桂超

摘要： 该文分析了云计算服务交付模型IaaS和私有云部署模型。针对高职院校现有的计算机实验实训室中，物理PC机资源分配及管理复杂、运维管理成本较大等问题，提出了基于IaaS私有云构建高可靠的自动化交付计算机实验实训环境平台的解决方案。该文介绍了方案架构及方案优势。

关键词：IaaS； 虚拟化；实训环境平台

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0029-02

云计算技术可以构建一个高可靠的IT环境，将服务器、网络、存储、应用和软件程序等计算资源配置可扩展可共享的资源池，用标准机制定义资源访问方式。根据用户（租户）的需求，可以动态的分配和重新分配物理资源和虚拟资源。

1 云计算概述

NIST定义了3种云计算服务交付模型：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。3种服务模型相互关联，逻辑上都是位于IP网络基础设施之上，一个模型的范围也可以包含另一个。常见的云部署模型主要有4种：公有云、社区云、私有云和混合云。

1.1 基础设施即服务（IaaS）

IaaS交付模型是由以基础设施为主的IT资源组成，这些IT资源通常是虚拟化的。IaaS提供网络、虚拟硬件、存储和操作系统等其它基础计算资源给租户。IaaS不需要用户管理和控制底层的云基础设施，但允许云租户更高层次的控制资源配置和使。，这样用户能根据自己的需求部署操作系统、分配存储空间和安装运行任意软件应用程序。IaaS可改进Web终端用户访问资源的性能，提供备份和恢复服务。

1.2 私有云

私有云通常是由一个组织独立拥有，云基础设施由这个组织进行管理，私有云环境的实际管理也可以由组织委托外部人员实施。私有云物理上可能在组织内部，但私有云的IT资源技术上还是以云的方式提供给终端用户使用的。

2 传统实训环境的问题

目前高职院校计算机实验实训环境大部分是：物理服务器中安装实训平台系统，物理PC为客户端。这样的实训环境会有各种问题影响教学效果。

2.1教师端的问题

使用PC机对管理员和任课教师而言，硬件和软件系统运行性能不稳定，实验实训的教师端环境搭建、运行和维护，费时费力。由于受单台PC机资源限制，有时只能简化实验实训内容；多阶段实验实训时，也不能保留实验实训的中间状态及环境，经常需要重复上次的实验过程才能准备好本次实验所需的环境。学生配置较好的实验环境和状态也不能保留，否则以后可用作教学演示用。

2.2 学生端的问题

实验实训PC机系统和软件运行环境不可逆，有时中间过程某一步骤操作错误或失误，学生必须要更换PC机，实验过程必须重新开始。PC机硬件资源有限并不可动态调整，实验实训需要运行大型软件程序或多台虚拟机，系统响应速度会非常慢。学生完成实验实训任务时只能分时操作，上机时间有限，课后没有继续实验的条件；导致实验任务不能按时完成。学生如使用自己的笔记本电脑，必须自己搭建实验环境，同样也面临系统和程序运行环境不可逆的问题。

3 基于IaaS私有云构建自动化交付实训环境平台

要解决上所述PC机实训环境中当前存在的诸多突出问题，必须要对实训环境交付和管理的业务模式上进行彻底的改变。云计算通过开放、标准化和虚拟化等技术与措施，为终端用户提供多层次的IT资源服务，包括基础设施、平台及应用系统。我们基于IaaS私有云构建一个自动化交付的实训环境平台。

3.1 整体架构

基于IaaS私有云构建的自动化交付实训环境平台，整体架构主要由四大部分组成。（1）实训云资源层，该层是整个私有云的基础，主要由基础的物理服务器、网络和安全设备、存储设备组成。该层用来实现对物理服务器及相关联的网络与安全组件和存储的虚拟化功能。（2）实训服务编排层，实训云资源层之上是实训服务编排层，此层对所支持的相关服务进行编排。实训服务编排层可以组合操作流，协调多个系统以实现组合操作，避免在不同系统中执行多个单独的操作。（3）实训服务访问层，实训服务编排层之上是实训服务访问层，该层可以对通过虚拟桌面、自助式门户和目录向终端用户提供的预定义基础架构和桌面服务进行自动化调配。该层还可以调配和管理应用服务或部署用户自己的PaaS。该层本身不具备虚拟化资源的能力，而是与实训云资源层的虚拟化平台协作，提供调配和管理基础架构、桌面和应用服务的能力。（4）运维管理模块，该模块用来对整个IaaS私有云平台进行性能、容量以及应用依赖关系相关的管理，该模块使管理部门和人员可以获得更好的可见性和可操作的信息，确保动态虚拟环境及整个平台的服务级别、资源利用率优化和配置合规性。

3.2 计算资源规划

实训云资源层中的虚拟机上运行着为每个用户和整个实训环境提供支持的应用与服务，其中有很多关键业务应用。必须正确设计、调配和管理每个虚拟机，以确保这些应用与服务能够高效可靠的运行。我们计算机实训平台常见的不同应用进行采样评测，获取这些不同应用对CPU和内存的需求情况，具体的分析结果如下。（1）CPU资源需求：每个系统的平均CPU需求量2个，平均CPU主频2，800MHz，每个系统的平均正常化CPU主頻5，663MHz，每个系统的平均CPU使用率6.5% （368.01MHz），每个系统的平均CPU峰值使用率9% （509.67MHz）1000台虚拟机的峰值CPU总需求量509，670MHz。（2）内存资源需求：每个系统的平均内存需求量1，024MB，平均内存使用率62% （634.88MB），平均内存峰值使用率70% （716.80MB），无内存共享时1000台虚拟机的内存峰值需求量716，800MB，虚拟化后的内存共享预期收益率50%，内存共享后1000台虚拟机的内存峰值总需求量358，400MB。（3）建议虚拟化计算节点物理主机CPU配置如下：每台主机的CPU数4，每颗CPU的核心数4，每个CPU核心的主频2，400MHz，每颗CPU的总主频9，600MHz每台主机的总CPU频率38，400 MHz，最大CPU使用率建议80%。（4）虚拟化计算节点内存配置建议：每台主机的内存容量32，768MB （32GB）最大内存使用率建议 80%，每台主机的可用内存26，214MB。

每台服务器的运算能力按照峰值而非平均值进行估算，确保可以支持虚拟机应用同时运行的最高值。CPU和内存的估算需要预留20%的空间用于突发的计算能力过量。内存共享按照50%的比例进行估算，这个数值是基于整合的应用全部以Windows Server 2003服务器操作系统进行核算的。

3.3 存储资源规划

存储资源关系到的虚拟数据中心的性能是否良好。为了保护数据免受恶意或者意外破坏的影响，要防止未经授权的用户访问数据。存储资源设计必须经过合理优化，满足应用、服务、管理员和终端用户的多样性需求。存储资源规划要协调业务应用与存储基础架构，以提高可用性、改善性能、降低成本、提供安全性，以及增强功能，同时将应用数据分配到相应的存储层。

使用本地存储将无法形成整个虚拟化集群资源池，无法有效地使用服务器虚拟化环境的高可用，灵活配置等功能。可购置或利用现有的存储交换网络SAN网络，并新增磁盘阵列作为共享SAN存储。同时做好相应的设备SAN HBA卡、交换机等设备布线、空间、场地布局等相应的规划 .

3.4 服务工作流设计

IaaS云服务平台整个工作流由六步组成，（1）云租户提出请求，（2）进入审批环节，这一步会生成工作单，（3）审批通过后，IaaS云服务平台将会运行自定义的脚本来完成对资源的调配，（4）资源调配成功后，进入管理环节，申请者就可以使用调配好的资源，（5）接下来如果租期到期了或者使用者主动释放资源后，该资源将会被“淘汰”，（6）然后进入“归档”环节。

3.5 云租户规划

云租户是IaaS私有云部署内的组织单元，租户可从服务平台获取对应的实验实训、课程学习、科研等业务单元。每个云租户都有自己的专用配置，租户之间共享某些系统级配置。（1）单租户部署，在单租户部署中，所有配置都可以出现在默认租户中，租户管理员可以管理用户和组，配置特定于租户的品牌、通知、业务策略和目录服务。所有用户都通过同一 URL登录到 IaaS云服务平台自动管理控制台，用户可使用的功能由其角色确定。（2）多租户部署，在多租户部署中，系统管理员将为使用同一IaaS云实例的每个组织创建租户，租户用户通过其租户的特定 URL 登录到自动管理控制台。租户级配置是与其他租户及默认租户分隔开的，具有系统范围角色的用户可以跨多个租户查看和管理配置。

3.6 IaaS服务调配规划

基础架构即服务 （IaaS） 可以跨虚拟和物理、专用和公用或混合云基础架构快速建模和置备服务器及桌面。要让IaaS云服务平台自动管理资源，IaaS管理员、租户管理员和架构管理员需要进行一系列工作。IaaS 管理员使资源受到IaaS云服务平台的管理。架构管理员配置用于为通过 IaaS云服务平台置备的计算机创建名称的计算机前缀。租户管理员至少创建一个需要请求计算机的用户业务组。架构管理员至少创建一个预留以将资源分配给业务组。租户管理员或业务组经理必须至少创建和发布一个计算机蓝图。

4 IaaS私有云构建实训环境的优势

4.1 降低设备成本与节能

IaaS云平台通过虚拟化提高设备的利用率，整合常规应用部署，减少设备数量规模。传统的一个应用映射一台服务器，服务器数量就随业务的增长而增加。所有服务器一直处于开机状态，但80%的业务系统高峰时段仅为24小时的20%左右，80%的时间服务器资源都处于闲置状态，电力能源被浪费。通过虚拟化对服务器资源进行分区，可将多个应用的资源负载合并到一台服务器上，使服务器资源的利用率提高到70%以上。在常规部署中的服务器数量就可按照N：1（N一般可达5-15）的比率大大减少。在减少服务器数量的同时，也在大幅减少能源消耗。

4.2 充分利用现有硬件设备和软件应用

IaaS云平台可充分利用现有的服务器和存储设备，通过虚拟化技术来提高服务器和存储的资源利用率，降低用户投资规模，获得更好的投资回报率。虚拟化技术可将对操作系统版本有严格要求的专业软件，在新的高性能服务器上运行，而不需要进行软件更新或二次开发，延长其生命周期，提高了投资回报率。

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4.3 高效敏捷的运维管理方法

IaaS私有云平台可以跨系统的实现物理资源统一调配、集中运维。传统模式下每台物理服务器都是一对一管理，云平台变为对所有虚拟服务器的管理。每个虚拟服务器的虚拟硬件设备都是标准化的，只需通过一个管理界面就可以完成对平台内所有服务器的安装配置、性能监控等管理任务。标准化使整个维护过程更专业化，流程化。

5 结束语

基于IaaS私有云的計算机实训环境平台，为教师和学生提供了一套完整的云计算实验环境和教学环境解决方案，可以实现实验环境的自动化交付。根据自身需求也可对云平台进行二次科研与开发，创建基于IaaS平台的项目，丰富各项应用。随着云计算技术的不断发展，对教育信息化领域采用技术创新手段促进发展方面有着深远意义。

参考文献：

[1] 薛博召.云计算架构及其技术研究[J]. 电脑知识与技术，2015（3）.

[2] 郑俊.虚拟化云桌面在高校计算机实验室中的应用[J]. 电脑知识与技术，2015（14）.

[3] 陈怀宇. 高职院校私有云建设的关键技术研究[J]. 电脑知识与技术，2016（12）.

[4] （美）埃尔（Erl，T.）等.云计算：概念、技术与架构[M]. 龚奕利，等，译. 北京：机械工业出版社2014.