基于云平臺的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室設(shè)計與實現(xiàn)

◆陳玉明

基于云平臺的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室設(shè)計與實現(xiàn)

◆陳玉明

（江西省景德鎮(zhèn)學(xué)院信息工程系 江西 333000）

目前隨著教育改革的實施，高校招生量越來越大，出現(xiàn)了嚴(yán)重的資金問題。實驗室是教學(xué)中不可缺少的場所，但存在為出成本高、資源利用率低下等問題，影響了高校實驗室的建設(shè)?，F(xiàn)階段云計算技術(shù)已經(jīng)取得了快速發(fā)展，具有資源利用率高等特點，可構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室，滿足了計算機網(wǎng)絡(luò)課程的實驗教學(xué)需求，實現(xiàn)了硬件資源的共享，提高了資源利用率，實際應(yīng)用效果較理想。

云平臺；虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室

0 前言

在科學(xué)技術(shù)的影響下，仿真技術(shù)開始取得了突飛猛進的進展，促進了虛擬實驗室的發(fā)展。虛擬實驗室理念提出時間較長，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個發(fā)達國家中，解決了高校教育中存在的資金短缺問題，促進了高校實驗教學(xué)的進展。本文主要提出了基于OpenStack云平臺虛擬實驗室方案，可隨著用戶人數(shù)的增加，分配較多虛擬機，滿足了日常教學(xué)的需求，提高了實驗設(shè)備的利用率，實際應(yīng)用效果較理想。

1 網(wǎng)絡(luò)專業(yè)教學(xué)狀況及解決方式

進行計算機等網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)時，需要使用交換機、路由器等設(shè)備實驗操作，要求學(xué)生主動設(shè)計計算機局域網(wǎng)，進而在實踐學(xué)習(xí)中掌握網(wǎng)絡(luò)管理的核心技能。但是核心網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中需要的設(shè)備價格較高，而且會消耗大量資金，影響了網(wǎng)絡(luò)實驗設(shè)備的供給。目前網(wǎng)絡(luò)仿真軟件取得了快速發(fā)展，Packet、Tracer等網(wǎng)絡(luò)仿真軟件與模仿路由交換的設(shè)備給眾多學(xué)習(xí)者提供了真實的學(xué)習(xí)環(huán)境，可以讓學(xué)習(xí)者方便的設(shè)計、配置并排除網(wǎng)絡(luò)故障，了解了網(wǎng)絡(luò)運行的實時狀態(tài)。另外，網(wǎng)絡(luò)仿真軟件還可以進行網(wǎng)絡(luò)實驗操作，如劃分虛擬局域網(wǎng)、靜態(tài)路由RIP協(xié)議及路由配置等情況，可替代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完成相關(guān)訓(xùn)練，得到的教學(xué)效果較理想。

現(xiàn)階段，很多高校虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室均采用C/S模式操作，為了成功構(gòu)建專業(yè)實驗室，必須利用專業(yè)服務(wù)器管理。實際應(yīng)用中，學(xué)生可通過登錄計算機使用，而且每臺計算機都安裝了專門的軟件，可以定期對網(wǎng)絡(luò)實驗室中的軟件與系統(tǒng)進行升級，及時查漏補缺，保證了數(shù)據(jù)安全。同時還減少了錯誤操作與病毒侵害等問題，減少了維護成本，提高了操作安全。但是此種根據(jù)專業(yè)建立實驗室的方式降低了資源利用率，實際應(yīng)用效果不顯著。

云計算技術(shù)是利用建立服務(wù)器，借助虛擬技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)資源共享的方式，可使用虛擬方式共享資源。云計算的動態(tài)分配資源功能滿足了用戶變化，可動態(tài)制定相關(guān)策略，隨著實驗室用戶數(shù)量的增加，可分配多臺虛擬機參與工作，當(dāng)用戶數(shù)量減少了可釋放虛擬機，將虛擬機應(yīng)用到其他操作中。校內(nèi)建立的共享實驗設(shè)備資源將網(wǎng)絡(luò)模擬軟件部署在云計算之上，可以給用戶提供較多的專業(yè)實驗室。云計算還具備彈性服務(wù)技術(shù)，可結(jié)合實驗室用戶需求完成服務(wù)資源調(diào)整、虛擬機伸縮分配及實驗設(shè)備資源利用等操作，而且可以借助網(wǎng)絡(luò)給客戶端提供很多應(yīng)用服務(wù)，打破了服務(wù)器運行中出現(xiàn)的故障與性能等瓶頸，維持了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[1]。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，云計算技術(shù)應(yīng)用到虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗設(shè)計中，主要具有兩方面優(yōu)勢。一方面，給學(xué)生省略了較多的資金，維持了學(xué)校日常教學(xué)的進展；另一方面，給高層次或?qū)W(wǎng)絡(luò)技術(shù)感興趣的學(xué)生創(chuàng)建了理想的實踐教學(xué)環(huán)境，利用綜合測試與技能實驗等，讓學(xué)生掌握了較多的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并學(xué)習(xí)了較多的實驗技能，加深了學(xué)生對相關(guān)知識的理解和掌握，而提高了教學(xué)效果。

2 了解OpenStack

目前主流云計算系統(tǒng)主要由Hadoop、Eucalyptus及OpenStack構(gòu)成，由于OpenStack具有較強的網(wǎng)絡(luò)管理能力和開放性，所以本次主要對其探討。

OpenStack屬于開源軟件項目，主要應(yīng)用到建立計算機管理系統(tǒng)與儲存架構(gòu)中，可以進行很多基礎(chǔ)服務(wù)，與其他云計算系統(tǒng)相比，其具有部署簡單、管理方便等特點，可以將其作為虛擬實驗室云平臺系統(tǒng)[2]。

OpenStack主要由Nova、Glance、Swift、Horizon與Keystone等模塊組成，Nova主要控制云平臺，Glance為虛擬鏡像儲存與檢索系統(tǒng)，Keystone可管理用戶賬號，并提供角色信息服務(wù)，Horizon可讓用戶使用云平臺Web前端界面。

3 OpenStack的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 了解系統(tǒng)總框架

OpenStack系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)設(shè)備與計算平臺組成，基礎(chǔ)設(shè)備內(nèi)部包含網(wǎng)絡(luò)、計算與儲存設(shè)備，云平臺主要包含Nova計算節(jié)點、Dashboard用戶認(rèn)證及鏡像管理模塊?？梢栽谠破脚_上集成Track、Dynampis等仿真軟件，而且可創(chuàng)建虛擬機。該設(shè)計框架實現(xiàn)了涉筆計算、儲存等資源的集成,可構(gòu)建虛擬教學(xué)資源，而且可根據(jù)客戶需求及時分配虛擬機資源,創(chuàng)造了真實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[3]。如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3.2 OpenStack部署方法

本次使用集群方式構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室云端，一臺OBMx3650服務(wù)器是控制階段，兩臺IBMx3650是服務(wù)器計算節(jié)點。組建成的服務(wù)器節(jié)固定IP設(shè)置為10.0.0.33，虛擬實例IP從10.0.0.33獲取，F(xiàn)loatingIP為192.168.1.34，虛擬機實例IP從192.168.1.34開始。

現(xiàn)階段OpenStack構(gòu)建方式較多，本次使用源碼安裝，實際操作如下圖2所示。

圖2 OpenStack部署流程

（1）給所有節(jié)點安裝ubuntu12.04操作系統(tǒng)，bridge網(wǎng)橋，Python，Iscsi，Ntp等組件，并在計算節(jié)點安裝KVM。（2）安裝并配置模塊，操作如下:①控制節(jié)點安裝mysql，創(chuàng)建所需數(shù)據(jù)庫，并儲存基礎(chǔ)信息[4]。②服務(wù)認(rèn)證服務(wù)器安裝Keyston，配置keystone.connf 文件；③云儲存服務(wù)器安裝swift組件，配置Proxy server與Ring，并在對應(yīng)環(huán)端口設(shè)置server、account、conf、object server 、rsyncd。④在鏡像管理器安裝glance組件，并給云端上傳windows鏡像。⑤在控制節(jié)點安裝重要組件nova，計算節(jié)點那幢nova.conf配置文件，nova是計算機主要功能，可創(chuàng)建虛擬機實例，并可分配虛擬機功能，實際操作中，將public -interface設(shè)置為eth0，flant-interface為eth1，flat-network-bridge為虛擬網(wǎng)卡br100，實現(xiàn)了虛擬機與外網(wǎng)的通信；⑥安裝Dashbaord，主要目的是管理虛擬機實例，并綁定IP網(wǎng)頁界面。（3）應(yīng)用KVM虛擬機，創(chuàng)建Windows系統(tǒng)鏡像。（4）給windows鏡像中安裝Tracer、GNS3、Dynamip仿真軟件，并編寫登陸與注冊界面[5]。（5）創(chuàng)建虛擬實例。首先利用nova創(chuàng)建fixed-range，floating-range ，分配模式為dhcp，其次，創(chuàng)建虛擬機密鑰ssh-keygen，并將其上傳到數(shù)據(jù)庫；在其，打開防火墻，添加udp、ssh與icmp；最后，創(chuàng)建虛擬機，上傳鏡像為glance的windows鏡像，并綁定外網(wǎng)IP。

3.3 設(shè)計虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室界面

登陸到Dashbaord管理虛擬界面中，維持虛擬機活躍，并借助vnc軟件登陸到IP為192.168.1.34虛擬機實例中，自主選擇Packet、Tracer、GNS3與Dynamip軟件完成實驗。

3.4 實際運行效果

目前虛擬實驗室云平臺專業(yè)實驗已經(jīng)正常運行，滿足了網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的教學(xué)需求，實際運行穩(wěn)定，管理方便，可自由分配虛擬網(wǎng)絡(luò)資源，具有較廣的應(yīng)用價值。

4 結(jié)束語

本文主要對基于云平臺虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室設(shè)計與實現(xiàn)進行分析。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室實現(xiàn)了教學(xué)設(shè)備與軟件的有機結(jié)合，給學(xué)生創(chuàng)建了高質(zhì)量的教學(xué)環(huán)境，滿足了多層次教學(xué)需求，可以給很多共同實驗室提供借鑒，所以本方案具有較高的應(yīng)用價值，可以應(yīng)用到眾多高校中，解決教學(xué)設(shè)備資金緊缺問題，提高教學(xué)效果。

[1]黃晨暉，林泳琴.基于云計算的虛擬計算機實驗室的研究與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2015.

[2]夏之斌.云計算的虛擬網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].北京郵電大學(xué)，2014.

[3]鄒超.基于云計算的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中虛擬機動態(tài)遷移的研究與實現(xiàn)[J].北京郵電大學(xué)，2014.

[4]馮博.基于云計算平臺的虛擬實驗室設(shè)計與實現(xiàn)[J].軟件，2015.

[5]王立平.基于云計算的計算機虛擬實驗室設(shè)計與實現(xiàn)[J].萍鄉(xiāng)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2014.

[6]袁新顏.基于云計算平臺的虛擬實驗室設(shè)計與實現(xiàn)探究[J].信息安全與技術(shù)，2015.

本文系江西省教育廳2016年科技項目《基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)虛擬實驗系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)研究》（項目編號為:GJJ161269）階段性成果。