OpenStack入门与架构介绍

前言——OpenStack介绍

   2010年7月，Rackspace和NASA合作发布了OpenStack。OpenStack每几个月就会发布一个新的版本，并以首字母从A到Z的顺序命名。OpenStack峰会和中国OpenStack黑客松活动也随之诞生。

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一、预备知识

1.虚拟化

1.1虚拟化的发展历程

• 1959年，国际信息处理大会，克里斯托弗在《大型高速计算机中的时间共享》报告中，提出了“虚拟化”的概念。
• 1964年，CP-40操作系统首次实现了虚拟内存和虚拟机；IBM推出的分时共享系统也被认为是最原始的虚拟化技术。
• 20世纪70年代，IBM System 370系列利用虚拟机监控器（Virtual Machine Monitor）在物理硬件运行多个独立操作系统的虚拟机实例。
• 1998年，VMware成立，并于1999年在x86平台推出商业虚拟化软件，进入高速发展阶段。
• 21世纪，Xen问世；微软宣布Virtual Server 2005计划；英特尔推出VT（Vanderpool Technology）技术。AMD、Oracle、RedHat等进入虚拟化市场。

1.2KVM与基本概念

本节以KVM为例简要介绍虚拟化技术。

1.2.1基本概念

   Ⅰ型虚拟化：Hypervisor（管理程序）直接安装在物理机上，一般是一个特殊定制的Linux系统，虚拟机则在Hypervisor上运行。

   Ⅱ型虚拟化：物理机上首先安装常规的操作系统，Hypervisor作为程序在操作系统上运行，并对多个虚拟机进行管理。
理论上来讲，Ⅰ型的性能要高，但Ⅱ型更为灵活。

   Libvirt：KVM（Kernel-Based Virtual Machine，一种Ⅱ型虚拟化技术）的Hypervisor。包含后台服务程序Libvirt，可用于处理请求；API库，供高级开发使用；virsh，KVM命令行工具。

1.2.2KVM虚拟化原理

CPU虚拟化
   KVM的虚拟化需要CPU硬件的支持，使用如下命令，如果有输出vmx或者svm,就说明当前CPU支持KVM虚拟化。

egrep -o'(vmx|svm)' /proc/cpuinfo
1

   一个虚拟机在宿主机中以qemu-kvm进程的形式存在，与其他进程一样服从调度；虚拟机中的每一个vCPU就是对应qemu-kvm进程中的一个线程。vCPU的数量超过宿主机的物理CPU数的情况称为CPU超配（overcommit）。

内存虚拟化
   KVM通过虚拟内存来共享物理内存，实现对虚拟机的动态分配。虚拟机操作系统中内存管理（以段页式为例）的虚拟内存映射关系为：VA（虚拟地址）->LA（线性地址）->PA（物理地址），此时的PA为虚拟机虚拟化的地址，不是实际上的物理地址；KVM需要负责实现PA（虚拟机）->PA(宿主机)的映射关系。同样的，内存也存在超配的情况。

存储虚拟化
   KVM的存储虚拟化是通过存储池（storage pool）和卷（volume）来管理的，存储池是宿主机上可见的一部分存储空间，卷是存储池中的一块空间，由宿主机以硬盘的形式分配给虚拟机。其中存储池可分为以下几种常见类型：

1. 目录类型。KVM将宿主机的/var/lib/libvirt/images目录作为默认存储池，该目录下的每个.img文件都被虚拟化为一个卷。
2. LVM类型。VG（volume group）中的LV（logical volume）也可以作为一个虚拟磁盘使用，此时VG就是一个存储池。但是LV不能作为启动盘，只能作为数据盘使用。
3. KVM还支持iSCSI、Ceph等存储池类型。

新建卷的常见格式与优点见下表：

KVM通过/etc/libvirt/storage来得到所有存储池的相关信息，每个可用存储池都会在该目录下有个xml文件，默认会存在default.xml

1.3网络虚拟化

网络虚拟化最为复杂，因此独立成节单独讨论。

1.3.1Linux Bridge

   Linux Bridge是Linux上用来做TCP/IP二层协议交换的设备，可简单理解为是虚拟机网卡与宿主机网卡连接的桥梁，会将来自宿主机的数据转发给特定虚拟机的网卡，也可以将虚拟机的数据转发到宿主机，并凭借宿主机的物理网卡与外网通信。

1.3.2VLAN

   LAN（Local Area Network，本地局域网），通常使用Hub和Switch连接局域网内的计算机。一个LAN表示一个广播域，LAN中的所有成员都会收到任一成员发出的广播包。
   VLAN表示Virtual LAN，一个带有VLAN功能的Switch能将自己的端口划分为多个LAN，逻辑上产生系列交换机。即实际上在同一个物理网内，但被逻辑地分为不同的网络区域，不同区域不能通过广播通信，但可以使用IP互通。
VLAN的隔离是二层上的隔离，即广播包无法跨越VLAN边界
   目前的交换机都支持VLAN功能，但有不同的端口配置模式：

1. Access端口。使用VLAN ID来表明端口独属于哪个VLAN，VLAN ID的范围从1到4096。Access口直接与网卡相连，数据包通过时打上所在VLAN的标签。
2. Trunk端口。将不同物理交换机上具有相同VLAN ID的VLAN相连通。

1.3.3KVM对VLAN的实现

   eth0是宿主机的物理网卡；与外网相连，eth0.1就是VLAN设备，其VLAN ID就是VLAN 1；veth0是虚拟网卡，eth0.1与veth0均挂在名为 br vlan1的Linux Bridge上。其他虚拟机同样的。其中VM0和VM1在同一个VLAN内，与VM2在不同的VLAN。
Linux Bridge+VLAN就相当于一个虚拟交换机，两者分别承担了交换和隔离功能的实现。

2.云计算

   现阶段的云计算是分布式计算、效用计算、负载均衡、并行计算、网络存储、热备份冗杂和虚拟化等计算机技术混合演进并跃升的结果，云计算基本涉及IT基础设施的所有服务，包括计算、存储、网络、虚拟化、高可用、安全等等领域，涉及范围广泛，不宜不易展开，在此仅作概述，留坑待补。

2.1云计算的发展历程

• 1983年，“网络即计算机”被认为是云计算的雏形。
• 2006年，亚马逊推出弹性计算（EC2），云计算商业化开始。
  

2.2基本概念

• IaaS（Infrastructure as a Service），提供虚拟机服务，负责管理虚拟机的生命周期，包括创建、修改、备份、启停、销毁等。
• PaaS（Platform as a Service），提供应用的运行环境和一系列中间件服务。
• SaaS（Software as a Service），提供应用服务。

2.3关键技术

• 虚拟化技术。虚拟化是云计算最核心的技术，它为云计算提供架构层面的支持，是ICT服务快速走向云计算的最主要驱动力。虚拟化是一种在软件中仿真硬件，以虚拟资源为用户提供服务的计算模式，旨在合理调配资源，实现了架构的动态化、物理资源的集中管理。
• 分布式存储技术。采用可扩展的系统架构，将数据存储在不同的物理设备中，提高了系统的可靠性、可用性和存取效率，还易于扩展。
• 分布式并行编程模式。MapReduce是当前主流分布式并行编程模式之一，将任务自动分成多个子任务，通过Map和Reduce实现任务在大规模计算节点中的高度分配，能够更高效地利用软、硬件资源，让用户更快速、更简单地使用应用服务。
• 大规模数据管理。典型的有Google的BT数据管理技术和Hadoop的开源数据管理模块HBase。
• 分布式资源管理。在多节点的并发执行环境中，保证各个节点的状态同步，单个节点故障时，保证其他节点不受干扰
• 信息安全技术。涉及到网络安全、服务器安全、软件安全、系统安全等。
• 云计算平台管理。用于部署和开通新业务、快速发现并恢复系统故障，实现大规模系统自动化、智能化的可靠运营。
• 绿色节能技术。

二、OpenStack架构

1.服务介绍与概念架构

   Neutron、Nova、Glance和Cinder分别为VM（虚拟机）提供网络、计算、镜像和存储服务，相当于实体机的网卡、CPU与内存、操作系统和硬盘。Cellometer则计量各种资源的使用情况并提供统计信息给其他服务使用。用户可以通过Horizon的UI界面便捷管理虚拟机，Keystone则提供认证服务，给用户不同的访问与管理权限。Swift实现对象存储，对用户可实现云存储，对Cinder可提供卷备份服务，为Glance提供镜像存储服务，提高系统的容灾能力。

2.逻辑架构分析

   不同的服务内还有不同的组件，并对外提供了API，用户可以通过Horizon提供的UI界面或者http请求来调用相应服务。不同服务之间的相互调用也是通过http调用的。服务内的不同组件间的调用则是通过RPC（远程调用）实现的。
   用户的不同权限访问是通过Keystone内的身份认证实现的，可以以管理员的身份在OpenStack平台上为其他用户进行注册。Nova是OpenStack内部至关重要的一项服务，其内部实现有计算、调度、监管、引导、对象存储组件，并通过高级消息队列协议与Cinder的调度组件进行数据传输。Neutron则分为代理、服务端、提供者、插件等组件，实现网络的交换与隔离的虚拟化。对用户的云存储而言，Cinder提供块存储服务；而Swift则提供对象存储，内部逐层实现记录有账户、容器和对象的数据库。

3.物理架构分析

   OpenStack的不同服务可以分布在多个物理节点上，也可以集中在一个物理节点。一般而言，根据不同物理节点的功能不同，将其分为四种：控制节点、网络节点、计算节点和存储节点。其中不同物理节点需要支持的服务和网络接口一般不同。
   根据节点的名称，网络、存储、计算节点主要实现OpenStack平台的三大主要资源：网络（Neutron）、存储（Cinder和Swift）和计算（Nova，也可以扩展Celimeter审计资源使用情况）；而控制节点则需要支持其他功能，例如身份认证（Keystone）、UI界面（Horizon）、镜像服务（Glance）等，同时控制节点需要支持数据库，以保存各类记录，为了更为便捷的部署与编排，控制节点可以扩展实现Heat服务。
   网络接口的不同则是依据不同节点数据交换方的需要而确定。网络节点需要提供外部网络对整体服务的访问，故需要实现外部接口；而控制节点仅执行对其他节点的控制管理功能，因此只需要实现管理接口；控制节点外的其他节点除了接收控制信息的管理接口外，还会彼此之间传递数据，因此需要实现数据接口。

4.通用技术介绍

4.1 消息总线

   项目内部的不同服务进程之间的通信，必须通过消息总线。oslo（OpenStack Common Libraries）.messaging实现了以下两种方式完成项目内部不同服务进程间的通信：

• 远程过程调用（RPC）
     通过RPC一个进程可以远程调用其他进程的方法，并且有call和cast两种调用方式。
• 事件通知（Event Notification）
     某个进程将消息通知发送到消息总线，对此事件感兴趣的进程，可以获取处理此事件。

   在OpenStack支持的消息类型（RabbitMQ、ZeroMQ等）中，大部分都是基于AMQP（Advanced Message Queue Protocol，高级消息队列）实现的。AMQP是一个异步消息传递所使用的开放层协议，主要包括消息的导向、队列、路由可靠性和安全性。

   生产者（左侧）将消息发送给Exchange（Exchange有不同类型，如Direct、Fanout等，不同类型的Exchange使用不同的匹配算法），并由Exchange决定消息的路由，即决定消息发送给哪个Queue，然后消费者（右侧）从Queue中取出消息，进行处理。需要注意的是，Exchange本身不会保存数据，仅查看接收到消息的消息属性、消息头和消息体，并根据绑定（Binding）表转发到相应的Queue。

4.2SQLAlchemy和数据库

   SQLAlchemy是基于Python的一款开源软件，提供了SQL工具包以及对象关系映射器（Object Relational Mapper，ORM），是联系Python和后台数据库的桥梁。

   SQLAlchemy主要分为两部分SQLAlchemy Core和SQLAlchemy ORM。SQLAlchemy Core包括SQL语言表达式、数据引擎、连接池等，所有的实现都是以连接不同类型的后台数据库、提交查询和更新SQL请求、定义数据库类型以及定义schema等为目的。SQLAlchemy ORM提供数据映射模式，即把程序语言的对象数据映射成数据库中的关系数据，或者把关系数据映射成对象数据。

4.3RESTfulAPI和WSGI

4.3.1RESTful

   RESTful是一种互联网软件架构，其核心概念是资源，网络里的任何东西都是资源，每个资源有一个特定的URI（统一资源定位符），并用它来标识访问获取资源。资源的不同表现形式体现为资源的文件格式。网络中，在客户端和服务端之间互动传递的只是资源的表述，这个互动使用无状态协议HTTP，客户端的基本操作会使服务端的资源发生“状态转化”，也就是所谓的“表述性状态转移”。

   OpenStack的各个项目都提供了RESTful架构的API作为对外提供的接口。API服务进程在接收到客户端的HTTP请求时，一个所谓的“路由”模块会将请求的URL转换成相应的资源，并路由到合适的操作函数上。OpenStack中的路由模块源自对Rails路由系统的重新实现。Rail路由系统采用MVC模式。在收到浏览器的HTTP请求后，Rails路由系统将这个请求指派到相对应的Controller。每个Controller对应一个RESTful资源，代表对该资源的操作集合，其中包含很多个action，每个action都对应一个HTTP的请求和回应。

4.3.2WSGI

   WSGI（Web Server Gateway Interface，Web 服务器网关接口）是Python语言中所定义的Web服务器和Web应用程序或框架之间的通用接口标准。当处理一个WSGI请求时，服务端会为应用端提供上下文信息和一个回调函数，应用端处理完请求后，会使用服务端提供的回调函数返回响应。
   WSGI将Web组件分为：Web服务端、Web中间件、Web应用程序。Web服务端用于接收HTTP请求，封装环境变量。Web应用程序是一个可被调用的Python对象，只接收两个参数，通常为environ和start_response。Web中间件同时实现了服务端和应用端的API，在两端之间起协调作用。

   可以利用WebOb对WSGI的请求与响应进行封装，简化WSGI应用的编写。在WebOb中有两个重要的对象，一个是webob.Request，可以对WSGI请求的参数environ进行封装；另一个是webob.Response，包含了WSGI响应的所有要素。此外，webob.exc可以对HTTP错误代码进行封装。
   Pecon是一个轻量级的WSGI网络框架，其设计思想并不是解决Web世界的所有问题，而是主要集中在对象路由和RESTful的支持上，并不提供对话和数据库支持，用户可自由选择其他模块相配合。

4.4Eventlet和AsyncIO

   OpenStack的大部分项目采用所谓的协程（coroutine）模型。一个OpenStack服务只会运行在一个进程中，但可以利用Eventlet产生多个协程，并且协程只有在调用了某些特殊的Eventlet库函数时才会发生切换。
   与线程类似，协程也拥有自己独立的栈和堆，与其他协程共享全局变量，但在同一时间只能有一个协程运行。协程的执行顺序和时间完全由程序自己决定。协程的实现主要是在协程挂起时保存当前寄存器，重新工作时再将其恢复，可以被理解为一个线程内的伪并发方式。
   Eventlet是Python的网络库，通过协程的方式实现并发。在Eventlet中协程被称为GreenThread。由于Eventlet的局限，OpenStack考虑使用AsyncIO代替Eventlet。AsyncIO提供了一套用来写单线程并发代码的基础架构，包括协程、IO多路复用，以及信号量、队列、锁等一系列同步原语。

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参考文献
[1] OpenStack入门科普，看这一篇就够啦！
[2] 《每天5分钟玩转OpenStack》CloudMan编著
[3] OpenStack百度百科
[4] 《OpenStack设计与实现》英特尔亚太研发有限公司 著
部分图源网络，侵删。