基于Openstack的科研教学云计算平台的构建与运用

1、 实 验 技 术 与 管 理 第 卷 第 期 年 月 基于 的科研教学云计算平台的构建与运用李磊，李小宁，金连文（华 南理工大学 电子信息学院，广东 广州 ）摘 要：随着云计算技术的发展与运用 ，云 计算在资源的效用 比 、按需服务等方面优势显著 。 相 对 于 高 校 传 统的计算资源构建 ，云计算凭借其安全性保障 、高 效的弹性计算资源分配能力 、简易的硬件要求等特性 ，能 实 现面对不同需求时的计算资源快速弹性构建。基于 开源云计算平台 ，构 建了一个适用于高校教学 和科研实验的校园云计算平台 ，既能弹性分配实验计 算资源 ，满 足课程教学 、开 发 、测 试 、管 理等不同 需 求 ，

2、又 成为集群技术 、分 布式计算 、云计算应用等研发工作的实用平台 。关键词：科研云计算平台 ；弹 性资源分配；高效用比中图分类号 ：文献标志码 ：文章编号 ：（） ，（，）：， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ：；由于云计算平台能提供快速 、按需、弹性的资源构 建模式，能按照用户 的需求快速地构建计算资源和开 发环境，目前国内已 经开始采用云计算解决我国高校 教学资源的高冗余性、低共享等问题，如重复购置计算 机、课程资源无法跨领域共享 、课程之间资源无法实现 动态灵活的 调 度 和 分 配。 在 国 内 的 文 献 中 详 细阐述了采用云计算技术解决高校教学科研资源优化管理的方法、改 革

3、模式等。 相比于国外，如 文献 所述目前已有众多高校以及科研单位采用云计算技术 解决其科研环境中资源的快速构建 、弹性伸缩和按需 收稿日期 ：基金项目 ：国 家科技支撑计划项目 （）； 广东省战略新兴产业核心攻关项目（）作者简介 ：李 磊（），男 ，云 南 昆 明 ，工 程 师 ，研究方向为云计算和 通信工程：使用的问题，实现 了计算整合、同构化以及高效用比 ， 但对如何实现、构建、优化并没有给出相应的云计算平 台构建方案，因此“具体采用什么方案构建高校的教学 科研计算平台，如何 使用云计算平台特点实现资源的 优化构建和高效用比”值得进一步研究。云计算平台分为 平台、 平台和 平 台。其 中

4、平 台 ，即基础设施服务平 台，是 和 的基 础，以提供资源的按需使用 和弹性 扩展能力。在面向高校的教学和科研时 ， 平台可 按照不同的需求提供不同资源类型的虚拟主机 ，满 足 多方面学科教学和科研的资源需求。目前，构建平台的方案 主要分为商业架构和 开源架构。虽然商业架构具备完备的维护服务体系， 但购置成本较高，在面对高校的资源开放化服务方面 ， 难以实现投入与产出的价值平衡 ；开 源架构相比于商 业架构，虽然没有完善的服务维护体系 ，但由于代码开 实 验 技 术 与 管 理源、无需购 置 成 本，因 此 拥 有 众 多的构建和开发的人 数，其稳定性实际 并不亚于商业架构。 同时采用开源

5、构建的人员可以直接获取底层的软件源代码 ，通 过一 定的学习和研究，能 直接按照自己的实际需求进行修 改和定制，形成自 主知识产权的云计算平台。 本文基 于目前 开 源 架 构 中 发 展 最 为 迅 速 的 架 构 版本 为 基 础 进 行 了 云 计 算 平 台 构 建 ，面 向高校的教学科研的需求实现了资源弹性分配 、快 速 扩展、网络隔离与共享，并完整的阐述了高校教学科研 云计算平台的构建与使用方案。 设计框架企业内部实现了类似于 和 的云基础架 构服务（，）。经过近些年的 发展，目前获得了包括、 等近家知 名 企业的支持，成 为开源云计算架构中最主流的平台 之一。 采 用 了 模 块

6、 化 设 计，其 从 版本开始包括了个主要的核心子工程：（）：提供 了虚拟主机的调度、创 建、删 除和简单网络资源管理功 能；（）：提供了网络的块存储设备；（）：提 供了创建虚拟主机所需的镜像注册、存 储和删除功能；（）：提供了对象 方式的分布式存储功能；（）：提供了服务 权限的验证、用 户信息注册、修 改、删 除和相关服务权限管理功能；（）：基 于 工程架构 是由 和美国国家航空航天局（）共同开发的云计算平台，该平台帮助 服务商和架构的 服 务，提 供了面向终端用户的网页操作管 理功能。其工程架构见图。图 工 程架构图 工程介绍虽然 版本已经具备了较为完善的 平 台构建方案，可以满足简单私有

7、云的构建 ，包括虚拟机 主机资源的管理、用户信息的管理以及简单网络 的 分配等，但无法满足高校多个二级学院系、学科、实验 室计算资源网络拓扑的动态构建和资源隔离。例如按 照不同部门、不同功 能的需求动态构建云计算网络拓 朴等。 版 本 增 加 了 工程，该工程 不仅实现了跨数据 中心的二层挽网络共享与隔离 ，同时 每个二层网络可 以按照需求自定义拓扑结构 ，其 核心是利用 的架构，采用 网 络 替 代 传 统 的 网 桥，为 每 一 个 虚 拟 主 机 构 建 一 个 私 有 的 网 络 端 口 ，并 通 过 相 应 的或 者 作 为网络传输的标志，实 现云平 台下虚拟主机的二层网络隔离 ，使

8、 得相同服务的虚拟 主机成为一个逻辑独立的网络资源簇 ，同 时每个挽留 过资源簇的 可以自定义，多 个内部网络之间 可 以重复，其结构如图所示。本文采用 作为高校教学科研云平台 的 网络服务，在面对高校云计算服务的需求时 ，可按照学 院系、学科、实验室 等独立的实体构建多个独立二层 网络隔离的虚拟主机资源簇 ，使得每个虚拟主机资源 簇在进行构建和资源伸缩时不受地理位置 、 资源等 外部因素的影响，体现了云计算平台资源的按需使用 、 动态构建和资源隔离等优点。 李 磊 ，等 ：基于 的科研教学云计算平台的构建与运用 图 网络结构*基于 版 本的云计算平台 构建 部署规划按照 高校数据 中心和网络

9、的拓 扑 特 点，结 合 的设 计 架 构，采 用 的 个 核 心 工程，即 、 和，每个工程采用分布式部署 ，并 采用 （高 可 用结构）结构，即将每个工程独立部署在多个物理主机 集群内，并 且 对 关 键 的 组 件 按 照 的 架 构 进 行 构 建，实现云计算平 台服务的高可用性。 其部署的拓扑 如图所示。 构建主要方式的介绍目前 的 构 建 可 以 采 用 以 下 种 主 要载源码包，按照自己的环境进行配置修改 ，从底层的组 件进行安装。本文考虑到部署的灵活性 ，在 部署的方式上采用 了源码安装方式，按 照自己 的 需 求 对 进 行 配置和调整。 基础组件的部署需要用到数 据库和消

10、息队列两种基础 组件。其中数据库负责记录 运行的关 键信 息和状态，消 息队列负责对 服 务 内 的 各 个 模块进行消息传输。在数据的部署上 ，本文采用了 数据 库， 并采取 （）部 署 方 案，即 采 用一个基于 的存储池存储 的 数据信息， 通过 挂载到 多个 服 务端，负 责 将用 户 访 问 通 过 虚 拟 转 发 到后端正常工作的 服务上。其结构如图所示。方式：消息队 列 服 务 采 用 了，并 采 取 主 备 的（）包安 装方式：目 前 等 操作系统在其软件仓库已经放置了编译好的 软 件包，因此可直接采用等自动化网 络安 装服务，完成 各个组件的构建 。（） 脚 本 安 装 方

11、式：由 于 已 经成为了开源云计算平台的首选部署方案 ，在 国外开 发人员的支 持 下，逐 渐 出 现 了 等 类 型 的 “一 键化”安装脚本，用户可以通过该脚本的执行直接完成 的构建。（）源码 安 装 方 式：从 的 官 方 网 站 下 方式，即针对消息队列服务同 时部署一个主服 务 和一个预备服务，当主服务出现问题时，预备服务会被 激活并替代主服务。其结构如图所示。 和 的部署和 的 部 署 流 程 主 要 包 括 ：首 先 安装必要的第三方组件 ，如 的服务组 件、 工 具 等，然后按照服 务所在 服务器的具体信息 修 改 配 置 文 件 （和下 的 配 置 文件），并安装系统服务 ，

12、在数据库中创建数据表单，最后同步数据表单几个主要步骤。 实 验 技 术 与 管 理图 基于 高校教学科研云结构示意图 图 基于 的 数据库服务结构示意图 在 上 述 步 骤 中， 和 的 配 置 文 件 关键信息内容如下： 指向数据库服务器 ： ： 指向数据库服务器 ： 采用存储器方式存储镜像文件 定图 基于 的 的 结构示意图义存储的挂载点 由于 在 部署时需要制定一个存储 空间用 以对镜像文件进行存储 ，本文采用了一个 的 独立 存 储 空 间，通 过 协议将该 存储空间挂载到 的 物 理 主 机 上，实现存储和控制的物 理 分 离 结构。为了实 现 和 的 结 构 ，系 统 采用多点反

13、向 代 理 机 制 ，即采用多个物理节点运行 和 服 务 ，并 在 前 端 将 其 通 过 反向代理 为 同 一 个 前 端 ，即 采 用 对 后 端 的和 进 行 负 载 均 衡。 当 用 户 访 问 链 接 较多时 ，通 过负载均衡方式将用户的请 求均衡 李 磊 ，等 ：基于 的科研教学云计算平台的构建与运用 地发送 到 后 端 多 个 和 服 务 上 ，实 现 服务的负载均衡和 ，其 部署结构如图 所示。图 和 的部署结构示意图 、的部署和 部 署 的 主 要 流 程 包 括：首 先 安 装 必要的第三方 组 件，如 的 服 务 组 件、 工具 等，其 中 关 键 的 第 三 方 组 件

14、 包 括 、 、等虚 拟 化 软 件，的关键组件包括 、等网络设 备协议管理；然 后 按 照 服 务 所 在 服 务器 的 具 体 信 息 修 改 配 置 文 件 （和 下的配置文件），并 安装系统服务，同 时在数据 库中创建数据表单；最后同步数据表单几个主要步骤 。在上述 步 骤 中， 和 的 配 置 文 件 关 键 内容如下：（）的关键配置： 数据库连接 ： 虚拟机调度策略 网络挂载工具 认证工具配置由于本系统服务属于开放资源服务 ，考 虑到硬件 设 备的投入效用比 ，本文未采用网络存储阵列 作 为 虚 拟 主 机 数 据 的 存 储 空 间，仅 采 取 了 本 地 化 存 储 阵 列；在

15、 存 储 的 部 署 上，本 系 统 考虑到块存储数据的安全性，未 采用常规的 卷存 储，使用了 存储解决 方案，即 采用 文 件系 统作为 的后台存储。由于 和 服务本身就是一个分布式部 署方案，因此 本 文 采 用了在每个运行 和 服务的 物 理 主 机 上 启 动 、和 、 进 程，以 实 现 服 务 的 架构。 的服务安装 工程主要通过使用第三方的虚拟 化 网 络管理 插 件 进 行 实 现，目 前 主 要 支 持 、 、 、 等， 本文采 用 作 为 的 网 络 插 件。 是 即开放虚拟交换标准， 是在开 源 的 许可下的产品级质 量 的多层 虚拟交换标准。旨在通过编程扩展 ，使 庞

16、大的网络自动化（配置、管理、维 护），同时还支持标准的管理接口 和协议（如 ， ，）。 部署的主要流程包括：安 装必要的第三方组件，主要是安装组件，并按照自己网 虚拟机驱动配置 网络配置采用 工程 ：连 接： 消息队列配置 的 关键配置 数据库连接 ： 消息队列配置络的实际情况将物理主机的 块网卡所在的网络分别规划为管理网络、虚拟机内网以及对外接入网络 ，其中 关键的步骤主要是创建内外 个网桥，并 分别绑定到 相应的网卡上，主要的配置内容如下：（）网卡关键配置内容。 管理网络接口 虚拟主机内网接口 实 验 技 术 与 管 理 对外网络接口 （）网桥配置主要指令 。 创建虚拟主机内网网桥 创建外

17、部接口网桥 将外部接口网桥绑定到外部网络网卡 为 网 桥添加： ，使 得 可 以调用 的 服务。图 高可用结构部署结构示意图 教学科研云的镜像制作与上传云计算平台在启动虚拟主机时需要从一个标准的 虚拟机镜像获取文件 ，并调度到相应的物理主机上进 行启动，因此 在 使 用 服 务 前 需 要 制 作 虚 拟 机 镜像，并上传到服务的存储中。本文所构建的系在安装完 组 件 后，需要按照所在的 物理服 务 器 修 改 配 置 文 件 （ 配置文件），并 安 装 系 统 服 务，同 步 数 据 表 单，最 后 为 网络添加外部 地址网段。其中 的几 个 主 要服务进程包括 ：（） ：管理 和 调 度

18、虚 拟主机网络服务 ；（） ：启动 服 务自动分配虚拟 主机 网 络 ；（）：管 理本地 网络（虚拟机 内部络 ）网 桥节点的分配与回 收；（）：管 理 （对 外 接 入 网 路 ）网统采用了 虚拟化技术，制作镜像的流程 主 要 包括：创建一个本地化的虚拟磁盘空间 ，按照 的启 动方式，将所需 要安装系统的 文件通过 的引导方式将系统安装到虚拟磁盘空间 ，同 时在安装 过程中按照 系 统 的 种 类 需 要 完 成 如 下 操 作 ：（） 系统需要安装 磁盘驱动；（）系统需 要删除文 件，以免自动添加除 以外的接口。在安装好基本镜像后 ，可依据实际的服务需要安 装不同的服务软件，提 供不同的

19、服务。 本文所构 建的系统对镜像做了如表 所示的规划。表 平台镜像列表桥节点的分配 与 回 收，同 时 负 责 为 每 个 网 络 创 建 一个虚拟机 ，实现 网络隔离。为了实现网络的 接入模式，避 免单点化的接 入 故 障，本 文 采 用 多 个 专 用 的 物 理 主 机 同 时 运 行 ，并对每个 网络对外 的流 量做了监控。当 出现故障时，即对外网 络流量 为时，通过 的 调用 在其他网络 接入物理主机上创建一个 ，并 将已经失效的对 外 重新绑定到新的 上，实 现 网 络 故 障 的 转 移。其结构如图所示。 的服务安装本文采 用 方 式 进 行 的 部 署，主 要的步 骤 包 括：

20、安 装 组 件，修 改 器 配 置 文 件 ，使 得 根 目 录 指 向 所在 的文件夹，并 添加 服 务： 镜 像 系 统 服 务 软 件 面 向 的 服 务 无需要纯净的系统环境 办公业务需求数学建模运算即仿真 基于 的 编程、嵌入式系统开发 无需要纯净的系统环境 、服务器网页服务 无开 发环境 无 服 务 器 环 境 为了保证云计算虚拟主机资源效用比的最大化， 体现其按需使用的优点 ，系统为不同使用者配置了相 应配置的虚拟主机类型（如表所示）。 李 磊 ，等 ：基于 的科研教学云计算平台的构建与运用 表 虚拟主机资源配置列表 虚拟主机类型配置类型 高校教学科研云的使用方法本文所构建的系统

21、位于校园内网 ，使 用的流程主 要包括：（）登 录 界面，输 入校园用户名及密 码；（）首次使用时，在控制面板中创建自己的网络 ，包 括创建的自己的内部网络 ，以 及输入自定义的内网 段、网关并创建内网 ；（）在 控制面板中选择镜 像栏，点击需要启动的系统镜像 ，在对话框内选择虚拟 主机的配置 类 型、内 网 和 外 网 ，点 击 启 动；（） 当用户需要访问主机时，可以在 栏目选择 分配一个外网 并连接到相应的虚拟主机 ；（）用 户 可以通过 远 程 桌 面 或 者 的 网页的方式远程访问；（）当用户需要添加网络块存储 时，可以选择云硬盘选项 ，并按照需要容量创建一个虚 拟的块存储，通 过

22、挂 载 到 虚 拟 主 机 上。 使 用 流 程 如图所示。图 教学科研云计算平台主要使用流程示意图 高校教学云的效用比的分析构建 云计算系统主要目的是提高 高校 计算机资源使用的效用比 ，并能实现快速的按需服务 和扩展，避免重复的购置计算机设备 ，摆脱繁琐的实验 环境维护工作。以下从硬件、成本 和扩展性 个方面分析了该平 台同构化计算资源的性能。（）硬件对比：加入云平台 后，可 免去重复购置计 算机、安装软件等工作过程 ，有利于教师工作效率的提 高，实现了本地资源的自由度 。（）成本对比：私有云除了 性能高效外 ，还 可降低 成本，提高投入产出比。在本 文的测试中， 个计算节点运 行 个 实

23、 例，每 个 实例的使用概率为 。以嵌入式 实验课程为例，当 部 署 一 个 大于个虚拟主机开发环境的实验资源时 ，以 个计 算节点、的使用概率为例，则实际使用的实例数为 个，按照计算公式得出资源节省效用比 云计算的资源使用率（ 台 主 机 个 实 例 ）原始的物理主机资源（台）（）因此节省的机器数 、能源等成本为原来的倍。（）扩展性 比对：当教师或者学生需要开 展新的 实验时，可以直接启动纯净的系统镜像主机 ，并按照自 己的需求安装和定制软件 ，并提交给云平台管理员，作 为附加的镜像传入 存 储内，整 个过程不大于 。该镜像 可同时授权公开 给其他用户 使用 ，相 对 于 购置新的计算机，扩

24、展成本基本为零。当云计算平台计算能力无法满足当前的虚拟机数 量与配置时，可以通 过动态的方式将新的物理主机接 入到平台内，无需对原有的资源做任何调整 。 如前成 本对比所述，扩展一 个新的物理主机可以支撑 个以 上的虚拟云主机运行 ，效用比优势依然明显。 结束语本文阐述了基于 构建高校教学科 研云 平台的方案和运用方法 ，旨在为高校提供弹性计算服 务，满足不同用户角色 、不同阶段的要求，同时，通过在 虚拟镜像中集成开发环境 ，为不同的教学和科研提供 了一个硬件 资 源、系 统 架 构、软 件 程 序 均 一 致 的 实 例 环境。经过实践 和 实 际 运 行 ，本 文 实 现 了 既 定 的

25、个 目标 ：（）构 建 和 部 署 高 校 教 学 科 研 云 平 台 ；（）通 过对原有资源 购置方式的对比 ，体现了云计算平台 资源高效 用 比 、按 需 使 用 、快速扩展等优点 ，能 为 我 国快速发展的教育和科 研提供一 个 高效资源管理与 供给模式。参考文献（）罗 国玮 ，兰 瑞乐 基 于云计算的高校科研实验平台构建研究 实 验技术与管理 ，（）：柴 亚辉 ，涂 春萍 ，刘 觉夫 ，等 基 于云计算的计算机与软件实验资源 管理实验室研究与探索 ，（）：李 英壮 ，廖 培腾 ，孙 梦 ，等 基 于云计算的数据中心虚拟机管理平台 的设计实验技术与管理 ，（）：黄 晨晖 ，林 泳琴 基

26、于云计算的虚拟化计算机实验室的研究与实现 ，实验室研究与探索 ，（）：鲁 慧民 ，刘 刚 基于云计算理 念的虚拟实验教学系统设计探讨 实验技术与管理 ，（）：（下转第页） 实 验 技 术 与 管 理候是相依 存 的。 这 两 样 废 弃 物 在 我实验室产生量很 大，所以实验室每周固定时间集中处理废液废瓶 ，其流 程为：（）提前打印一份专门处理废液废瓶的申请单和 明细单，申请单中写 明本次所需处理的所有废液名称 和废瓶数量；（）将 废瓶装入箱子内，并用标签做出标 志；（）在废液瓶 和废弃药品瓶外表贴上废物的名称， 检查是否泄漏，整齐 放置箱内；（）将 废弃物明细单和 申请单与箱子放在一起 ，运

27、至学校废弃物处理部门统 一处理。废弃实验 耗 材 是 实验室废弃物中所占比例最大 的，经常会产生，而 且很多为一次性的 ，如 果没有节约 意识或处理不当，这 类废弃物就会成为最大的浪费和 污染。首先是破碎的或淘汰的玻璃器皿 、用 过的注射 器和针头，要分类收集储存起来 ，一个季度或半年和废 液废瓶一起送至学校部门处理 ；其 次是手套、吸 头、过 滤器等这类每天都会产生的小型废物 ，由 于量大要日 产日清，所以在实验室这类垃圾都集中放入污物袋 ，后 集中焚烧处理。生物废弃物主要包括动物尸体 、血液样品、病理样 品，对于这类废弃物应注意低温保 存 、及 时清理、不 能 大量囤积，要委托具 有处理资质的单位定期回收进行 消毒和统一 焚 烧 处 理。 细 胞 微 生 物、培 养 基、培 养 液等一系列生物活性废物 ，最好使用压力蒸汽灭菌后 处理，对无致病性培 养物可使用次氯酸钠消毒液处理 后排放。 结束语实验室是高校学科建设 、人才