文/樓飛燕

云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展催生了各種各樣的云平臺(tái)，從構(gòu)建云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施到發(fā)展云管理平臺(tái)，云計(jì)算的應(yīng)用越來越普及，技術(shù)發(fā)展也越來越成熟?，F(xiàn)階段云計(jì)算主要包括三種部署模式，即私有云、公有云、混合云等，其中公有云是可出售云服務(wù)的云平臺(tái)，通常盈利為主要目標(biāo)；I私有云則是大小型組織內(nèi)部構(gòu)建云平臺(tái)的主要模式，組織內(nèi)部IT資源通過云平臺(tái)集成為一個(gè)統(tǒng)一的整體，向組織內(nèi)部成員提供日常服務(wù)；混合云即私有云與公有云的組合。本研究所提出的基于OpenStack的開源高校網(wǎng)絡(luò)云計(jì)算平臺(tái)即屬于私有云的范疇。

1 云計(jì)算功能特征及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 云計(jì)算功能特征

根據(jù)云計(jì)算所提供的層次服務(wù)可以將其由上到下劃分為不同的服務(wù)層次，最上層為軟件即服務(wù)(SaaS)，中層為平臺(tái)即服務(wù)(PaaS)，最下層為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)，不同的服務(wù)層次所對(duì)應(yīng)的用戶類型也有所不同，SaaS提供應(yīng)用層軟件服務(wù)，PaaS提供虛擬數(shù)據(jù)中心，IaaS提供開發(fā)及測試環(huán)境等。云計(jì)算平臺(tái)不僅是一個(gè)復(fù)雜、龐大的技術(shù)體系，更是一個(gè)層次分明的業(yè)務(wù)體系。評(píng)價(jià)一個(gè)OpenStack平臺(tái)功能健全性、服務(wù)穩(wěn)定性的重要標(biāo)準(zhǔn)就是其功能特征，云計(jì)算的功能特征主要包括按需服務(wù)、廣泛接入、資源池、可伸縮性、計(jì)量服務(wù)等五個(gè)方面：按需服務(wù)是指用戶對(duì)計(jì)算的資源規(guī)模進(jìn)行自定義，由云計(jì)算自動(dòng)提供資源，整個(gè)過程無需服務(wù)商的人工化交互即可實(shí)現(xiàn)。廣泛接入是指在網(wǎng)絡(luò)機(jī)制標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，用戶可以通過異構(gòu)化的手機(jī)、平板電腦等客戶機(jī)平臺(tái)直接訪問資源。資源池是指云計(jì)算運(yùn)營商將網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、CPU等多種計(jì)算資源構(gòu)建成資源池，系統(tǒng)可以根據(jù)不同用戶的不同需求對(duì)物理資源、虛擬資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配、重新分配，資源分配過程中用戶并不能確定計(jì)算資源的具體物理位置，不過可以明確計(jì)算資源位置抽象。所謂可伸縮性是指云計(jì)算平臺(tái)提供計(jì)算資源的彈性及釋放計(jì)算資源能力，不同場景的用戶會(huì)對(duì)提出不同的計(jì)算資源需求，平臺(tái)需要基于用戶的角度進(jìn)行計(jì)算資源的快速擴(kuò)張或釋放，以滿足用戶隨時(shí)隨地的計(jì)算資源需求。計(jì)量服務(wù)包括計(jì)算、存儲(chǔ)、帶寬等，是指通過使用在某些抽象層面的計(jì)量方法對(duì)資源使用情況進(jìn)行自動(dòng)化控制與管理，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信息資源使用情況的監(jiān)測、控制及報(bào)告，對(duì)用戶及云計(jì)算服務(wù)商都實(shí)現(xiàn)透明化管理。

1.2 云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)

從某種意義上講，云計(jì)算是多種信息技術(shù)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共同發(fā)展的結(jié)果，其涵蓋了虛擬化技術(shù)、分布式計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。云計(jì)算以虛擬化技術(shù)為主，通過虛擬化技術(shù)可以將硬件進(jìn)行虛擬抽象處理，各虛擬機(jī)之間、虛擬機(jī)與宿主系統(tǒng)之間互相隔離。云計(jì)算可以利用虛擬化技術(shù)對(duì)現(xiàn)有硬件資源進(jìn)行虛擬化處理，構(gòu)建虛擬資源池，提高資源調(diào)配的靈活性及使用效率。云存儲(chǔ)技術(shù)是指使多種不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備協(xié)同工作，利用存儲(chǔ)服務(wù)器集群、網(wǎng)格技術(shù)、分布式文件系統(tǒng)等功能組成存儲(chǔ)資源池，由協(xié)同工作的存儲(chǔ)設(shè)備共同向用戶提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)訪問。由于云存儲(chǔ)系統(tǒng)的用戶訪問請(qǐng)求具有并發(fā)性的特點(diǎn)，因此要求云存儲(chǔ)也要具備分布式、高速傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，以滿足大量用戶海量的存儲(chǔ)空間需求。分布式計(jì)算是指協(xié)同大量硬件服務(wù)器、主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)分解龐大的計(jì)算量，該計(jì)算模式會(huì)利用各種計(jì)算設(shè)備組成的硬件集群分別計(jì)算若干個(gè)小部分的計(jì)算問題，再經(jīng)過匯總、分析得出計(jì)算結(jié)果。分布式計(jì)算模式對(duì)于計(jì)算機(jī)的地理位置沒有要求，大大提高了計(jì)算資源利用率；且該模式可以將計(jì)算負(fù)載由單點(diǎn)轉(zhuǎn)移至多點(diǎn)，多點(diǎn)計(jì)算負(fù)載不僅可以大大提高系統(tǒng)的計(jì)算效率，而且多點(diǎn)計(jì)算架構(gòu)模式可以實(shí)現(xiàn)災(zāi)難恢復(fù)，有效保障了系統(tǒng)的可靠性及安全性。

2 OpenStack工作機(jī)制、服務(wù)特征及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 OpenStack工作機(jī)制

OpenStack被稱作新一代的云操作系統(tǒng)，其是由Rack Space公司與美國宇航局聯(lián)合發(fā)起的開源軟件項(xiàng)目，其旨在構(gòu)建一個(gè)內(nèi)核，面向全球開發(fā)者構(gòu)建一個(gè)云計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以滿足不同組織機(jī)構(gòu)的多種應(yīng)用需求。OpenStack的設(shè)計(jì)原則包括：

（1）保證系統(tǒng)良好的可擴(kuò)展性及伸縮性，為組織架構(gòu)的靈活性，任何會(huì)對(duì)系統(tǒng)可擴(kuò)展性、伸縮性產(chǎn)生影響的功能都是可選的。

（2）所有環(huán)節(jié)均必須是異步的，且要始終采用無共享的獨(dú)立架構(gòu)，如果無法實(shí)現(xiàn)，則要保證任何會(huì)對(duì)系統(tǒng)可擴(kuò)展性、伸縮性產(chǎn)生影響的功能都是可選的。

（3）所有基礎(chǔ)組件必須提供橫向擴(kuò)展功能，所有資源、軟件結(jié)構(gòu)必須采用分布式模式，特別是邏輯層面。

OpenStack系統(tǒng)中基于服務(wù)類型角度可以將物理資源節(jié)點(diǎn)劃分為兩種類型：一種是計(jì)算節(jié)點(diǎn)，其為虛擬機(jī)的運(yùn)行提供物理資源，一種是控制節(jié)點(diǎn)，主要提供諸如存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、驗(yàn)證、鏡像等云平臺(tái)上的控制服務(wù)，這些控制服務(wù)可以分散在多個(gè)控制節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)控制器即提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的控制節(jié)點(diǎn)。

2.2 OpenStack服務(wù)特征

目前OpenStack云計(jì)算系統(tǒng)由六大核心項(xiàng)目共同運(yùn)行以為用戶提供服務(wù)，最主要有計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)、鏡像服務(wù)，還包括一些其它服務(wù)。其中計(jì)算服務(wù)的主要作用是為系統(tǒng)提供計(jì)算服務(wù)，其主要擔(dān)負(fù)著云計(jì)算資源虛擬化、云控制器的作用。OpenStack社區(qū)開發(fā)了一個(gè)開源項(xiàng)目Nova，可以通過其所提供的軟件對(duì)OpenStack的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層次進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)例的創(chuàng)建、管理、運(yùn)行訪問的權(quán)限控制等。OpenStack云計(jì)算平臺(tái)中存儲(chǔ)服務(wù)是一種對(duì)象存儲(chǔ)系統(tǒng)，其具備良好的擴(kuò)展性，不僅支持常見的文本、圖像、視頻等數(shù)據(jù)類型，還要支持為Web應(yīng)用創(chuàng)建基于云的彈性存儲(chǔ)、開發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)整合的新應(yīng)用等更高層次的功能。鏡像服務(wù)是一個(gè)針對(duì)虛擬機(jī)鏡像的管理控制系統(tǒng)，通過Web用戶可以向計(jì)算平臺(tái)發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，鏡像服務(wù)在接收到用戶的虛擬機(jī)鏡像存儲(chǔ)請(qǐng)求后會(huì)滿足用戶需求，可檢索云中心的虛擬機(jī)鏡像。除計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)、鏡像服務(wù)外，OpenStack云計(jì)算系統(tǒng)還包括控制面板、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、消息隊(duì)列服務(wù)等其它服務(wù)功能。其中，數(shù)據(jù)庫服務(wù)通常采用普通的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，控制面板可以為用戶與管理層之間提供一個(gè)友好的交互界面，用戶通過該界面登錄云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行操作；消息隊(duì)列服務(wù)主要是為各個(gè)Nova組件之間的消息分發(fā)提供依據(jù)，在整個(gè)云計(jì)算平臺(tái)中，每個(gè)組件均以數(shù)據(jù)庫及消息隊(duì)列為核心進(jìn)行通信。當(dāng)然，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，OpenStack云計(jì)算平臺(tái)會(huì)逐漸添加、更新越來越多的服務(wù)組件。

2.3 OpenStack平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

除上述一系列功能組件外，OpenStack平臺(tái)的運(yùn)行也離不開其它技術(shù)的支持，其中的關(guān)鍵技術(shù)包括Libvirt虛擬化管理庫及高級(jí)消息隊(duì)列協(xié)議，這些技術(shù)也是對(duì)OpenStack進(jìn)行二次開發(fā)的必備工具。Libvirt虛擬化管理庫是一個(gè)IaaS平臺(tái)，其通過底層多種虛擬化軟件實(shí)現(xiàn)虛擬化管理，是OpenStack平臺(tái)與底層虛擬化管理軟件之間的橋梁，其本身并不提供虛擬化功能，而是對(duì)底層的虛擬資源進(jìn)行管理、操作。Libvirt作為一個(gè)免費(fèi)開源的C語言開發(fā)庫可以為多種虛擬化管理軟件提供編程接口，可以兼容C#、Java等多種語言，具有快捷、穩(wěn)定、跨平臺(tái)、易操作的特點(diǎn)。高級(jí)消息隊(duì)列協(xié)議是用戶與消息中間件進(jìn)行信息傳遞的應(yīng)用層協(xié)議，該協(xié)議用于分布式系統(tǒng)中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)消息，并可實(shí)現(xiàn)異步消息服務(wù)。

3 基于OpenStack的開源高校網(wǎng)絡(luò)云計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)

本研究提出一種基于OpenStack的開源高校網(wǎng)絡(luò)云計(jì)算平臺(tái)。

3.1 云管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

云管理平臺(tái)的主要作用是為OpenStack各個(gè)服務(wù)組件、計(jì)算資源提供統(tǒng)一的管理接口，其包括多個(gè)功能模塊，管理員可以通過Web實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)方便、快捷的管理操作。資源創(chuàng)建的主要對(duì)象是各種計(jì)算資源及管理平臺(tái)資源，創(chuàng)建各種管理規(guī)則，包括主機(jī)域、虛擬機(jī)域、工作組等，主要通過OpenStack提供的Rest API實(shí)現(xiàn)。資源管理模塊主要對(duì)虛擬機(jī)鏡像、網(wǎng)絡(luò)資源、虛擬機(jī)、存儲(chǔ)資源及OpenStack節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行操敘，以方便、快捷的管理系統(tǒng)中各種資源。云管理平臺(tái)支持針對(duì)TCP、ICMP、UDP等不同協(xié)議的多種訪問規(guī)則，用戶可以針對(duì)某種協(xié)議設(shè)定對(duì)應(yīng)的訪問規(guī)則，最大程度上保證系統(tǒng)管理的安全性。備份恢復(fù)主要是采用對(duì)虛擬機(jī)創(chuàng)建快照的形式保存資源當(dāng)前的狀態(tài)信息，以為用戶提供數(shù)據(jù)備份功能，當(dāng)資源受到損壞時(shí)可以利用快照功能恢復(fù)數(shù)據(jù)。消息管理主要是對(duì)虛擬資源的操作進(jìn)行反饋，比如資源是否添加成功、平臺(tái)警告信息等，便于管理員及時(shí)進(jìn)行問題追蹤。在整個(gè)云環(huán)境中，各控制節(jié)點(diǎn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)組成底層的OpenStack集群，云計(jì)算平臺(tái)為OpenStack集群提供了集群擴(kuò)展功能，根據(jù)物理主機(jī)的相關(guān)信息可以完成OpenStack的自動(dòng)化部署。

3.2 云管理平臺(tái)與OpenStack組件的交互實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)架構(gòu)中，云計(jì)算平臺(tái)位于OpenStack平臺(tái)之上，其通過RestAPI接口完成與OpenStack功能組件的交互，實(shí)現(xiàn)資源的基本管理與操作。限于篇幅，此處以創(chuàng)建虛擬機(jī)為例說明云計(jì)算平臺(tái)與OpenStack組件的交互：首先，管理員將創(chuàng)建虛擬機(jī)的請(qǐng)求發(fā)送至云計(jì)算平臺(tái)，獲得認(rèn)證授權(quán)Token后即可獲得操作OpenStack服務(wù)組件的權(quán)向，再將創(chuàng)建虛擬機(jī)的請(qǐng)求發(fā)送至Nova API，由其向Glance組件請(qǐng)求虛擬機(jī)鏡像模板文件，并返回請(qǐng)求。NovaAPI將調(diào)度請(qǐng)求發(fā)送至nova-schedulle組件，確定合適的OpenStack計(jì)算節(jié)點(diǎn)后放置虛擬機(jī)，NovaAPI調(diào)用計(jì)算節(jié)點(diǎn)的nova-compute組件創(chuàng)建虛擬機(jī)，并調(diào)用nova-network組件設(shè)置對(duì)應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，最后控制節(jié)點(diǎn)的NovaAPI可以接收到計(jì)算節(jié)點(diǎn)返回的虛擬機(jī)創(chuàng)建操作結(jié)果，再由其將創(chuàng)建結(jié)果發(fā)送至云計(jì)算平臺(tái)。

3.3 資源監(jiān)測功能設(shè)計(jì)

雖然OpenStack云計(jì)算平臺(tái)在按需服務(wù)、廣泛接入、資源池管理等方面的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是在資源監(jiān)測還存在一些不足。針對(duì)這一問題，本研究設(shè)計(jì)了資源監(jiān)測功能，資源監(jiān)測的主要對(duì)象包括OpenStack中的虛擬機(jī)、物理機(jī)、服務(wù)組件等三種，對(duì)物理機(jī)、虛擬機(jī)的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，并監(jiān)測OpenStack各個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的服務(wù)組件是否正常運(yùn)行，在獲取相關(guān)數(shù)據(jù)后將其存儲(chǔ)至監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中。資源監(jiān)測模塊主要包括監(jiān)視器收集器、心跳機(jī)制、監(jiān)控程序控制器等。監(jiān)視器收集器是一個(gè)守護(hù)進(jìn)程，主要采集虛擬機(jī)、物理機(jī)及服務(wù)組件的狀態(tài)信息，并發(fā)送至監(jiān)控程序控制器進(jìn)行處理。心跳機(jī)制的作用是定時(shí)獲取監(jiān)測性能數(shù)據(jù)信息，心跳時(shí)間頻率是設(shè)定好的，監(jiān)視器收集器會(huì)根據(jù)設(shè)定的頻率定時(shí)采集物理機(jī)、虛擬機(jī)及服務(wù)組件的數(shù)據(jù)。監(jiān)控程序控制器在接收到監(jiān)視器收集器的監(jiān)測信息后要將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中。資源監(jiān)測對(duì)物理主機(jī)的監(jiān)測主要在物理主機(jī)上利用Linux的Shell腳本采集物理機(jī)的性能指標(biāo)；對(duì)虛擬機(jī)的監(jiān)測是在連接虛擬機(jī)后調(diào)用API獲取相關(guān)性能數(shù)據(jù)；對(duì)服務(wù)組件的監(jiān)測主要是通過定時(shí)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息回復(fù)的方法判斷服務(wù)組件的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)語

隨著云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，其在資源調(diào)配、快速部署方面的優(yōu)勢越來越顯著，其也催了一批云計(jì)算工具，開源云計(jì)算已成為業(yè)內(nèi)的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。OpenStack提供了源代碼及系統(tǒng)框架，大大提高了系統(tǒng)的安全性、易用性，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，對(duì)于一般用戶來說還存在一些問題，比如缺乏自動(dòng)化的安裝工具、云平臺(tái)管理存在一些問題等。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本研究提出一種基于OpenStack的高校云計(jì)算管理系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)了資源創(chuàng)建、資源管理、備份恢復(fù)、消息管理等功能，針對(duì)OpenStack云計(jì)算平臺(tái)在資源監(jiān)測方面存在的不足提出解決辦法，以更好的幫助系統(tǒng)管理員完成日常的云計(jì)算平臺(tái)管理工作。