何孫杰 匡芳君*

1 引言

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，高校教學(xué)資源在提高教學(xué)水平中的作用也越來(lái)越重要，高校管理者也意識(shí)到教學(xué)資源共享的應(yīng)用價(jià)值。如何充分發(fā)揮硬件資源的價(jià)值，更好地利用信息技術(shù)資源提高教育水平正逐漸受到各大高校的重視。和傳統(tǒng)的教學(xué)資源共享相比，考慮到“私有云”的教學(xué)資源共享平臺(tái)具有節(jié)省成本、共享便捷、管理高效、能耗更低等優(yōu)點(diǎn)。在“私有云”概念出現(xiàn)之前，教育資源管理中也強(qiáng)調(diào)共享，但是這種共享存在成本高、利用率低、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，如何利用云計(jì)算平臺(tái)彌補(bǔ)這些不足，進(jìn)一步提高教學(xué)水平顯得尤為重要。本文從傳統(tǒng)IT教學(xué)資源共享存在缺陷入手，分析現(xiàn)階段高校教學(xué)資源共享需要解決的問(wèn)題，考慮如何利用云計(jì)算平臺(tái)解決共享難的問(wèn)題，以提高資源利用率；然后利用Openstack構(gòu)建教學(xué)資源共享平臺(tái)，并以視頻教學(xué)資源共享為例，展示了利用Openstack私有云構(gòu)建教學(xué)資源共享的優(yōu)勢(shì)。

2 OpenStack私有云應(yīng)用研究現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)

2.1 私有云

云計(jì)算是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，一般涉及通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源。云是網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)的一種比喻說(shuō)法。對(duì)云計(jì)算的定義有多種說(shuō)法，現(xiàn)在大眾認(rèn)可度最高的是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）是定義：云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池（資源包括網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器，存儲(chǔ)，應(yīng)用軟件，服務(wù)），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行很少的交互[3]。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 云計(jì)算服務(wù)原理圖

云計(jì)算有以下幾種部署模式：私有云、公有云、社區(qū)云和混合云。私有云一般是為一個(gè)機(jī)構(gòu)單獨(dú)構(gòu)建，并單獨(dú)為這個(gè)機(jī)構(gòu)服務(wù)的；公共云由云服務(wù)提供商所建立，用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)購(gòu)買(mǎi)租用云中的資源；社區(qū)云為有共同關(guān)注點(diǎn)的多家機(jī)構(gòu)所建立；混合云由兩個(gè)或兩個(gè)以上的云組成，這些云彼此相互獨(dú)立，而本文研究在各個(gè)高校內(nèi)部資源的共享，使用私有云對(duì)于擴(kuò)展性、共享速度以及安全性方面更有優(yōu)越性。無(wú)論哪一種部署模式，按照服務(wù)類(lèi)型一般都可以分為三類(lèi)[4]：軟件即服務(wù)(SaaS)、平臺(tái)即服務(wù)(PaaS)和基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)這三大類(lèi)。

2.2 OpenStack私有云在教學(xué)資源共享中的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 基于私有云的教育資源共享的優(yōu)勢(shì)

在“私有云”概念興起之前，許多高校嘗試?yán)霉性拼罱ㄗ约旱慕虒W(xué)資源共享平臺(tái)。由于私有云可以完全工作在高校內(nèi)網(wǎng)中，而公有云往往依靠相關(guān)公司的服務(wù)器來(lái)提供服務(wù)，與私有云相比，公有云的安全性不足，服務(wù)水平也不及私有云。另外，使用私有云還可節(jié)約成本。私有云平臺(tái)可以更好地保障數(shù)據(jù)安全，還可以防止數(shù)據(jù)的泄漏和來(lái)源與外部網(wǎng)絡(luò)的攻擊。OpenStack是一種云計(jì)算控制器結(jié)構(gòu)，利用Python語(yǔ)言編寫(xiě)。這種構(gòu)架對(duì)于硬件平臺(tái)成本要求更低，且資源共享速度更快更方便。

2.2.2 OpenStack的框架及部署方式

平臺(tái)的目標(biāo)是在云計(jì)算技術(shù)的支持下，建立基于Open-Stack項(xiàng)目的學(xué)習(xí)資源共享系統(tǒng)。關(guān)鍵技術(shù)在于分布式硬件資源（包括服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備）的統(tǒng)一，并利用虛擬化技術(shù)形成統(tǒng)一的硬件資源。具體來(lái)說(shuō)，包括由OpenStack提供的用于統(tǒng)一管理的池，開(kāi)源組件為用戶(hù)提供IaaS服務(wù)，用戶(hù)從IaaS租用資源并存儲(chǔ)他們自己的學(xué)習(xí)資源。此外，還包括開(kāi)發(fā)部署和共享學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)，以及為管理員和學(xué)生提供學(xué)習(xí)資源。

OpenStack作為一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，提供了一個(gè)部署云的操作平臺(tái)，用于管理大量的計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源組成的資源池，為私有云提供良好的擴(kuò)展性[1]。OpenStack主要有7個(gè)核心組件[2]，各組件之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 Openstack核心組件關(guān)系

（1）計(jì)算機(jī)組建(Nova)：提供虛擬主機(jī)計(jì)算資源，將計(jì)算能力通過(guò)虛擬機(jī)的方式交付用戶(hù)。

（2）身份認(rèn)證(Keystone)：提供統(tǒng)一的授權(quán)和身份驗(yàn)證。

（3）管理門(mén)戶(hù)(Horizon)：基于API接口，用于管理門(mén)戶(hù)的Web端則用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

（4）鏡像管理(Glance)：為平臺(tái)提供虛擬磁盤(pán)鏡像的目錄分類(lèi)管理以及鏡像的管理。

（5）網(wǎng)絡(luò)管理(Quantum)：實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)資源管理，包括后續(xù)的負(fù)載均衡、公網(wǎng)映射、子網(wǎng)IP管理、網(wǎng)絡(luò)連接等功能。

（6）對(duì)象存儲(chǔ)(Swift)：通過(guò)鍵值對(duì)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)象文件的存儲(chǔ)讀取。

（7）快存儲(chǔ)(Cinder)：實(shí)現(xiàn)了對(duì)塊存儲(chǔ)的管理，為虛擬機(jī)提供云硬盤(pán)服務(wù)。

另外，OpenStack的部署方式主要分為兩種：多點(diǎn)部署及單點(diǎn)部署。單點(diǎn)部署即所有OpenStack組件只需要安裝在同一物理節(jié)點(diǎn)上。只涉及一臺(tái)物理節(jié)點(diǎn)，具有所占用資源少，OpenStack的大部分功能都可用；管理、維護(hù)方便；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不用考慮復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；調(diào)試和研究方便，無(wú)需跨節(jié)點(diǎn)調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。而多點(diǎn)部署即是采用多結(jié)點(diǎn)的部署方式，適用于有較多硬件資源的情況，具有管理、維護(hù)接近真實(shí)環(huán)境；OpenStack各組件間的相互依賴(lài)關(guān)系更加清晰；Open-Stack各組件的功能和穩(wěn)定性更好等優(yōu)點(diǎn)。

然而，單點(diǎn)部署擴(kuò)展較難、實(shí)用性較差、OpenStack各組件間的關(guān)系不易研究。多點(diǎn)部署涉及到眾多節(jié)點(diǎn)，部署麻煩且不易理清OpenStack各組件間的關(guān)系、維護(hù)困難、每個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行各自的服務(wù)導(dǎo)致資源浪費(fèi)。因此，較為實(shí)用的部署方式是采用兩種節(jié)點(diǎn)：主控節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。這樣，此部署不僅擴(kuò)展容易、維護(hù)方便，而且該架構(gòu)具有高可靠性，能夠持續(xù)穩(wěn)定地提供服務(wù)。

圖3 主控節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)示意圖

3 OpenStack私有云在教學(xué)資源共享中的應(yīng)用

3.1 私有云的實(shí)現(xiàn)

本章介紹在高校網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中部署Openstack私有云的實(shí)現(xiàn)方法。這里僅說(shuō)明一般性方法，具體實(shí)施方法還要結(jié)合高校各自情況加以說(shuō)明。

3.1.1 現(xiàn)有教學(xué)資源遷移

傳統(tǒng)教學(xué)資源主要包括教學(xué)課件、教學(xué)試題以及教學(xué)成績(jī)。這些教學(xué)資源往往存儲(chǔ)在某一臺(tái)或者某幾臺(tái)特定的服務(wù)器中[5]。這樣，一旦這些服務(wù)器發(fā)生故障或者離線，所有教師和學(xué)生都將失去對(duì)這些資源的訪問(wèn)能力。對(duì)于這部分教學(xué)資源可以很方便地遷移到搭建好的云計(jì)算平臺(tái)上。Openstack云計(jì)算平臺(tái)提供虛擬機(jī)服務(wù)支持，只需要將傳統(tǒng)教學(xué)資源所在服務(wù)器的硬盤(pán)數(shù)據(jù)制作成映像文件，并且將該映像文件導(dǎo)入到服務(wù)器中，創(chuàng)建特定的虛擬機(jī)服務(wù)，即可完成遷移工作。遷移過(guò)后，用戶(hù)訪問(wèn)可以不受云計(jì)算平臺(tái)中某臺(tái)服務(wù)器故障的影響。

3.1.2 分布式計(jì)算資源構(gòu)建

許多高校都建有專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器[6]，用來(lái)滿足教學(xué)和科研過(guò)程中對(duì)于高強(qiáng)度計(jì)算所需要的處理能力。然而，用戶(hù)想要申請(qǐng)得到這些計(jì)算資源往往需要繁瑣的申請(qǐng)手續(xù)。另外，用于教學(xué)目的的資源相對(duì)短缺，導(dǎo)致開(kāi)設(shè)的相關(guān)課程教學(xué)質(zhì)量下降，不能滿足需求。要?jiǎng)?chuàng)建計(jì)算資源云處理平臺(tái)，需要在原本的每臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)上配置Openstack Computing程序。并且將程序配置在計(jì)算節(jié)點(diǎn)模式。這些計(jì)算節(jié)點(diǎn)相互連接，并且可以根據(jù)需要，動(dòng)態(tài)地劃分為多個(gè)不同的虛擬計(jì)算機(jī)。

系統(tǒng)管理員可以將擁有不同權(quán)限的賬號(hào)分配給每一個(gè)教師，而教師又可以根據(jù)教學(xué)需要，為每個(gè)學(xué)生分配不同性能的虛擬主機(jī)。學(xué)生可以使用分配到的賬號(hào)登錄到遠(yuǎn)程桌面，熟悉相關(guān)技術(shù)和操作。這樣一來(lái)，高校可以充分利用現(xiàn)有的硬件資源，做到硬件資源分配最優(yōu)化，使得每一個(gè)使用需求都能夠得到較好的滿足。這有利于提高教質(zhì)量和水平[7]。

3.2 應(yīng)用實(shí)例分析

學(xué)習(xí)資源共享平臺(tái)利用云計(jì)算技術(shù)為高校提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（IaaS）。它通過(guò)OpenStack項(xiàng)目將現(xiàn)有的所有的硬件設(shè)施組織到一個(gè)統(tǒng)一的虛擬資源池中，并為高校提供租用接口。高?？梢栽谧庥玫幕A(chǔ)設(shè)施上存儲(chǔ)學(xué)習(xí)資源，部署自己的應(yīng)用程序等。平臺(tái)應(yīng)用層的學(xué)習(xí)資源共享系統(tǒng)也可以部署在高校租用的資源上供學(xué)生使用。在云計(jì)算資源共享平臺(tái)中，基礎(chǔ)設(shè)施管理員負(fù)責(zé)資源池中資源的分配和監(jiān)控。每個(gè)高校都是資源的使用者。他們租用池中的基礎(chǔ)設(shè)施并部署自己的資源共享系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)學(xué)習(xí)資源信息，以及應(yīng)用程序數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，高?？梢允褂肳eb控制臺(tái)檢查租用資源的使用情況并作出新的租賃決定。學(xué)生在高校登錄學(xué)習(xí)資源共享系統(tǒng)學(xué)習(xí)平臺(tái)，獲取學(xué)習(xí)資源，獲得學(xué)習(xí)資源許可，同時(shí)支付一定費(fèi)用。每個(gè)高校通過(guò)學(xué)習(xí)資源共享系統(tǒng)的管理平臺(tái)來(lái)管理學(xué)習(xí)資源，并監(jiān)控每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為。在實(shí)際部署時(shí)，管理節(jié)點(diǎn)采用1臺(tái)ThinkServer服務(wù)器進(jìn)行平臺(tái)管理控制，用來(lái)控制云環(huán)境；用5臺(tái)ThinkServer常規(guī)服務(wù)器，搭配萬(wàn)兆網(wǎng)口和大容量?jī)?nèi)存來(lái)充當(dāng)資源池；采用具有大硬盤(pán)，64GB內(nèi)存，SSD讀寫(xiě)加速和至少2個(gè)千兆網(wǎng)口，2個(gè)萬(wàn)兆網(wǎng)口的服務(wù)器作為儲(chǔ)存節(jié)點(diǎn)。

3.2.1 教學(xué)視頻資源共享

教學(xué)視頻資源一般是指課堂的視頻錄像和一些演示性實(shí)驗(yàn)[8]。傳統(tǒng)的教學(xué)資源視頻是存儲(chǔ)在學(xué)校的服務(wù)器主機(jī)的。受限于物理情況，主機(jī)的帶寬和處理能力都是有限的。當(dāng)訪問(wèn)用戶(hù)比較多、點(diǎn)播量很大的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)宕機(jī)的現(xiàn)象。

這部分資源的云端化處理適宜采用多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（Peer to Peer）的傳輸方式。利用Openstack可以實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)。在這種基于Web的結(jié)構(gòu)中，用戶(hù)可以不用安裝客戶(hù)端軟件，服務(wù)器可以協(xié)調(diào)處理這些訪問(wèn)請(qǐng)求，并且將其重定向到已經(jīng)下載了相同資源的用戶(hù)。這樣，就不需要每個(gè)用戶(hù)都從服務(wù)器下載視頻數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了減輕服務(wù)器壓力，提高用戶(hù)體驗(yàn)。

3.2.2 考勤數(shù)據(jù)生成與共享

考勤是教學(xué)工作中的重要環(huán)節(jié)，利用私有云可以提供考勤的效率[9]。傳統(tǒng)考勤方式一般是教師對(duì)照名冊(cè)，逐個(gè)確認(rèn)學(xué)生是否在場(chǎng)。結(jié)合電子圍欄技術(shù)和基于位置信息服務(wù)（LBS），可以方便完成考勤工作。該過(guò)程可以自動(dòng)完成，不對(duì)教學(xué)活動(dòng)造成任何影響。

4 系統(tǒng)平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)

分析私有云系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)資源的優(yōu)點(diǎn)和不足，以便高校評(píng)估自身是否適合搭建私有云平臺(tái)。該系統(tǒng)具有成本低廉、使用方便、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。利用開(kāi)源社區(qū)的豐富資源，該系統(tǒng)可以定制出多種強(qiáng)大功能。此外，由于系統(tǒng)整體采用Python語(yǔ)言編寫(xiě)，因此系統(tǒng)的可維護(hù)性非常高。同樣地，由于采用的是開(kāi)源代碼，這些代碼是由開(kāi)源社區(qū)維護(hù)的，因此當(dāng)代碼出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，用戶(hù)需要向開(kāi)源社區(qū)求助或者自行解決。當(dāng)系統(tǒng)變得龐大而復(fù)雜的時(shí)候，這會(huì)給系統(tǒng)的維護(hù)帶來(lái)不便。另外，該系統(tǒng)的執(zhí)行效率相對(duì)較低，在硬件資源緊張的情況下，系統(tǒng)的運(yùn)行可能會(huì)變得非常緩慢。通過(guò)分析上述缺點(diǎn)，我們可以從以下研究點(diǎn)加以突破，包括調(diào)度算法優(yōu)化領(lǐng)域、在線遷移優(yōu)化技術(shù)、負(fù)載均衡優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、虛擬化性能優(yōu)化技術(shù)、能源損耗優(yōu)化領(lǐng)域等。尤其是調(diào)度算法，比如裝箱問(wèn)題、啟發(fā)算法、遺傳算法等等，都能提高資源利用率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提供了高校搭建Openstack云計(jì)算平臺(tái)的一般方法。Opestack技術(shù)在教學(xué)資源共享中的意義重大，但并不是每一所高校都適合使用該技術(shù)搭建教學(xué)資源共享平臺(tái)。本文分析了這種云計(jì)算平臺(tái)的特點(diǎn)，高校應(yīng)當(dāng)根據(jù)自身需求決定是否搭建以及搭建怎樣規(guī)模的私有云，來(lái)盡可能提高教學(xué)水平。如果高校規(guī)模比較龐大，可以借鑒Openstack技術(shù)的思路，構(gòu)建自主構(gòu)架的云計(jì)算平臺(tái)。未來(lái)，私有云技術(shù)會(huì)在多線程處理技術(shù)、訪問(wèn)控制技術(shù)、存儲(chǔ)快速響應(yīng)技術(shù)等關(guān)鍵性技術(shù)領(lǐng)域有重大突破，但是云計(jì)算基本組件和服務(wù)不會(huì)有太大變化。