基于OpenStack架构的教育云实现方案

尚赛花

（西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710054）

1 云计算简介

云计算是通过将计算存储网络资源虚拟化，使用云操作系统进行统一管理来提供动态易扩展的各种IT资源。云计算是指改变传统分散式的IT基础设施为集中式的IT基础设施，相应的部署方式和使用模式都发生改变，云计算技术给用户提供通过网络以按需、可伸缩的方式获得所需资源；云计算更加抽象化描述是指服务的交付和使用模式，用户通过网络连接以可伸缩的方式获得所需的服务。服务可以是存储服务、计算服务等，也可是其他服务。在过去几年里，云计算的概念获得了巨大的发展动力，许多企业开始提供私有云、公有云、混合云服务，期望通过改进机器的利用率来降低成本，减少IT运维运营时间。IT发展可以概括为PC大发展阶段、互联网大发展阶段，到当前云计算大发展阶段，云计算被看作第三次IT产业结构性变革的核心技术，是全世界各个国家争夺的战略高地，它将给当今世界带来生活、生产制造方式以及商业模式的本质改变，云计算已经成为更加接近自然人方式的技术热点。云计算从服务化不同对象可以分为基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS），平台即服务（Platform as a Service，PaaS），软件即服务（Software as a Service，SaaS）3个层次，3层技术涵盖虚拟化、人工智能与机器学习、Web服务调度、数据库、集群管理和大数据处理等多个领域，通过高校实验室搭建云计算环境，使教学与实验工作能涵盖众多层次与领域，利用好新技术，促进教学工作迈上一个新台阶。

2 OpenStack

OpenStack是一个由美国国家航空航天局和Rackspace联合研发的开源软件集合，许可证授权以Apache形式发布的开源项目。

OpenStack由几个主要的组件计算、存储、网络组合起来完成具体工作。OpenStack能够适合绝大多数的云环境，为云环境提供实施简单、功能丰富、稳定、标准统一的云计算服务栈。OpenStack通过提供基本的计算存储网络以及其组合形式，提供了基础设施IaaS层的服务解决方案，每个服务对外提供独立的API实现丰富的资源管理能力[1-2]。

OpenStack汇集了业界精英共同开发，为私有云的搭建部署与云运营运维提供相应软件的开源项目，目前OpenStack开源项目有130多家企业及2 000多位开发者参与，这些公司与个人都为OpenStack项目工作，共同完善IaaS资源的通用软件[3]。OpenStack开源项目的top任务通过提供极简的私有云部署过程，且具备方便的可扩展性，来促进云产业的发展。本文希望通过提供私有云实验室环境搭建的指导信息，来帮助高校实验室利用OpenStack来搭建自己的私有云环境。

3 学校实验室数据中心

数据中心的发展经历了3个阶段：（1）面向标准化的数据集中存储；（2）面向资源NFV化；（3）面向服务的云计算。不同学校不同院系往往建立独立物理网络、独立的服务器资源，如图1所示。

图1 IT设施独立分布

通过网络、服务器、存储虚拟化整合，IT资源计算、存储、网络作为统一资源，通过云操作系统进行管理，提供丰富的教学方式，通过信息化建设给学校的教学和科研工作带来实质的改变，更加聚焦于业务理论的拓展，不必关注通用的IT设施，如图2所示。

随着云计算产业大发展，高校数据中心也逐步部署私有云环境，传统的网络结构已经不能完全满足虚拟化的要求。目前部分信息化建设较完善的搞笑，基本完成了数据集中化，处于资源虚拟化的阶段，云计算技术阶段也在快速推进的过程中，且是IT发展的终极方向，通过服务器云化的技术手段，比如OpenStack整合资源，充分利用全校的硬件资源，为师生提供先进的IT基础环境。

图2 IT设施云化共享

4 教育云的技术架构

4.1 教育云技术架构

教育云在教育中的逐渐发展，下面基于OpenStack架构搭建的私有实验室云环境，设计了实验室教育云的技术架构，OpenStack为云化操作系统部分，如图3所示。

图3 教育云技术架构

4.2 基于OpenStack的私有云架构图

整个OpenStack是由控制节点、计算节点、网络节点、存储节点四大部分组成。如图4所示，这4个节点也可以安装在一台机器上，进行单机部署。其中：控制面节点为核心，负责对其余节点管理，包含虚拟机分发、网络分配、存储分配迁移等[4]。

（1）计算节点负责对虚拟机进行管理，启动停止等操作。

（2）网络节点管理外部和内部网络之间的IP设置，保证正常通信。

（3）存储节点负责对虚拟机的额外存储管理等。

5 基于OpenStack的实验室环境部署

实验室环境采用资源集中部署、统一管理，统一维护，机房实验环境与外部实验环境互补的方式进行部署，如图5所示。

图4 云计算教育平台技术架构

图5 云计算部署环境

私有云实验环境部署利用OpenStack开源云操作系统为核心，对资源机进行虚拟化管理，并且由多种层次的实验资源进行支撑，整个私有云的管理采用集中化的云管理平台，统一对IaaS层资源、实验资源、教学与实验环境等进行调度以及维护，保障整个实验环境的可靠性、稳定性和安全性[5]。实验云环境通过千兆交换机与机房相连，通过路由器与校园网或者广域网环境互联互通，实现透明开放的实验环境。

私有云计算实验环境的架构如图6所示，云实验环境建立在硬件资源虚拟化的资源池基础上，实现大数据，类PaaS开发环境，并行计算、多种形式的网络拓扑。为学生提供云存储、计算虚拟化、大数据并发计算、统一运营运维管理平台、PaaS层功能、online学习、资源复用等多种服务[6]。

图6 云计算实验平台架构

6 结语

本文搭建的私有换实验室环境主要实现以OpenStack为IaaS层架构，对资源进行集中托管，资源互联互通，杜绝信息孤岛，充分利用了硬件资源，为师生提供可扩展，不可见的基础设施。实验室环境云化后，各种实验所需硬件资源可以灵活扩展，使教学工作更加地集中在专业学习上。