云计算基础架构与实践教案.docx

1、云计算基础架构与实践教案云计算基础架构与实践教案教案课课程程名名称云计算基础架构与实践课课程程代代码系(部)教研室(实验室)授授课课教教师职称年月1课程名称云计算基础架构与实践总计：56学时课程类别专业课课程代码讲授：2200学时实验：3366学时上机：学时其他：学时授课教师学分授课对象教材和主要参考资料徐文义云计算基础架构与实践人民邮电出版社2017.2课程简介云计算基础架构与实践是计算机网络技术相关专业的一门专业基础课程，系统介绍云计算基础架构与实践的相关内容，共划分为5个项目，项目一：云计算的认知与体验主要介绍了云计算的概念与发展趋势、云计算的架构内涵与关键技术、云计算基础架构等内容，项

2、目二：云计算存储架构部署主要介绍了共享存储模型、磁盘存储阵列、存储网络、共享文件系统等内容，项目三：云计算网络架构部署主要介绍了网络总体架构、接入层网络、主机网络虚拟化、网络流量平面等内容，项目四：桌面云设计与部暑主要介绍了云接入技术、桌面云和VMwareView桌面云等内容，项目五：私有云设计与部署主要介绍了私有云和CloudStack私有云平台。同时，针对每个项目内容设计了多个实训任务，通过练习和操作实践，帮助学习者巩固所学的内容。通过本课程的学习，使学生能够在已有的计算机基础知识的基础上，对云计算基础架构有一个系统的、全面的了解，掌握架构一个私有云所必需的基本理论、基本知识和基本技能，从

3、而能成功架构一个企业的私用云。教学难点重点1云计算的基本概念、特点、系统架构、分类、关键技术、资源架构、服务支付、云计算运维流程建设；2DAS存储技术、NAS存储技术、SAN存储技术；3VMwarevSphere总体架构、虚拟储存域网络技术（VSAN），SDN的相关知识；4云接入的定义、优点，桌面云的定义、优缺点、基本架构、VMwareView体系结构与规划原则；5私有云的定义、优点、逻辑架构和核心技术，CloudStack各组件功能，企业如何建设私有云平台、私有云安全性解决方案。2教案一：云计算的认知与体验授课题目：项目一云计算的认知与体验授课方式（请打）理论课讨论课实验课习题课其他课时安排

4、8教学大纲要求：掌握云计算的基本概念、系统架构、分类，了解云计算的发展趋势、关键技术、资源架构、服务支付等相关知识。教学目标：11知识目标（1）掌握云计算的基本概念、系统架构、分类，了解云计算的发展趋势；（2）了解云计算的关键技术、资源架构、服务支付等；（3）了解云计算给IT服务管理带来的影响和变更。22能力目标（1）能解释导致成功接受云计算的典型步骤，并说明它对组织的意义；（2）能从节源、开流的角度衡量分析云计算框架的优劣；（3）能熟练使用XX、Google等搜索系统；（4）能熟练使用Viso绘图软件绘制云计算架构图；（5）能熟练安装与使用VM虚拟机软件。教学重点及难点：重点：云计算的基本概

5、念、特点、系统架构、分类、关键技术、资源架构、服务支付难点：云计算架构的关键技术、云计算运维流程建设作业、讨论题、思考题：详见课本1.7习题部分。课后总结分析：教学内容备注主要教学内容（提纲）：一、理论教学内容1.4.1云计算的基础概述1云计算的特点目前，云计算没有统一的定义。云计算的定义主要包括如下几种。（1）维基百科对云计算定义为：云计算将IT相关的能力以服务的方式提供给用户，允许用户在不了解提供服务的技术、没有相关知识以及设备操作能力的情况下，通过Internet获取需要的服务。（2）中国云计算网将云计算定义为：云计算是分布式计算（DistributedComputing）、并行计算（P

6、arallelComputing）和网格计算（GridComputing）的发展，或者说是这些科学概念的商业实现（云计算发展历程见图1-1所示）。（3）在综合多个云计算的定义之后，我们给云下了如下定义。云是一个包含大量可用虚拟资源（例如硬件、开发平台以及I/O服务）的3资源池。这些虚拟资源可以根据不同的负载动态地重新配置，以达到更优化的资源利用率。这种资源池通常由基础设施提供商按照服务等级协议（ServiceLevelAgreement，SLA）采用用时付费（Pay2Per2Use，PPU）的模式开发管理。综上，云计算是分布式处理、并行处理和网格计算的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现

7、。正如云计算概念指出，云计算一方面是虚拟化技术（Virtualization）、效用计算（UtilityComputing）、XaaS（包括IaaS、PaaS、SaaS等）等技术混合演进并跃升的结果；另一方面是并行计算（ParallelComputing）、分布式计算（DistributedComputing）和网格计算（GridComputing）的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现。2云计算的特点1）超大规模；2）虚拟化；3）高可靠性；4）通用性；5）高可扩展性；6）按需服务；7）极其廉价；8）安全；9）方便。1.4.2云计算的分类从服务方式角度来划分的话，云计算大体上来说可分为三

8、种：为公众提供开放的计算、存储等服务的公有云，如XX的搜索和各种邮箱服务等；部署在防火墙内，为某个特定组织提供相应服务的私有云；以及将以上两种服务方式进行结合的混合云。从技术的角度来讲，云计算可分为四层：HAAS（硬件即服务）、IaaS（基础设施即服务）、PaaS（平台即服务）和SaaS（软件即服务），并有逐步向XaaS发展的态势。1.4.3云计算的发展趋势云计算的研究始于Google公司公布其三大关键技术GFS、MapReduce和BigTable以后，各大IT厂商包括Microsoft、IBM、Amazon等和研究机构都争相对云计算展开了各自的研究，并实现或提供云计算服务、云计算产品与云计

9、算解决方案，云计算技术已经成为了IT界最受关注和发展最快的技术。总体来说，云计算的资源相对集中，主要以数据中心的形式对资源虚拟化后提供底层资源的使用，并不强调虚拟组织（VirtualOrganization，VO）的概念。目前，云计算的商业实现与技术平台在业界还没有统一的标准与定义，基于云计算的产品与服务种类繁多，由于关注点不同，其分类标准也不一。无论哪种分类，通过对云计算的理论和实现产品的分析和研究，可以认为云计算是虚拟化（Virtualization）技术、效用计算（UtilityComputing）、软件即服务（SaaS）、平台即服务（PaaS）、基础实施即服务（IaaS）的结合。这里强

10、调基于IT资源的服务，正是云计算的固有特色，它通常以第三方拥有的机制提供这些服务，用户只关心需要的服务，一切计算交由云计算中心进行透明访问处理。另外，云计算被认为是继分布式计算、并行计算和网格计算等之后计算模式的最新发展，云计算通过将各种互联的计算、存储、数据、应用等资源进行有效整合、多层次的虚拟化与抽象，未来用户只需连接网络便可透明使用云计算强大的计算与存储能力。云计算未来主要有两个发展方向：一个是构建与应用程序紧密结合的大规模底层基础设施，使得应用能够扩展到很大的规模；另一个是通4过构建新型的云计算应用程序，在网络上提供更加丰富的用户体验。第一个发展趋势能够从现有的云计算研究状况中体现出来

11、，详见上一节的分析。而在云计算应用的构造上，很多新型的社会服务型网络，如Facebook等，已经体现了这个发展趋势，而在研究上则更加注重如何通过云计算基础平台将多个业务融合起来。1.4.4云计算的总体架构从云计算的相关定义可知，对用户而言，云计算更多地体现的是它所能提供的服务。在服务方面，主要以提供用户基于云的各种服务为主，共包含三个层次：其一是软件即服务（SoftwareasaService，简称SaaS），这层的作用是将应用主要以基于Web的方式提供给客户；其二是平台即服务（PlatformasaService，简称PaaS），这层的作用是将一个应用的开发和部署平台作为服务提供给用户；其三

12、是基础架构即服务（InfrastructureasaService，简称IaaS），这层的作用是将各种底层的计算（比如虚拟机）和存储等资源作为服务提供给用户。从用户角度而言，这三层服务，它们之间关系是独立的，因为它们提供的服务是完全不同的，而且面对的用户也不尽相同。但从技术角度而言，云服务这三层之间的关系并不是独立的，而是有一定依赖关系的，比如一个SaaS层的产品和服务不仅需要使用到SaaS层本身的技术，而且还依赖PaaS层所提供的开发和部署平台或者直接部署于IaaS层所提供的计算资源上。此外，PaaS层的产品和服务也很有可能构建于IaaS层服务之上。在管理方面，主要以云管理层为主，它的主要功

13、能是确保整个云计算中心能够安全和稳定的运行，并且能够被有效地管理。1.4.5云计算架构的关键技术1虚拟化技术(vmware)虚拟化指的是计算、存储、网络等资源的一种逻辑表示，并不拘泥于这些资源的实现方式、物理包装和物理位置等限制。为使人们能够更加充分合理地利用计算资源，依据应用需求灵活地构建计算环境，通常可以采用虚拟化（Virtualization）技术对计算资源进行动态组织。从而提高计算资源的使用效率，真正实现透明、高效、可定制地按需使用计算资源。这里提及的计算资源，主要包括CPU、内存，数据资源、存储资源以及网络资源等，它们是资源聚合的基础。因此在资源发现的基础上，动态高效地对这些资源进行

14、合理组织形成计算环境也是需要考虑的一个重要议题。虚拟化技术作为网格计算与云计算的支撑技术，最终为充分利用已有资源并及节省成本，必须采用结合虚拟化技术动态实时地聚合与分配网络中的可计算资源。有利于大规模并行计算。虚拟化技术是云计算实现的关键技术，通过虚拟化可以为应用提供灵活可变、可扩展的服务。从系统层次结构来看，虚拟机的本质特征在于：利用下层应用或系统的支持为上层应用或系统提供不同的接口，按照虚拟机所在的中间层位置的不同，可以分为：硬件抽象层虚拟机、操作系统层虚拟机、应用程序编程接口（ApplicationProgrammingInterface，API）层虚拟机和编程语言层虚拟机四类。52分布

15、式海量数据存储分布式文件系统按网络的连接方式划分，可分为：DAS（DirectAttachedStorage：直连存储）、NAS（NetworkAttachedStorage：网络附属存储）和SAN（StorageAreaNetwork：存储区域网）。传统的存储方式大都采用DAS方式，各种存储设备通过诸如IDE或SCSI等I/O总线与服务器相连，效率较低。NAS是一种存储设备，采用的协议包括NFS（SunUNIX）和CIFS（MicrosoftNT/windows）。SAN是一种利用FibreChannel等互联协议连接起来的可以在服务器和存储系统之间直接传送数据的存储网络系统。SAN是以网络

16、为中心的存储结构，它是采用独特的技术（如FC）构建的、与原有LAN网络不同的一个专用的存储网络，存储设备和SAN中的应用服务器之间采用的是blockI/O的方式进行数据交换，SAN的价格较为昂贵，并且配置复杂。云计算采用的分布式文件系统大都属于集群分布式文件系统，在云计算这种超大规模，并且极其强调容错的环境里，上述传统的这些文件划分方式显然受到了更大的挑战。3海量数据管理技术云计算需要对分布的、海量的数据进行处理、分析，因此，数据管理技术必须能够高效地管理大量的数据。云计算系统中的数据管理技术主要是Google的BT（BigTable）数据管理技术和Hadoop团队开发的开源数据管理模块HBa

17、se。BigTable是非关系型数据库，是一个稀疏的、分布式的、持久化存储的多维度排序Map。BigTable的设计目的是快速且可靠地处理PB级别的数据，并且能够部署到上千台机器上。4MapReduce编程模式概念Map（映射）和quot;Reduce（归约）quot;，其主要思想，使得编程人员在不会分布式并行编程的情况下，将自己的程序运行在分布式系统上。软件实现的是指定一个Map（映射）函数，用来把一组键值对映射成一组新的键值对，指定并发的Reduce（归约）函数，用来保证所有映射的键值对中的每一个共享相同的键组。5云计算平台管理技术云管理平台最重要的两个特质在于管理云资源和提供云服务。即通

18、过构建基础架构资源池（IaaS）、搭建企业级应用/开发/数据平台（PaaS），以及通过SOA架构整合服务（SaaS）来实现全服务周期的一站式服务，构建多层级、全方位的云资源管理体系。选择云计算管理平台的四种考量：（1）是否可以保障系统的稳定性、可靠性和安全性。这是IT决策者在选择云管理平台时最重要的衡量标准之一。（2）是否可以和现在的虚拟化平台兼容。采用现有的虚拟化供应商升级云计算，不失为一种选择，但是考虑到成本以及供应商锁定的问题，也可以选择一种可以兼容现有虚拟化基础的云计算管理平台。（3）是否有完整的生命周期管理。现在虚拟机泛滥的问题很普通，导致IT管理者不清楚哪些应用在哪些虚拟机上、无法

19、及时回收资源等等问题，多数应用不能按照不同需求定义虚拟机的服务等级。（4）是否便于管理。云计算的一个重要的优势是减少IT管理成本。6因此，云计算平台管理技术就是实现大量服务器的协同工作，方便地进行业务部署和开通，快速发现和恢复系统故障，通过自动化、智能化的手段实现大规模系统的可靠运营。1.4.6云计算核心架构的竞争力衡量维度将云计算技术引入传统数据中心所带来的商业服务的角度看，重点可以从开源与节流两个方面来衡量云计算的核心竞争力。1节流（CostSaving）方面在业务系统搭建过程中，云计算及其虚拟化技术使得企业及运营商可以突破应用边界的束缚，充分共享企业范围内、行业范围内、甚至全球范围内公用

20、的IT资源池，无需采购和安装实际物理形态的服务器、交换机及存储硬件，而是依赖于向集中的IT资源池动态申请所需的虚拟IT资源（或资源集合），从而完成相关应用的自动化安装部署，最终达到快速搭建支撑自身核心业务的IT系统与基础平台的目的。这种模式可以减少系统搭建的人力和资源投入，降低系统初始构筑成本。在业务应用执行过程中，依托节能减排及资源利用率最大化原则，实现必要的智能资源动态调度，以完成既定的业务处理或计算任务，并在特性业务处理或计算任务完成后即时地释放相关IT资源供其他企业/行业应用进一步动态共享，从而实现IT建设与运维成本的大幅度优化与降低。另外针对涉及海量数据处理及科学计算的特殊行业，以往

21、依托于造价昂贵小型机、大型机甚至巨型机、高端存储阵列，或者采用通用处理设备需要数月甚至数年才能完成的复杂计算与分析任务，有可能在云计算数据中心基于通用服务器集群，以更为低廉的成本并花费更短的时间就可以轻松应对。2开源（RevenueGeneration）方面针对公有云数据中心运营商的价值：在于将SaaS等早在云计算概念出现之就已普及的资源服务的概念进一步扩展到IaaS与PaaS层，云计算数据中心运营商可以在IaaS/PaaS上建设自营增值业务服务于云用户，也可引入众多第三方应用运行在IaaS/PaaS云平台之上，实现相比传统数据中心托管服务具备更高附加值的虚拟机、虚拟桌面及虚拟数据中心租赁业务

22、，或者在第三方应用开发/提供商、云运营商（IaaS/PaaS云平台提供者）以及云租户/云用户之间分享丰富的SaaS应用带来的增值利润。针对企业私有云数据中心建设的价值：云计算使得IT基础架构可以对与企业、行业业务紧密绑定的业务软件形成更为高效和敏捷的集成融合，从而大大提升了企业IT资源灵活适应并支撑企业核心业务流程与业务模式快速变化的能力，有效地优化了企业业务的运作效率。云计算的海量数据分析与挖掘能力的价值：使得企业、行业有能力依托其海量存储及并行分析与处理框架的能力，从其企业IT系统所产生的海量的历史数据中提炼并萃取出对其有价值的独特信息与价值，从而为其市场及业务战略的及时优化调整提供智能化

23、决策引擎，从而有效提升企业的竞争力。1.4.7云计算解决方案的典型架构场景云计算技术的成熟和发展，使得采用云计算技术为高分辨率遥感影像应用提供一致的存储与管理成为可能，课本展示的遥感影像存储平台7C-RSMP，目的是为用户提供云计算环境下对高分辨率遥感影像透明的访问能力。这个结构总共包括五层，自下而上分别为：物理层、云平台层、服务层、应用层、客户端，以及横跨多个层次的服务组合、服务监控、虚拟资源管理、任务调度及计量、计费等。1.4.8云计算资源架构云计算不仅从技术上，而且在服务模式上也提出了很多创新之处。表现在其对整个IT领域所涉及的技术和应用涉及硬件系统、软件系统、应用系统、运维管理、服务模

24、式等各个方面。云基础架构在传统基础架构计算、存储、网络硬件层的基础上，增加了虚拟化层、云层：虚拟化层：大多数云基础架构都广泛采用虚拟化技术，包括计算虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化等。通过虚拟化层，屏蔽了硬件层自身的差异和复杂度，向上呈现为标准化、可灵活扩展和收缩、弹性的虚拟化资源池;云层：对资源池进行调配、组合，根据应用系统的需要自动生成、扩展所需的硬件资源，将更多的应用系统通过流程化、自动化部署和管理，提升IT效率。1.4.9云计算服务交付云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。狭义云计算指IT基础设施的交付和使用模式，指通

25、过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源；广义云计算指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需服务。云计算颠覆性地改变了传统IT服务的商业模式，大大降低获取IT服务的门槛，使云计算成为社会信息化的基础设施，人们使用IT服务将像使用水电一样方便、快捷、廉价。但必须清醒地认识到，云计算要建立一个清晰的商业模型还有待时日。首先，作为多种技术集大成者的云计算，要将各种技术融会贯通，需要一定时间的积累；其次，人们对云计算的商业模式有一个认识和接受的过程；最后，云计算产业链的形成也是一个多方博弈的过程。1.4.10云计算运维流程建设云计算的运维从事故管理、问题管理、变更管理、发布管理、配

26、置管理5个方面，下面简要介绍ITIL服务管理流程，并详细论述了事故管理、问题管理、配置管理、变更管理4个流程。从运维流程的角度探讨1）实施指导；2）实施路径；3）配置流程管理；4）服务台与事件流程管理。二、实践教学内容务任务1-1：初识云计算本任务主要是一个概念的理解与识记的过程，要求学习者掌握云计算作为服务计算应有的特点，了解云计算的发展趋势，以及未来云计算对产业链的影响。任务主要内容为：（1）通过浏览器搜索相关概念；（2）理解云计算的基本概念、分类、特点、关键技术、架构等。务任务1-2：绘制云计算架构图8本任务要求学习者使用Viso绘图软件绘制云计算架构图。任务主要内容为：（1）熟悉Vis

27、io绘图软件；（2）了解云计算平台的基础框架体系；（3）从服务的角度了解基于SOA的框架结构；（4）使用Visio绘图软件绘制云计算架构图。务任务1-3：VMware虚拟机的安装与使用本任务要求学习者在Windows系统中安装和使用VMwareWorkstation软件，任务主要内容为：（1）安装VMwareWorkstation软件；（2）在VMwareWorkstation软件中安装WindowsServer2003操作系统；（3）VMware虚拟机功能设置。9教案二：云计算存储架构部署授课题目：项目二云计算存储架构部署授课方式（请打）理论课讨论课实验课习题课其他课时安排10教学大纲要求：

28、了解云计算存储架构部署过程，熟悉DAS存储技术、NAS存储技术、SAN存储技术等相关知识。教学目标：11知识目标（1）了解云计算存储架构部署过程；（2）熟悉传统数据DAS存储技术；（3）熟悉网络附加NAS存储技术；（4）熟悉云计算存储架构的SAN存储技术。22能力目标（1）能在WindowsServer中搭建SAN存储服务（iSCSI）；（2）能在LinuxServer中搭建NAS存储服务（NFS）；（3）能熟练安装部署FreeNAS开源存储系统。教学重点及难点：重点：DAS存储技术、NAS存储技术、SAN存储技术难点：IPSAN存储技术、存储虚拟化网关作业、讨论题、思考题：详见课本2.7习题

29、部分。课后总结分析：教学内容备注主要教学内容（提纲）：一、理论教学内容2.4.1共享存储模型主机本地存储被称为直连式存储（DirectAttachedStorage，DAS），顾名思义，这时存储设备通过电缆（通常是SCSI接口电缆）直接连到服务器。在这种连接方式下，主机单独占有各自的存储设备，不与其他主机共享。如何使存储能够在服务器间共享。一般来说，共享存储体系结构主要可以分为SAN（StorageAreaNetwork，存储区域网络）和NAS（NetworkAttachedStorage，网络附属存储）两大类。SAN和NAS的共同特征都是将主机与存储解耦，使存储可以在多个主机间共享，其本身也

30、是一种虚拟化技术。主机和存储设备在一个对等的存储网络中互连，完全打破了主机和存储的绑定关系，对主机而言，SAN网络中的存储目标盘看起来仍然是一个基于块的磁盘设备，与DAS没有本质区别。存储网络多采用FC（光纤通道）网络，也可以采用基于IP的网络iSCSI技术。10如果存储网络采用IP网络，数据存储的共享通常是基于文件的。NAS本质上是一台NFS或CIFS文件共享服务器。对于主机而言，NAS提供的不是一个磁盘块设备，而是一个远端网络文件系统。2.4.2磁盘存储阵列1磁盘存储介质存储介质是指存储数据的载体。通常，U盘、存储卡、硬盘里都有存储介质。目前最流行的存储介质是基于闪存（Nandflash）

31、的，比如U盘、CF卡、SD卡、SDHC卡、MMC卡、SM卡、记忆棒、XD卡等。2RAID磁盘组磁盘阵列（RedundantArraysofIndependentDisks，RAID），有独立磁盘构成的具有冗余能力的阵列之意。磁盘阵列是由很多价格较便宜的磁盘，组合成一个容量巨大的磁盘组，利用个别磁盘提供数据所产生加成效果提升整个磁盘系统效能。利用这项技术，将数据切割成许多区段，分别存放在各个硬盘上。磁盘阵列还能利用同位检查（ParityCheck）的观念，在数组中任意一个硬盘故障时，仍可读出数据，在数据重构时，将数据经计算后重新置入新硬盘中。磁盘阵列其样式有三种，一是外接式磁盘阵列柜、二是内接式

32、磁盘阵列卡，三是利用软件来仿真。外接式磁盘阵列柜最常被使用大型服务器上，具可热交换（HotSwap）的特性，不过这类产品的价格都很贵。内接式磁盘阵列卡，因为价格便宜，但需要较高的安装技术，适合技术人员使用操作。硬件阵列能够提供在线扩容、动态修改阵列级别、自动数据恢复、驱动器漫游、超高速缓冲等功能。它能提供性能、数据保护、可靠性、可用性和可管理性的解决方案。阵列卡专用的处理单元来进行操作。利用软件仿真的方式，是指通过网络操作系统自身提供的磁盘管理功能将连接的普通SCSI卡上的多块硬盘配置成逻辑盘，组成阵列。软件阵列可以提供数据冗余功能，但是磁盘子系统的性能会有所降低，有的降低幅度还比较大，达30%左右。因此会拖累机器的速度，不适合大数据流量的服务器。无论是DAS、SAN还是NAS存储构架，其存储系统的低层都是存储介质，我们以一个磁盘存储阵列为标本，观察一下其内部存储介质的构成。FC磁盘即光纤通道磁盘，以光纤通道仲裁环（FC-AL）技术作为硬盘连接接口，能够显著提高I/O吞吐量，是一种