李琨 賈立偉 石曉明

摘要：隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來及高校信息化教學改革的不斷深入，使得醫(yī)學高專院校的信息化教學方式與學生學習需求不匹配的矛盾日益加劇。本文基于目前最流行的OpenStack框架在校園范圍內(nèi)構(gòu)建私有云平臺，為今后我校醫(yī)學信息技術(shù)、正常人體功能等課程信息化教學環(huán)境的部署提供基本的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：OpenStack；校園私有云；“互聯(lián)網(wǎng)+”

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）07-0048-02

1引言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來及高校信息化教學改革的不斷深入，加之醫(yī)專院校的學制時間短，學習任務(wù)重等客觀問題[1]的存在，使得醫(yī)專院校的信息化教學方式與學生學習需求不匹配的矛盾日益加劇。特別是各課程信息化教學軟件環(huán)境之間存在著各種差異，對于教師或?qū)嶒炄藛T來說，將它們部署到計算機實驗環(huán)境中十分費時、費力[2]。隨著云計算技術(shù)的廣泛研究與應(yīng)用，為解決上述問題提供了一種可行方案。本文利用學?，F(xiàn)有的實驗器材和設(shè)備，基于OpenStack框架構(gòu)建用于我校信息化教學的私有云平臺，為今后我校醫(yī)學信息技術(shù)、正常人體功能等課程信息化教學環(huán)境的部署提供基本的技術(shù)支持。

2私有云與OpenStack框架概述

私有云是云計算技術(shù)的一個分類，通常部署在企業(yè)信息中心的防火墻內(nèi)，是為企業(yè)內(nèi)部使用的專有云計算平臺，具有較高的安全性、可控性和可擴展性。云平臺可按需給用戶三個層面的資源服務(wù)[3]，其中基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）是云平臺向用戶提供的面向底層的基礎(chǔ)服務(wù)層次，是構(gòu)建云平臺最為關(guān)鍵的層次。OpenStack是目前IaaS開源云平臺框架中最活躍的項目，它不涉及商業(yè)授權(quán)問題且源代碼可控，開發(fā)者可自主完成二次開發(fā)并擁有完全的知識產(chǎn)權(quán)。鑒于私有云和OpenStack框架上述幾方面的優(yōu)勢，本文采用OpenStack框架構(gòu)建校園私有云平臺。

3基于OpenStack框架的校園私有云平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1校園私有云平臺的系統(tǒng)設(shè)計

一個OpenStack部署項目可以由若干個訪問基礎(chǔ)設(shè)施資源的組件組成[4]。這些服務(wù)可以根據(jù)需求協(xié)同工作，因此可選擇性地安裝若干個服務(wù)項目來部署項目。為了更快地部署應(yīng)用，本文以最小規(guī)模進行部署，但在后期使用中還可根據(jù)需要進一步擴展其功能。

1）網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

本私有云平臺中包括四類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和三類子網(wǎng)（拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示）。其中四類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包括：①控制器節(jié)點：用于分配和管理私有云平臺中的所有資源，是私有云平臺的核心控制節(jié)點。②計算節(jié)點：運行有關(guān)計算部分的管理程序，是私有云平臺的計算中心。③塊存儲節(jié)點：為運行實例提供了所需的磁盤空間，是私有云平臺的存儲中心。④對象存儲節(jié)點：為對象存儲服務(wù)提供了所需的磁盤空間，是私有云平臺的擴展存儲部分，用以和塊存儲節(jié)點共同構(gòu)成數(shù)據(jù)備份節(jié)點。本文實例中，控制器節(jié)點和計算節(jié)點是擁有2～4塊CPU、8GB+容量內(nèi)存、20GB+容量硬盤和三個網(wǎng)絡(luò)接口的主機；塊存儲節(jié)點和對象存儲節(jié)點是擁有1～2塊CPU、4GB+容量內(nèi)存、100GB+容量硬盤和至少兩個網(wǎng)絡(luò)接口的主機。

而三類子網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括：①管理網(wǎng)絡(luò)：用于各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間通訊之用（網(wǎng)段為10.20.0.0/24）。②外部網(wǎng)絡(luò)：用于控制節(jié)點和計算節(jié)點訪問互聯(lián)網(wǎng)之用，并為其增加防火墻保證內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全（網(wǎng)段為218.196.177.0/24）；③私有網(wǎng)絡(luò)：用于內(nèi)網(wǎng)租戶訪問私有云平臺之用（網(wǎng)段為192.168.0.0/24）。

2）各節(jié)點安裝的服務(wù)項目（如圖2所示）

在本實例中，控制器節(jié)點中安裝運行的服務(wù)包括支持服務(wù)（如SQL數(shù)據(jù)庫、消息隊列等服務(wù)）、基本服務(wù)（如身份認證、鏡像、計算等服務(wù)）和可選服務(wù)（如儀表板、塊存儲管理、對象存儲管理等服務(wù)）三大類服務(wù)。

計算節(jié)點中除了使用基于內(nèi)核的VM管理和Nova計算管理程序以外，還需安裝虛擬化模擬工具QEMU和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)代理來將實例連接到虛擬網(wǎng)絡(luò)。另外本例也可增加多個計算節(jié)點構(gòu)成計算節(jié)點簇進行部署。

塊存儲節(jié)點中安裝的基本服務(wù)有iSCSI目標服務(wù)和塊存儲卷服務(wù)，而對象存儲節(jié)點中安裝對象存儲服務(wù)以處理對象存儲節(jié)點上所運行的賬戶、容器和對象等服務(wù)的請求。塊存儲節(jié)點或?qū)ο蟠鎯?jié)點在實際部署時也可增加節(jié)點數(shù)構(gòu)成節(jié)點簇進行部署。

3.2校園私有云平臺的部署步驟

本項目主機選擇安裝CentOS 7操作系統(tǒng)和OpenStackRocky版開源框架，分別對控制節(jié)點、計算節(jié)點、塊存儲節(jié)點和對象存儲節(jié)點進行安裝和部署。在所有硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境部署完成之后，需對每個節(jié)點中的軟件環(huán)境進行配置。

1）所有類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點安裝基本環(huán)境的步驟

①對所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點按照私有云平臺的網(wǎng)絡(luò)拓撲對各節(jié)點主機的各網(wǎng)卡配置靜態(tài)IP地址，為節(jié)點主機設(shè)置主機名以使私有云平臺中的各個節(jié)點通過IP地址或主機名進行識別和通信。

②對所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點安裝網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議以使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點獲得正確的同步服務(wù)，其中配置控制器節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)中的服務(wù)器同步服務(wù)，配置其他類型節(jié)點與控制器節(jié)點同步。

③對所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均安裝OpenStack Rocky版本框架和客戶端，并安裝OpenStackSelinux包為各個服務(wù)提供安全策略管理。

2）控制器節(jié)點安裝相關(guān)服務(wù)項目的步驟

①安裝支持服務(wù)，包括安裝Mariadb數(shù)據(jù)庫服務(wù)，為后續(xù)其他服務(wù)的安裝與注冊提供數(shù)據(jù)存儲基礎(chǔ)；安裝RabbitMQ消息隊列服務(wù)，以協(xié)調(diào)各個服務(wù)之間的操作和狀態(tài)信息；安裝memcached內(nèi)存對象緩存服務(wù)用以緩存身份驗證時所使用的token；安裝Etcd用以完成分布式密鑰鎖定、存儲配置等數(shù)據(jù)的存儲和發(fā)現(xiàn)。

②身份認證服務(wù)Keystone是用于管理身份驗證、授權(quán)和服務(wù)分類的單一集成點。一旦通過身份驗證，用戶就可使用其身份訪問其他OpenStack服務(wù)；同樣，其他OpenStack服務(wù)利用身份認證服務(wù)來確保用戶是認證用戶，并確定其他OpenStack服務(wù)在應(yīng)用部署中的位置。故在安裝完支持服務(wù)后，應(yīng)首先安裝和部署Keystone項目（包括創(chuàng)建Keystone數(shù)據(jù)庫并授權(quán)訪問，安裝并配置Keystone組件和配置Apache HTTP服務(wù)器）。

③鏡像服務(wù)Glance能夠接受來自終端用戶或OpenStack計算組件中對于磁盤或服務(wù)器鏡像的API請求，它也支持在任意數(shù)據(jù)存儲類型中對磁盤或服務(wù)器鏡像的存儲。安裝鏡像服務(wù)Glance之前，先要創(chuàng)建Glance數(shù)據(jù)庫、服務(wù)憑證以及API端點，最后安裝并配置Glance組件。

④計算服務(wù)Nova與Keystone服務(wù)交互進行身份認證，請求鏡像服務(wù)為其提供磁盤或服務(wù)器鏡像；請求OpenStack儀表盤為用戶提供用戶圖形接口。在安裝計算服務(wù)Nova之前，需首先創(chuàng)建nova_api，nova，nova_cell0和placement四個數(shù)據(jù)庫，安裝服務(wù)憑證和API端點，最后安裝、注冊并配置Nova相關(guān)組件。

⑤在前期所配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基礎(chǔ)之上，在安裝Neutron網(wǎng)絡(luò)服務(wù)之前，首先創(chuàng)建neutron數(shù)據(jù)庫，并安裝服務(wù)憑證和API端點，然后分別安裝neutron組件、ml2組件、linuxbridge組件并對服務(wù)器組件進行配置。之后對ML2插件及Linux Bridge、layer-3、DHCP及元數(shù)據(jù)代理進行配置，最后配置計算服務(wù)能夠使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

⑥安裝并配置儀表板項目，為終端用戶與私有云平臺交互提供用戶圖形接口。

⑦在安裝塊存儲服務(wù)Cinder之前，先創(chuàng)建cinder數(shù)據(jù)庫，并安裝服務(wù)憑證和API端點。然后安裝并配置Cinder組件，同時配置計算節(jié)點能夠使用該塊存儲服務(wù)。如若項目部署中安裝了對象存儲服務(wù)還需進一步完成該服務(wù)的安裝和配置，此處不再贅述。

3）為計算節(jié)點安裝相關(guān)服務(wù)項目步驟

①安裝、注冊并配置Nova計算組件，在支持硬件加速的計算節(jié)點上配置使用帶有基于內(nèi)核VM擴展的快速Q(mào)EMU管理程序，而對傳統(tǒng)硬件配置使用通用QEMU管理程序。然后添加計算節(jié)點到cell數(shù)據(jù)庫中。

②安裝網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件，包括安裝Linux Bridge組件、ebtables組件和ipset組件，并對身份驗證機制、消息隊列和插件等進行配置，然后對Linux Bridge代理和元數(shù)據(jù)代理進行配置，最后配置計算服務(wù)去使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

4）為塊存儲/對象存儲節(jié)點安裝相關(guān)服務(wù)項目步驟

首先準備好用于塊存儲/對象存儲的存儲設(shè)備，安裝LVM和LVM元數(shù)據(jù)服務(wù)并配置它們。然后創(chuàng)建LVM物理卷、LVM卷組，配置LVM參數(shù)使其只掃描那些包含在LVM卷組中的磁盤設(shè)備，最后安裝并配置cinder、targetcli和keystone組件。若私有云平臺增加備份功能還需進一步對對象存儲服務(wù)Swift進行配置，由于篇幅受限在此不再贅述，可參考OpenStack技術(shù)文檔進行安裝和配置。

4總結(jié)

綜上所述，本文為滿足我校信息化教學改革的發(fā)展要求，在校園網(wǎng)小范圍內(nèi)，利用學?，F(xiàn)有的教學設(shè)備，基于OpenStack框架搭建了校園私有云平臺。雖然出于現(xiàn)有條件的限制和快速部署應(yīng)用的需要，本文以最小規(guī)模完成了私有云平臺的部署。但因OpenStack具有非常靈活的擴充型，隨著技術(shù)的發(fā)展成熟以及實驗條件的改善，使得本項目未來無論是從性能還是從功能等方面得以改善成為可能，也為今后我校醫(yī)學信息技術(shù)、正常人體功能等課程信息化教學環(huán)境的部署提供了基本的技術(shù)支持。

參考文獻：

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[2] 王峰， 黃剛. 基于云平臺的計算機實驗教學中心建設(shè)[J]. 實驗技術(shù)與管理， 2014， 31（12）：121-123.

[3] 李喆， 魏巍. 基于OpenStack平臺的私有云[J]. 天津科技， 2016（7）：80-83.

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【通聯(lián)編輯：光文玲】