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

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）

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．

EVE-NG；
虚拟仿真；
云存储；
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．

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．

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．

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，QEMU３大组件，这３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３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．

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４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

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）．

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

3.3.2 Ceph集群安装部署 在初、中、高3个不同难度的实验中都需要根据前面设计的集群拓扑和网络节点规划参数，在虚拟仿真实验平台上安装、部署Ceph集群．启动平台上所有交换机和服务器节点，双击不同的设备节点以VNC远程终端的方式控制虚拟设备．在虚拟仿真平台上部署Ceph集群的过程见图3．

图3 虚拟仿真平台部署Ceph集群过程

在初、中级难度的安装部署过程中全部使用默认的配置方法部署的集群只能够实现集群的基本功能，但集群存在存储性能低、稳定性差等问题．在高级难度的实验中需要对集群存储性能和稳定性做优化，而集群部署时平衡每个存储池中的PG数量和PGP数量对提高集群存储性能和稳定性是相当重要的．

而PGP数量受到PG值的影响制约，编写Python代码计算PGP数量，计算结果为256．

Python代码为：

在实验过程中不同难度的实验要求学生完成的内容也不相同．在高级难度的实验中为了获得更好存储优化效果，可以鼓励学生组队，通过查阅相关资料尝试设计新的PGP优化计算方法，锻炼学生创新能力．

3.3.3 存储共享 在客户端使用块存储和文件存储方式将Ceph集群的共享存储挂载到本地．完成Ceph集群部署的存储共享后，鼓励学生以小组方式展示Ceph集群的运行效果．展示方法是对挂载到本地的Ceph块存储和文件存储测试其优化前和优化后的存储性能．使用linux下的dd命令写入2 G数据，测试不同环境下的写入时间．具体命令：dd if=/dev/zero of=/test.img bs=1 M count=2 048．存储性能测试结果见表3．

表3 存储性能测试 s

通过测试结果，能看出优化过的Ceph集群存储性能有比较大的提升．

云存储技术课程有5个实验，分别是RAID与LVM、IP-SAN及存储多路径、GlusterFS存储集群、Ceph分布式存储集群、Redis集群．虚拟仿真实验平台上记录了实验教学过程信息．通过平台上统计的实验完成率对虚拟仿真平台的实验效果进行分析．统计学生在不同时间内完成实验的情况，能够分析出平台对实验完成情况产生的影响．不同时间段实验完成率统计见表4．

表4 不同时间段实验完成率统计 （％）

结果表明，基于虚拟仿真平台的实验教学，大部分学生可以在设定时间内完成实验，而少部分学生可以在其它时间继续进行实验，让学生在实验过程中不受时间场地影响，获得更大的自主权，显著提高学生的实验效率，增加了学生学习的兴趣．

综上所述，随着云计算技术快速发展，云存储技术发展为综合性先进科学，而实验教学对于提高学生的实践能力、工程能力、创新能力至关重要．将基于EVE-NG构建的虚拟仿真实验平台应用于实验教学，改进了传统的实验教学环境，让师生不再受硬件条件、时间、场地限制，随时可以进行实验．基于虚拟仿真平台设计的实验案例是云存储技术课程实验教学改革的一次重要实践，其结果说明使用EVE-NG虚拟仿真实验平台的实验教学在培养学生实践动手能力和创新能力方面取得较好的实验教学效果，对高校培养复合型人才具有重要意义．

[1] 于程程，蒋文蓉，闫季鸿．云计算与云安全课程建设方法的探索与实践[J]．科技资讯，2020，18（13）：92-93．

[2] 唐灯平，凌兴宏．基于EVE-NG模拟器搭建网络互联技术实验仿真平台[J]．实验室研究与探索，2018，37（5）：145-148．

[3] 广琼，陈荣元，黄少年，等．新工科背景下面向虚拟仿真实训的计算机网络工程实验教学探索[J]．电脑知识与技术， 2021，17（14）：109-111，126．

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[10] 陈龙，张伟，赵英良，等．新工科背景下大学计算机人工智能实验案例设计[J]．计算机教育，2022（3）：29-33．

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）

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.

EVE-NG；
virtual simulation；
cloud storage；
CDIO

1007-9831（2023）01-0074-05

TP391.9∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.01.016

2022-05-28

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）

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：120092119@qq.com