基于OpenStack的高职IT专业虚拟化实训室建设与资源优化

陈志高（湖南科技职业学院软件学院，长沙410004）

基于OpenStack的高职IT专业虚拟化实训室建设与资源优化

陈志高
（湖南科技职业学院软件学院，长沙410004）

IT技术日新月异，高职院校为提高教学质量，面临建设IT专业实训室的困扰。一方面学生实训所需的操作系统和开发软件不断更新需要越来越多的计算机资源；另一方面，高职院校大批量购买的计算机使用几年后性能显著下降，无法满足实训要求。使用开源云平台软件OpenStack能快速实现高职院校IT专业虚拟化实训室建设，并通过整合多台计算机资源解决传统实训室硬件升级、维修不便等问题，既可满足不同专业实训要求，又能实现资源优化。

OpenStack；虚拟化实训室建设；资源优化

云计算是一种基于互联网的计算方式，它将全部的硬件资源、软件资源以及应用服务信息共享，并通过这种方式将资源池所拥有的资源按需求提供给各个终端设备。IT基础设施是高职院校重要的教学资源，每个专业新生入学时必须要学习基本的计算机操作，并且要参加计算机等级考试。目前，高职院校在IT基础设施的建设与维护方面遇到以下问题。

一是实训室桌面系统难以管理。在高职院校，由于不同专业所使用的实训环境均不相同，导致不同专业的学生在实训课上使用的桌面系统一般都是分散、独立的桌面，难以统一管理和升级维护。

二是实训室系统安全问题严峻。由于不同专业实训条件要求不同，高职院校采用分散、独立的实训桌面系统，对控制学生上网行为的难度加大，如部分网络专业课程要求能连接到因特网上进行实训操作，其他专业（如软件开发）则可能需要通过优盘将每次实训的软件代码拷贝到实训室进行连续操作。一旦个别学生所使用的实训计算机被病毒感染，实训室其他计算机极容易被病毒迅速感染与传播。

三是实训室硬件性能升级困难。由于目前高职院校实训室里的计算机都是相隔若干年才进行批量采购，很多原先采购的计算机经过多年使用出现性能退化，不论是计算机内存容量还是CPU资源都无法满足新课程、新技术的实训需求。很多高职院校在引进新专业时不得不时常对实训室计算机逐台进行硬件升级，大大增加了升级的成本与时间。

四是实训室设备计算资源利用率低下。目前，很多高职院校普遍存在实训室开课率不高的现象，如果没有安排实训课程，实训室里的计算机将会闲置而造成计算资源的浪费。如果采用虚拟化技术将所有计算机的资源加入到资源池进行统一管理，可以让桌面系统从物理计算机中分离出来，通过云平台将计算资源、桌面资源进行集中化管理，并且能够针对不同专业的学生进行个性化定制。学生可以随时使用实训室的计算机甚至自己的手机终端通过网络访问并使用这些定制的虚拟机云桌面，当学生完成实训操作后可以直接将数据通过云存储统一存放。这种方式能够实现高职院校实训室计算机资源高效管理，并能满足不同专业对计算机性能的特殊需求，极大地提高实训室资源利用率。

一、云服务层次与OpenStack

（一）云服务三个层次

云计算技术是目前满足高职院校各专业实训室建设要求、解决实训室建设问题的主流方案之一。云计算有三种模式，即基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。IaaS是通过互联网提供数据中心、基础架构硬件和软件资源，还可以提供服务器、操作系统、磁盘存储、数据库和信息资源等。Paas则提供了基础架构，软件开发者可以在这个基础架构之上建设新的应用，或者扩展已有的应用，不必购买开发、质量控制或生产服务器。SaaS是一种软件分布模式，也是得到最广泛应用的一种云计算。在这种模式下，应用软件安装在厂商或者服务供应商那里，用户可以通过某个网络来使用这些软件。

（二）OpenStack云平台技术

OpenStack是一个由美国国家航空航天局和Rackspace共同研发，目的在于为公共云和私有云的搭建与管理提供软件的开源项目。目前，OpenStack的社区已经拥有几百家企业及数千位研发者，他们都将OpenStack作为IaaS（基础设施即服务）的通用前端。简化 “云”的部署过程是OpenStack的第一要务，同时也为所搭建的公有云和私有云提供良好的可扩展性，可以帮助用户通过其前端来配置和管理自己的公有云或私有云。

OpenStack是在Apache许可下的一个自由和开放源代码的软件，是数据中心用于管理计算资源池、存储资源池和网络资源池的一款开源云操作系统。它所有的管理操作均可以通过其自身提供的接口来执行。OpenStack从组件架构上来看包括Keystone、Nova、Neutron（Quantum）、Cinder、Swift、Horizon、Ceilometer、Glance和Heat等组件。其中Keystone负责用户的认证与授权，Nova负责计算资源的管理，Neutron（Quantum）负责网络资源的管理，Cinder负责块存储的管理，Swift负责对象存储的管理，Horizon是控制面板组件，Ceilometer负责集群监控，Glance负责镜像的存储与管理，Heat则是负责模版定制。OpenStack就是通过这些具有不同用途的组件之间的相互协作而形成的云操作系统，各组件逻辑关系如图1所示。

图1　OpenStack各组件逻辑关系图

二、高职虚拟化实训室建设思路

虚拟化实训室具有集中化管理优势，不仅能够大大节约运营成本，还可以提高运维效率。在云平台统一管理下，实训室维护人员可以通过云控制中心管理成千上万的虚拟桌面，每个虚拟化实训室只需要按照实训要求制作一个 “基础镜像”，学生实训所需要的各种软件和硬件资源都可由“基础镜像”来生成若干虚拟桌面，所有的软件更新与维护只需要更新实训室对应的“基础镜像”即可。目前，OpenStack是主流的开源云平台代表，以OpenStack云桌面托管服务的形式向实训教学对象交付桌面，能有效解决高校实训室用户操作灵活性与管理控制力的矛盾。

（一）基于OpenStack的虚拟化实训室建设原则

由于高职院校资金投入不足，建设实训室原则上应当选择总体投入小，并能满足当前及未来一段时间高职实训教学要求。采用OpenStack建设实训室具有以下优点：OpenStack云平台能充分利用现有硬件资源，节约硬件成本；OpenStack能将现有计算机资源统一整合到资源池，所有实训所需的虚拟机直接通过资源池调用，动态回收，既节约实训室运维成本，又提高维护效率和教学质量；OpenStack云平台提供虚拟机资源能通过网络实时共享，能为校内外的实训教学提供资源共享平台；采用OpenStack云平台实训环境能为学生提供与企业应用相近的实践场所及技术应用环境，有助于提高学生的实践能力。

（二）基于OpenStack的虚拟化实训室建设思路

采用OpenStack设计虚拟化实训室的整体思路是：首先利用OpenStack桌面虚拟化和云架构技术，将虚拟化和存储结合起来，分别用两台服务器将运算资源安装在控制节点，存储资源安装在存储节点，使虚拟机可以动态活动，在计算设备之间可以动态移动，当运行中的虚拟机发生故障时可以无缝迁移到其他运算资源上继续服务。采用OpenStack云桌面构建虚拟化实训室，可以充分利用已有的计算机硬件设备，根据实训需要进行设备扩充，以建设IT相关专业实训室为例，服务器和虚拟机的运算资源采用1∶2配比，内存采用1∶1配比形式。采购服务器时，应当选择核数多、内存大的CPU。OpenStack的薄弱点在于存储，存储上运行着全部的虚拟机文件，如果存储故障，出现系统宕机，教师的教学资料、学生的课程设计等将无法使用或损坏，因此，在使用OpenStack时应及时备份OpenStack下的磁盘和相关配置及日志文件，便于及时数据恢复。采用云计算技术后可靠性已经有所保障，访问性能可以通过提高虚拟机配置来实现。

三、虚拟化实训室综合建设方案

（一）学校虚拟化实训室解决方案

虚拟化实训室建设必须结合学校业务设计解决方案，所设计的虚拟化实训室必须满足学校不同专业对计算机资源的不同要求。在进行虚拟化实训室设计时，一个院系内的不同专业方向所使用的实训环境相似度较高，不同院系之间的实训环境差别较大，因此高职院校可以按照以院系为单位来建设自己的虚拟化云平台，所有院系可通过数据中心统一监控管理与调度。采用OpenStack虚拟桌面远程连接云主机能实现不同院系实训室统一管理。OpenStack虚拟化实训室的网络功能主要由开源项目Neutron所提供。Neutron主要提供云计算环境下的虚拟网络功能，虚拟机均具有两种IP地址，即浮动IP和绑定IP。如果想让外部计算机能直接访问虚拟机才会使用浮动IP。而绑定IP则是虚拟机处于虚拟网络里的IP，也是虚拟机的真实IP，用户可以通过网络在校内外随时连接到虚拟化实训室完成实训内容，并且高职院校之间还可将本校的虚拟化实训云平台闲置计算资源租售给其他院校使用，学校虚拟化实训室平台架构如图2所示。

（二）IT专业虚拟化实训室资源优化方案

由于一个学校有多个不同院系，会导致每个院系所需的实训室建设要求大相径庭，高职虚拟化实训室建设可以按照专业课程在各院系完成，公共课如公共计算机、公共英语等统一建立在学校云数据中心，这样可以减少重复建设并能满足各院系实训室资源的个性化要求。

1.网络技术及硬件类实训项目的资源优化方案

计算机网络技术及硬件类实训项目主要有网络操作系统、网络设备配置、计算机网络安全、物联网技术等，这类实训项目均需多台硬件设备且实训设备价格较贵，基于成本考虑，往往需要分组分批进行实训。对于这类实训，特别适合应用基础设施即服务的应用模式，实训硬件设备通过网络接入云平台，服务器集群通过虚拟化技术形成多个虚拟机，学生实训时通过本地网络或互联网接入云平台，通过虚拟化管理软件获取虚拟机资源，通过虚拟机操作实训硬件设备，并把硬件设备的工作状态保存到存储设备中，下次实训时再恢复设备的工作状态，继续完成实训。

图2　虚拟化实训室平台架构图

2.软件开发类实训项目的资源优化方案

软件开发类实训项目需要部署开发环境，主要有.Net开发环境和Java开发环境，学生实训部署的开发环境都是相同的，因此采用平台即服务的应用模式符合这类实训项目的应用要求，具体的云平台结构可在 IaaS的基础上部署 visual studio、eclipese及大型数据库系统等软件开发环境来搭建PaaS平台，学生通过网络使用云平台的开发环境进行实训。

3.软件应用类实训项目的资源优化方案

软件应用类实训项目的具体应用软件主要包括ERP、电子商务等应用软件，把这些软件部署在云平台上，学生通过客户端直接运行这些软件，云平台的应用模式为SaaS结构。传统机房由于需要安装多个专业、多门课程的实训软件，即使在配置很高的机房学生实训时仍然感到计算机运行缓慢。而采用SaaS结构配置实训环境可以为各个专业按照每门课程的配置要求来订制OpenStack虚拟机母版，当学生上课时，可以按照不同专业、不同课程订制的实训环境来生成学生所需的实训虚拟机，学生只需通过远程登录到对应课程的实训虚拟机即可使用专门为其量身定做的实训软件进行实训。

（三）虚拟化实训室建设效果评价

1．实现用户桌面操作集中控制，提升管理效率与服务质量

通过OpenStack云平台为不同专业配置虚拟化实训环境，可以将用户所有的桌面操作环境全部集中到云平台虚拟机上，学生只需要通过网络远程登录就可以访问到自己的桌面操作环境，不仅实现了统一监控管理，还降低了用户感染病毒的机会。在云环境下，只需一名管理人员就可以实现对整个院系上千台虚拟机桌面管理与监控，能极大提高实训室管理效率；除此之外，支持用户24小时登录虚拟化云平台进行实训操作，提升了实训室服务质量。

2．虚拟化实训室能降低投资，提升社会效益和经济效益

由于用户实训操作都是在OpenStack虚拟机进行，对于用户连接云平台的终端只需普通瘦客户端即可，甚至学生还可通过自己的平板电脑、手机等工具连接到虚拟化实训室，这样能大大降低高职院校对实训室的硬件投资；另外，对于计算资源充足的高职院校可以将本校的虚拟化实训资源租售给其他实训资源不足的院校，不仅能收回部分实训室建设投资成本，而且还能收获较好的社会评价。

总之，利用OpenStack云平台构建高职虚拟化实训室，不仅具有管理方便、访问灵活、稳定可靠等优点，而且还可以结合高职院校自身条件将优质资源共享在云平台上供学生课前课后学习，并为慕课、微课和反转课堂等新教学模式开展提供条件。采用基于OpenStack建设的高职虚拟化实训室能改变过去学校实训室分散、独立的实训桌面系统环境，不仅为学生提供不受时间和空间限制的实践场所，而且能使学生亲身感受云技术应用优势，还可以在参与云平台构建、运行和维护中获取更多的专业知识与操作技能。

［1］罗婕，宁天桥.服务器虚拟化技术在计算机实验室的实践应用［J］.计算机时代，2010（2）：44-46.

［2］崔益峰.虚拟化技术在高职院校计算机实践教学中的应用［J］.福建电脑，2012（5）.182-184.

［3］武博文.浅谈云计算及其优劣势［J］.科技创新导报，2012 （13）：31-35.

［4］叶世其.面向服务的云计算框架模型设计与实现［J］.中国新技术新产品，2013（3）：20-27.

（编辑：汤发俊张雪梅）

Building，Based on OpenStack Platform，of IT Virtual Specialty Training Classroom in Higher Vocational Colleges and Resources Optimization

CHEN Zhi-gao
（School of Software，Hunan Vocational College of Science and Technology，Changsha，410004，China）

IT technology is developing rapidly，but higher vocational colleges，while improving their teaching，meet with difficulties in building IT Specialty Training Classroom.On the one hand more and more computer resources should be supplied to students for their training，as the operating system and development software should be upgraded.On the other hand，the performance of computers bought in bulk would be significantly degraded after several years，therefore，the computers are unable to meet the requirements of students training. IT virtual specialty training classrooms can be built speedily by using open source software OpenStack cloud platform，and also can solve the problems of hardware upgrading，and of troublesome maintenance in traditional training classrooms by integrating resources of many computers.The building of virtual specialty training classrooms can not only meet demands for training different majors，but also achieve resources optimization in higher vocational colleges.

OpenStack；building of virtual training classroom；resources optimization

G 647.682

A

1671-4806（2015）04-0082-04

2015-05-20

湖南省教育科学“十二五”规划2015年度立项一般课题（XJK015CZY042）；湖南科技职业学院院级课题（KJ14205）

陈志高（1980—），男，湖南株洲人，高级工程师，硕士，研究方向为云计算、网络安全。