1、 實 驗 技 術 與 管 理 第 卷 第 期 年 月 基于 的科研教學云計算平臺的構建與運用李磊，李小寧，金連文（華 南理工大學 電子信息學院，廣東 廣州 ）摘 要：隨著云計算技術的發展與運用 ，云 計算在資源的效用 比 、按需服務等方面優勢顯著 。 相 對 于 高 校 傳 統的計算資源構建 ，云計算憑借其安全性保障 、高 效的彈性計算資源分配能力 、簡易的硬件要求等特性 ，能 實 現面對不同需求時的計算資源快速彈性構建。基于 開源云計算平臺 ，構 建了一個適用于高校教學 和科研實驗的校園云計算平臺 ，既能彈性分配實驗計 算資源 ，滿 足課程教學 、開 發 、測 試 、管 理等不同 需 求 ，

2、又 成為集群技術 、分 布式計算 、云計算應用等研發工作的實用平臺 。關鍵詞：科研云計算平臺 ；彈 性資源分配；高效用比中圖分類號 ：文獻標志碼 ：文章編號 ：（） ，（，）：， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ：；由于云計算平臺能提供快速 、按需、彈性的資源構 建模式，能按照用戶 的需求快速地構建計算資源和開 發環境，目前國內已 經開始采用云計算解決我國高校 教學資源的高冗余性、低共享等問題，如重復購置計算 機、課程資源無法跨領域共享 、課程之間資源無法實現 動態靈活的 調 度 和 分 配。 在 國 內 的 文 獻 中 詳 細闡述了采用云計算技術解決高校教學科研資源優化管理的方法、改 革

3、模式等。 相比于國外，如 文獻 所述目前已有眾多高校以及科研單位采用云計算技術 解決其科研環境中資源的快速構建 、彈性伸縮和按需 收稿日期 ：基金項目 ：國 家科技支撐計劃項目 （）； 廣東省戰略新興產業核心攻關項目（）作者簡介 ：李 磊（），男 ，云 南 昆 明 ，工 程 師 ，研究方向為云計算和 通信工程：使用的問題，實現 了計算整合、同構化以及高效用比 ， 但對如何實現、構建、優化并沒有給出相應的云計算平 臺構建方案，因此“具體采用什么方案構建高校的教學 科研計算平臺，如何 使用云計算平臺特點實現資源的 優化構建和高效用比”值得進一步研究。云計算平臺分為 平臺、 平臺和 平 臺。其 中

4、平 臺 ，即基礎設施服務平 臺，是 和 的基 礎，以提供資源的按需使用 和彈性 擴展能力。在面向高校的教學和科研時 ， 平臺可 按照不同的需求提供不同資源類型的虛擬主機 ，滿 足 多方面學科教學和科研的資源需求。目前，構建平臺的方案 主要分為商業架構和 開源架構。雖然商業架構具備完備的維護服務體系， 但購置成本較高，在面對高校的資源開放化服務方面 ， 難以實現投入與產出的價值平衡 ；開 源架構相比于商 業架構，雖然沒有完善的服務維護體系 ，但由于代碼開 實 驗 技 術 與 管 理源、無需購 置 成 本，因 此 擁 有 眾 多的構建和開發的人 數，其穩定性實際 并不亞于商業架構。 同時采用開源

5、構建的人員可以直接獲取底層的軟件源代碼 ，通 過一 定的學習和研究，能 直接按照自己的實際需求進行修 改和定制，形成自 主知識產權的云計算平臺。 本文基 于目前 開 源 架 構 中 發 展 最 為 迅 速 的 架 構 版本 為 基 礎 進 行 了 云 計 算 平 臺 構 建 ，面 向高校的教學科研的需求實現了資源彈性分配 、快 速 擴展、網絡隔離與共享，并完整的闡述了高校教學科研 云計算平臺的構建與使用方案。 設計框架企業內部實現了類似于 和 的云基礎架 構服務（，）。經過近些年的 發展，目前獲得了包括、 等近家知 名 企業的支持，成 為開源云計算架構中最主流的平臺 之一。 采 用 了 模 塊

6、 化 設 計，其 從 版本開始包括了個主要的核心子工程：（）：提供 了虛擬主機的調度、創 建、刪 除和簡單網絡資源管理功 能；（）：提供了網絡的塊存儲設備；（）：提 供了創建虛擬主機所需的鏡像注冊、存 儲和刪除功能；（）：提供了對象 方式的分布式存儲功能；（）：提供了服務 權限的驗證、用 戶信息注冊、修 改、刪 除和相關服務權限管理功能；（）：基 于 工程架構 是由 和美國國家航空航天局（）共同開發的云計算平臺，該平臺幫助 服務商和架構的 服 務，提 供了面向終端用戶的網頁操作管 理功能。其工程架構見圖。圖 工 程架構圖 工程介紹雖然 版本已經具備了較為完善的 平 臺構建方案，可以滿足簡單私有

7、云的構建 ，包括虛擬機 主機資源的管理、用戶信息的管理以及簡單網絡 的 分配等，但無法滿足高校多個二級學院系、學科、實驗 室計算資源網絡拓撲的動態構建和資源隔離。例如按 照不同部門、不同功 能的需求動態構建云計算網絡拓 樸等。 版 本 增 加 了 工程，該工程 不僅實現了跨數據 中心的二層挽網絡共享與隔離 ，同時 每個二層網絡可 以按照需求自定義拓撲結構 ，其 核心是利用 的架構，采用 網 絡 替 代 傳 統 的 網 橋，為 每 一 個 虛 擬 主 機 構 建 一 個 私 有 的 網 絡 端 口 ，并 通 過 相 應 的或 者 作 為網絡傳輸的標志，實 現云平 臺下虛擬主機的二層網絡隔離 ，使

8、 得相同服務的虛擬 主機成為一個邏輯獨立的網絡資源簇 ，同 時每個挽留 過資源簇的 可以自定義，多 個內部網絡之間 可 以重復，其結構如圖所示。本文采用 作為高校教學科研云平臺 的 網絡服務，在面對高校云計算服務的需求時 ，可按照學 院系、學科、實驗室 等獨立的實體構建多個獨立二層 網絡隔離的虛擬主機資源簇 ，使得每個虛擬主機資源 簇在進行構建和資源伸縮時不受地理位置 、 資源等 外部因素的影響，體現了云計算平臺資源的按需使用 、 動態構建和資源隔離等優點。 李 磊 ，等 ：基于 的科研教學云計算平臺的構建與運用 圖 網絡結構*基于 版 本的云計算平臺 構建 部署規劃按照 高校數據 中心和網絡

9、的拓 撲 特 點，結 合 的設 計 架 構，采 用 的 個 核 心 工程，即 、 和，每個工程采用分布式部署 ，并 采用 （高 可 用結構）結構，即將每個工程獨立部署在多個物理主機 集群內，并 且 對 關 鍵 的 組 件 按 照 的 架 構 進 行 構 建，實現云計算平 臺服務的高可用性。 其部署的拓撲 如圖所示。 構建主要方式的介紹目前 的 構 建 可 以 采 用 以 下 種 主 要載源碼包，按照自己的環境進行配置修改 ，從底層的組 件進行安裝。本文考慮到部署的靈活性 ，在 部署的方式上采用 了源碼安裝方式，按 照自己 的 需 求 對 進 行 配置和調整。 基礎組件的部署需要用到數 據庫和消

10、息隊列兩種基礎 組件。其中數據庫負責記錄 運行的關 鍵信 息和狀態，消 息隊列負責對 服 務 內 的 各 個 模塊進行消息傳輸。在數據的部署上 ，本文采用了 數據 庫， 并采取 （）部 署 方 案，即 采 用一個基于 的存儲池存儲 的 數據信息， 通過 掛載到 多個 服 務端，負 責 將用 戶 訪 問 通 過 虛 擬 轉 發 到后端正常工作的 服務上。其結構如圖所示。方式：消息隊 列 服 務 采 用 了，并 采 取 主 備 的（）包安 裝方式：目 前 等 操作系統在其軟件倉庫已經放置了編譯好的 軟 件包，因此可直接采用等自動化網 絡安 裝服務，完成 各個組件的構建 。（） 腳 本 安 裝 方

11、式：由 于 已 經成為了開源云計算平臺的首選部署方案 ，在 國外開 發人員的支 持 下，逐 漸 出 現 了 等 類 型 的 “一 鍵化”安裝腳本，用戶可以通過該腳本的執行直接完成 的構建。（）源碼 安 裝 方 式：從 的 官 方 網 站 下 方式，即針對消息隊列服務同 時部署一個主服 務 和一個預備服務，當主服務出現問題時，預備服務會被 激活并替代主服務。其結構如圖所示。 和 的部署和 的 部 署 流 程 主 要 包 括 ：首 先 安裝必要的第三方組件 ，如 的服務組 件、 工 具 等，然后按照服 務所在 服務器的具體信息 修 改 配 置 文 件 （和下 的 配 置 文件），并安裝系統服務 ，

12、在數據庫中創建數據表單，最后同步數據表單幾個主要步驟。 實 驗 技 術 與 管 理圖 基于 高校教學科研云結構示意圖 圖 基于 的 數據庫服務結構示意圖 在 上 述 步 驟 中， 和 的 配 置 文 件 關鍵信息內容如下： 指向數據庫服務器 ： ： 指向數據庫服務器 ： 采用存儲器方式存儲鏡像文件 定圖 基于 的 的 結構示意圖義存儲的掛載點 由于 在 部署時需要制定一個存儲 空間用 以對鏡像文件進行存儲 ，本文采用了一個 的 獨立 存 儲 空 間，通 過 協議將該 存儲空間掛載到 的 物 理 主 機 上，實現存儲和控制的物 理 分 離 結構。為了實 現 和 的 結 構 ，系 統 采用多點反

13、向 代 理 機 制 ，即采用多個物理節點運行 和 服 務 ，并 在 前 端 將 其 通 過 反向代理 為 同 一 個 前 端 ，即 采 用 對 后 端 的和 進 行 負 載 均 衡。 當 用 戶 訪 問 鏈 接 較多時 ，通 過負載均衡方式將用戶的請 求均衡 李 磊 ，等 ：基于 的科研教學云計算平臺的構建與運用 地發送 到 后 端 多 個 和 服 務 上 ，實 現 服務的負載均衡和 ，其 部署結構如圖 所示。圖 和 的部署結構示意圖 、的部署和 部 署 的 主 要 流 程 包 括：首 先 安 裝 必要的第三方 組 件，如 的 服 務 組 件、 工具 等，其 中 關 鍵 的 第 三 方 組 件

14、 包 括 、 、等虛 擬 化 軟 件，的關鍵組件包括 、等網絡設 備協議管理；然 后 按 照 服 務 所 在 服 務器 的 具 體 信 息 修 改 配 置 文 件 （和 下的配置文件），并 安裝系統服務，同 時在數據 庫中創建數據表單；最后同步數據表單幾個主要步驟 。在上述 步 驟 中， 和 的 配 置 文 件 關 鍵 內容如下：（）的關鍵配置： 數據庫連接 ： 虛擬機調度策略 網絡掛載工具 認證工具配置由于本系統服務屬于開放資源服務 ，考 慮到硬件 設 備的投入效用比 ，本文未采用網絡存儲陣列 作 為 虛 擬 主 機 數 據 的 存 儲 空 間，僅 采 取 了 本 地 化 存 儲 陣 列；在

15、 存 儲 的 部 署 上，本 系 統 考慮到塊存儲數據的安全性，未 采用常規的 卷存 儲，使用了 存儲解決 方案，即 采用 文 件系 統作為 的后臺存儲。由于 和 服務本身就是一個分布式部 署方案，因此 本 文 采 用了在每個運行 和 服務的 物 理 主 機 上 啟 動 、和 、 進 程，以 實 現 服 務 的 架構。 的服務安裝 工程主要通過使用第三方的虛擬 化 網 絡管理 插 件 進 行 實 現，目 前 主 要 支 持 、 、 、 等， 本文采 用 作 為 的 網 絡 插 件。 是 即開放虛擬交換標準， 是在開 源 的 許可下的產品級質 量 的多層 虛擬交換標準。旨在通過編程擴展 ，使 龐

16、大的網絡自動化（配置、管理、維 護），同時還支持標準的管理接口 和協議（如 ， ，）。 部署的主要流程包括：安 裝必要的第三方組件，主要是安裝組件，并按照自己網 虛擬機驅動配置 網絡配置采用 工程 ：連 接： 消息隊列配置 的 關鍵配置 數據庫連接 ： 消息隊列配置絡的實際情況將物理主機的 塊網卡所在的網絡分別規劃為管理網絡、虛擬機內網以及對外接入網絡 ，其中 關鍵的步驟主要是創建內外 個網橋，并 分別綁定到 相應的網卡上，主要的配置內容如下：（）網卡關鍵配置內容。 管理網絡接口 虛擬主機內網接口 實 驗 技 術 與 管 理 對外網絡接口 （）網橋配置主要指令 。 創建虛擬主機內網網橋 創建外

17、部接口網橋 將外部接口網橋綁定到外部網絡網卡 為 網 橋添加： ，使 得 可 以調用 的 服務。圖 高可用結構部署結構示意圖 教學科研云的鏡像制作與上傳云計算平臺在啟動虛擬主機時需要從一個標準的 虛擬機鏡像獲取文件 ，并調度到相應的物理主機上進 行啟動，因此 在 使 用 服 務 前 需 要 制 作 虛 擬 機 鏡像，并上傳到服務的存儲中。本文所構建的系在安裝完 組 件 后，需要按照所在的 物理服 務 器 修 改 配 置 文 件 （ 配置文件），并 安 裝 系 統 服 務，同 步 數 據 表 單，最 后 為 網絡添加外部 地址網段。其中 的幾 個 主 要服務進程包括 ：（） ：管理 和 調 度

18、虛 擬主機網絡服務 ；（） ：啟動 服 務自動分配虛擬 主機 網 絡 ；（）：管 理本地 網絡（虛擬機 內部絡 ）網 橋節點的分配與回 收；（）：管 理 （對 外 接 入 網 路 ）網統采用了 虛擬化技術，制作鏡像的流程 主 要 包括：創建一個本地化的虛擬磁盤空間 ，按照 的啟 動方式，將所需 要安裝系統的 文件通過 的引導方式將系統安裝到虛擬磁盤空間 ，同 時在安裝 過程中按照 系 統 的 種 類 需 要 完 成 如 下 操 作 ：（） 系統需要安裝 磁盤驅動；（）系統需 要刪除文 件，以免自動添加除 以外的接口。在安裝好基本鏡像后 ，可依據實際的服務需要安 裝不同的服務軟件，提 供不同的

19、服務。 本文所構 建的系統對鏡像做了如表 所示的規劃。表 平臺鏡像列表橋節點的分配 與 回 收，同 時 負 責 為 每 個 網 絡 創 建 一個虛擬機 ，實現 網絡隔離。為了實現網絡的 接入模式，避 免單點化的接 入 故 障，本 文 采 用 多 個 專 用 的 物 理 主 機 同 時 運 行 ，并對每個 網絡對外 的流 量做了監控。當 出現故障時，即對外網 絡流量 為時，通過 的 調用 在其他網絡 接入物理主機上創建一個 ，并 將已經失效的對 外 重新綁定到新的 上，實 現 網 絡 故 障 的 轉 移。其結構如圖所示。 的服務安裝本文采 用 方 式 進 行 的 部 署，主 要的步 驟 包 括：

20、安 裝 組 件，修 改 器 配 置 文 件 ，使 得 根 目 錄 指 向 所在 的文件夾，并 添加 服 務： 鏡 像 系 統 服 務 軟 件 面 向 的 服 務 無需要純凈的系統環境 辦公業務需求數學建模運算即仿真 基于 的 編程、嵌入式系統開發 無需要純凈的系統環境 、服務器網頁服務 無開 發環境 無 服 務 器 環 境 為了保證云計算虛擬主機資源效用比的最大化， 體現其按需使用的優點 ，系統為不同使用者配置了相 應配置的虛擬主機類型（如表所示）。 李 磊 ，等 ：基于 的科研教學云計算平臺的構建與運用 表 虛擬主機資源配置列表 虛擬主機類型配置類型 高校教學科研云的使用方法本文所構建的系統

21、位于校園內網 ，使 用的流程主 要包括：（）登 錄 界面，輸 入校園用戶名及密 碼；（）首次使用時，在控制面板中創建自己的網絡 ，包 括創建的自己的內部網絡 ，以 及輸入自定義的內網 段、網關并創建內網 ；（）在 控制面板中選擇鏡 像欄，點擊需要啟動的系統鏡像 ，在對話框內選擇虛擬 主機的配置 類 型、內 網 和 外 網 ，點 擊 啟 動；（） 當用戶需要訪問主機時，可以在 欄目選擇 分配一個外網 并連接到相應的虛擬主機 ；（）用 戶 可以通過 遠 程 桌 面 或 者 的 網頁的方式遠程訪問；（）當用戶需要添加網絡塊存儲 時，可以選擇云硬盤選項 ，并按照需要容量創建一個虛 擬的塊存儲，通 過

22、掛 載 到 虛 擬 主 機 上。 使 用 流 程 如圖所示。圖 教學科研云計算平臺主要使用流程示意圖 高校教學云的效用比的分析構建 云計算系統主要目的是提高 高校 計算機資源使用的效用比 ，并能實現快速的按需服務 和擴展，避免重復的購置計算機設備 ，擺脫繁瑣的實驗 環境維護工作。以下從硬件、成本 和擴展性 個方面分析了該平 臺同構化計算資源的性能。（）硬件對比：加入云平臺 后，可 免去重復購置計 算機、安裝軟件等工作過程 ，有利于教師工作效率的提 高，實現了本地資源的自由度 。（）成本對比：私有云除了 性能高效外 ，還 可降低 成本，提高投入產出比。在本 文的測試中， 個計算節點運 行 個 實

23、 例，每 個 實例的使用概率為 。以嵌入式 實驗課程為例，當 部 署 一 個 大于個虛擬主機開發環境的實驗資源時 ，以 個計 算節點、的使用概率為例，則實際使用的實例數為 個，按照計算公式得出資源節省效用比 云計算的資源使用率（ 臺 主 機 個 實 例 ）原始的物理主機資源（臺）（）因此節省的機器數 、能源等成本為原來的倍。（）擴展性 比對：當教師或者學生需要開 展新的 實驗時，可以直接啟動純凈的系統鏡像主機 ，并按照自 己的需求安裝和定制軟件 ，并提交給云平臺管理員，作 為附加的鏡像傳入 存 儲內，整 個過程不大于 。該鏡像 可同時授權公開 給其他用戶 使用 ，相 對 于 購置新的計算機，擴

24、展成本基本為零。當云計算平臺計算能力無法滿足當前的虛擬機數 量與配置時，可以通 過動態的方式將新的物理主機接 入到平臺內，無需對原有的資源做任何調整 。 如前成 本對比所述，擴展一 個新的物理主機可以支撐 個以 上的虛擬云主機運行 ，效用比優勢依然明顯。 結束語本文闡述了基于 構建高校教學科 研云 平臺的方案和運用方法 ，旨在為高校提供彈性計算服 務，滿足不同用戶角色 、不同階段的要求，同時，通過在 虛擬鏡像中集成開發環境 ，為不同的教學和科研提供 了一個硬件 資 源、系 統 架 構、軟 件 程 序 均 一 致 的 實 例 環境。經過實踐 和 實 際 運 行 ，本 文 實 現 了 既 定 的

25、個 目標 ：（）構 建 和 部 署 高 校 教 學 科 研 云 平 臺 ；（）通 過對原有資源 購置方式的對比 ，體現了云計算平臺 資源高效 用 比 、按 需 使 用 、快速擴展等優點 ，能 為 我 國快速發展的教育和科 研提供一 個 高效資源管理與 供給模式。參考文獻（）羅 國瑋 ，蘭 瑞樂 基 于云計算的高校科研實驗平臺構建研究 實 驗技術與管理 ，（）：柴 亞輝 ，涂 春萍 ，劉 覺夫 ，等 基 于云計算的計算機與軟件實驗資源 管理實驗室研究與探索 ，（）：李 英壯 ，廖 培騰 ，孫 夢 ，等 基 于云計算的數據中心虛擬機管理平臺 的設計實驗技術與管理 ，（）：黃 晨暉 ，林 泳琴 基

26、于云計算的虛擬化計算機實驗室的研究與實現 ，實驗室研究與探索 ，（）：魯 慧民 ，劉 剛 基于云計算理 念的虛擬實驗教學系統設計探討 實驗技術與管理 ，（）：（下轉第頁） 實 驗 技 術 與 管 理候是相依 存 的。 這 兩 樣 廢 棄 物 在 我實驗室產生量很 大，所以實驗室每周固定時間集中處理廢液廢瓶 ，其流 程為：（）提前打印一份專門處理廢液廢瓶的申請單和 明細單，申請單中寫 明本次所需處理的所有廢液名稱 和廢瓶數量；（）將 廢瓶裝入箱子內，并用標簽做出標 志；（）在廢液瓶 和廢棄藥品瓶外表貼上廢物的名稱， 檢查是否泄漏，整齊 放置箱內；（）將 廢棄物明細單和 申請單與箱子放在一起 ，運

27、至學校廢棄物處理部門統 一處理。廢棄實驗 耗 材 是 實驗室廢棄物中所占比例最大 的，經常會產生，而 且很多為一次性的 ，如 果沒有節約 意識或處理不當，這 類廢棄物就會成為最大的浪費和 污染。首先是破碎的或淘汰的玻璃器皿 、用 過的注射 器和針頭，要分類收集儲存起來 ，一個季度或半年和廢 液廢瓶一起送至學校部門處理 ；其 次是手套、吸 頭、過 濾器等這類每天都會產生的小型廢物 ，由 于量大要日 產日清，所以在實驗室這類垃圾都集中放入污物袋 ，后 集中焚燒處理。生物廢棄物主要包括動物尸體 、血液樣品、病理樣 品，對于這類廢棄物應注意低溫保 存 、及 時清理、不 能 大量囤積，要委托具 有處理資質的單位定期回收進行 消毒和統一 焚 燒 處 理。 細 胞 微 生 物、培 養 基、培 養 液等一系列生物活性廢物 ，最好使用壓力蒸汽滅菌后 處理，對無致病性培 養物可使用次氯酸鈉消毒液處理 后排放。 結束語實驗室是高校學科建設 、人才