基于Open Stack的计算机实验室自助服务平台的设计与实现
摘要：云计算是一种基于互联网的计算模式。基础设施即服务（IaaS）是云计算最底层的服务模式。它通过分布式存储和虚拟化等技术，将服务器、存储、网络等物理资源虚拟成易扩展、可按需分配的弹性虚拟资源池。近年来，国内外的IaaS产品竞争日益激烈，如何让 IaaS 服务于更多的应用场景，成为云计算的新命题。Opens tack 是一个开源的云计算项目，可以帮助服务商和企业内部实现 IaaS 平台。
随着越来越多的实验课程在计算机实验室的开展，共享与个性化的矛盾越来越受到人们的关注和重视。为了能够满足教学个性化的需求，设计一个基于开源云计算技术的自助服务的平台，可以给每一个学生的每门课程分配一个独立的实验环境。实验证明，本方案是具有可行性，并且能够降低管理工作的强度,从而改善实践教学的条件。
1 技术与原理
1.1 云计算
根据不同的服务性质，云计算可以划分为不同的类型，其中主要包括了公有云、私有云、混合云。在各个高等院校中，其自身的重要数据与研究成果主要通过私有云来实现数据提供服务的安全性控制与保证。所以，对于高校计算机实验室平台框架而言，私有云更为符合实际的需求。常见的私有云应用平台包括了 Open Stack、vCloud Director、Cloud Stack、Ducalyptus，每个平台都各自具有着自身的商务评估以及功能评估的优缺点。其中，Open Stack 云平台属于完全开放性质的源码，因此具有更高活跃度、灵敏度以及可扩展性。基于多方面因素的综合考虑，在高校实验室自助服务平台的构建中选择 Open Stack 云平台作为构建的基础更为合适。
1.2 Open Stack 项目
Open Stack 项目属于一个云平台的管理项目，主要由NASA 与Rackspace 负责研发，主要目的在于为企业和用户提供云基础的架构服务，包括了五个方面的重要组件，各个组件之间保持相对独立性，分别是 Open Stack 控制器、镜像服务、对象存储、角色信息服务以及管理前端。通过计算机实验室所运用的服务器 CPU 利用比较低，导致资源严重浪费。通过云平台的建立，通过对虚拟机处理能力的预期，比传统的部署具有更高的运行效率与可靠性，也有利于为用户端以后增设服务器奠定基础。在同一局域网内客户端可以对云进行直接的访问，对云资源进行直接的运用。
2 基于Open Stack计算机实验室自助服务平台的设计以 Open Stack 作为基础的计算机实验室自助服务平台系统在总体上的结构由以下几个方面组成：瘦客户端、资源池以及自助服务系统。
2.1 瘦客户端
瘦客户端，就是需要通过利用已有的计算机来实现，需要安装一个具有浏览器与远程桌面功能的Windows操作系统，避免对原有的操作系统造成影响。如此一来用户可以在启动计 算机的时候，选择合适的操作系统，建议安装的 Windows 操作系统是精简版的操作系统，这样做不仅有利于加快计算机运行的速度，也可以减少客户机资源的消耗。在瘦客户端的浏览器上，其默认主业为自助服务系统学生的登录界面，在这个系统上，使用者的身份需要通过学生的学籍信息来认证，学生通过认证之后可以进入专用的虚拟机列表。在教室启动虚拟机后，学生通过点击其中的连接来获取虚拟机的 IP 地址和登录密码。
2.2 资源池
资源池的结构包括了 Open Stack 项目管理的计算节点，通过这些计算节点可以对虚拟机进行启动。学生获取 IP 地址和密码之后，在远程桌面的作用下，可以在瘦客户端上与资源池的虚拟机进行连接。
2.3 自助服务系统
自助服务系统指的是Web应用，包括了以下的几个功能：
定制镜像末班、分配虚拟机、监控虚拟机。
（1）定制镜像模板（Glance 模板）。在创建定制镜像模板的过程中，首先在定制镜像模板上进行操作系统镜像的安装，包括了 Windows XP\Windows Server2003\Linux 等等。然后，教师可以以实例作为案例进行实验环境的安装和配置，使用系统上的快照功能创建快照，对实例的状态进行备份，形成自定义的模板。对所创建的快照进行文本信息的标注，以便于判断模板的用途和类型。
（2）分配虚拟机。在分配虚拟机的过程中，可以根据实际的需要来选择合适的虚拟机，通常所应用的询及机油两种类型，一种是标准型虚拟机，包括了虚拟机U1 块，内存量为 1G，磁盘空间为 10G；另一种是增强型虚拟机，该种虚拟机需要更高的资源配置，与标准型相对比，资源配置形成了 1:2 的比例，包括了虚拟机 CPU2 块，内存量为 2G，磁盘空间为 20G。通过自助服务平台，每个学生每门课程可以分配到 1 台以上的多台虚拟机。
（3）监控虚拟机。教师不可以对他人所创建的虚拟机进行操作，只能够对自身的虚拟机进行操作，监控操作的连接可以帮助教师对虚拟机的分配信息和操作进行监控。
3 基于 Open Stack 计算机实验室自助服务平台的模块构建
Open Stack 实现了云计算的基础设施服务（laas），由于多数用户没有完全了解该平台的特点，因此 Open Stack 为开发人员提供 API 接口，便于进行程序编写，从而实现对资源的动态管理，有利于对应用支撑平台进行设计。例如，在创建实验室教科研平台门户登陆界面的时候，可以通过对代码的编写，从而执行用户的身份验证。
根据教学研究的服务宗旨，在实验室自助服务平台中，需要根据不同的功能来设计不同的模块，其中包括了教学实验服务模块与科研实验服务模块。
3.1 教学实验服务模块
在教学实验服务的模块中，包括了资源库模块、虚拟实验室模块、交流模块以及平台扩展模块，该模块的主要功能在于为教师与学生用户提供上机实验教学，强调的重点在于应用服务。首先，在资源库模块中，所组成的资源包括了国内外最新研究成果、视频以及其他一切知识成果，视频资源区域汇总了丰富的知识类的视频资源，包括了公开课、名人演讲以及课件的演示等等；下载区为用户提供了软件和大量学习资料的下载；学生实验成果展示区，主要为用户展示优秀的实验成果；最新研究区域，针对的是学校所有专业国内外的最新研究成果。 其次，在虚拟实验室模块中，主要包括了基础教学实验区、仿真实验区、在线实验展示厅以及评价交流区域，在所有模块中占有着关键的地位。在基础教学实验区中，为学生用户提供上机实验所需要的所有基本软件；在仿真实验区中，根据各个专业的实际情景来创建真实的情景，可以让学生根据专业的实际需要来对参数进行设置，从而为学生用户提供更为真实的实验环境；在在线实验展示厅中，为教师与学生用户展示了其实验的过程与成果。再者，在评价交流区域中，为教师和学生用户提供了关于整个实验各个方面内容的交流平台，通过交流平台实现了师生之间和学生彼此之间的在线交流与同步交流，并且有利于用户之间的相互评价。最后，在交流模块中，主要针对机房开放的时间段内的公开实验，为用户提供交流工具，从而有利于各方用户实现对实验过程、结果以及所遇到的问题进行评价和交流；在平台扩展模块中，主要的功能在于为管理员提供镜像制作和上传的平台，并且有利于管理员对各个模块进行管理。
3.2 科研实验服务模块
科研实验服务模块主要包括了高性能的计算平台、上传下载服务平台、服务调用服务平台，主要目的在于为师生提供科学研究服务，强调了科研开发服务。
（1）高性能计算平台。该平台包括了通过高性能计算管理系统的硬件系统，只要用户在平台上安装与运行运算软件，就可以获取所分配的资源，享有服务平台所提供的服务。
（2）上传下载服务平台。该平台负责镜像的制定，通过镜像的定制，在使用的过程中，进行镜像导入，进行实例化，为用户提供镜像上传的服务，并且允许用户对所上传的镜像进行部署。
（3）服务调用服务平台。通过服务调用，可以实现实验数据的提供，通过 Web 方式在接口的帮助下为用户提供实验所需要的数据，方便用户随时调用数据。对于具有保密性的数据，需要用户进行身份验证方可获取。
综上所述，经过平台使用回馈反应，该自助服务平台的优点主要体现在以下几个方面：对现有的基础资源进行有效的整合，实现了实验室资源的充分共享和提高了利用的效率；在客户端动态介入的时候没有对实验地点提出任何的限制性要求；这样提高了实验操作的灵活方便度，并且丰富了实验内容；促进了高等院校实验教学和研究开发工作的效率。目前多数高等院校信息化建设已经成为了学校建设的重点，在信息化建设中，云计算将成为主要的发展趋势，而且主流模式是私有云。在本文中基于 Open Stack 设计了计算机实验室自助服务平台，不仅为高等院校的师生提供了实验室资源利用的平台，提高了资源利用的有效性和合理性，同时还促进高等院校师生教学实验工作和研究开发工作的顺利开展，为高等院校的信息化建设提供了具有实际意义的参考。
参考文献：
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[5] 张建勋,古志民,郑超. 云计算研究进展综述[J]. 计算机应用研究, 2010(2)
