基于OpenStack的教学云平台在医学高校的实践应用

摘要：云计算技术是高等教育信息化建设的重要支撑，也是医学院校信息化建设和教学模式创新的有力工具。本文介绍了计算机实验室在教学云平台建设中的业务需求、技术架构、项目实施和性能评估等方面的探索和实践，展示了OpenStack开源项目在高校教学云平台建设中的优势和潜力，为医学院校教学云平台建设提供了借鉴和参考。本文还对教学云平台下阶段发展进行了规划和展望，以期打造更高水平的教学云平台。

关键词：云计算；私有云；教学云平台；OpenStack

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2023）23-0098-05

高等教育普及化的发展，使得高校师生对在线教育的资源、服务和管理有了更高的要求。当前，我国高校信息化建设和教学云平台建设面临着有效存储和分发优质课程资源的迫切需求，如何利用大数据和云计算技术提升教学质量和效率，规范课程数据和优化平台内容已经成为高校高质量发展的重要任务和挑战。

云计算技术的发展为高校教学资源平台的建设提供了新的可能性，利用云计算技术可以实现教学资源的共享和流通，提高高校师生的教学体验，提升课堂教学效率。笔者所在大学生物医学工程学院计算机实验室（以下简称计算机实验室）基于云计算技术和OpenStack的开源项目，开发了一套教学云平台，探索医学教育信息化建设的新路径，有效满足了师生的教学需求。

云计算简介

云计算是一种基于大数据和高速网络的计算方式，它可以使用户按需访问和使用各种计算资源。云计算具有资源共享、弹性、可扩展等特点，已成为当今主流的计算资源组织和分配方式。云计算提供的服务模式主要有三种，即基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）[1]，如表1所示。

云计算资源的部署方式和使用范围主要有三种模式，即公有云、私有云和混合云[2]，具体如下。

公有云：由第三方提供商为大众提供的云，可以实现资源的弹性和按需使用，但也需要面对数据、安全性和服务质量的不确定性。

私有云：为一个组织单独使用而构建的一种云计算服务形式。[3]私有云也叫内部云或企业云，它可以为企业带来公有云的许多优势，如自助服务、可伸缩性和弹性，同时也可以通过专用资源提供更高的数据安全性和服务质量，超过传统的基于本地服务的架构，但私有云也需要企业承担更高的成本和管理责任，建设和运营成本高于公有云架构。

混合云：私有云还可以与公有云结合创建混合云，实现更高效和灵活的资源利用，以应对计算需求的变化[4]，但也需要处理不同云之间的兼容性和一致性。

OpenStack简介

目前在搭建私有云的各个平台中，OpenStack是一种基于开源的云计算平台项目，具有高度可扩展性和易于二次开发的优势。[5]OpenStack最早由NASA（美国航空航天局）和Rackspace合作研发并发起，是以Apache许可证（Apache软件基金会发布的一个自由的软件许可证）授权的开源代码项目，目前已经有来自100多个国家的数万名个人开发者和200多家企业参与到OpenStack的开发中。

OpenStack不是单独的云计算管理软件，而是一个由几个重要的核心组件组合起来的为公有云、私有云和混合云的建设与管理提供软件管理平台的开源项目。[6]OpenStack支持KVM、Xen、Docker等虚拟机软件或容器，其兼容性和适用性很强，使用方便灵活，作为开源项目其使用成本相对低廉，综合考虑各方面因素，计算机实验室最终选择OpenStack作为教学云平台的基础架构。

1.OpenStack主要组件

OpenStack的主要组件包含Neutron（网络）、Nova（计算）、Glance（镜像）、Cinder（块存储服务）、Swift（对象存储）、Ceilometer（监控）、Keystone（认证）、Horizon（WEB前端）、Heat（集群）等。[7]主要核心组件功能如表2所示。

这些组件可以由用户自由组合，灵活定制，满足不同企业和组织的个性化定制需求，使其成为一个强大的云计算平台。

2.OpenStack资源管理

OpenStack可以通过数据中心控制大量的计算、存储、网络等资源池，并支撑公有云、私有云和混合云的建设与管理。OpenStack主要管理以下三部分资源。

计算资源：OpenStack可以规划并管理大量虚拟机，从而允许企业或服务提供商按需提供计算资源；开发者可以通过API访问计算资源从而创建云应用，管理员与用户则可以通过Web访问这些资源。

存储资源：因为对性能及价格的双重限制，很多组织已经不再满足于传统的企业级存储技术，OpenStack可以根据用户需要提供可配置的对象存储或块存储功能，可以有效满足这部分客户的需求。

网络资源：传统的网络管理技术无法真正地可高扩展、高自动化地管理下一代网络，而OpenStack提供了插件式、可扩展、API驱动型的网络及IP管理功能，应用范围逐步扩大。[7]

3.OpenStack技术特点

OpenStack是一个强大的云计算平台管理项目，提供了虚拟化、网络和存储等基础设施服务（IaaS），且架构灵活，可以根据需求进行定制和扩展。OpenStack技术特点如表3所示。

基于OpenStack的教学云平台的建设

教学云平台的建设和一般云计算的资源管理平台在技术需求方面基本相同，但其在安全性和可扩展性等方面要求较高，主要如下：①要求更高的数据安全性和隐私保护，避免教学资源和学生信息泄露或被恶意利用。②要求更高的服务质量和稳定性，保证教学云平台的正常运行和高效响应。③要求更高的自主性和灵活性，可根据教学需求定制和调整云服务和资源。

1.教学云平台的整体架构

计算机实验室在建设教学云平台时，以OpenStack为基础搭建教学云平台。该教学云平台整体架构分为三层，即基础层、管理层和用户层，如图1所示。

（1）基础层

基础层是整个架构的基础，它分为物理资源池和虚拟资源池两层结构。其中物理资源池包括服务器、存储和网络设备等，为云计算平台提供硬件支持；虚拟资源池包括虚拟云主机、虚拟存储以及虚拟网络，实现资源的动态分配和管理，为管理层提供虚拟化资源服务。虚拟化技术是整个架构的底层，也是OpenStack的核心技术之一。

（2）管理层

管理层是整个平台的核心，主要包括以下功能，

镜像管理：可以按照不同的需求来创建镜像，包括定制服务器的配置、存储的大小以及网络设备等。

负载均衡：可以使用OpenStack的负载均衡服务来实现对云环境中的流量的分发和控制，允许用户创建和管理云计算平台所需的负载均衡器、监听器和成员等。

安全管理：主要包括账户安全、数据备份、接口安全等方面的管理。

用户管理：负责管理用户成员和角色。

（3）用户层

用户层是整个平台的最上层，提供用户界面和应用服务。用户可以通过浏览器来访问教学云平台的各项资源，用户按照权限分为以下三类。

管理员：可对平台进行全面的监控和管理，包括创建和删除用户、分配和回收资源、设置和修改策略等。

教师：可根据教学需求创建和发布课程、实验、考试等内容，以及查看和评估学生的学习情况。

学生：可根据自己的学习计划选择和参与课程、实验、考试等活动，以及查看和反馈自己的学习效果。

2.教学云平台的搭建与使用

（1）教学云平台的搭建

计算机实验室搭建的教学云平台以计算机实验室现有资源为支撑，具体如下：硬件资源包括服务器、交换机等设备，主要有两台联想Think System SR860服务器，每台服务器配置4个Intel Xeon Gold 6130处理器，256GB内存，1.2TB硬盘8块，安装Ubuntu 16.04.7-server操作系统。其中一台服务器负责管理节点，负责对资源进行调度，用户通过OpenStack提供的Web接口来访问和操作；另外一台服务器负责资源节点，负责为云平台提供计算、存储、网络等资源的服务，其中计算资源负责保障系统运行，存储节点则是用来为计算节点提供存储服务。教学资源包括教学视频、实验、作业、题库等内容，按照不同的课程和专业进行分类和管理。软件资源主要包括课程所需软件及操作系统，如PyCharm应用软件、SPSS统计软件、Ubuntu操作系统、Windows7操作系统、Windows11操作系统和Windows Server操作系统等。

（2）教学云平台的使用

①教学资源配置。

在基础构架搭建完成后，管理员可利用Linux系统下的KVM技术，按照课程的需求，制作包含各种软件和不同操作系统的虚拟机。

管理员可以通过OpenStack提供的Glance服务，定制不同的实验镜像，上传至镜像库，定义虚拟路由和虚拟网络（如图2）。当师生在教学云平台上开展实验时，按需调配镜像；当实验结束时，镜像关闭并释放资源。

②用户权限管理。

教学云平台上有三种角色—管理员、教师和学生，他们分别具有不同的权限和功能。

管理员可以对教学云平台的所有资源进行访问和管理。目前管理员的工作主要包括课程管理、系统设置、考试管理、虚拟机管理等（如图3）。

教师可以访问和管理自己教授课程的各项资源，包括课程内容、教材辅助、发布实验、实验指导以及增删改对应课程的考试题库。教师还可以为学生布置作业，批改作业。

学生通过校园网访问教学云平台，可以查看自己专业所有课程，包括教师发布的课程内容，其中包含视频和课件等资源。学生还可以在线提交作业，查看教师提供的作业反馈，以及在线考试等。平台搭配对应的实验环境以及相应实验说明，方便学生自主开展实验。

教学云平台的应用分析

计算机实验室利用OpenStack开源项目搭建的教学云平台为学生提供了在线实验和学习的环境。为了评估教学云平台的使用效果和用户满意度，计算机实验室通过网络问卷和面谈等方式，对使用教学云平台的师生进行了调查。

根据调查结果，师生对教学云平台的使用持有积极的态度，认为教学云平台具有以下优点：一是教学云平台可以根据不同课程的需求进行定制化服务，具有通用性和灵活性，适用于计算机实验室多种线上教学场景；二是教学云平台可以通过浏览器访问，打破了实验室计算机的限制，实现了随时随地的在线学习；三是教学云平台可以通过资源统一调用和镜像调用功能，安装多种软件和操作系统，打破了单机操作系统的限制，增加了实验的种类和数量；四是教学云平台可以满足学生的预习、学习、复习等不同阶段的需求，操作简单、使用方便、保存及时，给予了学生时间和空间上的自由。此外，教学云平台还促进了以“学”为主的自主学习模式的形成，激发了学生的学习兴趣和动力，增强了师生之间的线上交流和互动。

当然，教学云平台在使用过程中也存在一些不足之处，主要体现在以下几方面：一是系统较为复杂，需要较高的技术水平和运维能力，安装和配置比较烦琐，教师需要花费一定时间来熟悉和掌握教学云平台的使用方法；二是硬件方面还有待优化，包括网络带宽、硬盘容量、处理器性能等方面还需提升，在同时在线人数过多的情况下，偶尔会出现卡顿或鼠标拖拽延迟现象，影响用户体验；三是稳定性还需要加强，存在偶发故障重启、服务器工作进度未实时显示等情况，可能影响平台的可靠性和安全性。

基于对教学云平台使用情况的分析和评估，以及对未来平台需求的预测规划，计算机实验室计划从以下几个方面进行改进和提升：一是继续完善平台功能模块和性能，加强资源管理、安全管理、数据加密、权限控制等功能，提高教学云平台的安全性和稳定性；二是扩充硬件设备，增加内存、硬盘、处理器等方面的配置，实现负载均衡，保证教学云平台的运行效率；三是优化平台页面和课程内容，根据师生需求，强化师生沟通等功能内容模块，扩大系统适用范围和功能。

结语

本文以笔者所在大学计算机实验室教学云平台建设为例，介绍了云计算技术的发展趋势和OpenStack平台的特点，介绍和分析了教学云平台的业务需求、技术架构、项目实施和性能评估等方面的探索和实践，证明了OpenStack开源平台具有部署灵活性、系统稳定性和可开发性等优势，能够有效支撑高校教学云平台的建设和运行。同时，笔者也对教学云平台的下阶段发展方向进行了展望，包括提高平台可用性、增加教学资源和服务、实现互联互通等，以进一步满足广大高校师生的教学需求。

参考文献：

[1][3]什么是OpenStack[EB/OL].https：//info.support.huawei.com/info-finder/encyclopedia/zh/OpenStack.html.

[2]韦昊典.基于OpenStack的云计算资源分层调度系统[D].西安：西安电子科技大学，2022.

[4]卢春光，贾亚娟.基于OpenStack的云计算平台在高校教学中的应用[J].无线互联科技，2021（18）：112-114.

[5]杨泽平，顾春华，万锋，等．基于0penstack的创新实验云平台的研究[J].实验技术与管理，2016，33（05）：147-150．

[6]OpenStack介绍及原理[EB/OL].https：//blog.csdn.net/KY06_Xxy/article/details/110959473.

[7]赵少卡，李立耀，凌晓，等.基于OpenStack的清华云平台构建与调度方案设计[J].计算机应用，2013（12）：3335-3338+3349.

作者简介：翟阳阳，硕士，中级实验师，研究方向为计算机应用；刘文艳，通讯作者，硕士，高级实验师，研究方向为计算机应用。

基金项目：2020年首都医科大学教育教学改革研究课题“《计算机基础》课程虚拟仿真实验教学平台建设与实践探讨”（课题号：2020JYJX038）。