趙春平，苗志鋒

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著我國(guó)進(jìn)入數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，各高校普遍增設(shè)云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等新興專(zhuān)業(yè)，培養(yǎng)符合產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)需要的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才。而Linux 作為云計(jì)算平臺(tái)的基石底座，拓展了虛擬化和容器化的計(jì)算生態(tài)。根據(jù)智聯(lián)招聘、Boss 直聘等網(wǎng)站數(shù)據(jù)，云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)技能崗位群中，掌握“Linux 服務(wù)器管理和運(yùn)維”成為一種重要職業(yè)技能和任職要求。

高職信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)中，“Linux 服務(wù)器管理與運(yùn)維”課程面向服務(wù)器領(lǐng)域的多任務(wù)場(chǎng)景，如：系統(tǒng)安裝和服務(wù)進(jìn)程管理、服務(wù)器部署管理等。為使學(xué)習(xí)者聚焦任務(wù)實(shí)施本身，教師需要為每臺(tái)主機(jī)的每個(gè)場(chǎng)景任務(wù)提前配置必要的一致性實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)環(huán)境。但Ansible 框架更常用于生產(chǎn)環(huán)境的自動(dòng)化部署。對(duì)于高職實(shí)訓(xùn)環(huán)境的批量自動(dòng)部署還存在不適應(yīng)的地方，主要表現(xiàn)在：生產(chǎn)環(huán)境部署好后會(huì)持續(xù)運(yùn)行，但實(shí)訓(xùn)環(huán)境在課后會(huì)重置，對(duì)于多場(chǎng)景的任務(wù)普遍依賴(lài)的通用前序任務(wù)友好度差和一致性差。學(xué)習(xí)者重復(fù)手動(dòng)設(shè)置，耗時(shí)又缺乏成就感，且擠占了課堂寶貴的核心任務(wù)時(shí)間。因此，迫切需要提供一種批量自動(dòng)化的部署方式，協(xié)助教師根據(jù)每次任務(wù)場(chǎng)景需要在課前統(tǒng)一推送設(shè)置部署。

1 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著阿里云等國(guó)內(nèi)公有云計(jì)算平臺(tái)的興起，國(guó)內(nèi)外針對(duì)自動(dòng)化批量部署的研究和探索成果日益增多。中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)信息技術(shù)中心的孫翠鋒面向電信云平臺(tái)資源池優(yōu)化，提出基于節(jié)點(diǎn)度量和多維參數(shù)估計(jì)的云環(huán)境下云平臺(tái)虛擬機(jī)批量部署算法，優(yōu)化了部署模型，提高了云環(huán)境下云平臺(tái)虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)、批量轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)換和自適應(yīng)控制能力[1]，為實(shí)訓(xùn)室內(nèi)批量部署提供了虛擬化思路。黃巨濤等[2]針對(duì)電力行業(yè)信息系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)和中間件國(guó)產(chǎn)化后的運(yùn)維需求，提出了一種基于Ansible 工具設(shè)計(jì)電力云平臺(tái)的自動(dòng)化部署系統(tǒng)，改善了大文件傳輸?shù)男?。隋利鋒等[3]針對(duì)某地市商業(yè)銀行的生產(chǎn)環(huán)境中服務(wù)器運(yùn)維場(chǎng)景，提出了運(yùn)用Ansible 框架，實(shí)現(xiàn)Linux 服務(wù)器運(yùn)維任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化、模版化和自動(dòng)化的實(shí)踐探索。李湘林等[4]針對(duì)各大公司企業(yè)對(duì)網(wǎng)頁(yè)web 框架的批量新增需求，設(shè)計(jì)了一種基于Ansible 自動(dòng)化運(yùn)維系統(tǒng)批量部署LAMP 架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)集中控制服務(wù)器，運(yùn)用了智能運(yùn)維思路來(lái)建設(shè)維護(hù)云中心的體系以滿足很多企業(yè)在LAMP 部署上的發(fā)展需要。

通過(guò)現(xiàn)狀研究分析可以得出：（1）云平臺(tái)服務(wù)提供商在云服務(wù)的資源虛擬化配置模型和部署算法上進(jìn)行研究和改進(jìn)；（2）電信、銀行等生產(chǎn)環(huán)境信息化程度高、部署運(yùn)維壓力大的企業(yè)是批量自動(dòng)部署研究和實(shí)踐的先行者，在產(chǎn)品選型、部署研究上提供了良好的、可借鑒的實(shí)踐方法；（3）批量部署的主要為不同應(yīng)用需要的Linux 的服務(wù)器，輔助部分VRP 的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，個(gè)性定制性強(qiáng)。但針對(duì)職業(yè)院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)場(chǎng)景的批量部署研究較少，面向虛擬機(jī)的LInux 服務(wù)器客戶(hù)端實(shí)訓(xùn)主機(jī)的批量部署研究較少。

2 部署框架Ansible 核心原理和關(guān)鍵技術(shù)

在“Linux 服務(wù)器管理”課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境中，主要是面向?qū)嵱?xùn)環(huán)境中的多主機(jī)提供一種批量的自動(dòng)化部署，從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)基礎(chǔ)環(huán)境和前序任務(wù)的一致性。部署框架Ansible 是企業(yè)IT 平臺(tái)的自動(dòng)化部署和運(yùn)維平臺(tái)和工具中的主流選項(xiàng)，它基于Python 開(kāi)發(fā)，采用無(wú)侵入方式，提供了一種集成IT 系統(tǒng)的多節(jié)點(diǎn)配置管理、遠(yuǎn)程執(zhí)行特定任務(wù)的應(yīng)用部署功能。無(wú)侵入式部署能夠簡(jiǎn)化運(yùn)維中的配置管理與流程控制方式，利用推送方式對(duì)受控的客戶(hù)系統(tǒng)加以配置，幾乎所有配置工作都可在主服務(wù)器端完成[4]。用戶(hù)可以通過(guò)調(diào)用內(nèi)置module 來(lái)執(zhí)行任務(wù)和批量部署。它的主要組件如下，框架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 Ansible 結(jié)構(gòu)

（1）通信連接插件connection plugins：負(fù)責(zé)Ansible 主控主機(jī)和受控端主機(jī)信。Ansible 與Windows 通信通過(guò)powershell 和winrm 遠(yuǎn)程管理服務(wù)，與其他系統(tǒng)一般則采用ssh 服務(wù)協(xié)議。

（2）受控主機(jī)清單host inventory：指定操作的主機(jī)或主機(jī)集合。默認(rèn)在/etc/ansible/hosts 配置文件里面定義監(jiān)控的主機(jī)范圍。

（3）各種功能模塊modules，模塊是具體負(fù)責(zé)任務(wù)的執(zhí)行單元。除通信、調(diào)度、日志等核心模塊外，可以調(diào)用command 模塊，如可以在受控主機(jī)上執(zhí)行shell命令，復(fù)制上傳文件，安裝軟件等配置任務(wù)；可以通過(guò)Python 來(lái)實(shí)訓(xùn)自定義功能模塊完成擴(kuò)展任務(wù)。

（4）ad-hoc 執(zhí)行模式，任務(wù)執(zhí)行只用到單個(gè)模塊，無(wú)論單臺(tái)執(zhí)行還是多臺(tái)批量執(zhí)行，都可以稱(chēng)為ad-hoc 模式，相當(dāng)于在受控主機(jī)的bash 中的一條shell 命令。如果任務(wù)關(guān)聯(lián)用到多個(gè)模塊，可使用playbook 劇本模式。

（5）playbook 劇本模式，是Ansible 主要管理方式，也是Ansible 功能強(qiáng)大的關(guān)鍵所在。playbook 通過(guò)YAML 語(yǔ)言任務(wù)腳本配置文件，設(shè)置受控主機(jī)清單，連接登錄方式，在tasks 區(qū)塊部分將多個(gè)task 集合完成一類(lèi)功能，來(lái)調(diào)度相應(yīng)的module 實(shí)現(xiàn)具體運(yùn)維任務(wù)。如Web 服務(wù)的安裝部署、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的批量備份等?；镜葍r(jià)于通過(guò)組合多條ad-hoc 操作實(shí)現(xiàn)的批量處理的配置文件。

3 基于Ansible 的實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)環(huán)境部署方案

3.1 實(shí)訓(xùn)室初始狀態(tài)設(shè)定

以某高職信息技術(shù)實(shí)訓(xùn)基地云計(jì)算基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)室為例，機(jī)房主機(jī)數(shù)量為50 臺(tái)學(xué)生用主機(jī)和1 臺(tái)教師機(jī)。安裝方式為在Window 宿主機(jī)的VMWare 虛擬機(jī)上安裝CentOS7 Linux 服務(wù)器操作系統(tǒng)。其中windows 主機(jī)稱(chēng)為宿主機(jī)，虛擬機(jī)中的Linux 服務(wù)器稱(chēng)為客戶(hù)機(jī)或受控端主機(jī)。教師機(jī)的Linux 客戶(hù)機(jī)作為Ansible 主控端。

Linux 應(yīng)用軟件安裝方式，優(yōu)先連接本地軟件源倉(cāng)庫(kù)，在虛擬機(jī)本地搭建光盤(pán)軟件源倉(cāng)庫(kù)的方式進(jìn)行。一般不采用直接在線方式，一是官方鏡像默認(rèn)在國(guó)（境）外，上游速率低耗時(shí)長(zhǎng)；二是實(shí)訓(xùn)室所有主機(jī)同時(shí)訪問(wèn)安裝對(duì)校園網(wǎng)出口帶寬壓力極大。

假設(shè)本實(shí)訓(xùn)室網(wǎng)絡(luò)地址段為：192.168.18.0/23。其中，windows 宿主機(jī)統(tǒng)一靜態(tài)配置192.168.18.0/23 的地址范圍，網(wǎng)關(guān)為192.168.18.1/23。Linux 客戶(hù)機(jī)需要設(shè)置2 塊網(wǎng)卡，其中一塊需為“host-only”模式，基于vmnet8 虛擬網(wǎng)卡，與Windows 宿主機(jī)實(shí)現(xiàn)一對(duì)一通信，地址范圍可以設(shè)置為192.168.110.X/24。windows宿主機(jī)可以通過(guò)SSH 客戶(hù)端遠(yuǎn)程管理和配置服務(wù)器。第二塊網(wǎng)卡要選擇“Bridge”橋接模式，并復(fù)制宿主機(jī)物理網(wǎng)卡的狀態(tài)選項(xiàng)。IP 地址范圍與宿主機(jī)相同。使得Ansible 主機(jī)端能直接與受控主機(jī)通信，將指令和配置文件、腳本等發(fā)送到受控端執(zhí)行。為方便區(qū)別和快速采集受控主機(jī)地址集合，選取192.168.19.0/23 網(wǎng)段作為受控地址范圍，進(jìn)行手工設(shè)置地址。具體主機(jī)參數(shù)和地址配置見(jiàn)表1。

表1 主機(jī)參數(shù)和IP 地址配置

3.2 基于Ansible部署任務(wù)場(chǎng)景的思路

Ansible 框架平臺(tái)，針對(duì)受控主機(jī)操作任務(wù)的自動(dòng)化部署，遵循如下步驟實(shí)現(xiàn)操作轉(zhuǎn)換。

（1）任務(wù)場(chǎng)景識(shí)別。結(jié)合課程實(shí)踐教學(xué)任務(wù)，梳理歸納各場(chǎng)景的模塊任務(wù)和基礎(chǔ)通用任務(wù)。如為受控端主機(jī)統(tǒng)一配置光盤(pán)鏡像軟件倉(cāng)庫(kù)，為受控端主機(jī)的增加用戶(hù)和設(shè)置權(quán)限；批量發(fā)送特定配置文件給受控端主機(jī)等。

（2）過(guò)程分解序化。記錄整理某個(gè)場(chǎng)景任務(wù)或通用基礎(chǔ)任務(wù)，以通用任務(wù)——為受控端主機(jī)統(tǒng)一配置光盤(pán)鏡像軟件倉(cāng)庫(kù)為例，在受控主機(jī)端本地shell 完成任務(wù)后，記錄所有操作步驟，形成初步的操作流程和可執(zhí)行腳本。

（3）操作抽象程序化。對(duì)單機(jī)具體可行的操作腳本，提煉通用型、基礎(chǔ)型操作，形成原子操作，引入變量，形成可執(zhí)行的程序化描述。同樣以軟件源倉(cāng)庫(kù)為例，主要可以包括目錄創(chuàng)建、文件復(fù)制、設(shè)備掛載、配置修改、緩存更新等原子操作。

（4）模塊化自動(dòng)化。結(jié)合上述步驟中的各原子操作，對(duì)應(yīng)Ansible 框架中的內(nèi)置模功能模塊，如shell（執(zhí)行命令）、copy（復(fù)制文件）、mount（掛載設(shè)備）等。用yaml 配置文件創(chuàng)建playbook 劇本，列入受控主機(jī)清單，有序組合各功能模塊形成tasks 任務(wù)序列，在受控主機(jī)上批量執(zhí)行。Ansible 自動(dòng)部署流程見(jiàn)圖2。

圖2 Ansible自動(dòng)部署流程示意圖

3.3 與受控主機(jī)建立無(wú)密登錄互信關(guān)系

Ansible 作為主控端，需要通過(guò)SSH 協(xié)議與受控主機(jī)（集合）進(jìn)行通信連接。需要在配置文件中設(shè)置的用戶(hù)名和密碼。在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中，所有受控端主機(jī)集合的用戶(hù)名和密碼是統(tǒng)一，可以在Ansible 配置文件中統(tǒng)一設(shè)置受控端主機(jī)（集合）的SSH 遠(yuǎn)程登錄名和密碼。設(shè)置代碼如下：

為增強(qiáng)通信連接的安全性，為Ansible 通信設(shè)置無(wú)密互信登錄。無(wú)密互信通信原理，在主控端為ssh生成RSA 算法的公鑰、私鑰的秘鑰把文件保存在root用戶(hù)主目錄下。用私鑰加密的通信協(xié)議數(shù)據(jù)，可以用成對(duì)的公鑰解密。因此需要在主控端將自己的公鑰分發(fā)到各受控主機(jī)上。

主要步驟為：（1）在Ansible 主控端生成RSA 秘鑰對(duì)；（2）配置受控主機(jī)集合，設(shè)置SSH 登錄用戶(hù)名和密碼；（3）利用authorized_key 模塊進(jìn)行分發(fā)。在密碼登錄配置的基礎(chǔ)上，編寫(xiě)playbook 劇本模式，實(shí)現(xiàn)分發(fā)的批量操作。劇本內(nèi)容如下：

3.4 統(tǒng)一部署軟件倉(cāng)庫(kù)配置

在CentOS7 中，采用yum 軟件包管理器對(duì)應(yīng)用軟件和工具庫(kù)進(jìn)行安裝、卸載、升級(jí)等管理。yum 安裝時(shí)需要從配置啟用的“軟件源倉(cāng)庫(kù)”中拉取軟件包、依賴(lài)包進(jìn)行安裝。軟件源倉(cāng)庫(kù)既包括在線的網(wǎng)絡(luò)源倉(cāng)庫(kù)，又可以基于光盤(pán)鏡像構(gòu)建本地軟件源倉(cāng)庫(kù)。

3.4.1 在客戶(hù)機(jī)本地配置yum 倉(cāng)庫(kù)步驟分解

虛擬機(jī)默認(rèn)連接本地CentOS-DVD.iso 光盤(pán)鏡像文件?；谠搃so 文件構(gòu)建本地軟件源倉(cāng)庫(kù)的核心配置原理為：將軟件源倉(cāng)庫(kù)配置文件的baseurl 參數(shù)設(shè)置指向到本地光盤(pán)鏡像路徑，再有yum 包管理器生成元數(shù)據(jù)索引，供yum 在安裝、查詢(xún)、升級(jí)和卸載操作中應(yīng)用。

任務(wù)實(shí)施可以包括光盤(pán)掛載、配置修改、元數(shù)據(jù)生成等三大步驟：

（1）光盤(pán)掛載。在Linux 中，設(shè)備被看作文件進(jìn)行讀寫(xiě)處理。光盤(pán)鏡像文件要先掛載映射到目錄下，可能被Linux 文件系統(tǒng)識(shí)別讀取。因此，在約定的便存儲(chǔ)外設(shè)掛載目錄/media 下創(chuàng)建掛載點(diǎn)目錄。將光盤(pán)設(shè)備文件/dev/sr0 掛載到掛載點(diǎn)目錄文件路徑上，通過(guò)掛載點(diǎn)讀取設(shè)備文件內(nèi)容。掛載點(diǎn)命名要求規(guī)范，即/media/CentOS，與樣本配置文件中的baseurl 設(shè)定保持一致，減少后續(xù)配置中出錯(cuò)的概率。

（2）配置軟件源倉(cāng)庫(kù)。CentOS7 的yum 軟件倉(cāng)庫(kù)配置目錄為/etc/yum.repos.d/，包含有網(wǎng)絡(luò)安裝、本地安裝等多種配置文件，對(duì)本地光盤(pán)鏡像軟件倉(cāng)庫(kù)設(shè)置形成干擾。建議將其全部移除備份到其他目錄，如主目錄，只保留CentOS-Media.repo 配置文件，清理不存在的baseurl 路徑，確保[c7-media]倉(cāng)庫(kù)是處于激活狀態(tài)。同樣，可以在Ansible 主控端保留正確模版文件，通過(guò)復(fù)制模塊將其推送分發(fā)給受控主機(jī)集合。

（3）重新生成元數(shù)據(jù)索引。當(dāng)倉(cāng)庫(kù)配置文件變更后，原有的元數(shù)據(jù)索引文件失效，存在不一致?？赏ㄟ^(guò)yum 對(duì)原倉(cāng)庫(kù)索引的緩存進(jìn)行全部清理重構(gòu)，激活加載新的軟件源倉(cāng)庫(kù)。

全部步驟完成，具體命令操作如下：

3.4.2 轉(zhuǎn)化并編制Playbook 劇本

對(duì)應(yīng)本地的光盤(pán)掛載、配置修改、元數(shù)據(jù)生成的主要步驟，選取對(duì)應(yīng)的Ansible 中功能模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)化和序化。

（1）生成掛載點(diǎn)。需要在受控主機(jī)上創(chuàng)建目錄，選用shell 模塊執(zhí)行命令。語(yǔ)法原型為：Ansible host1 -m shell -a 'mkdir -p/media/CentOS'。其中，host1 為受控主機(jī)名或集合名。劇本模式中，結(jié)合name 和shell組合使用。

（2）掛載設(shè)備到掛載點(diǎn)。選用mount 功能模塊，遠(yuǎn)程在受控端執(zhí)行，將/dev/sr0 掛載到/media/CentOS目錄。

（3）清空倉(cāng)庫(kù)配置目錄。選用shell 模塊執(zhí)行mv命令。

（4）分發(fā)配置模版。除通過(guò)shell 模塊在各受控端主機(jī)一一修改配置文件外，更便捷的方式，是在Ansible 主控端準(zhǔn)備一份已修改好的配置模塊文件，直接負(fù)責(zé)分發(fā)。采用copy 模塊來(lái)將源配置文件，統(tǒng)一發(fā)送到受控主機(jī)上指定目錄下。

（5）更新元數(shù)據(jù)索引。選用shell 模塊執(zhí)行yum 組合命令。或可以選用yum_repository 模塊，直接在線設(shè)置軟件源倉(cāng)庫(kù)配置。

（6）列出受控主機(jī)集合。修改/etc/Ansible/hosts 文件。

本任務(wù)的playbook 劇本文件主要內(nèi)容如下：

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在Linux 課程實(shí)踐教學(xué)中，引入Ansible 自動(dòng)部署框架，在課前為各任務(wù)場(chǎng)景批量執(zhí)行命令、統(tǒng)一分發(fā)配置文件等，減少了學(xué)習(xí)者枯燥重復(fù)操作準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，為每臺(tái)主機(jī)配置有相同的條件和一致性的環(huán)境，使得學(xué)習(xí)者聚集到教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，批量統(tǒng)一部署可以推廣應(yīng)用到實(shí)踐考核基礎(chǔ)環(huán)境準(zhǔn)備。兼顧了實(shí)訓(xùn)管理員的初始實(shí)訓(xùn)環(huán)境和教師的場(chǎng)景任務(wù)基礎(chǔ)環(huán)境的布置。同樣對(duì)于其他基于Linux 服務(wù)器的課程具有一定的借鑒意義。但如何將其用于其他系統(tǒng)，尤其是蘋(píng)果實(shí)訓(xùn)機(jī)房的主機(jī)批量部署，目前還缺乏深入的研究，需要在后續(xù)研究計(jì)劃中進(jìn)行實(shí)踐和研究。