基于云平台的虚拟网络实验室设计与实现

◆陈玉明

基于云平台的虚拟网络实验室设计与实现

◆陈玉明

（江西省景德镇学院信息工程系 江西 333000）

目前随着教育改革的实施，高校招生量越来越大，出现了严重的资金问题。实验室是教学中不可缺少的场所，但存在为出成本高、资源利用率低下等问题，影响了高校实验室的建设。现阶段云计算技术已经取得了快速发展，具有资源利用率高等特点，可构建虚拟网络实验室，满足了计算机网络课程的实验教学需求，实现了硬件资源的共享，提高了资源利用率，实际应用效果较理想。

云平台；虚拟网络实验室

0 前言

在科学技术的影响下，仿真技术开始取得了突飞猛进的进展，促进了虚拟实验室的发展。虚拟实验室理念提出时间较长，已经广泛应用到各个发达国家中，解决了高校教育中存在的资金短缺问题，促进了高校实验教学的进展。本文主要提出了基于OpenStack云平台虚拟实验室方案，可随着用户人数的增加，分配较多虚拟机，满足了日常教学的需求，提高了实验设备的利用率，实际应用效果较理想。

1 网络专业教学状况及解决方式

进行计算机等网络课程教学时，需要使用交换机、路由器等设备实验操作，要求学生主动设计计算机局域网，进而在实践学习中掌握网络管理的核心技能。但是核心网络构建中需要的设备价格较高，而且会消耗大量资金，影响了网络实验设备的供给。目前网络仿真软件取得了快速发展，Packet、Tracer等网络仿真软件与模仿路由交换的设备给众多学习者提供了真实的学习环境，可以让学习者方便的设计、配置并排除网络故障，了解了网络运行的实时状态。另外，网络仿真软件还可以进行网络实验操作，如划分虚拟局域网、静态路由RIP协议及路由配置等情况，可替代网络设备完成相关训练，得到的教学效果较理想。

现阶段，很多高校虚拟网络实验室均采用C/S模式操作，为了成功构建专业实验室，必须利用专业服务器管理。实际应用中，学生可通过登录计算机使用，而且每台计算机都安装了专门的软件，可以定期对网络实验室中的软件与系统进行升级，及时查漏补缺，保证了数据安全。同时还减少了错误操作与病毒侵害等问题，减少了维护成本，提高了操作安全。但是此种根据专业建立实验室的方式降低了资源利用率，实际应用效果不显著。

云计算技术是利用建立服务器，借助虚拟技术进行网络资源共享的方式，可使用虚拟方式共享资源。云计算的动态分配资源功能满足了用户变化，可动态制定相关策略，随着实验室用户数量的增加，可分配多台虚拟机参与工作，当用户数量减少了可释放虚拟机，将虚拟机应用到其他操作中。校内建立的共享实验设备资源将网络模拟软件部署在云计算之上，可以给用户提供较多的专业实验室。云计算还具备弹性服务技术，可结合实验室用户需求完成服务资源调整、虚拟机伸缩分配及实验设备资源利用等操作，而且可以借助网络给客户端提供很多应用服务，打破了服务器运行中出现的故障与性能等瓶颈，维持了系统的稳定运行[1]。

经过分析发现，云计算技术应用到虚拟网络实验设计中，主要具有两方面优势。一方面，给学生省略了较多的资金，维持了学校日常教学的进展；另一方面，给高层次或对网络技术感兴趣的学生创建了理想的实践教学环境，利用综合测试与技能实验等，让学生掌握了较多的计算机网络技术，并学习了较多的实验技能，加深了学生对相关知识的理解和掌握，而提高了教学效果。

2 了解OpenStack

目前主流云计算系统主要由Hadoop、Eucalyptus及OpenStack构成，由于OpenStack具有较强的网络管理能力和开放性，所以本次主要对其探讨。

OpenStack属于开源软件项目，主要应用到建立计算机管理系统与储存架构中，可以进行很多基础服务，与其他云计算系统相比，其具有部署简单、管理方便等特点，可以将其作为虚拟实验室云平台系统[2]。

OpenStack主要由Nova、Glance、Swift、Horizon与Keystone等模块组成，Nova主要控制云平台，Glance为虚拟镜像储存与检索系统，Keystone可管理用户账号，并提供角色信息服务，Horizon可让用户使用云平台Web前端界面。

3 OpenStack的设计与实现

3.1 了解系统总框架

OpenStack系统主要由基础设备与计算平台组成，基础设备内部包含网络、计算与储存设备，云平台主要包含Nova计算节点、Dashboard用户认证及镜像管理模块。可以在云平台上集成Track、Dynampis等仿真软件，而且可创建虚拟机。该设计框架实现了涉笔计算、储存等资源的集成,可构建虚拟教学资源，而且可根据客户需求及时分配虚拟机资源,创造了真实的网络环境[3]。如下图1所示。

图1 系统框架图

3.2 OpenStack部署方法

本次使用集群方式构建虚拟网络实验室云端，一台OBMx3650服务器是控制阶段，两台IBMx3650是服务器计算节点。组建成的服务器节固定IP设置为10.0.0.33，虚拟实例IP从10.0.0.33获取，FloatingIP为192.168.1.34，虚拟机实例IP从192.168.1.34开始。

现阶段OpenStack构建方式较多，本次使用源码安装，实际操作如下图2所示。

图2 OpenStack部署流程

（1）给所有节点安装ubuntu12.04操作系统，bridge网桥，Python，Iscsi，Ntp等组件，并在计算节点安装KVM。（2）安装并配置模块，操作如下:①控制节点安装mysql，创建所需数据库，并储存基础信息[4]。②服务认证服务器安装Keyston，配置keystone.connf 文件；③云储存服务器安装swift组件，配置Proxy server与Ring，并在对应环端口设置server、account、conf、object server 、rsyncd。④在镜像管理器安装glance组件，并给云端上传windows镜像。⑤在控制节点安装重要组件nova，计算节点那幢nova.conf配置文件，nova是计算机主要功能，可创建虚拟机实例，并可分配虚拟机功能，实际操作中，将public -interface设置为eth0，flant-interface为eth1，flat-network-bridge为虚拟网卡br100，实现了虚拟机与外网的通信；⑥安装Dashbaord，主要目的是管理虚拟机实例，并绑定IP网页界面。（3）应用KVM虚拟机，创建Windows系统镜像。（4）给windows镜像中安装Tracer、GNS3、Dynamip仿真软件，并编写登陆与注册界面[5]。（5）创建虚拟实例。首先利用nova创建fixed-range，floating-range ，分配模式为dhcp，其次，创建虚拟机密钥ssh-keygen，并将其上传到数据库；在其，打开防火墙，添加udp、ssh与icmp；最后，创建虚拟机，上传镜像为glance的windows镜像，并绑定外网IP。

3.3 设计虚拟网络实验室界面

登陆到Dashbaord管理虚拟界面中，维持虚拟机活跃，并借助vnc软件登陆到IP为192.168.1.34虚拟机实例中，自主选择Packet、Tracer、GNS3与Dynamip软件完成实验。

3.4 实际运行效果

目前虚拟实验室云平台专业实验已经正常运行，满足了网络工程专业的教学需求，实际运行稳定，管理方便，可自由分配虚拟网络资源，具有较广的应用价值。

4 结束语

本文主要对基于云平台虚拟网络实验室设计与实现进行分析。经过研究发现，虚拟网络实验室实现了教学设备与软件的有机结合，给学生创建了高质量的教学环境，满足了多层次教学需求，可以给很多共同实验室提供借鉴，所以本方案具有较高的应用价值，可以应用到众多高校中，解决教学设备资金紧缺问题，提高教学效果。

[1]黄晨晖，林泳琴.基于云计算的虚拟计算机实验室的研究与实现[J].实验室研究与探索，2015.

[2]夏之斌.云计算的虚拟网络管理系统的研究与实现[J].北京邮电大学，2014.

[3]邹超.基于云计算的网络操作系统中虚拟机动态迁移的研究与实现[J].北京邮电大学，2014.

[4]冯博.基于云计算平台的虚拟实验室设计与实现[J].软件，2015.

[5]王立平.基于云计算的计算机虚拟实验室设计与实现[J].萍乡高等专科学校学报，2014.

[6]袁新颜.基于云计算平台的虚拟实验室设计与实现探究[J].信息安全与技术，2015.

本文系江西省教育厅2016年科技项目《基于互联网的网络工程专业虚拟实验系统构建技术研究》（项目编号为:GJJ161269）阶段性成果。