基于OpenStack的云计算数据中心管理系统的设计与开发.docx

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基于OpenStack的云计算数据中心管理系统的设计与开发

南京邮电大学

毕业设计（论文）

题目

基于OpenStack的云计算数据中心管理系统的设计与开发

专业

网络工程

学生姓名

班级学号

指导教师

指导单位

物联网学院

日期：

2015年1月19日至2015年6月12日

毕业设计（论文）原创性声明

本人郑重声明:

所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下,独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已注明引用的内容外,本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意.

论文作者签名：

日期：

年月日

摘要

云计算（CloudComputing）是网格计算（GridComputing）、分布式计算（DistributedComputing）、并行计算（ParallelComputing）、效用计算（UtilityComputing）、联机存储技术（NetworkStorageTechnology）、虚拟化（Virtualization）、负载均衡（LoadBalance）等一系列传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。

它旨在通过网络将多个成本低廉的计算实体整合成一个大型计算资源池，并借助SaaS、PaaS、IaaS等服务模式，将强大的计算能力分发到终端用户手中。

云计算的核心理念就是通过不断提高“云"端处理能力，减轻用户负担，将一系列的IT能力以服务形式提供给用户，简化用户终端的处理负担，最终使用户成为一个单纯的输入/输出设备,享受“云”提供的强大计算处理及服务能力。

OpenStack是一个开源的云计算项目和工具集，并且提供了关于基础设施即服务（IaaS）的解决方案。

OpenStack具有建设这样资源池的能力，通过OpenStack的各种组件多种模式的排列组合，可以搭建成各种规模的“云”，这些云可以是私有云、公有云、混合云。

本文首先介绍了云计算的背景及其相关技术，并深入了解OpenStack的架构和其各种服务，掌握各种服务实现原理，以及探讨OpenStack如何实现对云计算数据中心的管理，最后动手搭建OpenStack云平台和尝试对功能的扩展。

由于OpenStack云计算平台在国内的研究起步较晚,在安装部署过程中会出现若干问题。

本文就出现的问题加以汇总并给出解决方法，可以在安装部署OpenStack时提供参考.

关键词：

云计算；IaaS；OpenStack；管理平台

ABSTRACT

CloudComputingistheproductofaseriesoftraditionalcomputertechnologyandnetworktechnologyintegrationofGridComputing，DistributedComputing，ParallelComputing,UtilityComputing，NetworkStorageTechnology,Virtualization，LoadBalanceandsoon。

Itisdesignedbythenetworktointegratemultiplelow-costcomputingentityintoalargepoolofcomputingresources,andwithSaaS，PaaS,IaaSservicesmodel,thecomputingpowerisdistributedtotheendusers.Cloudcomputingisthecoreconceptbycontinuouslyimprovingthe"cloud”sideprocessingabilitytoreducetheburdenontheuser，aseriesofITcapabilitiesasaservicetousers,simplifytheprocessingburdenontheuserterminal,andultimatelymaketheuserasimpleinput/outputequipment.What’smore，peoplecouldenjoypowerfulcomputingcapabilities”Cloud”provided。

OpenStackisanopensourcecloudcomputingprojectsandtools,andprovidesinformationontheinfrastructureasaservice（IaaS）solutions.OpenStackhastheabilitytobuildsucharesourcepool，throughpermutationsandcombinationsofthevariouscomponentsofOpenStackmultiplemodes,canbebuiltintoavarietyofsizes,”cloud"，thesecloudscanbeaprivatecloud,publiccloud，hybridcloud。

Thispaperdescribesthebackgroundofcloudcomputingandrelatedtechnologies,andin—depthunderstandingofOpenStackarchitectureanditsvariousservices。

Inordertoacknowlodgeavarietyofservicestoachievetheprinciples,andtoexplorehowtoachievetheOpenStackcloudcomputingdatacentermanagement,wefinallyhavecomeupwithOpenStackCloudplatformandtrytoextendthecapabilities.SincetheOpenStackcloudcomputingplatforminChinastartedlate，therewillbeanumberofissuesintheinstallationanddeploymentprocess.ThisarticleappearedtobesummaryoftheissuesandgivessolutionsthatcanprovideareferenceduringtheinstallationdeployOpenStack.

Keywords：

CloudComputing；IaasS;OpenStack;ManagementPlatform

第一章绪论

1。

1研究背景及意义

1.1.1背景及意义

人类社会从蒸汽机进入了工业时代，又从电的时期进入了现代文明，从计算机互联网进入了地球村的时代。

那么，云时代的到来会是怎样一番情景？

云计算被认为是继个人电脑、互联网之后电子信息技术领域的又一次重大的变革,其实质是一种基于互联网的计算模式，在这样的模式下，计算资源（计算能力、存储能力、交互能力）是动态、可伸缩且虚拟化的，以服务的方式提供。

这种新型的计算资源组织、分配和使用模式，有利于合理配置计算资源并提高其利用率，降低成本，促进节能减排,实现了绿色计算，这更切合了我国经济转型的发展战略.OpenStack作为一个开源的云计算平台，吸引了众多一流厂商的加入，这些机构与个人都将OpenStack作为基础设施即服务（IaaS）资源的通用前端。

1。

1.2国内外发展现状

最近,新浪云计算宣布正式加入全球开源云计算项目OpenStack,将选择OpenStack作为IaaS平台解决方案。

作为OpenStack中国的积极推动者，这在很大程度上将推动OpenStack云开源代码项目的发展.更值得高兴的是，中国企业UnitedStack现已推出了基于OpenStack的云计算服务，这充分说明了OpenStack的存在价值.

通过trends.google。

com，可以了解到目前人们对一些开源云计算项目的关注趋势。

Rackspace以OpenStack为基础的私有云业务每年7亿美元，增长率超过20%。

因此，在开源云计算项目领域，OpenStack早已崭露头角，如图1.1所示,它成为了当今最热门的开源项目之一.

Eucalyptus是最早试图克隆AWS的开源IaaS云平台，整体架构如图1的左半部分所示。

Eucalyptus由云控制器（CLC）、Walrus、集群控制器（CC）、存储控制器（SC）和节点控制器（NC）组成，它们相互协作共同提供所需的云服务。

组件间使用支持WS—Security的SOAP消息实现安全的通信。

Eucalyptus对外提供兼容AWS的SOAP和Query接口，不提供其他API。

OpenNebula没有采用SOA的设计，没有将计算、存储和网络设计为独立组件,解耦做得还不够。

值得注意的是，OpenNebula用Libvirt所提供的接口远程调用计算节点上的虚拟化控制命令。

这种Agentless的设计在系统安装部署阶段会减少很多软件安装配置工作,是一个设计亮点。

所有的开源IaaS云平台在分层上做得都比较好;在SOA/组件化/解耦这点上来看，OpenStack和Eucalyptus有优势；在框架和插件设计上，除Eucalyptus较差外，其他平台均有很好的设计——OpenStack的开发平台做得最好，CloudStack次之。

综合来看，目前OpenStack的设计是最好的，Eucalyptus和CloudStack次之.

相比开源项目的“前辈”，OpenStack是一个更高级且现代化的开源项目，因为它是高度协作的产物。

OpenStack的支持者都是世界顶级的供应商,可以看出OpenStack倍受青睐，可以说它是开源界的明星产品。

目前，例如VMware、RedHat、Cisco、EMC等各供应商，都表示对其支持。

图1.1OpenStack与其它开源云计算项目的趋势对比

相比之下，OpenStack项目从最开始就发展开放社区，其直接结果是,OpenStack里聚集了比CloudStack更多的主流供应商。

在大多数情况下，这些厂商开发的组件第一时间提供给OpenStack,之后才为CloudStack提供接口[1］。

OpenStack也有不够完善的地方，如OpenStack相对于CloudStack来说更加复杂，对终端用户的支持不够;在安装部署上不如CloudStack便捷；在界面显示方面也不如CloudStack丰富.

Amazon公司于2006年推出的云计算服务（AWS，AmazonWebServices）核心产品包括弹性计算云EC2（ElasticComputingCloud）、简单存储服务S3（SimpleStorageService）、简单队列服务SQS（SimpleQueueService）、内容推送服务（CloudFront）和简单数据库服务（SimpleDB）等,为企业提供计算和存储服务。

Amazon公司收费的服务项目包括存储空间、带宽、CPU资源以及月租费.其中存储空间、带宽按容量收费,CPU根据运算时长收费，月租费则与电话月租费类似[9］。

Google是最大的云计算技术使用者，提供全球知名的互联网搜索引擎服务。

Google搭建了一个称为GoogleAppEngine的云平台，为第三方应用提供大型并行计算服务.更值得一提的是，Google于2007秋季在全球宣布了云计划，通过与IBM开展合作，开始在美国多所大学，包括卡内基美隆大学、麻省理工学院等，推广云计算技术。

这项计划希望通过为这些大学提供相关的软硬件设备及技术支援，能降低分布式计算技术在学术研究方面的成本，并且使得学生可以透过网络开展各项以大规模计算为基础的研究计划［13］。

IBM于2007年第四季度推出了“BlueCloud（蓝云）”云计算平台，提供即买即用的云计算服务［3]。

“蓝云”使用具有自我管理和自我修复的虚拟化云计算软件，使得用户的应用可以访问分布式的大型计算服务器池。

2008年8月1日，IBM宣布斥资3.6亿美元在美国北卡罗来纳州建立云计算数据中心。

IBM同时还将在东京建立一所新的机构，帮助用户使用云计算基础设施。

另外，IBM亦与17个欧洲组织合作开展RESERVOIR云计算项目，实现“无障碍的资源和服务虚拟化"。

微软于2008年10月推出了WindowsAzure操作系统，Azure底层是微软全球基础服务系统，由分布于全球的第四代数据中心组成，通过互联网让Windows真正由PC延伸到云计算服务上。

目前，微软的云计算系统已经包括超过220个集装箱式数据中心和多达44万台的服务器。

1。

2研究工作意义

自从2006年Google首席执行官埃里克·施密特在搜索引擎大会上首次提出“云计算”（CloudComputing）的概念，云计算就成为近几年来IT领域一个非常热门的研究方向.它使用户能够通过网络便利、按需地从一个共享的、可配置的资源池中获取计算、存储、网络等资源。

而在云计算的3种部署模式（公有云、私有云、混合云）中，公有云虽然以其低廉的价格、灵活的弹性策略吸引大量的用户。

然而,构建一个云计算数据中心，使之主要为企业内部乃至公共市场提供云服务，并且让IT人员能对其数据、安全性和服务质量进行有效的控制，成为倍受大企业青睐的选择.此外，云计算数据中心能够提供更高效、个性化的弹性计算资源分配能力，能够更有效地利用企业内部现有的IT设备资源，打造更符合企业需求的云平台。

鉴于上述提到的公有云的数据安全问题,本文的出发点在于如何构建一个适合本地环境的云计算数据中心管理系统；针对实验室或开发环境构建一个云计算平台，使实验室可以针对数据安全、计算资源的按需获取等进行评估和探索。

在实际试验中,本文基于OpenStack开源云计算平台，实现了在科研实验室环境中搭建云计算管理平台，使得资源能够得到弹性分配，且确保数据安全.

希望通过本文，能帮助大家了解云计算和OpenStack，以及如何用OpenStack配置搭建自己的云环境，并通过前端来设置及管理云平台.本文的目的在于搭建OpenStack云管理平台，探索OpenStack的神奇之处,旨在更深层次地了解OpenStack生态圈。

1.3论文组织结构

本篇论文共分五章，主要内容概括如下：

第一章绪论.简单介绍云计算的研究背景、意义以及论文的组织结构。

第二章IaaS及关键技术相关介绍。

这一章介绍了IaaS的概述、IaaS服务特征及优势。

同时，介绍了IaaS服务器虚拟化，IaaS存储虚拟化、IaaS网络虚拟化这三大虚拟化的实现原理。

第三章OpenStack相关介绍。

这一章首先介绍了OpenStack的概念架构和访问流程对OpenStack的整体运行原理有一个大致的了解,之后详细介绍了OpenStack的三大服务:

认证服务（Keystone）、计算服务（Nova）、网络服务（Neutron）。

第四章OpenStack云管理平台的搭建。

这部分是具有挑战性的，从基础环境的配置开始,完成之后开始安装各种软件包，每安装一个软件包后都要进行详细的配置文件的修改.另外，还对计费模块进行了初步研究。

第五章OpenStack云平台的测试。

这章节主要是完成对第五章的所有部署的验证，每一个所需服务是否都已启动，之后是启动一个instance的过程，并对实例的成功启动之后进行网络测试。

最后是结束语.

第二章IaaS及关键技术相关介绍

2.1Iaas概述

IaaS（InfrastructureasaService，基础架构即服务）通过互联网提供了数据中心、基础架构硬件和软件资源.IaaS可以提供服务器、操作系统、磁盘存储、数据库和/或信息资源。

最高端IaaS的代表产品是亚马逊的AWS（ElasticComputeCloud），不过IBM、Vmware和惠普以及其他一些传统IT厂商也提供这类的服务［2］。

IaaS通常会按照”弹性云"的模式引入其他的使用和计价模式，也就是在任何一个特定的时间，都只使用你需要的服务，并且只为之付费.

2。

2IaaS服务特征及优势

IaaS主要具有以下服务特征及优势：

（1）更低的门槛

用户可以以最低的成本租用所需的计算机资源，而不需要进行大量的硬件和软件资源的采购。

（2）更好的扩展性

用户可以根据需要，动态增加或减少服务资源，不用考虑资源来源或者资源是否够用.

（3）管理方便

资源可以直接通过互联网管理，不需要到资源所在机房现场操作，降低管理成本。

（4）使用灵活

用户可获得完全独立的服务器,并拥有管理员权限，因此用户可以不受限制的进行任何操作.

（5）资费灵活

所需资源可以随时开始和停止,用户只需要为自己所使用的资源付费。

2.3IaaS整体架构

虚拟化技术主要实现了对底层物理资源的抽象，使其成为一个个可以被灵活生成、调度、管理的基础资源单位[8］。

而要将这些资源进行有效的整合,从而生成一个可以统一管理、灵活分配跳读、动态迁移、计费度量的基础服务设施资源池,并向用户提供自动化基础设施即服务，就需要IaaS管理平台。

如图图2。

1,这是对资源管理平台的实现。

图2.1IaaS

交互模型

资源管理平台负责对物理资源和虚拟化资源进行统一的管理和调度，形成统一的资源池,实现IaaS服务的可管、可控，其核心是对每个基础资源单位的生命周期管理能力和对资源的管理调度能力。

在上面的模型中,假定了与云交互的四种人员（开发商、开发人员、操作员、用户）,还定义了三层架构（表现、逻辑、资源）和两个正交领域（集成和管理）。

表现层，组件与用户交互，接受并显示用户的信息。

这一层为非开发人员提供了一个Web图形界面,为开发人员提供了API，还存在负载均衡、控制台代理、安全、命名服务。

逻辑层，为云和控制功能提供情报.这层内包括部业务流程（工作流程复杂的任务），调度（确定作业对资源的映射）,政策（配额等），镜像注册表（例如镜像的元数据），日志（事件和计量）。

资源层，提供实际的计算,网络和存储资源给客户。

提供服务的资源可能是服务器，网络交换机，网络附加存储或其他。

集成功能，大多数服务提供商已经有一个客户的身份和计费系统.任何云架构将需要与这些系统集成。

管理功能，提供一个API来管理云并提供监控功能。

2.4IaaS关键技术介绍

2。

4。

1虚拟化技术

虚拟化技术（Virtualization）已经对计算机发展产生了重要的影响，尤其是最近发展非常热门的云计算技术。

其实,在计算机领域,虚拟化的思想早已经存在，最早IBM在二十世纪六十年代就提出并实现了在一台物理机上运行多个不同的操作系统实例,它颠覆了传统的一台计算机运行一个操作系统实例的计算模式。

多个操作系统运行在一个物理机上，共享物理机资源（CPU资源、内存资源、网络资源、存储资源等）[3]。

随着计算机硬件资源的不断快速发展，现有的很多软件已不能充分的利用计算机硬件的资源存在很多的资源浪费现象。

虚拟化技术的出现，提高了物理机或者服务器的硬件资源的利用率，充分地利用了硬件所提供的并行性和高性能，也使系统管理员免去了管理大量物理机的所花费的精力和时间.虚拟化技术的这些特点，使得虚拟化技术成为整个计算机软件技术中最受到重视的技术之一，它在云计算技术中起着至关重要的作用，是云计算技术的基础。

虚拟化就是通过脱耦合把应用软件和在其上的虚拟的操作系统与底层的物理设备分离开来。

物理机系统的虚拟化究其根本就是通过某种手段把底层的物理设备和其上的软件运行环境分割的技术.然而虚拟化技术的出现，远远不止于虚拟出虚拟的操作系统，现在已经看到了，内存，网络，CPU，文件，存储等的虚拟化。

从一种更高的抽象、一个更广泛的环境中来了解虚拟化技术,它实际上已经成为了一个非常大的概念，可以为用户企业带来很大的便利。

虚拟化技术主要实现了对底层物理资源的抽象，使其成为一个个可以被灵活生成、调度、管理的基础资源单位，如图2.2。

而要将这些资源进行有效的整合，从而生成一个可以统一管理、灵活分配跳读、动态迁移、计费度量的基础服务设施资源池，并向用户提供自动化基础设施即服务，就需要IaaS管理平台。

资源管理平台负责对物理资源和虚拟化资源进行统一的管理和调度，形成统一的资源池，实现IaaS服务的可管、可控,其核心是对每个基础资源单位的生命周期管理能力和对资源的管理调度能力。

2。

4。

2KVM与QEMU

KVM虚拟机是基于Linux内核虚拟化，自Linux2.6。

2之后就集成在Linux的各个主要发行版本中。

它使用Linux自身的调度器进行管理，所以相对于Xen，其核心源码很少。

KVM的虚拟化需要硬件的支持（如IntelVT技术或者AMDV

图2.2虚拟化架构

技术），是基于硬件的完全虚拟化。

而Xen早期则是基于软件模拟的para-virtualization，新版本是基于硬件支持的完全虚拟化［3］。

QEMU是一种模拟处理器，现在运用最多的就是将KVM和QEMU结合起来。

准确来说，KVM是Linuxkernel的一个模块，可以用命令modprobe去加载KVM模块[13］.加载了该模块后，才能进一步通过工具创建虚拟机。

但是仅有KVM模块是不够的.因为用户无法直接控制内核去做事情，还必须有一个运行在用户空间的工具才行。

这个用户空间的工具，KVM开发者选择了已经成型的开源虚拟化软件QEMU。

说起来QEMU也是一个虚拟化软件。

它的特点是可虚拟不同的CPU。

比如说在x86的CPU上可虚拟一个power的CPU，并可利用它编译出可运行在power上的CPU，并可利用它编译出可运行在power上的程序。

KVM使用了QEMU的一部分,并稍加改造,就成了可控制KVM的用户空间工具了.所以你会看到,官方提供的KVM下载有两大部分（QEMU和KVM）三个文件（KVM模块、QEMU工具以及二者的合集）。

也就是说，你可以只升级KVM模块,也可以只升级QEMU工具。

这就是KVM和QEMU的关系，如图2.3。

2.4.3数据存储技术

为保证高可用、高可靠和经济性，云计算采用分布式存储的方式来存储数据，采用冗余存储的方式来保证存储数据的可靠性，即为同一份数据存储多个副本。

另外,云计算系统需要同时满足大量用户的需求，并行地为大量用户提供服务。

图2。

3KVM与QEMU关系

因此，云计算的数据存储技术必须具有高吞吐率和高传输率的特点。

云计算的数据存储技术主要有谷歌的非开源的GFS（GoogleFileSystem）和Hadoop开发团队开发的GFS的开源实现HDFS（HadoopDistributedFileSystem）.大部分IT厂商，包括Yahoo、Intel的“云"计划采用的都是HDFS的数据存储技术.未来的发展将集中在超大规模的数据存储、数据加密和