基于OpenStack云计算的计算机教学实训平台设计与实现

杨健兵,陈莉莉

(南通科技职业学院 信息与智能工程学院,江苏 南通 226007)

0 引言

目前,高校计算机教学实训平台一般是采用在Windows操作系统上安装VMware Workstation虚拟化软件,然后在VMware Workstation架构下搭建虚拟机,进而完成学习教学实训任务的方式。滕吉鹏等[1]采用基于VMware Workstation 16和VNC Viewer的技术架构构建教学实训平台。李光辉等[2]采用VMware 虚拟网络实训平台构建教学实训平台。周富肯等[3]采用VMware搭建网络攻防实训系统。黄平等[4]采用VMware搭建虚拟机完成计算机网络实践教学。吴荣森[5]采用虚拟机完成高职计算机实训教学任务。姚友军[6]使用VMware Workstation搭建Pnetlab网络环境实现理实一体化教学。赵耘田等[7]提出利用eNSP模拟仿真软件和VMware虚拟机搭建虚拟仿真环境开展课程实践教学改革。王馨等[8]提出基于VMware服务器虚拟化的教学实验部署与研究。

传统的实训平台也存在一些问题,如随着时间推移计算机性能逐渐下降;学生下课后无法使用教学实训资源;由于一般实训室都安装还原卡,所以无法保存实验实训数据。这些问题都困扰着计算机教学实训平台的发展。

随着互联网技术的快速发展,云计算、大数据、人工智能技术已经融入人们日常生活的方方面面。在教学行业中,如何把这些技术融入教学活动、加强教学实训平台建设、提高教师工作效率、延长学生使用教学实训平台时间、便于教师管理等问题,正成为教育行业研究的重点。

1 云计算

云计算是由虚拟化、网格计算、分布式计算等技术结合应用发展而来。根据美国国家标准和技术研究院给出的定义,云计算是一种用户能够通过网络访问以按需付费的、便捷的、自助的方式获取计算资源,包括网络、服务器、存储、应用软件和服务等,这些资源来自一个共享的、可自定义配置的虚拟资源池,用户能够通过最小的管理代价或者服务提供者的交互快速地获取和释放资源[9-10]。

OpenStack是一个开源的云计算管理平台项目,是一系列软件开源项目的组合,由美国国家航空航天局和Rackspace合作研发并发起,以Apache许可证授权。OpenStack为私有云和公有云提供可扩展的弹性的云计算服务[11]。

2 基于OpenStack云计算的教学实训平台设计

由于OpenStack具有开源、免费、容易部署等诸多优点,根据计算机教学实训平台的特点和使用现状,通过研究云计算技术、KVM虚拟化技术和OpenStack云计算技术的相关知识和原理,本文研究并设计了基于OpenStack云计算的教学实训平台,能够实现平台由部署在学生端到服务器端的重大转变,学生能够全天候使用实训平台,减少学校投入和班级干扰。该平台由3部分组成,分别是OpenStack云计算基础平台、OpenStack云计算管理平台和OpenStack云计算用户平台。平台的架构如图1所示。

图1 基于OpenStack云计算教学实训平台设计

2.1 OpenStack云计算基础平台

OpenStack云计算基础平台硬件主要由一系列服务器组成,其中1台服务器为控制节点,其余服务器为计算节点。控制节点是整个云计算基础平台的核心,主要负责OpenStack系统的管理。计算节点是 OpenStack 的资源提供者,主要负责提供计算和存储资源,用于创建虚拟机实例。OpenStack由几十个模块所组成,其中常用的模块有Keystone、Glance、Nova、Neutron、Dashboard、Cinder和Swift,这些组件一起构建OpenStack集群架构。Keystone模块的功能是对用户和其他模块进行身份及权限验证。Glance模块的功能是为虚拟机提供镜像支持,方便用户快速创建虚拟机。Nova模块的功能是对虚拟机的生命周期提供管理。Neutron模块的功能是为虚拟机提供网络资源,用户能够通过网络连接到虚拟机。Dashboard模块为用户提供网页支持,方便用户操作管理。Cinder模块为虚拟机提供块存储服务,方便虚拟机增加存储空间。Swift模块的功能是提供对象存储服务,可以把Glance镜像存放在Swift中,用户的数据也可以保存在Swift中。

考虑到OpenStack版本众多,本文OpenStack计算云平台构建采用OpenStack Train版。控制节点和计算节点需要做一些基础配置,如安装网络配置服务、设置NTP时钟同步、关闭防火墙、关闭Selinux、安装OpenStack基础包等。然后在控制节点安装 Mysql 数据库服务、RabbitMQ消息服务、Keystone 认证服务、Glance镜像服务、Nova 计算服务、Neutron网络服务和Dashboard界面服务,同时也需要对这些服务进行配置和管理。计算节点还需要安装Nova 计算服务、Neutron网络服务、Cinder块存储服务和Swift对象存储服务。安装完成后,可以通过浏览器登录云计算平台,创建内部网络、外部网络、路由器,通过路由器连接内部网络与外部网络,并根据给定镜像创建虚拟机,设置访问规则后就可以访问虚拟机。该虚拟机就是师生的教学实训平台,在OpenStack云计算基础上构建的虚拟机位于服务器上,师生通过远程访问协议可以连接虚拟机进行实训操作。

2.2 OpenStack云计算管理平台

OpenStack云计算管理平台利用KVM虚拟化技术构建不同类型的镜像,不同的镜像应用到不同的计算机课程上,镜像与计算机课程一一对应。构建好镜像后,把镜像上传到OpenStack云计算基础平台。OpenStack能够创建用户和租户,租户可以实现对OpenStack资源的隔离,这样可以为每个老师与学生创建一个用户账号和租户账号,然后把用户加入租户中,为后续实现资源隔离奠定基础。老师与学生登录OpenStack平台后,可以通过镜像创建虚拟机,因为虚拟机属于资源,不同的虚拟机属于不同的租户,这样师生的虚拟机可以做到互不干扰相互隔离,可以满足不同课程的师生学习需要。OpenStack创建的虚拟机具有快速恢复功能,一旦学生在操作过程中遇到问题或者错误,可以通过OpenStack虚拟机的快速恢复功能恢复到原始状态,能够保证学生实验顺利完成。OpenStack创建的虚拟机可以做成快照,一旦师生在学习操作过程中出现问题,可以把虚拟机恢复到创建快照时的状态。

虚拟机镜像制作一般是在KVM虚拟机技术下完成。首先,安装具有图形界面的Linux操作系统,Linux操作系统自带KVM虚拟化技术,因此安装完Linux操作系统时即安装好了KVM虚拟化软件。其次,在Linux操作系统上安装Qemu-KVM、Qemu-img、Virt-Install、Libvirt、Bridge-Utils、Virt-Manager等虚拟化管理软件,为创建虚拟机做好准备。再次,通过Virt-Install或者Virt-Manager在Linux中创建虚拟机。最后,在虚拟机中安装各种上课所需要的软件,虚拟机关机后的磁盘文件就是镜像文件。磁盘镜像文件与课程实训环境一一对应,管理员可以把镜像文件上传到OpenStack云计算基础平台,供师生教学需要。

2.3 OpenStack云计算用户平台

OpenStack云计算用户平台主要实现校内外师生利用SSH协议或者远程桌面访问教学实训平台。如果教学实训平台构建在Linux操作系统上,则学生通过SSH协议或者VNC协议就可以访问教学实训平台了。如果教学实训平台构建在Windows 操作系统上,则把Windows操作系统的远程桌面打开,师生通过远程桌面连接虚拟机进而访问教学实训平台。出于安全考虑,学校校园网资源一般只允许校内访问,对于校外师生需要访问校园网,则可以通过VPN技术连接校园网,然后再通过SSH协议或者远程桌面访问教学实训平台。

这种方式改变了学生原来只能在上课期间进行相关实验实训的方式,实现了学生可以全天候访问教学实训平台,提高了学生动手能力,巩固了学习成果,也解决了因为实训室因还原卡问题无法保存实验数据的矛盾,避免了建设传统的计算机教学实训平台需要投入大量资金的问题,减轻了学校负担。

3 结语

基于OpenStack云计算的教学实训平台实现了资源的集中统一管理和动态分配,使得传统机房计算机、路由器、交换机等物理设备的维护和管理成本大大降低,实现了教学实训平台由原来的部署在教师端和学生端转向部署在服务器端的重大改变。基于OpenStack云计算的教学实训平台,可以为师生搭建丰富多彩的实训环境,实现师生资源环境的隔离。师生可使用1台或多台虚拟机搭建复杂的网络环境来完成复杂的实训任务,大幅提高了实训平台的维护效率和使用效率,降低了经费投入。