涂 剛，徐 娟

（江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

Openstack與Docker融合的探究

涂 剛，徐 娟

（江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

OpenStack已成為了云計算中基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，簡稱Iaas）標(biāo)準(zhǔn)。Docker是基于Linux容器為基礎(chǔ)構(gòu)建的容器引擎，通過命名空間和資源劃分實(shí)現(xiàn)資源隔離和調(diào)配，使用分層存儲構(gòu)建鏡像，實(shí)現(xiàn)了將操作系統(tǒng)和應(yīng)用捆綁的方法，使得應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化、集裝箱化傳遞成為現(xiàn)實(shí)。文章探究了OpenStack、Docker的融合，分析了OPenStack融合Docker的三種方案，為OpenStack的部署、Docker技術(shù)的應(yīng)用提供了參考。

云計算；容器技術(shù)；命名空間；資源劃分

0 引言

云計算已在企業(yè)中落地推廣；OpenStack[1]為用戶提供了廣泛的組件，將存儲，計算，監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)分為幾個項目進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)，其開源、靈活性、可擴(kuò)展性、創(chuàng)新性、市場空間、節(jié)省成本、簡單的自動化等方面顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，OpenStack已成為云計算中基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，簡稱Iaas）標(biāo)準(zhǔn)[2]-[5]。Docker主旨是提供一套能夠在共享式基礎(chǔ)設(shè)施之上對軟件工作負(fù)載進(jìn)行管理的容器環(huán)境，同時又確保不同負(fù)載之間彼此隔離且互不影響[6]；Docker還允許工作負(fù)載直接訪問設(shè)備驅(qū)動程序、從而帶來遠(yuǎn)超過虛擬機(jī)管理程序方案的I/O運(yùn)行速度；Docker成為云計算中另一個不可或缺的技術(shù)[7]-[9]。OpenStack與Docker的融合是云計算發(fā)展的必然[10]。

1 OpenStack組件

Rackspace公司和NASA（美國航空航天局）合作研發(fā)的開源云計算平臺——OpenStack于2010年貢獻(xiàn)到開源社區(qū)，它是一個完全開放源代碼的項目，任何企業(yè)及個人都可以參與到該項目的開發(fā)和測試中，并貢獻(xiàn)代碼。目前，最新的OpenStack版本是Ocata，它是自O(shè)penStack項目創(chuàng)立以來的第15個版本；OpenStack通過keystone、glance、nova、neutron等組件[11]（如圖1所示）實(shí)現(xiàn)對裸機(jī)、虛機(jī)、塊存儲、對象存儲、文件目錄、網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載均衡、防火墻等數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)的統(tǒng)一調(diào)度管理。

圖1 OpenStack架構(gòu)Fig.1 OpenStack architecture

OpenStack各個服務(wù)之間API調(diào)用關(guān)系如圖2所示，其中實(shí)線代表client的API調(diào)用，虛線代表各個組件之間通過rpc調(diào)用。OpenStack的這種松耦合架構(gòu)使得各個組件的開發(fā)人員可只關(guān)注各自的領(lǐng)域，對各自領(lǐng)域的修改不會影響到其他開發(fā)人員[12]。不過這種松耦合的架構(gòu)也給整個系統(tǒng)的維護(hù)帶來了一定的困難，運(yùn)維人員要掌握更多的系統(tǒng)相關(guān)的知識去調(diào)試出了問題的組件。因此開發(fā)人員和維護(hù)人員都要清楚OpenStack各個組件之間的相互調(diào)用關(guān)系[13]。

2 Docker技術(shù)

Docker[14]起源于2013年3月，是基于Linux容器（Linux Container，簡稱LXC）為基礎(chǔ)構(gòu)建的容器引擎，通過命名空間（namespace）和資源劃分（controller group，簡稱cgourp）實(shí)現(xiàn)資源隔離和調(diào)配，使用分層存儲構(gòu)建鏡像，實(shí)現(xiàn)了將操作系統(tǒng)（Operating System，簡稱OS）和應(yīng)用捆綁的方法，使得應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化、集裝箱化傳遞成為現(xiàn)實(shí)。[15]-[16]

圖2 OpenStack服務(wù)調(diào)用關(guān)系Fig.2 OpenStack service call relationship

Docker采用客戶端-服務(wù)器（client-server）架構(gòu)模式[17]，如圖3所示。Docker守護(hù)進(jìn)程處理建立、運(yùn)行、發(fā)布等任務(wù)；Docker客戶端和守護(hù)進(jìn)程可以運(yùn)行在同一個系統(tǒng)或不同系統(tǒng)中。Docker客戶端與Docker守護(hù)進(jìn)程通過socket或者RESTful API進(jìn)行通信。

圖3 Docker的架構(gòu)Fig.3 Docker architecture

Docker鏡像是用來創(chuàng)建容器的，是一個只讀的模板；一個鏡像可以包含一個運(yùn)行在Apache上的Web應(yīng)用和其使用的操作系統(tǒng)（主要為Ubuntu）。Docker倉庫用來保存鏡像；相當(dāng)于一個代碼倉庫，Docker倉庫分為公有和私有；公有的Docker倉庫一般指的是Docker Hub；私有倉庫是用戶自己創(chuàng)建的倉庫。一個Docker容器包含了某個應(yīng)用運(yùn)行所需要的環(huán)境。每一個Docker容器都是從Docker鏡像創(chuàng)建的。Docker容器可以運(yùn)行、開始、停止、移動和刪除、保存為鏡像。Docker內(nèi)部采用Linux的namespace機(jī)制實(shí)現(xiàn)隔離，采用cgroup實(shí)現(xiàn)資源的劃分（例如給容器劃分2G內(nèi)存、0.5個cpu）；這樣每一個Docker容器都是獨(dú)立和安全的應(yīng)用平臺。

命名空間[17]是為操作系統(tǒng)層面的虛擬化機(jī)制提供支撐，目前實(shí)現(xiàn)的有六種不同的命名空間，分別為mount命名空間、UTS命名空間、IPC命名空間、用戶命名空間、PID命名空間、網(wǎng)絡(luò)命名空間。命名空間簡單來說提供的是對全局資源的一種抽象，將資源放到不同的容器中（不同的命名空間），各容器彼此隔離。命名空間有的還有層次關(guān)系，如PID命名空間，命名空間的層次關(guān)系如圖4所示。

圖4 命名空間的層次關(guān)系Fig.4 hierarchy of namespaces

Docker是一個開源的應(yīng)用容器引擎，開發(fā)者可以打包自己的應(yīng)用以及依賴包到一個可移植的容器中，然后發(fā)布到的Linux 機(jī)器上，與KVM這類超級底層虛擬化方案相比，Docker是一種輕量級虛擬化方案，不需要對內(nèi)核進(jìn)行改變，Docker主要利用linux內(nèi)核特性實(shí)現(xiàn)虛擬化，所有容器運(yùn)行在同一個內(nèi)核中。另外，Docker還可以部署在KVM/XEN這類虛擬機(jī)中，容器與虛擬機(jī)對比如圖5所示[5]。

3 Openstack與Docker的融合

云計算就是希望把計算像水電一樣提供給用戶使用。然而用戶并不是直接使用電，而是使用電燈電視等；同樣，用戶并不會直接使用計算資源，而是使用在計算資源上層開發(fā)的一些應(yīng)用。OpenStack將硬件資源虛擬化出計算資源池，向上開放了一系列API，用于支持上層應(yīng)用的開發(fā)，滿足用戶對計算資源的各種需求。OpenStack與Docker的融合有兩個方面[6]。

圖5 虛擬機(jī)與容器對比Fig.5 Containers vs. VMs

（1）利用Docker進(jìn)行OpenStack部署。將OpenStack的各種服務(wù)分別部署在一個容器中，將所有容器互連提供OpenStack服務(wù)。以往的自動化部署需要將在每臺服務(wù)器上面跑部署腳本，現(xiàn)在只需在每臺服務(wù)器上面運(yùn)行Docker容器即可，實(shí)現(xiàn)了OpenStack平臺的秒級部署。

（2）在OpenStack中融合Docker，提供PaaS服務(wù)；在這種情況下，云基礎(chǔ)設(shè)施能夠在容器或者虛擬機(jī)管理程序當(dāng)中提供一套完整的數(shù)據(jù)中心管理解決方案，而這僅僅屬于龐大系統(tǒng)整體當(dāng)中的組成部分之一。以O(shè)penStack為代表的云基礎(chǔ)設(shè)施方案當(dāng)中包含多租戶安全性與隔離、管理與監(jiān)控、存儲及網(wǎng)絡(luò)外加其它多種功能設(shè)置。任何云數(shù)據(jù)中心管理體系都不能脫離這些服務(wù)而獨(dú)立存在，但對于Docker或者是KVM基礎(chǔ)環(huán)境卻不會做出過多要求。目前，OpenStack中融合Docker有三種方案。

① Docker Driver for Nova。通過nova-api、docker driver作為hypervisor部署[18]，如圖6所示。nova-computer-api調(diào)用virt api將nova docker driver作為http agent和docker rest api互通，從而控制docker和與容器的通信。另外，glance作為docker register服務(wù)的本地節(jié)點(diǎn)，提供image服務(wù)。

圖6 nova-docker方案Fig.6 Docker Driver for Nova

該方案將容器像VM一樣操作，通過增加nove docker driver，實(shí)現(xiàn)對Docker容器的啟停、創(chuàng)建等常規(guī)VM的操作，可以通過Docker save方式將鏡像存放在glance之中，該種方案優(yōu)點(diǎn)在于可以使用現(xiàn)成的Openstack neutron來管理網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)租戶的資源配額、使用host os（注：此處不等于baremetal）等Openstack的好處。然而缺點(diǎn)是沒法使用Docker/ COEs（容器調(diào)度引擎，Containers Orchestration Engines，簡稱COEs）服務(wù)發(fā)現(xiàn)、端口映射等的更有價值功能。

② Heat Docker Plugin。通過Heat組件來實(shí)現(xiàn)[19]，如圖7所示。利用heat來管理docker的資源模板，避免nova僅僅在hypervisor層面對docker管理的限制。

圖7 Heat docker plugin方案Fig.7 Heat docker plugin

該方案不依賴于nova的調(diào)用，而是通過Openstack編排組件Heat進(jìn)行編排調(diào)用，通過使用Heat Docker Plugin 在創(chuàng)建的vm上使用Heat template設(shè)定Docker的參數(shù)，來使用Docker api提供的所有功能，缺點(diǎn)在于vm上使用Docker，無法實(shí)現(xiàn)資源調(diào)度，需要較多的配置工作，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模集群管理。

③ Magnum。因?yàn)镈ocker Driver for Nova和Docker Plugin for Heat的不足，OpenStack組建了一個Containers團(tuán)隊，推出了magnum。通過magnum管理在vm及baremetal上提供COEs的服務(wù)。

magnum的架構(gòu)[20]如圖8所示。通過定義Bay、Node、Pod映射為COEs的集群、pod的實(shí)現(xiàn)，完成對COES的部署調(diào)度，由COEs調(diào)度部署Docker，可以理解成COEs as a service的實(shí)現(xiàn)。通過Openstack現(xiàn)有的Heat、Cinder、Nova、Neutron、Glance和Keystone等組件實(shí)現(xiàn)租戶、編排、鏡像、認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)等其他功能管理功能。由于現(xiàn)有COEs的網(wǎng)絡(luò)方案還存在多樣性和變數(shù)，因此存在需要多種驅(qū)動的逐一實(shí)現(xiàn)的問題。

4 結(jié)束語

OpenStack與Docker是云計算中熱門的兩個技術(shù)。OpenStack作為云計算基礎(chǔ)設(shè)施解決方案，包含任何云數(shù)據(jù)中心管理體系都需要的多租戶安全性與隔離、管理與監(jiān)控、存儲及網(wǎng)絡(luò)等服務(wù)；Docker技術(shù)能夠在共享式基礎(chǔ)設(shè)施之上對軟件工作負(fù)載進(jìn)行管理，同時又確保不同負(fù)載之間彼此隔離互不影響。將OpenStack與Docker融合，提高資源利用率，降低I/O資源開銷，將OpenStack、KVM以及Docker其視為一整套輔助堆?！渲蠴penStack扮演整體數(shù)據(jù)中心管理方案的角色，KVM作為多租戶計算資源管理工具，而Docker容器則負(fù)責(zé)與應(yīng)用部署包相關(guān)的工作。

圖8 magnum架構(gòu)Fig.8 Magnum architecture

[1] https://www.openstack.org.

[2] 金永霞, 孫寧. 基于OpenStack的云計算實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)與應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2016, 33(6): 145-149.

[3] 李磊, 李小寧, 金連文. 基于OpenStack的科研教學(xué)云計算平臺的構(gòu)建與運(yùn)用[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2014, 31(6): 127-133.

[4] 李英壯, 汪楠, 李先毅. 基于OpenStack開發(fā)云平臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報: 理學(xué)版, 2012, 58(增刊): 58-60.

[5] 任鋼, 王國棟. 云計算架構(gòu)下的安全生產(chǎn)應(yīng)急預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用[J]. 軟件, 2012, 33(7): 1-4.

[6] 劉思堯, 李強(qiáng), 李斌. 基于Docker技術(shù)的容器隔離性研究[J]. 軟件, 2015, 36(4): 110-113.

[7] 王亞玲, 李春陽, 崔蔚, 張晶. 基于Docker的PaaS平臺建設(shè)[J]. 計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用, , 2016, 25(3): 72-77.

[8] 楊莎莎, 鄒華. 托管Paas平臺安全容器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].軟件, 2012, 33(12): 1-5.

[9] Dua, Bangalore, Raja. Virtualization vs Containerization to Support PaaS. IEEE, 2014, 41: 610-614.

[10] 劉思堯, 李強(qiáng), 李斌. 基于Docker技術(shù)的容器隔離性研究[J]. 軟件, 2015, 36(4): 110-113.

[11] 張進(jìn)鐸, 毛承國, 李碩, 張衛(wèi)華, 馬迅飛. OpenStack開源云平臺主模塊的架構(gòu)分析[J]. 信息技術(shù)與信息化, 2014, 6(4): 244-247.

[12] Litvinski O, Gherbi A. Experimental Evaluation of Open-Stack Compute Scheduler[J]. Procedia Computer Science, 2013, 19: 116-123.

[13] 丁小盼, 周浩, 賀珊, 等. 基于OpenStack的云測試平臺及其性能分析研究[J]. 軟件, 2015, 36(1): 6-11.

[14] 張忠琳, 黃炳良. 基于OpenStack云平臺的Docker應(yīng)用[J].軟件, 2014, 35(11): 73-76.

[15] 馬越, 黃剛. 基于Docker的應(yīng)用軟件虛擬化研究[J]. 軟件, 2015, 36(3): 10-14.

[16] Love, R. "Linux Kernel Development, Third Edition"[M]. China Machine Press, Beijing. 2011.

[17] 于燁, 李斌, 劉思堯. Docker技術(shù)的移植性分析研究[J]. 軟件, 2015, 36(7): 57-60.

[18] https://wiki.openstack.org/wiki/Docker.

[19] https://github.com/MarouenMechtri/Docker-containers-deplo yment-with-OpenStack-Heat.

[20] http://docs.openstack.org/developer/kolla/.

The Exploration of OpenStack and Docker

TU Gang, XU Juan
(Jiangsu Vocational College of Finance and Economics Huaian Jiangsu 223003)

OpenStack has become the Infrastructure as a Service (Iaas) standard in cloud computing. Docker is based on the Linux container-based container engine, through the namespace and controller group to achieve resource isolation and deployment, the use of tiered storage to build the image, to achieve the operating system and application bundled methods, making the application system environment standardization, containerization Passing into reality. This paper explores the integration of OpenStack and Docker, and analyzes the three schemes of Open-Stack fusion Docker, which provides a reference for OpenStack and Docker.

Cloud computing; Container technology; Namespace; Controller group

TP399

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.05.013

大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)課程體系與課程標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)(2016GHB01006)，全國高等院校計算機(jī)基礎(chǔ)教育研究會2016年度高職科研規(guī)劃縱向重點(diǎn)課題；自適應(yīng)空間域圖像數(shù)字水印算法研究(2016JSCJ01001)，江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題

涂剛(1971-)，男，湖北仙桃人，碩士，副教授，主要研究方向：云計算，大數(shù)據(jù)；徐娟(1996-)，女，江蘇淮安人，?？?，主要研究方向：云計算。

本文著錄格式：涂剛，徐娟. Openstack與Docker融合的探究[J]. 軟件，2017，38（5）：59-63