基于Openstack云计算技术的实训平台构建与应用

许彦佳

网络操作系统又称服务器操作系统，主流系列包括Windows服务器系列和Linux服务器系列。《网络操作系统》是中职计算机网络专业的专业核心课程之一，要上好这门课程要求电脑主机能够安装并流畅运行虚拟机软件，譬如VMware Workstation或者Virtualbox等。據了解，目前大部分学校机房电脑主机仍然停留在4G内存和机械硬盘的硬件水平，比较少学校的机房能够配置8G内存以及固态硬盘的电脑主机，加上机房硬盘老化和还原卡的影响，导致虚拟机软件运行服务器操作系统卡顿，为教师实训教学带来较大的难度，学生实训质量跟不上甚至无法实训。

笔者一直任教《网络操作系统》课程，所在学校也碰到上述的难题，促使笔者不断寻找能够解决《网络操作系统》实训教学的理想方案，最终笔者从Openstack云计算技术中找到思路并开发出实训平台，下面为大家分享基于Openstack云计算技术实训平台在《网络操作系统》教学中的应用。

一、Openstack云计算技术简介

Openstack是一种基于分布式计算的云计算服务，它能够迅速有效地调配相关的硬件资源来响应系统的应用需求，简单来说就是按需分配，负载均衡。目前Openstack占据了主流的云计算服务市场，它是基于开源的Linux内核，主要搭建在Ubuntu和CentOS两类主流Linux平台上，已有思科、华为、RedHat等多家公司宣布对它进行支持开发，接下来将会有更多更好的版本推出。本文实训平台采用的是OpenstackOcata版本，该版本比较稳定，在生产应用中有比较好的口碑。

二、实训平台特色及可行性分析

1.硬件资源要求低，不依赖宿主机

得益于Openstack强大的云计算能力，实训平台只需要较少的硬件资源即能满足较大的系统应用需求，本实训平台选用的硬件资源均能在电商平台选购组装完成，分为适合Linux和Windows实训两大系列，如下表：

2.部署简单快捷、不受空间限制

本实训平台采用单点部署Openstack，即控制节点Controller，计算节点Compute以及存储节点Storage都部署在同一台服务器上的方案，类似官方的All-in-one（多合一）模式，能够满足随时随地切换到任意机房上课的需求。

3.可行性分析

目前，我校现存14个电脑机房，有四分之三的机房电脑主机老化较严重，但是还能够运行谷歌浏览器以及其他小型程序，机房内局域网传输速度稳定在百兆网络水平。我校计算机专业每班学生平均40人左右，学生对《网络操作系统》学习兴致比较高，特别是Linux服务器系列。综上所述，实训平台恰好能够解决《网络操作系统》机房实训难题，满足学生的学习愿望，保障实训环境稳定统一。

三、实训平台的构建

实训平台采用CentOS7.4和Shell脚本来实现自动安装Openstack，新手可以采用官方的DevStack方式来安装，其中有6大组件要安装，分别是计算服务Nova，镜像服务Glance，网络服务Neutron，存储服务Cinder，认证服务Keystone以及Web管理服务Horizon，这里就不具体展开安装过程。由于Openstack是调用Linux底层KVM来实现虚拟化，实训平台安装后要检查修改配置文件/etc/nova/nova.conf中的“kvm_type=kvm”，确保优先调用KVM。安装成功后，用谷歌浏览器登录http：//192.168.88.100/dashboard进行管理，主页如图1所示，其中192.168.88.100是管理口网卡的IP，可以自定义为任意网段，默认以管理员admin登录操作。登录进去之后通过四个方面来完善实训平台的构建：

1.制作和上传镜像

实训平台安装完成后要制作各类操作系统的镜像文件，镜像文件采用的是qcow2格式，这一点类似于VMware的虚拟硬盘vmdk文件。我校《网络操作系统》的教学范畴包括Windows服务器系列和Linux服务器系列，因此一共需要制作和上传五个镜像文件，分别是Windows2003.qcow2，Windows2008.qcow2，Windows2012.qcow2，Centos6.9.qcow2和Centos7.4.qcow2。制作qcow2文件时要注意的是Windows系统镜像在安装制作过程中必须加载官方提供的Virtio虚拟硬盘和网卡驱动，才能确保镜像应用后能够正常使用和联网。

2.创建网络和路由

实训平台由两张网卡来负责数据传输，其中一张为管理网卡，负责客户端对实训平台的Web访问和底层SSH管理。另一张为业务网卡，负责实训平台和外部网络的互联。一般来说，机房网络都是采用VLAN的管理方式，实训平台通过创建Flat网络和VLAN网络可以和任意VLAN网段的机房互联，实现快速接入和切换。如图2所示，首先建立一个Flat外部网络，它的网段（例如88网段）和接入的机房网段务必相同，接着建立VLAN55的内部网络，它将为内部虚拟机分配192.168.55.X/24的IP，最后通过配置路由，把Flat网络和VLAN网络通过各自的网关地址192.168.88.200和192.168.55.1转发实现互联成功。接下来只要将接入机房的电脑主机的网关地址重新指定为192.168.88.200即可实现机房电脑直接访问实训平台的内部网络。如果要保持机房主机网关地址不变，则要对机房VLAN重新配置，比较麻烦，此举为最快捷的做法。

3.创建实例类型和实例

实例指的是由镜像生成的虚拟机，实例类型即是虚拟机配置模板，它为批量创建实例提供统一快捷的标准，这一点和VMware的vmx文件有异曲同工之妙。根据我校计算机专业班级平均人数，实训时需要创建的实例数大约45个左右，如果采用Web图形化来创建实例效率相对较低，我们选择采用CLI命令行创建方式，通过编写Shell脚本来快速批量创建实例。创建单个实例时间视镜像文件大小而定，第一次创建实例成功后接下来的实例都是快速生成的。例如，要创建45个最小化安装的CentOS6.9实例，单个实例从创建到运行大约5秒时间，创建45个实例总用时不到一分钟。如果启动已经事先创建好的45个实例费时则小于30秒。而Windows服务器系统因为镜像文件普遍较大，实例的创建时间会稍微长一点，同系列服务器的实例创建时间均大同小异。

4.设置安全访问规则

Openstack默认实例的连接规则是只允许ICMP包的进出，不允许Remote以及SSH等远程服务连接，这样对课堂教学远程操作Windows和Linux会比较不方便，因此我们在实训平台中要添加新的出入访问规则，如添加SSH协议的22端口访问规则满足Linux的远程登录，添加TCP协议的3389端口的访问规则满足Windows的远程接入，这样机房主机便不用依赖宿主机的硬件资源实现远程实训《网络操作系统》。

四、实训平台在实训教学中的应用

1.在Linux服务器实训教学中的应用

目前，大部分Linux教材以CentOS6为主，实训教学包括基础命令练习，配置FTP，DHCP，DNS等常用服务以及数据库配置与管理等。按照常规的实训教学，学生只能在VMware中操作，使用实训平台后，通过Xshell5等SSH连接软件在宿主机上便可直接连接到实训平台上的Linux实例，既快捷又稳定。下面以配置FTP服务中某个子实验为例，首先教师在实训平台创建并启动45台CentOS6.9虚拟机（实例），分别命名为CentOS6.9-1，2，3...，并约定实例的编号对应学生的座位号，再通过VLAN55为实例分配对应座位号的IP，最后每位学生只要通过IP地址就可以连接登录到对应的实例上去，开始实训FTP服务配置内容。我们以座位号为26的学生（实例IP地址为192.168.55.26）为例：

第一步，先讓学生在自己登录的实例上修改YUM源让其自动寻找指定的服务器来下载安装包，YUM源repo文件内容的关键语句如下：

baseurl=ftp：//192.168.55.200  //指定下载安装包的YUM源服务器地址

enabled=1//启用此YUM源

第二步，再让学生在自己的实例上运行yum-y install vsftpd命令安装ftp服务，如图3所示。安装成功后再修改/etc/vsftpd/vsftpd.conf文件的参数，允许远程用户进行匿名下载。

最后，让学生在宿主机的资源管理器上输入ftp：//192.168.55.26，测试访问ftp服务资源，完成实验，如图4所示。

通过上述实训操作，我们发现实验过程实际并不难，学生完成任务后基本能够掌握FTP服务的搭建方法和原理，体验真实的生产环境操作。但如果使用VMware Workstation则容易因为运行不畅等宿主机引起的原因而导致实验失败，从而削减了学生的学习兴趣。

2.在Windows服务器实训教学中的应用

Windows服务器系列目前主流的平台是Windows 2008以及2012，鉴于Windows 2003的轻便性和易学性，实训平台共部署了Windows 2003、2008和2012三个版本。实训内容包括熟练安装和配置AD域、DNS、IIS、FTP、E-MAIL、DHCP等常用网络服务以及文件系统安全配置、权限管理、CA服务配置、系统防火墙防护等，大部分服务配置和Linux实现的功能类似，本文不一一展开，主要不同的地方是学生通过在宿主机运行“mstsc”远程连接命令来调用远程桌面连接服务，从而登录Windows服务器实例进行实训操作。

五、实训平台实训教学效果及结束语

综上所述我们可以看到实训平台能够轻松地胜任Windows和Linux两类网络操作系统的实训教学辅助，并能够形象地演示中职学生需要学习的网络操作系统知识要点，而且在某些情况下还能方便地演示实际生产环境无法实现的情形，例如大型域管理和DNS负载均衡等场景，可以开启多个实例来模拟演示，而实际生产环境则比较难实现。笔者所教学的17计算机应用1班和2班，原本因为机房环境影响导致对《网络操作系统》这门课的学习存在障碍，自从运用了Openstack实训平台之后，教师和学生不用再担心机房主机配置低或者老化的问题，45名学生在同时操作CentOS6.9和Windows 2003都不会有卡顿的感觉。由于学生实训的环境没有差异，他们又对远程连接服务感到新鲜和好奇，彼此间增加了更多交流协作，和实训平台“打成一片”，对《网络操作系统》的学习真正做到学以致用。教育部提倡以赛促学，全国职业技能大赛网络搭建与应用赛项有一半的考核内容正是《网络操作系统》，笔者所辅导的两位学生通过利用实训平台强化学习，提高训练效率，巩固技能水平，他们参加2019年广东省网络搭建与应用技能比赛获得一等奖并晋级国赛，这再次证明了实训平台在《网络操作系统》实训教学中的有效性。

Openstack实训平台也存在一些不足之处，它和VMware Workstation虽然存在很多相似的操作，但目前还有一些地方不如单机操作VMware Workstation灵活，例如对网络配置的操作，并且学生课外能够在自己的电脑上自主使用VMware Workstation，而Openstack实训平台目前只能在机房使用。当单机硬件资源相对充足时，VMware Workstation能满足开启多台虚拟机进行操作。而Openstack实训平台要满足多人开启多台实例，对服务器是一个挑战，这时需要升级单台服务器的配置，或者继续增加服务器节点。

Openstack实训平台使用过程中还会出现一些 Bug。例如，部署Pike版本的时候，只要是使用对等网访问dashboard的话，打开web页面就会非常卡顿，此时只要把对等网环境切换为三层网络环境，问题就解决了。无论如何，瑕不掩瑜，我们要肯定它对《网络操作系统》教学的帮助，本文旨在分享推广Openstack云计算技术对实训教学的帮助，有利于对其他兄弟院校在此方面的应用提供借鉴参考，亦希望能通过技术和教学的相互交流发掘其更多有用功能。

责任编辑何丽华