클라우드 기반 원격 DaaS

2023년 전기 졸업과제 37조 클라우드 기반 원격 DaaS

1. 프로젝트 소개

| 개요

본 과제는 코로나 19 이후 원격 교육과 재택 근무 필요성이 급증한 현대 사회에서 교육 분야의 비대면 교육 혁신을 위해 클라우드 기반의 원격 데스크탑 서비스(DaaS, Desktop-as-a-Service)와 여러 학습 관리 기능을 결합한 교육 플랫폼(LMS, Learning Management System) 을 구축한다. 이를 통해 비대면 교육뿐만 아니라 학습 환경의 품질을 향상시키고 효과적인 학습 관리 서비스를 제공하고자 한다.

| 내용

언제 어디서든 접근 가능한 원격 데스크탑 환경을 제공한다.
클라우드 기반 원격 데스크탑 서비스를 웹 서비스의 형태로 제공하여 별도의 애플리케이션 설치나 복잡한 설정 없이 간편하게 사용할 수 있다.
Kubernetes를 사용하여 autoscaling을 제공해 트래픽 증가, 장애 상황에 대응하여 안정적이고 중단 없는 서비스를 제공한다.
서버의 부하를 분산시키기 위해 가상 환경 이미지 관리 서버, 가상 환경 접속 서버, 웹 서버를 분리하여 마이크로서비스 아키텍처(MSA, MicroService Architecture)를 실현한다.
교육 플랫폼을 제공하여 교육자가 강좌를 효과적으로 관리하고 학생들이 학습 자료와 정보에 쉽게 접근할 수 있다.
학생은 교육자의 학습 환경과 동일한 환경을 구성하기 위해 압축 파일, 설명서를 통해 직접 환경 설정할 필요 없이 편리하게 교육자와 동일한 학습 환경을 구성할 수 있다.
타 사용자의 가상 환경에서 함께 작업할 수 있다.
harbor와 s3를 사용한 private docker registry를 구축하여 사용자들의 가상 환경인 docker image를 안전하게 관리한다.
kubernetes로 구축한 서버를 프로메테우스(Prometheus)와 그라파나(Grafana)를 활용하여 모니터링한다. 또한, private docker registry에 사용된 s3를 AWS CloudWatch로 모니터링한다.

| 개발 환경

분야	사용 기술 및 도구
Programming Languages	- Java 17 - Python 3.8.10
Framework	- Spring Boot 3.1.2 - Flask 3.0.0
Template Engine	- Thymeleaf 3.1.2
Build Tool	- Gradle 8.2.1
Cloud	- Docker 24.0.6 - Kubernetes 1.25.8 - Amazon Web Services(AWS) - Naver CloudPlatform
DataBase	- MariaDB 10.0
Registry	- Harbor 2.8.2 - AWS S3
Monitoring	- Prometheus 2.20.1 - Grafana 8.5.27 - AWS CloudWatch
Version Control	- Git 2.34.1

2. 팀소개

이름	Github/Email	역할
박소현	• https://github.com/sososo0 • [email protected]	• 전체 구성 설계 및 구축 • 클라우드(AWS, Naver Cloud) 환경 구축 및 멀티 클라우드 적용 • Private Docker Registry 설계 및 구축 • Web Desktop Manager 설계 및 구축 • Pod 관련 기능 설계 및 구현 • Kubernetes & Web Desktop Image Manger 설계 및 구축 • 가상환경 API 구현(Flask) • 서비스 배포
김기해	• https://github.com/xcelxlorx • [email protected]	• UI 설계 • 강좌, 게시판, 관리자, 사용자 API 구현(SpringBoot) • 모니터링 구현 • 강좌, 게시판, 관리자, 사용자 페이지 구현
김수현	• https://github.com/suuding • [email protected]	• 기능 정의서 작성 및 DB 설계 • 로그인, 회원가입, 가상환경 API 구현(SpringBoot) • Container Image 생성 및 관리(Flask) • 웹 서버와 가상환경 서버 API 통신 구현 • 로그인, 회원가입, 가상환경 페이지 구현

3. 시스템 구성도

| 전체 구성도

멀티 클라우드
- 해당 서비스는 멀티 클라우드 아키텍처로 구성되어 있으며, 클라우드 서비스 공급자는 AWS와 Naver CloudPlatform이다.
AWS
- Web Server에서 웹 애플리케이션 호스팅 및 웹 사이트를 제공하기 위해 AWS의 EC2를 사용한다.
- AWS의 S3를 사용하여 Private Docker Registry를 구축했다.
- AWS CloudWatch를 사용하여 S3 리소스를 모니터링한다.
Naver CloudPlatform
- Kubernetes 관리 및 Web Desktop Image를 관리하는 역할을 수행한다.
- k8s 기반으로 구축된 Web Desktop Manager에서 가상 환경을 관리하고 사용자들의 리소스 사용량에 따라 k8s 환경을 scaling한다.
- k8s 리소스 사용량을 보기 위해 모니터링한다.

| 가상환경 관리 서버 구성도

가상환경 관리 서버는 웹 서버의 요청에 따라 가상환경 생성, 실행, 접속, 삭제를 수행하고 사용자의 docker image를 안전하게 저장한다.
Kubernetes & Web Desktop Image Manager(Flask Server)
- 사용자 요청을 바탕으로 k8s에 명령을 내리고 docker image를 관리한다.
Web Desktop Manager(Kubernetes Server)
- 클라우드 환경에서 가상환경(kasm container)을 관리한다.
Private Docker Registry(Harbor)
- docker image를 저장하는 private 저장소이다.

| 웹 서버 구성도

AWS의 EC2 인스턴스를 활용하여 웹 애플리케이션 호스팅과 웹 사이트를 제공한다.

| Private Docker Registry 구성도

오픈 소스 컨테이너 레지스트리 Harbor와 AWS 클라우드 스토리지 서비스 S3를 결합하여 구축한다. Harbor는 Ec2 인스턴스 위에서 Multi Container 형태로 실행된다.
트래픽 분산과 서비스 무중단을 위해 Auto Scaling Group으로 구성하고 Load Balancer를 연동한다.
Harbor와 S3를 연동하여 데이터 복제 및 백업을 지원한다.
사용자는 CLI와 Web UI로 접근할 수 있다.

| 관리자 서비스 구성도

관리자는 Web Server, 사용자의 Web Desktop, Kubernetes & Web Desktop Image Manager, private docker registry에 접근할 수 있다.

| k8s 모니터링 구성도

Grafana를 통해 k8s를 모니터링한다.

| s3 모니터링 구성도

AWS CloudWatch를 통해 s3를 모니터링한다.

4. 소개 및 시연 영상

| 접속

[Web Service 접속 URL] : https://www.p2kcloud.com
[Private Docker Registry 접속 URL] : https://registry.p2kcloud.com

| 소개

이름	내용
메인 페이지
자신의 가상환경 목록 화면
가상환경 접속 화면
강좌 게시판 화면
교육자의 가상환경 화면
관리자의 모니터링 화면

| 시연 영상

5. 설치 및 사용법

| Use PNU-P2K for Deploy

| Set Env

Copy example yml file to set env

cp docker-compose.yml.example docker-compose.yml
cp application-aws.yml.example application-aws.yml
cp application-mariaDB.yml.example application-mariaDB.yml
cp application-server.yml.example application-server.yml

docker-compose.yml

version: '3'
services:
  db:
    image: mariadb:10
    container_name: mariadb
    ports:
      - 3307:3306
    environment:
      MARIADB_DATABASE: 'p2k'
      MARIADB_ROOT_PASSWORD: # password
      MARIADB_ROOT_HOST: '%'
      TZ: Asia/Seoul
    volumes:
      - ./mariadb/conf.d:/etc/mysql/conf.d
      - ./mariadb/data:/var/lib/mysql
      - ./mariadb/initdb.d:/docker-entrypoint-initdb.d
    command: ['--character-set-server=utf8mb4', '--collation-server=utf8mb4_unicode_ci', '--bind-address=0.0.0.0']
  application:
    container_name: springboot
    build: .
    ports:
      - 80:8080
    depends_on:
      - db

application-aws.yml

cloudwatch:
  credentials:
    access-key: # access-key
    secret-key: # secret-key
  s3:
    bucket-name: "p2k"

application-mariaDB.yml

spring:
  datasource:
    url: jdbc:mariadb://mariadb:3306/p2k?useSSL=false&createDatabaseIfNotExist=true
    driver-class-name: org.mariadb.jdbc.Driver
    username: root
    password: # password
  jpa:
    database-platform: org.hibernate.dialect.MariaDBDialect
    defer-datasource-initialization: true
    hibernate:
      ddl-auto: update
    show-sql: true
    generate-ddl: true

application-server.yml

server:
  port: 443
  ssl:
    key-store: classpath:ssl/keystore.p12
    key-store-type: PKCS12
    key-store-password: #password

| Execution

Install Docker in SpringBoot & Flask Application

# Install Docker
sudo apt-get update
sudo apt-get install apt-transport-https ca-certificates curl gnupg-agent software-properties-common
sudo curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo apt-key add -
sudo add-apt-repository "deb [arch=amd64] https://download.docker.com/linux/ubuntu $(lsb_release -cs) stable"
sudo apt-get update
sudo apt-get install docker-ce docker-ce-cli containerd.io

# Check Docker Install
sudo systemctl status docker

SpringBoot Application

# Repository git clone
git clone https://github.com/PNU-P2K/webpage.git

# Install JDK 17
sudo apt update
sudo apt install openjdk-17-jdk

# Install docker-compose 
sudo curl -L "https://github.com/docker/compose/releases/download/1.24.1/docker-compose-$(uname -s)-$(uname -m)" -o /usr/local/bin/docker-compose
sudo chmod +x /usr/local/bin/docker-compose
sudo ln -s /usr/local/bin/docker-compose /usr/bin/docker-compose

# Check docker-compose install with version 
docker-compose --version 

# Run SpringBoot Application
cd webpage
chmod +x gradlew
./gradlew clean build
docker-compose up -d --build

Flask Application

# Repository git clone
git clone https://github.com/PNU-P2K/vm-server.git

# Install pip
sudo apt update
sudo apt install python3-pip

# Install Flask
pip install flask

# Install pycrypto
pip install pycrypto

# Download Base Docker Image
docker pull registry.p2kcloud.com/base/1/kasmweb:v1

# Run Flask Application
python3 app_v8.py

Name		Name	Last commit message	Last commit date
Latest commit History 395 Commits
.github/workflows		.github/workflows
gradle/wrapper		gradle/wrapper
mariaDB-init.d.example		mariaDB-init.d.example
mariadb		mariadb
src		src
.gitignore		.gitignore
.mariaDB_env.example		.mariaDB_env.example
Dockerfile		Dockerfile
README.md		README.md
build.gradle		build.gradle
docker-compose-monitoring.yml		docker-compose-monitoring.yml
docker-compose.yml.example		docker-compose.yml.example
gradlew		gradlew
gradlew.bat		gradlew.bat
settings.gradle		settings.gradle

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