基于OpenStack的教学资源云平台建设与应用

何 俊 彦

(上海工艺美术职业学院 上海 201808)

基于OpenStack的教学资源云平台建设与应用

何 俊 彦

(上海工艺美术职业学院 上海 201808)

针对高校教学资源管理存在的问题，提出基于OpenStack构建适用于教学资源统一管理的计算机云平台。该云平台使用IaaS服务模式，包含物理资源层、虚拟资源层以及云平台管理层，实现了应用的快速部署，异构环境的整合，降低了运维难度。相比较于传统的教学资源管理方案，该云平台有效融合了教育业务功能、教务数据、信息共享数据。实际应用表明，该云平台能为高校教学改革创新提供多样的教学环境，提高了教学资源的利用效率以及教育管理效率。

教学资源 云计算 云平台 OpenStack

0 引 言

目前，高校中的教学资源(视频、课件、作品、素材、图书等)普遍较为分散，无法转化成数字化、集聚化、网络化的教育资源，无法形成统一的专业资源库管理平台，形成一批有特色的课程、作品和专业资源库，更无法实现共建共享的机制。一方面，教师希望能改变教学观念与模式，形成线上线下混合式的高效教学管理和互动教学，基于数据科学有效地进行课程教学评价。另一方面，学生希望能开展自主学习和个性化辅导学习，突破传统培养模式，满足个性化需求，达到因材施教自由发展的目标。因此，有必要构建一个能统一调度高校已有教学资源，进行按需分配使用的管理平台[1-2]。

整体来看，高校教育的信息化基础设施建设已初见成效，信息化环境已基本完备。综合上海工艺美术职业学院现状评估及调研分析，本文提出利用OpenStack[3]技术构建教学资源云平台，该云平台以课程作为主导，深度整合公共教学资源和各种专业教学资源，有效支持教学的各个环节。

1 OpenStack介绍

云计算平台的服务类型可分为3种[4]：PaaS(平台即服务)、SaaS(软件即服务)和IaaS(基础设施即服务)。在IaaS服务类型中，需要使用云计算管理系统(也称云操作系统)来管理整个硬件资源。在各类云平台构建工具中，由于OpenStack获得授权许可十分便利，且能完全免费使用，也十分易于进行二次开发，因此成为目前使用率最高的云平台构建工具[5-6]。

OpenStack始于2010年，最初是作为Rackspace Hosting和NASA的联合项目[7]。OpenStack自问世以来已经历了多个版本的迭代演化，其总体架构如图1所示。以Juno版本为例[8]，其主要组成部分包含：认证组件(Keystone)、监测组件(Ceilometer)、块存储组件(Cinder)、计算组件(Nova)、镜像组件(Glance)、对象存储组件(Swift)、络组件(Neutron)、数据库组件(Trove)、仪表盘组件(Horizon)和自动化部署组件(Heat)。这些组件可以根据用户需求进行自由组合，实现灵活的定制和丰富的功能。

图1 OpenStack总体架构

2 云平台功能需求分析

本文所构建的教学资源云平台所需要实现的功能较为复杂、性能要求高，因此，必须全面考虑基础支撑平台、资源、系统功能与应用平台功能。

首先，云平台应能充分利用学校已具备的各项资源，包括硬件资源(计算服务器、文件服务器、网络设备等)，软件资源(各级信息管理系统、多媒体资源等)，教学资源(教学视频、大纲、作业、PPT、讨论答疑等)，还包括通过整合获取的资源(图书、视频等)。

然后，云平台应能提供统一的管理服务，包括用户管理、多媒体资源管理、数据库管理、数据挖掘、单点登录、统一认证等。

最终，云平台需要为师生提供丰富的应用服务，包括教学资源云平台门户、个人空间、教学课程云平台课程建设模块、教学课程云平台教学互动模块、教学课程云平台教学管理模块、专业资源库、课程中心、专业资源库。

3 网络拓扑结构

图2 网络拓扑结构

根据功能需求分析和系统设计原则，云平台的网络拓扑结构如图2所示。整个教学资源云平台系统由云平台管理节点、云平台资源节点(包括系统管理资源节点、数据库资源节点和应用系统资源节点)、云存储系统以及以太网交换机、安全系统等组成，主要组成部分说明如下：

云平台管理节点：负责对整个教学资源云平台所包含的各项资源(包括计算资源、存储资源、文件资源等)进行统一调度和管理。OpenStack提供了统一的Web接口给管理员和业务用户，以便于对设定权限范围内的资源进行访问和操作。

云平台资源节点：负责提供支撑各项业务应用的计算资源。由于云平台系统中的资源节点数量较多，根据覆盖范围的大小，使用层次化结构对其进行抽象分类，通常可分为主机(Host)、集群(Cluster)、机架(Pod)、资源域(Zone)四个层次。各层次之间呈递进关系，使用前一层次作为后一层次的组建单元。例如，以主机作为基本组成单元进行集群的部署。

云存储：负责为计算节点提供存储功能。云平台根据业务应用的不同特点如高I/O访问、高并发访问、大文件共享访问、小文件随机读写等，需要选择相应的存储架构如SAN、NAS、存储虚拟化、云存储或海量存储等架构。

云平台通过虚拟化技术对计算型服务器资源和存储型服务器资源进行池化，将业务部署在虚拟机上。每台物理服务器上会运行多台虚拟机服务器，为了保证虚拟机运行效率，本文使用IP-SAN构建存储网络，保证了存储系统的可扩展性。同时需要考虑虚拟机的负载均衡问题[9]，合理调度虚拟机资源。

4 基于OpenStack的云平台架构

如图3所示，本文以OpenStack技术为基础，采用业界广泛使用的IaaS云平台三层架构模式进行设计与实现。IaaS三层架构分别包括物理资源层、资源虚拟化层和云服务管理层。

图3 IaaS三层架构图

物理资源层：包括服务器、存储和网络。针对本文所搭建云平台，在服务器资源方面选择计算型配置的服务器产品，提供足够的计算能力保证虚拟机的运行性能；在存储资源方面选择存储型配置的服务器产品，每个节点配置大容量的本地硬盘，通过分布式文件系统技术来实现分布式存储系统；网络资源方面在业务数据方面使用10 GB网络架构，管理网络方面使用1 GB网络架构。

资源虚拟化层：虚拟化是云计算平台的核心技术之一。本文采取全面虚拟化技术，即包含计算虚拟化技术、存储虚拟化技术和网络虚拟化技术，这样才能为上层云服务提供有效支持。计算虚拟化采用Linux系统下开源的KVM技术来实现；存储虚拟化采用Ceph分布式文件系统技术，有效整合本地存储服务器的存储能力，形成分布式的共享存储资源池；网络虚拟化采用万兆网络与VLAN相互配合的模式。

云服务管理层：是三层架构里的核心组成部分。OpenStack云计算平台可以实现资源的自动管理和动态分配，例如根据应用需求，调配合适的资源数量，并在应用结束后自动回收资源。平台可以根据用户的实际需求，定制虚拟基础架构，包括服务器的配置、数量、存储类型和大小，以及配套的网络设备等。云平台使用者可通过应用业务交互界面提交业务请求，每个业务请求的生命周期由云平台维护，从而降低了平台的业务运行与维护成本。

IaaS实现了资源的高度共享、集中管理以及动态扩展，从而可以提高资源的利用率。同时可以根据上层业务对资源的实际需求，实现资源的合理调配，降低了系统的运行成本。

5 云平台硬件配置方案

在云平台的实际构建过程中，对照前文所述网络拓扑结构，云平台的管理节点，资源节点和存储节点的硬件配置如下：

管理节点使用1台ThinkServer RD650服务器，作为云平台管理控制系统，用于管理和控制整个云计算环境。

资源节点分为标准资源结点与高性能资源结点。

使用5台ThinkServer服务器，作为标准资源池，用来运行对资源需求比较常规的系统。每节点配置2颗E5-2620 V3处理器，256 GB内存，4个千兆以太网口，2个万兆以太网口，2块300 GB SAS盘配置为RAID1模式，安装Linux操作系统运行KVM虚拟化平台。

使用2台高端配置的System x3850 X6服务器，作为高性能资源池，用来运行对于CPU和内存需求较高、负载较重、比较关键的大型应用来使用。每节点配置4颗E7-4850 V3处理器，512 GB内存，4个千兆以太网口，2个万兆以太网口，2块600 GB SAS盘配置为RAID1模式，安装Linux操作系统运行KVM虚拟化平台。

存储节点使用3台存储型配置的ThinkServer服务器，每节点2块300 GB SAS硬盘配置RAID1安装Linux操作系统，10块4TB硬盘作为分布式文件系统的数据盘，2块240 GB SSD作为分布式存储中的热点数据加速部分，用来提高分布式文件系统的性能。存储节点配置2颗E5-2620 V3处理器，64 GB内存，2个千兆以太网口，2个万兆以太网口。

6 云平台的使用

教师和学生使用教学资源云平台进行教学和学习的流程如图4和图5所示。通过教学资源云平台的建设，将本校的优质教育资源数字化，包括名师的讲课、专业文献、教材教辅、课件等。实际使用表明，这些教学资源实现数字化后易于传播使用，能满足教师教育教学、学生个性化自主学习需求。

图4 教师教学流程图

图5 学生学习流程图

云平台管理员的操作流程如图6所示，通过统一管理界面，管理员可以对整个教学资源云平台的运作进行合理调度，体现了云平台对资源的高效管理。

图6 管理员操作流程图

同时，云平台与学校原有的各类信息管理系统，包括教务系统、学生信息系统、图书馆借阅系统、校园论坛等，进行了紧密连接，可以实现各个系统之间的信息共享与数据同步。一方面，云平台降低了多个系统之间冗余数据的维护成本与异步数据带来的潜在错误风险；另一方面，云平台避免了原系统服务功能分散，操作繁琐的情况，通过统一的门户界面可以为用户提供一站式的便捷服务。

7 结 语

本文针对高校现有教学资源利用率不高的问题，基于OpenStack技术构建了教学资源云平台，借助虚拟化技术，实现了包括软、硬件在内的教学资源的统一分配和部署，提高了教学资源的灵活性和利用率，满足了教育教学的发展需要，为数字校园的深入改革奠定了良好基础。

[1] 李贺华, 武春岭, 王全喜. 面向区域职业教育的云计算服务平台建设研究[J].职业技术教育, 2014,35(5):72-75.

[2] 申剑飞. 基于云平台的职业教育资源库构建研究[J]. 湖南大众传媒职业技术学院学报, 2013,13(6):53-55.

[3] Sefraoui O, Aissaoui M, Eleuldj M. OpenStack: Toward an Open-source Solution for Cloud Computing[J].International Journal of Computer Applications, 2012,55(3):38-42.

[4] 李磊, 李小宁, 金连文.基于Openstack 的科研教学云计算平台的构建与运用[J]. 实验技术与管理, 2014(6):127-133.

[5] 黄志成. 开源云计算OpenStack在高校计算机机房中的应用研究[J]. 计算机与现代化, 2013(3):204-206.

[6] 杨泽平, 顾春华, 万锋,等. 基于OpenStack的创新实验云平台的研究[J]. 实验技术与管理, 2016, 33(5):147-150.

[7] 金永霞, 孙宁. 基于OpenStack的云计算实验平台建设与应用[J]. 实验技术与管理, 2016,33(6):145-149.

[8] OpenStack-Juno Installtion Guide [EB/OL]. 2014. http://docs.openstack.org/juno.

[9] 马倩, 王菁, 王岗.面向校园云平台的虚拟机调度机制[J]. 计算机应用与软件, 2016,33(8):99-103.

CONSTRUCTIONANDAPPLICATIONOFTEACHINGRESOURCESCLOUDPLATFORMBASEDONOPENSTACK

He Junyan

(ShanghaiArtandDesignAcademy,Shanghai201808,China)

Aiming at the problem of teaching resources management in colleges and universities，we propose a computer cloud platform based on OpenStack for unified management of teaching resources. This cloud platform uses IaaS service model, including physical resource layer, virtual resource layer and cloud platform management layer, to realize the rapid deployment of applications, integration of heterogeneous environments, reducing the difficulty operation and maintenance. Compared with traditional teaching resources management solutions, this cloud platform effectively integrates the educational business functions, teaching affairs data and information sharing data. Practical application shows that this cloud platform can provide a variety of teaching environments for teaching reform and innovation, improve the efficiency of teaching resources and education management efficiency.

Teaching resources Cloud computing Cloud platform OpenStack

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.09.025

2016-12-19。何俊彦，高工，主研领域：信息化规划，软件工程。