毛軍禮

摘要：云計(jì)算是近年來(lái)IT領(lǐng)域非常熱門(mén)的研究方向，OpenStack作為開(kāi)源的云計(jì)算平臺(tái)得到了廣泛地應(yīng)用，重點(diǎn)對(duì)OpenStack中的Nova服務(wù)進(jìn)行介紹。描述Nova服務(wù)在OpenStack中的地位及與其他服務(wù)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，分別對(duì)Nova組件的邏輯架構(gòu)、運(yùn)行架構(gòu)和部署架構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明，并對(duì)Nova服務(wù)中的消息隊(duì)列、Nova Network組件和Nova Scheduler組件的工作原理進(jìn)行了進(jìn)一步闡述，提出了一種基于OpenStack的適合實(shí)驗(yàn)室或中小型企業(yè)的私有云構(gòu)建方案，并描述了其安裝部署流程。

關(guān)鍵詞：OpenStack；Nova；Nova Network；Nova Scheduler；私有云

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2018）03-60-4

Nova Service of OpenStack

MAO Junli

（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang Hebei 050081， China）

0引言

隨著云計(jì)算時(shí)代的到來(lái)，出現(xiàn)了各種基于IaaS層的云管理平臺(tái)。OpenStack作為開(kāi)源云管理平臺(tái)軟件的代表，得到了越來(lái)越多企業(yè)的應(yīng)用和個(gè)人開(kāi)發(fā)者的支持。OpenStack平臺(tái)是為了讓企業(yè)構(gòu)建靈活高效的云計(jì)算環(huán)境，打造一個(gè)部署更加靈活、功能豐富且高擴(kuò)展性的云計(jì)算平臺(tái)。OpenStack平臺(tái)的核心組件就是Nova服務(wù)，也就是通常所說(shuō)的OpenStack計(jì)算服務(wù)，Nova服務(wù)是OpenStack平臺(tái)的中心控制單元，提供虛擬機(jī)實(shí)例的運(yùn)行功能、云網(wǎng)絡(luò)的管理功能、用戶(hù)控制、資源管理和訪問(wèn)管理的云部署功能。

1 Nova在OpenStack框架中的位置

OpenStack的功能由多個(gè)子項(xiàng)目協(xié)同實(shí)現(xiàn)，分別是Nova、 Swift、Keystone、Neutron、Glance及Horizon等，其中，Nova是核心管理部分[1-2]。在OpenStack云平臺(tái)系統(tǒng)中，Nova服務(wù)作為整個(gè)系統(tǒng)最為核心的模塊，完成虛擬機(jī)實(shí)例全生命周期管理、云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)管理及云平臺(tái)存儲(chǔ)管理等有關(guān)的管控能力。

OpenStack由多個(gè)單元組成：①Heat單元的作用是編排云；②Horizon組件為其他云服務(wù)提供一個(gè)基于Web的操作界面；③Ceilometer負(fù)責(zé)監(jiān)視其他模塊，其他模塊通過(guò)Keystone進(jìn)行身份認(rèn)證；④虛擬機(jī)（VM）是實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的核心，Nova負(fù)責(zé)創(chuàng)建VM；⑤Glance提供鏡像給虛擬機(jī)；⑥Cinder提供快存儲(chǔ)服務(wù)給虛擬機(jī)；⑦Neutron提供虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)及服務(wù)；⑧Swift負(fù)責(zé)OpenStack的對(duì)象的存儲(chǔ)，可保存Glance的鏡像文件和Cinder的備份卷。

Nova組件的主要任務(wù)是完成虛擬機(jī)的創(chuàng)建和維護(hù)，以及云平臺(tái)的管控和服務(wù)提供等。Nova通過(guò)與Keystone組件交互獲得認(rèn)證授權(quán)服務(wù)、與Glance組件交互獲得虛擬機(jī)鏡像及與Horizon組件交互獲得用戶(hù)和管理員接口。

2 Nova邏輯架構(gòu)

Nova雖然是OpenStack中的一個(gè)組件，但是Nova與OpenStack整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念相當(dāng)一致。Nova也是根據(jù)功能的不同，被劃分成為不同的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)，Nova邏輯架構(gòu)如圖1所示。

①Nova-API：API服務(wù)守護(hù)進(jìn)程，是OpenStack計(jì)算服務(wù)的核心，提供查詢(xún)?nèi)肟诮o其他所有的API，對(duì)大部分部署活動(dòng)進(jìn)行初始化，以及配置一些策略；

②Nova-Compute：計(jì)算單元守護(hù)進(jìn)程，主要負(fù)責(zé)VM的創(chuàng)建和停止；

③Nova-Volume：卷服務(wù)進(jìn)程，負(fù)責(zé)映射到計(jì)算機(jī)卷的創(chuàng)建、追加、作廢及刪除等管理活動(dòng)；

④Nova-Network：網(wǎng)絡(luò)控制守護(hù)進(jìn)程，負(fù)責(zé)從消息隊(duì)列中獲取網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的作業(yè)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的程序以操控網(wǎng)絡(luò)；

⑤Nova-Scheduler：調(diào)度管理后臺(tái)進(jìn)程，負(fù)責(zé)調(diào)度選擇計(jì)算節(jié)點(diǎn)，以啟動(dòng)新的VM運(yùn)行實(shí)例，通過(guò)特定的計(jì)算模型和算法從計(jì)算資源池中選擇合適的計(jì)算節(jié)點(diǎn)作為可調(diào)度的資源；

⑥Nova-Database：利用基于SQL的集中式數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)云基礎(chǔ)平臺(tái)中的絕大多數(shù)編譯和運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)；

⑦Queue：提供中心hub，是整個(gè)Nova組件中的消息中樞，為守護(hù)進(jìn)程傳遞信息。

OpenStack的開(kāi)發(fā)方、系統(tǒng)使用人員或系統(tǒng)其他組件通過(guò)Nova-PAI作為調(diào)用入口，Nova內(nèi)部的組件都是通過(guò)消息隊(duì)列或數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)API的調(diào)用和消息的傳遞。

3 Nova運(yùn)行架構(gòu)

Nova-API在Nova服務(wù)中是重要的關(guān)鍵單元，為其他組件訪問(wèn)提供標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一接口，計(jì)算資源服務(wù)、存儲(chǔ)資源服務(wù)及網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)等模塊都是通過(guò)API接口來(lái)執(zhí)行服務(wù)。API接口之間可以相互調(diào)用，在OpenStack中，計(jì)算服務(wù)通過(guò)調(diào)用存儲(chǔ)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的API接口對(duì)外提供服務(wù)，虛擬機(jī)創(chuàng)建的時(shí)序圖如圖2所示。

①創(chuàng)建VM：VM實(shí)例的建立需通過(guò)調(diào)用Nova-API提供的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，Nova-API服務(wù)單元進(jìn)行參數(shù)校驗(yàn)和用戶(hù)合法性校驗(yàn)，根據(jù)所要?jiǎng)?chuàng)建的VM的CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)和網(wǎng)絡(luò)等要素信息，Compute-API服務(wù)單元訪問(wèn)虛擬機(jī)實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)。

②調(diào)度：通過(guò)Nova-Scheduler和Compute-API單元配合，確定新建的VM實(shí)例運(yùn)行在的哪個(gè)物理主機(jī)上，VM實(shí)例的調(diào)度消息將通過(guò)Compute-API接口以遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用的模式傳遞給消息隊(duì)列。

③訂閱調(diào)度消息：Nova-Scheduler單元通過(guò)訂閱調(diào)度消息來(lái)接收包含調(diào)度信息的消息。收到調(diào)度消息之后，Nova-scheduler單元在所有可用的計(jì)算節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)物理主機(jī)運(yùn)行新創(chuàng)建的虛擬機(jī)實(shí)例，消息隊(duì)列將收到Nova調(diào)度單元傳來(lái)的VM的基礎(chǔ)消息和物理主機(jī)數(shù)據(jù)。

④部署：物理主機(jī)訂閱并收到調(diào)度消息，通過(guò)調(diào)度消息中所包含的要素創(chuàng)建并運(yùn)行虛擬機(jī)。

⑤分配IP：VM實(shí)例建立完成以后，Nova-Compute單元調(diào)用Network-API接口，把VM實(shí)例信息和網(wǎng)絡(luò)信息統(tǒng)一發(fā)送給消息隊(duì)列。

⑥訂閱網(wǎng)絡(luò)消息：Nova-Network訂閱并將接收到網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息，Nova-Network結(jié)合DHCP給新創(chuàng)建的虛擬機(jī)實(shí)例分配IP地址。

⑦完成網(wǎng)絡(luò)分配。

4 Nova部署架構(gòu)

Nova組件的安裝配置和布設(shè)非常靈活便捷，常用的有以下幾種部署架構(gòu)：

①單節(jié)點(diǎn)架構(gòu)：在單臺(tái)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上安裝部署所有的Nova服務(wù)組件，這種部署方式通常用于實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，或者開(kāi)發(fā)；

②雙節(jié)點(diǎn)架構(gòu)：2臺(tái)服務(wù)器，一臺(tái)安裝配置作為云控制器節(jié)點(diǎn)，另一臺(tái)安裝配置作為ComputeNode，ComputeNode運(yùn)行Nova-Compute，云控制節(jié)點(diǎn)運(yùn)行所有Nova的其他服務(wù)組件；

③多節(jié)點(diǎn)架構(gòu)：在雙節(jié)點(diǎn)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，將Nova-Compute部署在一臺(tái)單獨(dú)的服務(wù)器上，為了增加更多的Compute Node，在新加的服務(wù)器上拷貝nova.conf配置文件，即可形成多節(jié)點(diǎn)的部署架構(gòu)。

5消息隊(duì)列

在Nova組件中，所采用的消息隊(duì)列是AMQP高級(jí)消息隊(duì)列協(xié)議[3-5]，是處于應(yīng)用層的一種協(xié)議規(guī)范，基于異步消息傳送為基礎(chǔ)。通常，AMQP協(xié)議的服務(wù)器簡(jiǎn)稱(chēng)為消息隊(duì)列，OpenStack通過(guò)消息隊(duì)列這個(gè)橋梁溝通其計(jì)算節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)以及各個(gè)不同的API服務(wù)組件和調(diào)度模塊之間的通信。一般利用RabbitMQ技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)中的AMQP協(xié)議，采取遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用（RPC）方式完成Nova服務(wù)各單元之間的消息傳遞和API接口調(diào)用，其調(diào)用模式類(lèi)似于RSS的訂閱和發(fā)布模式，AMQP在OpenStack中的應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示。

OpenStack架構(gòu)對(duì)外提供的接口均為REST API標(biāo)準(zhǔn)接口，通過(guò)AMQP消息隊(duì)列完成OpenStack框架內(nèi)部各個(gè)組件之間的通信。

6 Nova Network組件

Nova-Network單元是OpenStack平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)單元，負(fù)責(zé)云平臺(tái)VM集群之間及內(nèi)部虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與外部公網(wǎng)平臺(tái)之間的互聯(lián)互通。

OpenStack平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)模型有Flat、Flat DHCP和VLAN三種網(wǎng)絡(luò)模型，默認(rèn)采用VLAN模式。這幾種網(wǎng)絡(luò)模式可以共存于一個(gè)OpenStack平臺(tái)，采取分片式網(wǎng)絡(luò)管理解決方案，根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的具體需求采用不同的網(wǎng)絡(luò)模型。

①Flat：全部創(chuàng)建的VM實(shí)例都通過(guò)人工配置好的網(wǎng)橋連接到相同的虛擬網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)的IP地址配置為Nova網(wǎng)絡(luò)組件所在節(jié)點(diǎn)的IP地址。在開(kāi)啟虛擬機(jī)時(shí)，將VM實(shí)例創(chuàng)建時(shí)手工配制的IP地址加注到VM鏡像中。通過(guò)對(duì)新建的VM實(shí)例進(jìn)行地址翻譯和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)和外部網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的互通。

②Flat DHCP：該模式的運(yùn)行方式類(lèi)似于Flat模式，從IP地址資源池中選取IP地址分配給虛擬機(jī)實(shí)例，和Flat類(lèi)同，該網(wǎng)絡(luò)模型為扁平式網(wǎng)絡(luò)，所有創(chuàng)建成功的虛擬機(jī)實(shí)例都和相同的網(wǎng)橋相關(guān)聯(lián)。與Flat模式不同的是，該模型多運(yùn)行了一個(gè)DHCP服務(wù)，并與以太網(wǎng)設(shè)備建立網(wǎng)橋，通過(guò)DHCP服務(wù)為虛擬機(jī)實(shí)例動(dòng)態(tài)分配IP和回收IP。

③VLAN：VLAN網(wǎng)絡(luò)模型為默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)模式，通過(guò)為每個(gè)子項(xiàng)目創(chuàng)建獨(dú)立的VLAN、網(wǎng)橋和子網(wǎng)，第一步創(chuàng)建VLAN和網(wǎng)橋，第二步配置VLAN的IP地址，將VLAN加入進(jìn)獨(dú)立網(wǎng)橋，第三步將虛擬機(jī)實(shí)例的虛擬網(wǎng)卡加入到獨(dú)立網(wǎng)橋中，這樣，同在一個(gè)組織的虛擬機(jī)實(shí)例均隸屬于相同的虛擬局域網(wǎng)絡(luò)中，這些項(xiàng)目所能獲得的IP地址資源均為私網(wǎng)網(wǎng)段。

7 Nova Scheduler組件

Nova-Scheduler是Nova的資源調(diào)度器，負(fù)責(zé)選擇合適的節(jié)點(diǎn)響應(yīng)VM的請(qǐng)求，通過(guò)API提供接口給Nova的其他組成單元。Nova調(diào)度單元由一組Python文件構(gòu)成，Nova-Scheduler調(diào)度流程如圖4所示。

Nova-Scheduler單元采用的調(diào)度流程如下：

①啟動(dòng)調(diào)度進(jìn)程：當(dāng)接收到用戶(hù)創(chuàng)建VM的請(qǐng)求后，Nova調(diào)度組件啟動(dòng)Nova默認(rèn)的過(guò)濾器FilterScheduler；

②過(guò)濾主機(jī)列表：FilterScheduler獲取全部主機(jī)列表，根據(jù)配置文件依次調(diào)用過(guò)濾程序，按照過(guò)濾屬性進(jìn)行過(guò)濾，最后選擇合適主機(jī)創(chuàng)建指定數(shù)目的虛擬機(jī)；

③權(quán)值計(jì)算：將過(guò)濾后的主機(jī)節(jié)點(diǎn)逐個(gè)計(jì)算權(quán)值，OpenStack提供了2種策略來(lái)支持權(quán)值計(jì)算；

④權(quán)值排序并響應(yīng)請(qǐng)求：根據(jù)計(jì)算出的權(quán)值對(duì)主機(jī)列表排序，根據(jù)用戶(hù)請(qǐng)求選擇適當(dāng)數(shù)量的權(quán)值，最小的主機(jī)響應(yīng)請(qǐng)求創(chuàng)建或更改虛擬機(jī)，并將請(qǐng)求處理結(jié)果返回給Nova-API。

8基于OpenStack的私有云平臺(tái)部署實(shí)驗(yàn)

為滿(mǎn)足科研實(shí)驗(yàn)室以及中小企業(yè)不同用戶(hù)和不同階段的需求，為其提供高可用性云服務(wù)，本文提出一種基于OpenStack的私有云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)思路[6]。為了提供高可用的云服務(wù)，需要在虛擬鏡像中集成多種開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)工具，該私有云構(gòu)建方案包括存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)，如圖5所示，Swift單元主要部署在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上，Keystone、Glance、Horizon和Nova（不含Nova-Compute）單元均部署在控制節(jié)點(diǎn)上，可以采用一臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器，Nova-Compute組件部署在計(jì)算節(jié)點(diǎn)上。

根據(jù)企業(yè)私有云部署方案進(jìn)行安裝部署過(guò)程分為6個(gè)步驟，包括Keystone、Swift、Glance、Nova和Horizon單元的部署及定制開(kāi)發(fā)環(huán)境，如圖6所示。

①安裝Keystone組件，對(duì)各項(xiàng)服務(wù)進(jìn)行授權(quán)以便順利使用，例如對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)和鏡像等服務(wù)進(jìn)行注冊(cè)，Swift組件提供分布式云存儲(chǔ)服務(wù)。

②Glance組件通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)以存儲(chǔ)鏡像的元數(shù)據(jù)、管理鏡像的上傳、刪除及驗(yàn)證等，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)鏡像管理的工程。

③Nova組件是核心部分，較為復(fù)雜，包括虛擬機(jī)實(shí)例、網(wǎng)絡(luò)及云硬盤(pán)等的管理，Nova組件安裝配置完成后需要安裝KVM虛擬機(jī)工具，Nova開(kāi)啟VM實(shí)例需通過(guò)第三方軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，為了保證時(shí)間同步，以控制節(jié)點(diǎn)作為時(shí)間基準(zhǔn)，所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘均同步到控制節(jié)點(diǎn)。

④Horizon組件為用戶(hù)提供Web界面服務(wù)，客戶(hù)端通過(guò)該服務(wù)即可使用云平臺(tái)。

管理員為私有云平臺(tái)定制所需鏡像的必要條件是其具備了控制節(jié)點(diǎn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)和鏡像服務(wù)，可以接受用戶(hù)的使用需求，提供虛擬化實(shí)例。根據(jù)用戶(hù)的開(kāi)發(fā)需求，為鏡像定制軟件和服務(wù)，安裝所需的開(kāi)發(fā)環(huán)境在虛擬機(jī)上，并開(kāi)啟需要的服務(wù)，用戶(hù)實(shí)例化該鏡像后，可以便捷地使用所需要的軟件平臺(tái)服務(wù)，不用每次都重新安裝軟件和啟動(dòng)服務(wù)，有效地提高了工作效率。

9結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)OpenStack中核心組件Nova進(jìn)行全面分析解剖，對(duì)其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)地闡述，對(duì)深入了解和使用OpenStack具有重要的意義，并提出一種簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)室或小型企業(yè)私有云的構(gòu)建方案以及安裝部署流程，利用開(kāi)源的OpenStack軟件快速構(gòu)建私有云平臺(tái)，為科研工作或企業(yè)用戶(hù)提供彈性計(jì)算服務(wù)，并通過(guò)在虛擬鏡像中集成各種開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)工具，提高云服務(wù)的可用性。

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