基于虚拟仿真平台的云存储技术实验教学改革_孙涛.pdf

第 43卷 第 1期 高 师 理 科 学 刊 Vol.43 No.1 2023年 1月 Journal of Science of Teachers College and University Jan.2023 文章编号：1007-9831（2023）01-0074-05 基于虚拟仿真平台的云存储技术实验教学改革 孙涛，李娟，刘春，李浩源，项征，刘薇 （大庆师范学院 计算机科学与信息技术学院，黑龙江 大庆 163712）摘要：分析云存储技术实验教学平台存在的问题，以 EVE-NG 技术为核心设计了虚拟仿真实验教学平台介绍了在虚拟仿真平台上云存储技术实验案例的设计过程，从实验案例的设计原则、实验教学体系分级设计、实验教学过程等方面对案例做了详细介绍应用效果分析表明，虚拟仿真平台在实验教学中取得良好的效果 关键词：EVE-NG；虚拟仿真；云存储；CDIO 中图分类号：TP391.9G642.0 文献标识码：A doi：10.3969/j.issn.1007-9831.2023.01.016 Experimental teaching reform of cloud storage technology based on virtual simulation platform SUN Tao，LI Juan，LIU Chun，LI Haoyuan，XIANG Zheng，LIU Wei（School of Computer Science and Information Technology，Daqing Normal University，Daqing 163712，China）AbstractAbstract：Analyzes the problems existing in the experimental teaching platform of cloud storage technology，and designs a virtual simulation experimental teaching platform with EVE-NG technology as the core.Introduces the design process of the experimental case of cloud storage technology on the virtual simulation platform，and introduces the case in detail from the design principles of the experimental case，the hierarchical design of the experimental teaching system，the experimental teaching process and so on.Analysis of the application effect shows that the virtual simulation platform has achieved good results in experimental teaching.Key wordsKey words：EVE-NG；virtual simulation；cloud storage；CDIO 随着云计算技术的高速发展和广泛应用，越来越多的企业将服务器部署在云端，云端的数据存储性能和数据安全等问题至关重要1云存储是云计算中的存储技术，云存储技术课程旨在让学生了解云计算中存储技术的基本原理，熟悉云存储技术体系及相关技术实现方法，采用理论与实践相结合的方式，锻炼学生的动手能力，加深其对理论知识的理解云存储技术实验教学实践性很强，基于云计算的复杂网络结构和多种类型设备构成的实验环境使其很难在实验室里搭建因此，云存储技术这种云计算类的实验教学环境难以在真实的实验环境中实现虚拟仿真技术为开展云存储技术实验教学提供了一种新的教学手段 1 传统云存储技术实验教学存在的问题 传统云存储技术实验教学受实验设备、实验软件限制，无法搭建出完全符合实验要求的实验环境，导致理论教学与实验教学脱节 收稿日期：2022-05-28 基金项目：全国高等院校计算机基础教育研究会计算机基础教育教学研究课题（2021-AFCEC-158）作者简介：孙涛（1978-），男，黑龙江大庆人，高级实验师，硕士，从事网络管理及网络安全研究E-mail： 第 1 期 孙涛，等：基于虚拟仿真平台的云存储技术实验教学改革 75 1.1 实验设备数量不足、更新慢 近年来高校越来越重视实践教学，不断加大投入改善实验教学条件但一方面，仍然存在实验设备数量不足，设备性能低下，电源及网络线路老化等问题；另一方面，由于计算机及网络技术不断更新，实验硬件也需要不断升级或更换才能适应新技术，而有限的经费无法满足频繁升级或更换实验设备的需求2-4 1.2 实验环境单一、与理论脱节 云存储技术是网络工程专业课，学生在学习这门课之前需要掌握网络的原理、交换机与路由器技术、Linux 系统管理和服务器管理课程知识将这些前导课中的技术与云存储技术课程结合所设计的实验项目具有很强的综合性，实验环境中不仅需要多台交换机、路由器等网络设备，还需要多台安装有 Linux 的服务器设备，而大部分实验室无法提供数量众多和类型多样的实验设备，导致实验环境单一，与理论教学脱节 1.3 实验环境复杂、准备困难 传统实验教学采用真实的网络及服务器设备，每次实验前教师需要根据实验要求对多台不同类型的实验设备进行初始化配置，由于实验环境非常复杂，配置过程耗时又费力而学生在实验结束后还需要花费较长时间将实验设备的配置恢复到使用前的状态 2 基于 EVE-NG 的云存储技术虚拟仿真实验平台设计 EVE-NG（Emulated Virtual Environment-Next Generation）是一个 B/S 架构的网络虚拟仿真平台软件它支持 Dynamips，IOL，QEMU大组件，这个组件完成了 EVE-NG 平台上所有设备的虚拟化，是支撑EVE-NG 仿真平台的核心5-7在这大组件的支持下 EVE-NG 能运行 Cisco，H3C，Huawei 等众多网络设备操作系统，Windows，CentOS，MacOS 等主流操作系统，同样能运行 OpenStack，KVM，QEMU，Docker等虚拟化环境/云计算操作系统8-10 为了 EVE-NG 能更好地为云存储技术实践教学使用，结合课程的实验教学需求，设计了基于 EVE-NG的虚拟仿真实验教学平台平台采用 B/S 架构，系统架构见图 1 图 1 系统架构 整个系统由基础设施层、技术支撑层、业务功能层 3 部分组成其中基础设施层是由服务器硬件设备组成，使用虚拟化技术为整个虚拟仿真实验教学平台提供计算资源、存储资源和网络资源的支持；在技术支撑层的实验系统核心模块通过 API 调用 EVE-NG 核心模块实现虚拟仿真的功能，系统运行数据、学生实验数据、用户数据等信息存储在数据库模块中；业务功能层由实验拓扑设计、实验项目管理、实验参数管理等功能组成教师登录后可以管理实验项目，设计实验拓扑，批阅实验报告；学生可以选择实验项目，在线进行实验，撰写实验报告；管理员可以维护实验平台信息，管理平台用户数据，管理实验数据等 3 基于虚拟仿真平台的云存储技术实验案例设计 76 高 师 理 科 学 刊 第 43 卷 以网络工程专业云存储技术课程中的“Ceph 分布式存储集群实验”为例，使用基于 EVE-NG 设计的虚拟仿真实验平台构建由多台网络设备和存储服务器组成的 Ceph 分布式集群实验环境 实验任务介绍：某企业需要部署 Ceph 存储服务，为网络中其它服务器提供安全可靠的共享存储空间 3.1 实验案例设计原则（1）设计的案例不用追求全面覆盖知识面，以能够使学生较好地理解相关的技术原理和应用背景为原则，学生通过实践操作并分析、排除实验故障的过程，不仅可以进一步理解课程中的知识点，还可以熟练掌握相关应用服务的部署方法因此，实验案例的设计既要保证能够易于理解，又要具有较好的实践操作性（2）设计的案例能够激发学生对云存储技术课程学习的兴趣，并调动学习的积极性，让学生从要我学转变为我要学，改变学生的学习态度为此，选择的实验案例不能太复杂，否则容易导致实验很难完成，打击学生学习积极性实验案例更多以验证性实验为主，实验的目的是让学生在实验中能够更直观地感受云存储各种技术的应用场景和实现方法，调动学生学习主动性 3.2 实验教学体系设计 为了让实验案例更符合企业对工程人才的要求，在案例的设计中将 CDIO 工程教育模式融入到云存储技术虚拟仿真实验教学中CDIO 的教育理念注重培养学生的工程实践能力，通过任务化、项目化或应用型的实验项目，能够让学生的个人能力与团队协同能力都能得到提升，锻炼了学生的项目设计和实施能力，从而实现了理论-实践-工程的升级式教学过程 基于 CDIO 的实验教学过程由部分组成，分别是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）在实验案例设计中教师在实验前引导学生针对项目的需求做构思（Conceive），然后设计（Design）出实验的主要内容，根据设计的实验内容学生自主完成实现（Implement）整个实验，完成实验后学生以演示的方式展示项目运作（Operate）的情况 将实验难度分为初级、中级、高级 3 个等级初级难度的实验，以教师讲解实验原理和演示实验过程为主，主要目的让学生了解实验环境、实验原理，熟悉实验内容；中级难度的实验，以小组为单位多人合作完成较复杂的实验内容，锻炼培养学生团队协作能力和基本的工程能力；高级难度的实验，学生以小组为单位能够根据需求完成构思，设计实验内容，自主实现实验内容，培养学生的工程能力和实践创新能力 结合 Ceph 分布式存储集群实验案例设计的实验级别及实验内容见表 1 表 1 实验级别及实验内容 级别 实验要求 实验内容 实验目标 初级 每人独立完成 安装、部署 Ceph 集群（1）了解分布式集群原理（2）了解 Ceph 工作原理（3）掌握 Ceph 集群部署步骤 中级 组队合作完成 设计 Ceph 集群拓扑，安装、部署 Ceph 集群（1）掌握设计 Ceph 集群拓扑方法（2）其它同初级目标 高级 组队合作完成 设计 Ceph 集群拓扑，安装、部署 Ceph 集群，优化存储（1）掌握 Ceph 存储优化方法（2）其它同中级目标 3.3 实验教学过程设计 在实验过程中实验的初级、中级、高级每个等级都要完成集群拓扑设计、Ceph 集群安装部署、存储共享等步骤 3.3.1 集群拓扑设计 在安装部署 Ceph 集群前，通过项目的需求分析，结合需求设计适合的集群拓扑图，规划出合理的网络参数是项目能否顺利实施的关键在初级难度实验中集群拓扑主体由教师提前给出，学生只需设计出缺少的内容即可完成拓扑的设计而中级难度由学生自己分析需求并设计集群拓扑 以中级难度实验为例，通过对项目需求的分析，合理划分交换机接口和服务器 IP 地址等参数信息，为每台服务器规划分配适合的功能模块根据实验任务中的描述，在虚拟仿真实验平台上设计了由 3 个节点服务器和 2 台交换机构成的 Ceph 分布式集群拓扑（见图 2）第 1 期 孙涛，等：基于虚拟仿真平台的云存储技术实验教学改革 77 图 2 Ceph 分布式集群拓扑 基于拓扑结构规划在 3 个节点服务上部署由 6 个 OSD、3 个 Mon 软件服务、1 个 Mgr 软件服务、1 个Mds 软件服务组成的 Ceph 分布式存储集群设计规划的网络及节点服务器信息见表 2 表 2 网络及节点服务器规划 节点名称 Public-IP 及接口 Cluster-IP 及接口 新增磁盘 节点功能 cephnode1 192.168.2.101G0/1 172.1.1.101G0/1/sdb/sdc