封旭

摘要：本文為解決計算機網(wǎng)絡技術(shù)專業(yè)在傳統(tǒng)模式下虛擬實驗環(huán)境難以持續(xù)的問題，通過豐富實踐教學手段和提高虛擬機管理服務水平，在開源云計算技術(shù)的支持下，實踐探索建立按需分配的、易用性好的虛擬實驗教學平臺的解決方案。

關(guān)鍵詞：開源；云計算技術(shù)；虛擬機；實驗教學平臺；云計算服務類型

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）17-0279-02

一、項目背景

1.傳統(tǒng)網(wǎng)絡機房在使用虛擬機搭建網(wǎng)絡實驗環(huán)境存在的突出問題。計算機類專業(yè)的核心課程都有使用到虛擬機搭建網(wǎng)絡實驗環(huán)境。2016年教育部公布高職院校擬招計算機應用技術(shù)專業(yè)有1035所、計算機網(wǎng)絡技術(shù)專業(yè)有896所。此類計算機專業(yè)的實踐課堂中幾乎都使用到虛擬機搭建多臺服務器來模擬網(wǎng)絡環(huán)境，傳統(tǒng)的做法是在PC機上運行VMware Workstation或者Oracle VirtualBox產(chǎn)生虛擬機，在虛擬機上安裝Windows Server和Linux搭建網(wǎng)絡服務器。例如網(wǎng)絡專業(yè)開設的云計算技術(shù)與應用、Windows系統(tǒng)服務、Linux系統(tǒng)服務、數(shù)據(jù)庫管理與網(wǎng)站開發(fā)、網(wǎng)絡設計與項目實施等核心課程，每個學生在做實訓項目時往往還要求用到1—4臺虛擬服務器。但是傳統(tǒng)網(wǎng)絡機房排課復雜，班級和學生人數(shù)多，對虛擬機的需求量大，造成PC機的運行性能明顯不足，程序運行遲緩、存儲空間緊張，加上缺乏有效的權(quán)限管理，經(jīng)常出現(xiàn)虛擬機被刪除的現(xiàn)象，造成跨時段的實驗項目不能延續(xù)進行，往往在下一次課時必須重新搭建上一次課所完成的實訓項目配置，重復基礎操作多，新知識技能的訓練時間不夠，制約了學生學習的熱情，而且分散的虛擬機配置難以一致，造成課堂教學進度不能相對同步，嚴重影響實踐課堂教學質(zhì)量。

2.基于開源云計算技術(shù)的虛擬實驗教學平臺擬解決的問題。針對虛擬機變慢、虛擬機被刪、缺乏有效的權(quán)限管理等表象問題，必須改進由普通PC機生成虛擬網(wǎng)絡環(huán)境的做法，將分散的PC機資源遷移到云端，既可以批量生成虛擬機，集中管理，更新系統(tǒng)和應用只需要在模板上操作，減少系統(tǒng)維護工作量；又可以快速按需定制系統(tǒng)，實現(xiàn)課程模板化同步教學。三大虛擬化廠商可以提供較好的解決方案，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都能夠較好的實現(xiàn)這些功能，但是服務價格很高。于是乎，使用開源的云計算技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)中心成為很多網(wǎng)絡實訓室建設的技術(shù)手段，既可以節(jié)省IT投資成本，又可以提高管理效率?；陂_源云計算技術(shù)的虛擬實驗教學平臺很有現(xiàn)實的研究意義。

3.開源云計算技術(shù)的選型。隨著開源云計算技術(shù)的不斷發(fā)展，如何利用開源云計算技術(shù)有效地、快速地把數(shù)據(jù)中心資源池化管理，云計算管理平臺的技術(shù)選型是應用開源云計算技術(shù)構(gòu)建虛擬化服務基礎架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)所在，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心云計算環(huán)境的集中管理和控制，通過單一的管理界面，便捷地統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有的主機和虛擬機，不僅能提高管理員的管控效率、簡化日常例行工作，更可降低IT環(huán)境的復雜度和管理成本。

云計算服務類型分為三個層次，分別是基礎設施即服務層（IaaS）、平臺即服務層（PaaS）和軟件即服務層（SaaS）。虛擬實驗教學平臺的核心建設內(nèi)容在于IaaS，它能夠把資源（計算、存儲、網(wǎng)絡）實現(xiàn)池化，像自來水一樣便捷、精確地使用，形成了新的資源分配模式。當前開源的云計算技術(shù)，最引人注目的莫過于OpenStack、CloudStack、Zstack。

二、虛擬實驗教學平臺的設計

云計算平臺規(guī)模部署有三種模式，即公共云、私有云和混合云。作為網(wǎng)絡專業(yè)需要的虛擬實驗教學平臺，部署為私有云就可以了。方便地部署和開通新業(yè)務，快速發(fā)現(xiàn)并且恢復系統(tǒng)故障，通過自動化、智能化手段實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)可靠的運營是云計算平臺管理技術(shù)的關(guān)鍵。

1.云計算基礎網(wǎng)絡拓撲。云計算基礎網(wǎng)絡架構(gòu)，主要分為三個區(qū)域，分別為管理網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和存儲網(wǎng)絡。關(guān)鍵設備為服務器和網(wǎng)絡交換機，云計算平臺管理軟件安裝在計算節(jié)點和管理節(jié)點上，集中對云資源進行管理與調(diào)度。

2.虛擬實驗教學平臺的業(yè)務組成。適用于網(wǎng)絡技術(shù)專業(yè)的虛擬實驗教學平臺為滿足資源被合理安全地發(fā)放、管理和收回的要求，虛擬機管理中心必須具備兩個功能子系統(tǒng)：資源池系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)。

（1）云平臺資源池系統(tǒng)。資源池的劃分主要包括計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡資源。計算資源的組織規(guī)劃要考慮符合虛擬化架構(gòu)管理軟件的安裝規(guī)范、集群建設規(guī)范和備份規(guī)范；存儲資源的組織規(guī)劃要針對虛擬化配置特定功能的配置規(guī)范；網(wǎng)絡資源的組織規(guī)劃要符合VLAN設置規(guī)范。（2）用戶管理系統(tǒng)。為了提高實驗教學的效率，由系統(tǒng)管理員根據(jù)班級學生名冊批量生成和管理，適用于使用通用配置虛擬機。普通用戶申請的云資源由管理員指定虛擬機內(nèi)存硬盤大小、操作系統(tǒng)版本、配置狀態(tài)快照等，確保云主機實訓的同一性。針對培優(yōu)項目的用戶，使用特定分配的資源，保證每個用戶數(shù)據(jù)的安全性和按需分配的云服務的便利性。

三、使用OpenStack、CloudStack和Zstack部署云平臺的對比研究

1.OpenStack的特點及適用度分析。OpenStack是較早出現(xiàn)的開源云計算服務平臺，發(fā)展迅猛，行業(yè)內(nèi)影響力巨大，得到大多數(shù)虛擬化產(chǎn)品廠商支持，它是由開源社區(qū)來負責推進和維護的。它是采用分布式的架構(gòu)，核心項目之間耦合度低，可以方便的進行開發(fā)定制，然而因為其有多個項目組成，每個項目都要單獨安裝，并且要保證項目間的協(xié)作，所以部署會比較麻煩。另外，由于OpenStack處于高速發(fā)展階段，不同版本之間項目可能會有較大的變動，因此版本間的升級會比較困難。OpenStack功能強大，組件多，配置煩瑣，雖然初學者體驗感覺難度大，但是由于開源度高，適合深入系統(tǒng)學習云計算技術(shù)，比如開展“云計算技術(shù)與應用”技能大賽的訓練。OpenStack的安裝使用步驟是環(huán)境配置、認證服務、鏡像服務、計算服務、網(wǎng)絡服務、儀表盤設置、塊存儲服務、文件共享系統(tǒng)服務、對象存儲服務、編排服務、數(shù)據(jù)庫服務；啟動云主機實例。對云計算管理員而言，配置全程在英文字符界面下執(zhí)行，對做基礎性實驗的高職生而言有很大的挑戰(zhàn)性。

2.CloudStack的特點及適用度分析。CloudStack采用集中式的單體架構(gòu)，開發(fā)者突出強調(diào)的是高可用和高擴展的特性，構(gòu)造的目標是提供一個像Apache HTTP服務器一樣簡單易用的云計算平臺。整個平臺只有一個項目構(gòu)成，不同模塊之間通過本地調(diào)用進行交互，在一臺主機上就可以完成平臺的部署。云主機的部署基于Web交互頁面，設置欄目有控制板、實例、關(guān)聯(lián)性組、存儲、網(wǎng)絡、模板、事件、項目、角色、賬號、域、地理區(qū)域、基礎架構(gòu)、全局設置、服務方案等。對云計算管理員而言，項目繁多，仍有較大難度。云主機的實例管理屬于偏平管理，由模板快速生成。

3.ZStackk的特點及適用度分析。ZStackk作為一款新開源IaaS軟件，采取星狀架構(gòu)，各服務項目獨立，可選擇安裝。Zstack的安裝使用非常簡潔，步驟是初始化配置，創(chuàng)建云主機。重點在于初始化環(huán)境配置，步驟是創(chuàng)建區(qū)域、創(chuàng)建集群、添加物理主機、添加鏡像服務器、添加主存儲、創(chuàng)建計算規(guī)格、添加鏡像、創(chuàng)建二層網(wǎng)絡、創(chuàng)建三層網(wǎng)絡；ZStack初始化結(jié)束后，各項資源就緒，此時管理員可創(chuàng)建云主機。ZStack最突出的特點是易用性，ZStack對云平臺的管理采用Web交互方式執(zhí)行，控制臺簡潔明了，有云資源池、硬件設施、網(wǎng)絡、vCenter、平臺管理等欄目；國產(chǎn)軟件，中文標識，對做一般性實驗的高職生而言就很容易部署。

四、結(jié)語

通過比較OpenStack、CloudStack和ZStack三者的架構(gòu)可見，OpenStack的分布式架構(gòu)靈活性好，不同的項目可以單獨部署，知識分解明晰，缺點是部署麻煩；CloudStack采用集中式架構(gòu)，所以部署起來會相對容易很多，但是控制臺較復雜；ZStack的易用性最突出，一站式部署與管理，適用于常規(guī)虛擬實驗教學平臺的搭建與管理。

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