企業(yè)開始提供私有云、公有云、混合云服務(wù)，期望通過改進機器的利用率來降低成本，減少IT運維運營時間。IT發(fā)展可以概括為PC大發(fā)展階段、互聯(lián)網(wǎng)大發(fā)展階段，到當前云計算大發(fā)展階段，云計算被看作第三次IT產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)性變革的核心技術(shù)，是全世界各個國家爭奪的戰(zhàn)略高地，它將給當今世界帶來生活、生產(chǎn)制造方式以及商業(yè)模式的本質(zhì)改變，云計算已經(jīng)成為更加接近自然人方式的技術(shù)熱點。云計算從服務(wù)化不同對象可以分為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS），平臺即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS），軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）3個層次，3層技術(shù)涵蓋虛擬化、人工智能與機器學(xué)習(xí)、Web服務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)庫、集群管理和大數(shù)據(jù)處理等多個領(lǐng)域，通過高校實驗室搭建云計算環(huán)境，使教學(xué)與實驗工作能涵蓋眾多層次與領(lǐng)域，利用好新技術(shù)，促進教學(xué)工作邁上一個新臺階。

2 OpenStack

OpenStack是一個由美國國家航空航天局和Rackspace聯(lián)合研發(fā)的開源軟件集合，許可證授權(quán)以Apache形式發(fā)布的開源項目。

OpenStack由幾個主要的組件計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)組合起來完成具體工作。OpenStack能夠適合絕大多數(shù)的云環(huán)境，為云環(huán)境提供實施簡單、功能豐富、穩(wěn)定、標準統(tǒng)一的云計算服務(wù)棧。OpenStack通過提供基本的計算存儲網(wǎng)絡(luò)以及其組合形式，提供了基礎(chǔ)設(shè)施IaaS層的服務(wù)解決方案，每個服務(wù)對外提供獨立的API實現(xiàn)豐富的資源管理能力[1-2]。

OpenStack匯集了業(yè)界精英共同開發(fā)，為私有云的搭建部署與云運營運維提供相應(yīng)軟件的開源項目，目前OpenStack開源項目有130多家企業(yè)及2 000多位開發(fā)者參與，這些公司與個人都為OpenStack項目工作，共同完善IaaS資源的通用軟件[3]。OpenStack開源項目的top任務(wù)通過提供極簡的私有云部署過程，且具備方便的可擴展性，來促進云產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文希望通過提供私有云實驗室環(huán)境搭建的指導(dǎo)信息，來幫助高校實驗室利用OpenStack來搭建自己的私有云環(huán)境。

3 學(xué)校實驗室數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：（1）面向標準化的數(shù)據(jù)集中存儲；（2）面向資源NFV化；（3）面向服務(wù)的云計算。不同學(xué)校不同院系往往建立獨立物理網(wǎng)絡(luò)、獨立的服務(wù)器資源，如圖1所示。

圖1 IT設(shè)施獨立分布

通過網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲虛擬化整合，IT資源計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)作為統(tǒng)一資源，通過云操作系統(tǒng)進行管理，提供豐富的教學(xué)方式，通過信息化建設(shè)給學(xué)校的教學(xué)和科研工作帶來實質(zhì)的改變，更加聚焦于業(yè)務(wù)理論的拓展，不必關(guān)注通用的IT設(shè)施，如圖2所示。

隨著云計算產(chǎn)業(yè)大發(fā)展，高校數(shù)據(jù)中心也逐步部署私有云環(huán)境，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能完全滿足虛擬化的要求。目前部分信息化建設(shè)較完善的搞笑，基本完成了數(shù)據(jù)集中化，處于資源虛擬化的階段，云計算技術(shù)階段也在快速推進的過程中，且是IT發(fā)展的終極方向，通過服務(wù)器云化的技術(shù)手段，比如OpenStack整合資源，充分利用全校的硬件資源，為師生提供先進的IT基礎(chǔ)環(huán)境。

圖2 IT設(shè)施云化共享

4 教育云的技術(shù)架構(gòu)

4.1 教育云技術(shù)架構(gòu)

教育云在教育中的逐漸發(fā)展，下面基于OpenStack架構(gòu)搭建的私有實驗室云環(huán)境，設(shè)計了實驗室教育云的技術(shù)架構(gòu)，OpenStack為云化操作系統(tǒng)部分，如圖3所示。

圖3 教育云技術(shù)架構(gòu)

4.2 基于OpenStack的私有云架構(gòu)圖

整個OpenStack是由控制節(jié)點、計算節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、存儲節(jié)點四大部分組成。如圖4所示，這4個節(jié)點也可以安裝在一臺機器上，進行單機部署。其中：控制面節(jié)點為核心，負責(zé)對其余節(jié)點管理，包含虛擬機分發(fā)、網(wǎng)絡(luò)分配、存儲分配遷移等[4]。

（1）計算節(jié)點負責(zé)對虛擬機進行管理，啟動停止等操作。

（2）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理外部和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)之間的IP設(shè)置，保證正常通信。

（3）存儲節(jié)點負責(zé)對虛擬機的額外存儲管理等。

5 基于OpenStack的實驗室環(huán)境部署

實驗室環(huán)境采用資源集中部署、統(tǒng)一管理，統(tǒng)一維護，機房實驗環(huán)境與外部實驗環(huán)境互補的方式進行部署，如圖5所示。

圖4 云計算教育平臺技術(shù)架構(gòu)

圖5 云計算部署環(huán)境

私有云實驗環(huán)境部署利用OpenStack開源云操作系統(tǒng)為核心，對資源機進行虛擬化管理，并且由多種層次的實驗資源進行支撐，整個私有云的管理采用集中化的云管理平臺，統(tǒng)一對IaaS層資源、實驗資源、教學(xué)與實驗環(huán)境等進行調(diào)度以及維護，保障整個實驗環(huán)境的可靠性、穩(wěn)定性和安全性[5]。實驗云環(huán)境通過千兆交換機與機房相連，通過路由器與校園網(wǎng)或者廣域網(wǎng)環(huán)境互聯(lián)互通，實現(xiàn)透明開放的實驗環(huán)境。

私有云計算實驗環(huán)境的架構(gòu)如圖6所示，云實驗環(huán)境建立在硬件資源虛擬化的資源池基礎(chǔ)上，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)，類PaaS開發(fā)環(huán)境，并行計算、多種形式的網(wǎng)絡(luò)拓撲。為學(xué)生提供云存儲、計算虛擬化、大數(shù)據(jù)并發(fā)計算、統(tǒng)一運營運維管理平臺、PaaS層功能、online學(xué)習(xí)、資源復(fù)用等多種服務(wù)[6]。

圖6 云計算實驗平臺架構(gòu)

6 結(jié)語

本文搭建的私有換實驗室環(huán)境主要實現(xiàn)以O(shè)penStack為IaaS層架構(gòu)，對資源進行集中托管，資源互聯(lián)互通，杜絕信息孤島，充分利用了硬件資源，為師生提供可擴展，不可見的基礎(chǔ)設(shè)施。實驗室環(huán)境云化后，各種實驗所需硬件資源可以靈活擴展，使教學(xué)工作更加地集中在專業(yè)學(xué)習(xí)上。