陶 然，陽建州，宋漢征

(東華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

0 引言

云計(jì)算被視為下一代IT業(yè)的技術(shù)架構(gòu)，其概念在2007年被提出來后，便得到了飛速發(fā)展［1-3］。Google、Amazon、微軟、IBM等公司先后加入了云計(jì)算的行列，并且開發(fā)出了谷歌應(yīng)用引擎(Google App Engine)、谷歌文檔(Google Docs)、亞馬遜彈性計(jì)算云(Amazon EC2)、Windows Azure和智慧商務(wù)(Smart Business)［4］。云計(jì)算的靈活性、經(jīng)濟(jì)性、獨(dú)立性、共享性、可靠性、可擴(kuò)展性、安全性、可持續(xù)性、虛擬化、按需服務(wù)和多租戶等特點(diǎn)［5-7］，使得高校對云計(jì)算充滿期待，渴望擁有自己的云平臺，以實(shí)現(xiàn)資源的高效利用和設(shè)備的有效管理。目前的云計(jì)算技術(shù)有Eucalypus、OpenNebula、OpenStack、VMware vCloud Director、Apache VCL 等［8］。然而，面對眾多的技術(shù)，該如何根據(jù)自己的實(shí)際需求，選擇合適的技術(shù)來搭建自己的在線資源申請?jiān)破脚_，是眾多高校面臨的問題。

本文首先詳細(xì)介紹Apache VCL(Virtual Computing Laboratory，虛擬計(jì)算實(shí)驗(yàn)室)和VMware vCloud Director(VMCD)在線資源申請?jiān)破脚_的架構(gòu)與應(yīng)用，之后對Apache VCL和VMCD的工作原理、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、安全措施等方面進(jìn)行詳細(xì)的比較，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際情況，選擇適合自己的技術(shù)來搭建自己的云平臺。

1 Apache VCL架構(gòu)與應(yīng)用

Apache VCL是美國北卡羅萊納州立大學(xué)為解決其校內(nèi)學(xué)生和工作人員對計(jì)算資源日益增加的需求而搭建的一套私有云計(jì)算平臺。

1.1 架構(gòu)

Apache VCL體系結(jié)構(gòu)主要由4個部分組成:(1)用戶接口(包括圖形用戶界面和遠(yuǎn)程服務(wù)API);(2)用來記錄授權(quán)、記錄服務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(現(xiàn)在可用于Apache VCL整合的數(shù)據(jù)庫有MySQL和DB2);(3)鏡像庫;(4)服務(wù)環(huán)境管理的配置引擎。

Apache VCL的體系結(jié)構(gòu)［9-10］如圖1所示。

圖1 Apache VCL體系結(jié)構(gòu)

(1)終端用戶和授權(quán)用戶通過Web界面(也就是Apache VCL的門戶網(wǎng)站)來訪問Apache VCL云平臺。

(2)數(shù)據(jù)庫用來保存預(yù)約信息、資源清單、資源映射、用戶權(quán)限、元數(shù)據(jù)和鏡像信息。

(3)配置引擎用來處理用戶請求、加載節(jié)點(diǎn)。

(4)鏡像庫用來存放各種鏡像文件。例如，安裝虛擬機(jī)操作系統(tǒng)時的鏡像文件?，F(xiàn)在可以支持各種Windows版本和Linux版本。

(5)這里的節(jié)點(diǎn)代指物理服務(wù)器、虛擬機(jī)和計(jì)算資源。

配置引擎通過Apache VCL守護(hù)進(jìn)程vcld來管理存放著各種鏡像文件的鏡像庫，通過vcld可以添加具有一定權(quán)限的VCL用戶，也可以生成基本的Windows、Linux鏡像;配置引擎通過數(shù)據(jù)庫來保存VCL用戶信息、鏡像信息、虛擬機(jī)預(yù)約信息和服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)等信息;用戶可以通過VCL門戶向配置引擎提出請求并享受配置引擎提供的服務(wù);VCL配置引擎管理著兩種部署器:物理部署器和虛擬部署器，當(dāng)物理服務(wù)器通過xCat(集群管理工具)來構(gòu)成集群并進(jìn)行管理時，就需要使用物理部署器，這里的物理服務(wù)器可以是高性能的物理服務(wù)器，也可以是一般普通的物理機(jī)，這種情況下，用戶最終使用的就是物理機(jī)。當(dāng)使用虛擬部署器時，配置引擎可以管理若干臺VMware ESXi(采用虛擬化軟件ESXi管理的物理主機(jī)，也可以是VMware Server)，這些 VMware ESXi共享一個存儲設(shè)備，而每臺VMware ESXi可以虛擬出多臺虛擬機(jī)，這時需要將 VMware ESXi、VMware ESXi管理的用作基本鏡像的虛擬機(jī)、共享存儲通過A-pache VCL門戶進(jìn)行登記，這樣在捕捉基本鏡像的時候就可以查找到這些信息，在這種情況下，用戶最終使用的就是一臺虛擬機(jī)，這臺虛擬機(jī)所使用的計(jì)算資源就是該虛擬機(jī)所在VMware ESXi中的計(jì)算資源，使用的存儲資源就是所有VMware ESXi所共享的存儲。

1.2 應(yīng)用

Apache VCL是私有云計(jì)算平臺的一種開源解決方案，其基本目標(biāo)就是通過給用戶呈遞專用、定制的計(jì)算環(huán)境來解決大學(xué)內(nèi)學(xué)生和教師對計(jì)算資源日益增加的需求。這里專用、定制的計(jì)算環(huán)境包括軟件應(yīng)用、操作系統(tǒng)和存儲資源。Apache VCL提供了簡單、靈活、可靠、可擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)性的方法來管理用戶所需要的應(yīng)用和服務(wù)。用戶通過Web界面來選擇自己需要的專用計(jì)算環(huán)境，之后通過SSH或者遠(yuǎn)程桌面來連接并使用專用環(huán)境［11-14］。

2VMCD架構(gòu)與應(yīng)用

VMCD是VMware公司的云計(jì)算產(chǎn)品，借助VMCD，客戶可以將基礎(chǔ)架構(gòu)資源整合成虛擬數(shù)據(jù)中心資源池，并允許用戶按需使用這些資源，從而構(gòu)建安全的多租戶私有云。

2.1 架構(gòu)

圖2是VMCD體系結(jié)構(gòu)［15］，顯示了基于 VMCD云平臺的整體框架。

(1)vCloud Director數(shù)據(jù)庫和vCenter數(shù)據(jù)庫是用于VMCD管理和VMware vCenter Server管理的數(shù)據(jù)庫，目前可用的有Microsoft的SQL Server和IBM的Oracle。

(2)VMware vShield提供防火墻保護(hù)、流量分析功能以及網(wǎng)絡(luò)外圍服務(wù)來保護(hù)vCenter Server虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)。vShield Manager是vShield的集中式管理組件，使用vShield Manager可監(jiān)視并集中配置vShield App、vShield Endpoint和 vShield Edge實(shí)例。

圖2中的節(jié)點(diǎn)表示虛擬機(jī)，某個節(jié)點(diǎn)與某一個ESXi相連表示這個虛擬機(jī)所使用的計(jì)算資源(例如CPU、內(nèi)存)為這個ESXi所在機(jī)器上的計(jì)算資源(例如CPU、內(nèi)存)。用戶通過Web門戶來訪問vCloud上的資源，VMCD服務(wù)器通過vCloud Director數(shù)據(jù)庫來保存它所管理的vCenter服務(wù)器的信息(IP地址、內(nèi)存等信息)、VMCD用戶的信息(用戶名、密碼和權(quán)限等信息)以及自身的一些信息(IP地址、域名等)。一臺vCloud Director服務(wù)器可以管理多臺vCenter服務(wù)器，這些vCenter服務(wù)器通過vShield Manager來保證一個vCenter服務(wù)器單元的安全，通過vCenter數(shù)據(jù)庫來保存與之相連的ESXi的信息以及vCenter用戶的信息。每臺vCenter服務(wù)器可以管理多臺ESXi，這些ESXi可以共享一個存儲設(shè)備，每臺ESXi上的虛擬機(jī)使用的計(jì)算資源(CPU和內(nèi)存)為這臺ESXi的計(jì)算資源，使用的存儲資源為與這臺ESXi相連的存儲設(shè)備上的存儲資源。當(dāng)在一臺ESXi上新建一臺虛擬機(jī)時，就會給這臺虛擬機(jī)分配計(jì)算資源和存儲資源，這些計(jì)算資源和存儲資源分別屬于這臺ESXi和與這臺ESXi相連的存儲設(shè)備。

2.2 應(yīng)用

VMCD是基于VMware vSphere(包括單機(jī)虛擬化的ESXi和集中管理這些ESXi的VMware vCenter服務(wù)器)和VMware vShield構(gòu)建的企業(yè)級私有云。其為企業(yè)內(nèi)部部門和員工提供虛擬數(shù)據(jù)中心。用戶通過VMCD提供的Web界面來請求和定制資源，這些資源包括操作系統(tǒng)、存儲和計(jì)算資源。當(dāng)用戶請求的資源生成之后，以虛擬機(jī)的形式呈現(xiàn)給用戶，供其使用［16-18］。

3 比較

3.1 工作原理

3.1.1 Apache VCL 工作原理

使用IaaS(基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù))方式交付基礎(chǔ)架構(gòu)。Apache VCL可將多臺VMware ESXi組成的計(jì)算資源以及共享的存儲資源整合起來，用戶最終使用的虛擬機(jī)就是由這些資源來提供。這樣可以有效利用和提高資源利用率。

采用PaaS(平臺即服務(wù))和SaaS(軟件即服務(wù))的方式來消費(fèi)資源。用戶通過Apache VCL的Web門戶來申請和預(yù)約資源，資源準(zhǔn)備完成后將以虛擬機(jī)的形式交付給用戶，用戶就在瀏覽器中操作目標(biāo)虛擬機(jī)，目標(biāo)虛擬機(jī)由用戶指定的操作系統(tǒng)、存儲、軟件組成［10，19］。

3.1.2VMCD 工作原理

采用IaaS方式交付基礎(chǔ)架構(gòu)。VMCD可將多個集群的基礎(chǔ)架構(gòu)資源整合成基于策略的虛擬數(shù)據(jù)中心資源池，通過與已經(jīng)部署的vSphere集成并擴(kuò)展VMware Distributed Resource Schedules(VMware分布式資源調(diào)度)和VMware vNetwork分布式交換機(jī)等功能，VMware vCloud Director能夠跨多個集群提供彈性的計(jì)算、存儲和網(wǎng)絡(luò)連接接口。通過將基礎(chǔ)架構(gòu)容量以邏輯方式池化成虛擬數(shù)據(jù)中心，IT部門可以將IT服務(wù)的消費(fèi)與交付相分離，從而更有效地管理資源。

實(shí)現(xiàn)服務(wù)移動性。VMCD采用 vCloud API和OVF(Open Virtualization Format，開放虛擬化格式)等開放式標(biāo)準(zhǔn)，因此管理員可以跨云打包和遷移工作負(fù)載。通過在vAPP中封裝多個虛擬機(jī)服務(wù)和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)連接策略，在同一個云環(huán)境的終端用戶彼此之間可以輕松地共享服務(wù)，而IT部門則可以輕松地在云之間遷移服務(wù)。終端用戶和IT現(xiàn)在都可以將服務(wù)作為靈活、可移動的單元進(jìn)行處理，而不讓服務(wù)受到特定部署環(huán)境的制約。

采用IaaS方式消費(fèi)基礎(chǔ)架構(gòu)。終端用戶可以通過Web門戶和編程接口按需部署服務(wù)和消費(fèi)資源。IT可以在同一個共享基礎(chǔ)架構(gòu)中使用多種資源分配模式，包括從“按服務(wù)付費(fèi)”到固定保留池等多種模式?？梢允褂肰Mware vCenter Changeback計(jì)量和監(jiān)控服務(wù)部署，從而確保資源使用的責(zé)任落實(shí)情況。最終IT部門可利用基于現(xiàn)有的LDAP目錄服務(wù)實(shí)現(xiàn)的基于角色的訪問控制機(jī)制，通過權(quán)限配額和租約來保持控制力，不必再填寫申請單并排長隊(duì)等待，終端用戶只需要幾分鐘即可快速、可控的訪問虛擬機(jī)［17］。

3.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.2.1 Apache VCL 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖3顯示了Apache VCL云平臺的整體網(wǎng)絡(luò)框架［20］。在Apache VCL中分兩種網(wǎng)絡(luò):公有網(wǎng)絡(luò)和私有網(wǎng)絡(luò)。公有網(wǎng)絡(luò)用來進(jìn)行通信和用戶訪問，設(shè)置私有網(wǎng)絡(luò)的目的為:(1)管理節(jié)點(diǎn)可通過私有網(wǎng)絡(luò)來管理和調(diào)度存儲設(shè)備、VMware ESXi和虛擬機(jī);(2)VM-ware ESXi、虛擬機(jī)、VCL管理節(jié)點(diǎn)和存儲設(shè)備間利用私有網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行通信。因此，ESXi服務(wù)器都具有兩個網(wǎng)卡:eth0和eth1，一般eth0連接在私有網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上，eth1連接在公有網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上。由于存儲設(shè)備只需要和管理節(jié)點(diǎn)、VMware ESXi通信，因此存儲設(shè)備只需私有網(wǎng)絡(luò)相連。管理節(jié)點(diǎn)可以管理若干臺VMware ESXi，這些ESXi服務(wù)器之間共用一套存儲設(shè)備。每臺ESXi里面的虛擬機(jī)都有兩個虛擬網(wǎng)卡，其網(wǎng)絡(luò)連接方式如圖4所示。

圖3 Apache VCL云平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖4 ESXi內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖4顯示了在Apache VCL云平臺中，每個VM-ware ESXi中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，ESXi服務(wù)器上的兩個網(wǎng)卡對于在其上的虛擬機(jī)而言，就是兩個虛擬交換機(jī)，其中虛擬機(jī)的網(wǎng)卡eth0連接到ESXi的eth0對應(yīng)的交換機(jī)，虛擬機(jī)的網(wǎng)卡eth1連接到ESXi的eth1對應(yīng)的交換機(jī)。虛擬機(jī)通過其所在的VMware ESXi的網(wǎng)卡與外部進(jìn)行通信。

通過在管理節(jié)點(diǎn)上安裝DHCP服務(wù)器，并配置dhcp.conf文件，可以給新生成的虛擬機(jī)自動分配IP地址。

3.2.2VMCD 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖5 VMCD云平臺的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖5顯示了基于VMCD的云平臺的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)包含兩類網(wǎng)絡(luò):管理網(wǎng)路和通訊網(wǎng)絡(luò)。VMCD服務(wù)器通過管理網(wǎng)絡(luò)與Vmware vSphere Server交互，進(jìn)而管理VMware ESXi和虛擬機(jī)，通訊網(wǎng)絡(luò)用于VM-ware ESXi之間以及VMware ESXi和存儲設(shè)備之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。VMCD服務(wù)器只需要和管理網(wǎng)絡(luò)(外部網(wǎng)絡(luò))相連，不需要和存儲設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)(私有網(wǎng)絡(luò))相連。

圖6 ESXi內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)

Apache VCL云平臺可直接管理ESXi主機(jī)，VM-CD通過vSphere Server管理ESXi主機(jī)，這是兩者之間的一個明顯區(qū)別。

在VMCD中，對于每個ESXi宿主機(jī)來說，里面的虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)配置也不同于基于Apache VCL的云平臺里面的ESXi里面的網(wǎng)絡(luò)配置。VCL中的每臺虛擬機(jī)需要兩個IP，而且能夠自動分配兩個IP，一個公有網(wǎng)絡(luò)的IP，一個私有網(wǎng)絡(luò)的IP。VMCD中，虛擬機(jī)只需要一個對外提供服務(wù)的IP即可。

3.3 安全措施

3.3.1 ApacheVCL 安全措施

在云環(huán)境中，要確定安全性的定義很難。對于任何分布式系統(tǒng)，安全度量的最終程度同時依賴于身份認(rèn)證和服務(wù)授權(quán)。Apache VCL在其系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了以下幾個級別的安全性:

(1)基于LDAP的身份驗(yàn)證。Apache VCL身份驗(yàn)證是一種基于從屬管理的LDAP服務(wù)。根據(jù)用戶的從屬管理，Apache VCL對不同的用戶訪問支持不同的LDAP服務(wù)。

(2)環(huán)境級別的身份驗(yàn)證。這種身份驗(yàn)證模式將因環(huán)境而異，它通常由鏡像創(chuàng)建時間確定。在Windows中，它將創(chuàng)建一個一次性賬戶，該賬戶在預(yù)訂時創(chuàng)建，在使用后廢止。在Linux環(huán)境中，它可以利用現(xiàn)有的身份驗(yàn)證基礎(chǔ)設(shè)施，或者使用獨(dú)立的賬戶機(jī)制。

除此之外，如果用戶經(jīng)過授權(quán)允許做出Apache VCL預(yù)訂時，Apache VCL使用操作系統(tǒng)級別的防火墻鎖定所供應(yīng)環(huán)境的IP，使其成為最終用戶的IP地址。

在預(yù)約過程中，在普通預(yù)約模式下，需要用戶確定預(yù)約請求，在確定過程中，Apache VCL會獲取用戶的IP地址，然后管理節(jié)點(diǎn)就會通過打開預(yù)約的虛擬機(jī)的正確服務(wù)端口來修改操作系統(tǒng)級的防火墻，這樣用戶就可以連接到預(yù)約的虛擬機(jī)［22］。

目前用戶訪問預(yù)約虛擬機(jī)的基本方式有SSH和遠(yuǎn)程桌面連接，在稍后的版本中會將一次性密碼作為附加的安全措施，也會考慮其他的訪問方法［11］。

3.3.2VMCD 安全措施

為了保證VMCD云平臺的安全性，VMware公司提供以下安全措施:

(1)基于VMware vShield的邊界防護(hù)。VMware vShield是專為VMware vCenter Server集成而構(gòu)建的安全性虛擬設(shè)備套件，vShield是保護(hù)虛擬化數(shù)據(jù)中心免遭攻擊和誤用的關(guān)鍵安全組件，可幫助實(shí)現(xiàn)合規(guī)性強(qiáng)制要求目標(biāo)。VMware vShield提供防火墻保護(hù)、流量分析功能以及網(wǎng)絡(luò)外圍服務(wù)來保護(hù)VMCD基礎(chǔ)架構(gòu)［7］。

(2)基于LDAP的身份驗(yàn)證。

(3)權(quán)限控制。通過Web界面來配置賦予用戶和組的角色，一個角色能夠決定指定用戶具有什么樣的權(quán)限。每一個工作空間由它的所有者、管理員和共享它的用戶訪問，其中共享權(quán)限可以是只讀、完全訪問、修改和刪除。

(4)基于NAT虛擬路由的網(wǎng)絡(luò)控制。NAT虛擬路由能夠保證各個工作空間相互隔離，用戶不能從一個工作空間進(jìn)入另外一個工作空間，只能在自己的工作空間內(nèi)操作。同時也使得外部網(wǎng)絡(luò)無法直接連接內(nèi)部工作空間［23］。

3.4 其他

基于Apache VCL的云平臺和基于VMCD的云平臺在權(quán)限分配、查看系統(tǒng)資源等方面也有所不同。在權(quán)限分配方面，Apache VCL使用基于權(quán)限樹［11］的分配策略來給用戶或用戶組分配權(quán)限，在VMCD中，使用細(xì)粒度的目錄樹來分配權(quán)限。

圖7 Apache VCL統(tǒng)計(jì)

圖8 VMCD監(jiān)控與管理

由圖7和圖8可以看出，在查看系統(tǒng)資源方面，基于Apache VCL的云平臺通過Web界面可以對系統(tǒng)在某一階段的資源預(yù)約情況、鏡像加載時間、資源預(yù)約走勢等方面一目了然。而基于VMCD的云平臺可以對存儲設(shè)備的使用情況有直觀的了解。

Apache VCL和VMCD最主要的一個區(qū)別是:A-pache VCL開源免費(fèi)，VMCD是VMware公司提供的商業(yè)化云平臺工具。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了Apache VCL云平臺和VMware vCloud Director兩個在線資源申請?jiān)破脚_的架構(gòu)和應(yīng)用，并對它們的工作原理、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、安全措施等方面進(jìn)行了全面的比較，使讀者對著兩套云平臺有了清楚的認(rèn)識，并能給各高校搭建云平臺提供一定幫助。雖然，Apache VCL是一個開源、免費(fèi)的云平臺架構(gòu)，但是其目前應(yīng)用并不廣泛，可供參考的資料少之又少，搭建過程中，需要自己探索和嘗試。VMware vCloud Director是一個成功的商業(yè)云平臺，可以在其官網(wǎng)上獲得技術(shù)支持和幫助。因此，對于用戶來說，如果自身有足夠的技術(shù)實(shí)力來搭建和利用Apache VCL，那么Apache VCL無疑是搭建云平臺技術(shù)的最佳選擇;如果用戶在技術(shù)方面有所欠缺，但是有足夠的資金，VMware vCloud Director則是較好的選擇。在搭建云平臺時，用戶應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際情況，對云平臺的技術(shù)進(jìn)行合理選擇。

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