基于OpenStack教学云平台的构建

伍 丹

摘   要：作为高素质职业技能型人才的培养基地，高职院校应进一步加快人才培养改革的步伐。近几年，越来越多的高职院校将线上线下混合式教学作为教学改革的方向。在对现今线上教学平台及实训环境进行调研后，文章针对学生的实训过程受限制、实训室资源浪费等问题，设计了基于OpenStack的教学云平台。该平台包含资源库及虚拟实训室，期望在解决上述问题的同时，提高学生实践能力、自主学习能力，提升人才培养质量。

关键词：高职;OpenStack;教学云平台

2019年，教育部、财政部发布的教职成﹝2019﹞5号文《关于实施中国特色高水平高职学校和专业建设计划的意见》中指出：为深入贯彻落实全国教育大会精神，落实《国家职业教育改革实施方案》，改革发展任务为“全面提高质量的基础上，着力培养一批产业急需、技艺高超的高素质技术技能人才”。高职院校作为高素质职业技能型人才的培養基地，更应进一步加快人才培养模式的改革步伐，培养出适应技术进步和生产方式变革以及社会公共服务需要的高素质劳动者和技术、技能型人才。

伴随着多元化信息手段在教学中的广泛应用，单一的线下讲授已不能满足人才培养的需求，取而代之的是线上线下混合式教学模式，线上资源库及虚拟实训室成为线上教学的核心元素。纵观各所高职院校，教学平台的应用已经较为广泛，但是绝大多数的教学平台功能仅限于：教师发布线上资源，学生在线学习、测试，教师借助平台对学生学习过程进行评价、考核，受限于软、硬件环境，实操部分只能在课堂上、在固定实训室里完成。而实训室开放时间有限，学生的训练时长与强度远远达不到要求，这极大地制约了学生实践能力的提升，与培养技术、技能型人才的目标相距甚远，同时也造成了实训室资源的极大浪费。

基于以上问题，若能搭建教学云平台，平台中包含资源库及虚拟实训室，学生可随时随地以客户端的身份登陆教学云平台，不受时间、环境限制地进行实训操作及使用在线资源，对于提升学生技能、帮助学生自主探究及进行个性化学习，将起到很大的推动作用，从而使教学过程的实践性、开放性得到进一步的提升，与此同时，还可提高各院校实训资源的利用率。综上所述，本文对搭建包含资源库与虚拟实训室的教学云平台进行研究，整体思路为：采用虚拟化技术将计算机资源加入到资源池进行统一管理，让桌面系统从物理计算机中分离出来，通过教学云平台将计算资源、桌面资源、存储资源进行集中化管理。

1    教学云平台系统架构设计

基于OpenStack的教学云平台，包含虚拟实训室及教学资源库，具备可复用性、高效性。教学云平台架构模型为4层结构：最底层为基础层，主要包含服务器、存储设备、网络设备等，该层主要采用虚拟化技术对教学云平台的硬件资源进行集中统一管理、调度和配置。第二层为服务层，主要提供公共服务接口、软件运行环境等，为系统应用提供综合管理。第三层为应用层，主要是实现资源整合和数据共享，以实现虚拟实训室、教学资源库的具体功能。最高层为展示层，即客户端，学生可使用台式、笔记本计算机或手机等终端设备，登录到云平台，进入虚拟实训环境完成实训，或在线学习教学资源。整体架构如图1所示。

图1  教学云平台整体架构

2    教学云平台系统实现

2.1  OpenStack云计算平台

云计算有3种模式：基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）、平台即服务（Platform as a Service，PaaS）和软件即服务（Software as a Service，SaaS）。IaaS的功能为：借助互联网，提供数据中心基础架构硬件和软件资源、服务器、操作系统、磁盘存储、数据库和信息资源等。PaaS的功能为：提供基础架构，使软件开发者可在基础架构之上，建设新的应用或进行扩展，而不必购买开发、质量控制或生产服务器。SaaS是软件分布模式，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。

OpenStack是由美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和Rackspace合作研究并发起的，是以Apache许可证授权的自由软件和开放源代码项目。它是云计算管理平台项目，由几个主要的组件组合起来完成具体工作。OpenStack支持几乎所有类型的云环境，项目目标是提供实施简单、可大规模扩展、丰富、标准统一的云计算管理平台，所有的管理操作均可以通过自身提供的接口来执行。

整个OpenStack主要包含了控制节点、计算节点、网络节点和存储节点。控制节点负责对其余节点的控制，包含虚拟机建立、迁移、网络分配、存储分配等;计算节点负责虚拟机运行;网络节点负责对外网络与内网络之间的通信;存储节点负责对虚拟机的额外存储管理等。OpenStack通过组件来管理虚拟资源，统一对外提供服务，OpenStack目前共涵盖了7个核心组件。每个组件都是多个服务的集合，一个服务意味着运行的一个进程。

Horizon（Dashboard）模块主要负责为Openstack用户提供用户界面（User Interface，UI）服务，即管理控制台。在管理控制台的操作转换为后端应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）的调用，面向云管理员和普通用户。Keystone组件的作用为身份认证。各个组件需要经过身份的认证后，方可正常服务，Neutron组件管理整个系统的网络结构，Nova组件管理虚拟主机的创建，Neutron组件管理通信服务，Swift组件管理数据存储。各组件关联如图2所示。与此同时，利用基于Kernel的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine，KVM）技术来实现计算虚拟化，借助Ceph满足存储的虚拟化，通过其块设备存储，实现对应的Glance的镜像存储、OpenStack的Cinder后端存储等，最终利用虚拟局域网与万兆网络满足网络虚拟化[1]。

2.2  虚拟实训室的实现

虚拟实训室实现的基本思路为：在云平台统一管理下，可以通过云控制中心管理虚拟桌面，每个虚拟实训室可按实训要求制作一个镜像，实训所需软、硬件资源都可由镜像来生成，以虚拟桌面的形式呈现，所有的软件更新与维护，都可通过镜像完成。教师和学生在使用过程中，可在任何机器及任意时间登陆自己的账号，登陆成功后，就可以看到和真实桌面完全一致的虚拟桌面。具体实施方式是：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，可无缝迁移到其他运算资源上[2]，还要注意及时备份OpenStack的磁盘文件，保障數据可靠性。

2.3  资源库的实现

Swift组件在OpenStack中主要提供对象存储服务。客户可通过上层应用程序调用RESTAPI[3]接口来保存访问任意非结构化数据，从而实现数据的访问、获取、保存、复制、删除等操作。可以在线存储文档、视频等文件，还可存储镜像文件，进而实现在资源库上传、下载各类文件的功能。

3    结语

本文就基于OpenStack的高职教学云平台构建的核心内容进行了探讨，希望利用此研究，能够对高职院校教学云平台构建产生一个全面、清晰的认识，同时，也能够通过云平台的构建，为高职院校提供不受时间和空间限制的教学、实训环境，从而使教师和学生，在感受云计算技术应用优势的同时，获取更多的专业知识与操作技能。

[参考文献]

[1]王焱.基于OpenStack的地方高校创新创业云平台构建[J].实验技术与管理，2019（36）：84-85.

[2]陈志高.基于OpenStack的高职IT专业虚拟化实训室建设与资源优化[J].无锡商业职业技术学院学报，2018（15）：82-85.

[3]崔轶.基于OpenStack的高职教学资源云平台构建研究[J].河北青年管理干部学院学报，2018（30）：65-67.

Construction of teaching cloud platform based on OpenStack

Wu Dan

（Ningxia Polytechnic， Yinchuan 750021， China）

Abstract：As a training base for high-quality vocational skilled talents， higher vocational colleges should further accelerate the pace of talent training reform. In recent years， more and more higher vocational colleges take online and offline mixed teaching as the direction of reform. After investigating the current online teaching platform and training environment， a teaching cloud platform based on OpenStack is designed to solve the problems of students limited training process and waste of training room resources. The platform includes resource bank and virtual training room. It is expected to improve students practical ability， autonomous learning ability and the quality of personnel training while solving the above problems.

Key words：higher vocational colleges; OpenStack; teaching cloud platform