Openstack架构分析.docx

1、Openstack架构分析OpenStack的架构1. OpenStack是什么OpenStack既是一个社区，也是一个项目和一个开源软件，它提供了一个部署云的操作平台或工具集。其宗旨在于，帮助组织运行为虚拟计算或存储服务的云，为公有云、私有云，也为大云、小云提供可扩展的、灵活的云计算。OpenStack旗下包含了一组由社区维护的开源项目，他们分别是OpenStack Compute（Nova），OpenStack Object Storage（Swift），以及OpenStack Image Service（Glance）。OpenStack Compute1，为云组织的控制器，它提供一个工

2、具来部署云，包括运行实例、管理网络以及控制用户和其他项目对云的访问（the cloud through users and projects）。它底层的开源项目名称是Nova，其提供的软件能控制IaaS云计算平台，类似于Amazon EC2和Rackspace Cloud Servers。实际上它定义的是，与运行在主机操作系统上潜在的虚拟化机制交互的驱动，暴露基于Web API的功能。OpenStack Object Storage2，是一个可扩展的对象存储系统。对象存储支持多种应用，比如复制和存档数据，图像或视频服务，存储次级静态数据，开发数据存储整合的新应用，存储容量难以估计的数据，为We

3、b应用创建基于云的弹性存储。OpenStack Image Service1，是一个虚拟机镜像的存储、查询和检索系统，服务包括的RESTful API允许用户通过HTTP请求查询VM镜像元数据，以及检索实际的镜像。VM镜像有四种配置方式：简单的文件系统，类似OpenStack Object Storage的对象存储系统，直接用Amazons Simple Storage Solution (S3) 存储，用带有Object Store的S3间接访问S3。三个项目的基本关系如下图1-1所示：1-1 OpenStack三个组件的关系2. 云服务提供商的概念架构OpenStack能帮我们建立自己的I

4、aaS，提供类似Amazon Web Service的服务给客户。为实现这一点，我们需要提供几个高级特性：a) 允许应用拥有者注册云服务，查看运用和计费情况；b) 允许Developers/DevOps folks创建和存储他们应用的自定义镜像；c) 允许他们启动、监控和终止实例；d) 允许Cloud Operator配置和操作基础架构这四点都直击提供IaaS的核心，现在假设你同意了这四个特性，现在就可以将它们放进如下所示的概念架构2-1中。2-1 OpenStack 概念架构在此模型中，作者假设了需要与云交互的四个用户集：developers, devops, owners and oper

5、ators，并为每类用户划分了他们所需要的功能。该架构采用的是非常普通的分层方法（presentation, logic and resources），它带有两个正交区域。展示层，组件与用户交互，接受和呈现信息。Web portals为非开发者提供图形界面，为开发者提供API端点。如果是更复杂的结构，负载均衡，控制代理，安全和名称服务也都会在这层。逻辑层为云提供逻辑（intelligence）和控制功能。这层包括部署（复杂任务的工作流），调度（作业到资源的映射），策略（配额等等），镜像注册image registry (实例镜像的元数据)，日志 (事件和计量) 。假设绝大多数服务提供者已经有客

6、户身份和计费系统。任何云架构都需要整合这些系统。在任何复杂的环境下，我们都将需要一个management层来操作这个环境。它应该包括一个API访问云管理特性以及一些监控形式（forms）。很可能，监控功能将以整合的形式加入一个已存在的工具中。当前的架构中已经为我们虚拟的服务提供商加入了monitoring和admin API，在更完全的架构中，你将见到一系列的支持功能，比如provisioning和 configuration management。最后，资源层。既然这是一个compute云，我们就需要实际的compute、network 和 storage资源，以供应给我们的客户。该层提供这

7、些服务，无论他们是服务器，网络交换机，NAS（network attached storage）还是其他的一些资源。3. OpenStack Compute架构3.1 OpenStack Compute逻辑架构OpenStack Compute逻辑架构中，组件中的绝大多数可分为两种自定义编写的Python守护进程（custom written python daemons）。a) 接收和协调API调用的WSGI应用（nova-api, glance-api, etc）b) 执行部署任务的Worker守护进程（nova-compute, nova-network, nova-schedule,

8、etc.）然而，逻辑架构中有两个重要的部分，既不是自定义编写，也不是基于Python，它们是消息队列和数据库。二者简化了复杂任务（通过消息传递和信息共享的任务）的异步部署。逻辑架构图3-1如下所示：3-1 OpenStack Compute逻辑架构从图中，我们可以总结出三点：a) 终端用户（DevOps, Developers 和其他的 OpenStack 组件）通过和nova-api对话来与OpenStack Compute交互。b) OpenStack Compute守护进程之间通过队列（行为）和数据库（信息）来交换信息，以执行API请求。c) OpenStack Glance基本上是独立

9、的基础架构，OpenStack Compute通过Glance API来和它交互。其各个组件的情况如下：a) nova-api守护进程是OpenStack Compute的中心。它为所有API查询（OpenStack API 或 EC2 API）提供端点，初始化绝大多数部署活动（比如运行实例），以及实施一些策略（绝大多数的配额检查）。b) nova-compute进程主要是一个创建和终止虚拟机实例的Worker守护进程。其过程相当复杂，但是基本原理很简单：从队列中接收行为，然后在更新数据库的状态时，执行一系列的系统命令执行他们。c) nova-volume管理映射到计算机实例的卷的创建、附加和

10、取消。这些卷可以来自很多提供商，比如，ISCSI和AoE。d) Nova-network worker守护进程类似于nova-compute和nova-volume。它从队列中接收网络任务，然后执行任务以操控网络，比如创建bridging interfaces或改变iptables rules。e) Queue提供中心hub，为守护进程传递消息。当前用RabbitMQ实现。但是理论上能是python ampqlib支持的任何AMPQ消息队列。f) SQL database存储云基础架构中的绝大多数编译时和运行时状态。这包括了可用的实例类型，在用的实例，可用的网络和项目。理论上，OpenStac

11、k Compute能支持SQL-Alchemy支持的任何数据库，但是当前广泛使用的数据库是sqlite3（仅适合测试和开发工作），MySQL和PostgreSQL。g) OpenStack Glance，是一个单独的项目，它是一个compute架构中可选的部分，分为三个部分：glance-api, glance-registry and the image store. 其中，glance-api接受API调用，glance-registry负责存储和检索镜像的元数据，实际的Image Blob存储在Image Store中。Image Store可以是多种不同的Object Store，包括

12、OpenStack Object Storage (Swift)h) 最后，user dashboard是另一个可选的项目。OpenStack Dashboard提供了一个OpenStack Compute界面来给应用开发者和devops staff类似API的功能。当前它是作为Django web Application来实现的。当然，也有其他可用的Web前端。3.2 概念映射将逻辑架构映射到概念架构中（如3-2所示），可以看见我们还缺少什么。3-2 逻辑架构到概念架构的映射这种覆盖方式并不是唯一的，这里的只是作者的理解。通过覆盖OpenStack Compute 逻辑组件，Glance和D

13、ashboard，来表示功能范围。对于每一个覆盖，都有相应的提供该功能的逻辑组件的名称。a) 在这种覆盖范围中，最大的差距是logging和billing。此刻，OpenStack Compute没有能协调logging事件、记录日志以及创建/呈现bills的Billing组件。真正的焦点是logging和Billing的整合。这能通过以下方式来补救。比如代码扩充，商业产品或者服务或者自定义日志解析的整合。b) Identity也是未来可能要补充的一点。c) customer portal也是一个整合点。user dashboard（见运行的实例，启动新的实例）没有提供一个界面，来允许应用拥有

14、者签署服务，跟踪它们的费用以及声明有问题的票据（lodge trouble tickets）。而且，这很可能对我们设想的服务提供商来说是合适的。d) 理想的情况是，Admin API会复制我们能通过命令行接口做的所有功能。在带有Admin API work的Diablo 发布中会更好。e) 云监控和操作将是服务提供商关注的重点。好操作方法的关键是好的工具。当前，OpenStack Compute 提供 nova-instancemonitor，它跟踪计算结点使用情况。未来我们还需要三方工具来监控。f) Policy是极其重要的方面，但是会与供应商很相关。从quotas到QoS，到隐私控制都在其

15、管辖内。当前图上有部分覆盖，但是这取决于供应商的复杂需求。为准确起见，OpenStack Compute 为实例，浮点IP地址以及元数据提供配额。g) 当前，OpenStack Compute内的Scheduling对于大的安装来说是相当初步的。调度器是以插件的方式设计的，目前支持chance(随机主机分配)，simple(最少负载)和zone（在一个可用区域里的随机结点。）分布式的调度器和理解异构主机的调度器正在开发之中。 如你所见，OpenStack Compute为我们想象的服务提供商，提供了一个不错的基础，只要服务提供商愿意做一些整合。3.3 OpenStack Compute系统架构

16、OpenStack Compute由一些主要组件组成。“Cloud controller”包含很多组件，它表示全局状态，以及与其他组件交互。实际上，它提供的是Nova-api服务。它的功能是：为所有API查询提供一个端点，初始化绝大多数的部署活动，以及实施一些策略。API 服务器起cloud controller web Service前端的作用。Compute controller 提供compute服务资源，典型包含compute service，Object Store component可选地提供存储服务。Auth manager提供认证和授权服务，Volume controller为

17、compute servers提供快速和持久的块级别存储。Network controller提供虚拟网络使compute servers彼此交互以及与公网进行交互。Scheduler选择最合适的compute controller来管理（host）一个实例。OpenStack Compute建立在无共享、基于消息的架构上。Cloud controller通过HTTP与internal object store交互，通过AMQP和scheduler、network controller、 和volume controller 来进行通信。为了避免在等待接收时阻塞每个组件，OpenStack C

18、ompute用异步调用的方式。为了获得带有一个组件多个备份的无共享属性，OpenStack Compute将所有的云系统状态保持在分布式的数据存储中。对系统状态的更新会写到这个存储中，必要时用质子事务。对系统状态的请求会从store中读出。在少数情况下，控制器也会短时间缓存读取结果。3.4 OpenStack Compute物理架构OpenStack Compute采用无共享、基于消息的架构，非常灵活，我们能安装每个nova- service在单独的服务器上，这意味着安装OpenStack Compute有多种可能的方法。可能多结点部署唯一的联合依赖性，是Dashboard必须被安装在nova

19、-api服务器。几种部署架构如下：a) 单结点：一台服务器运行所有的nova- services，同时也驱动虚拟实例。这种配置只为尝试OpenStack Compute，或者为了开发目的；b) 双结点：一个cloud controller 结点运行除nova-compute外的所有nova-services，compute结点运行nova-compute。一台客户计算机很可能需要打包镜像，以及和服务器进行交互，但是并不是必要的。这种配置主要用于概念和开发环境的证明。c) 多结点：通过简单部署nova-compute在一台额外的服务器以及拷贝nova.conf文件到这个新增的结点，你能在两结点的

20、基础上，添加更多的compute结点，形成多结点部署。在较为复杂的多结点部署中，还能增加一个volume controller 和一个network controller作为额外的结点。对于运行多个需要大量处理能力的虚拟机实例，至少是4个结点是最好的。一个可能的Openstack Compute多服务器部署（集群中联网的虚拟服务器可能会改变）如下3-3所示：3-3 OpenStack Compute物理架构一 如果你注意到消息队列中大量的复制引发了性能问题，一种可选的架构是增加更多的Messaging服务器。在这种情形下，除了可以扩展数据库服务器外，还可以增加一台额外的RabbitMQ服务器。

21、部署中可以在任意服务器上运行任意nova-service，只要nova.conf中配置为指向RabbitMQ服务器，并且这些服务器能发送消息到它。 下图3-4是另外一种多结点的部署架构。3-4 多结点的部署架构二3.5 OpenStack Compute服务架构因为Compute有多个服务，也可能有多种配置，下图3-5显示了总体的服务架构，以及服务之间的通信系统。3-5 OpenStack Compute服务架构4. OpenStack Image ServiceOpenStack Image Service包括两个主要的部分，分别是API server和Registry server(s)。

22、OpenStack Image Service的设计，尽可能适合各种后端仓储和注册数据库方案。API Server（运行“glance api”程序）起通信hub的作用。比如各种各样的客户程序，镜像元数据的注册，实际包含虚拟机镜像数据的存储系统，都是通过它来进行通信的。API server转发客户端的请求到镜像元数据注册处和它的后端仓储。OpenStack Image Service就是通过这些机制来实际保存进来的虚拟机镜像的。OpenStack Image Service支持的后端仓储有：a) OpenStack Object Storage。它是OpenStack中高可用的对象存储项目。b

23、) FileSystem。OpenStack Image Service存储虚拟机镜像的默认后端是后端文件系统。这个简单的后端会把镜像文件写到本地文件系统。c) S3。该后端允许OpenStack Image Service存储虚拟机镜像在Amazon S3服务中。d) HTTP。OpenStack Image Service能通过HTTP在Internet上读取可用的虚拟机镜像。这种存储方式是只读的。OpenStack Image Service registry servers是遵守OpenStack Image Service Registry API的服务器。根据安装手册，这两个服务安

24、装在同一个服务器上。镜像本身则可存储在OpenStack Object Storage， Amazons S3 infrastructure，fileSystem。如果你只需要只读访问，可以存储在一台Web服务器上。5. OpenStack Object Storage5.1 关键概念a) Accounts和 Account ServersOpenStack Object Storage系统被设计来供许多不同的存储消费者或客户使用。每个用户必须通过认证系统来识别自己。为此，OpenStack Object Storage提供了一个授权系统（swauth）。运行Account服务的结点与个体账户

25、是不同的概念。Account服务器是存储系统的部分，必须和Container服务器和Object服务器配置在一起。b) Authentication 和 Access Permissions你必须通过认证服务来认证，以接收OpenStack Object Storage连接参数和认证令牌。令牌必须为所有后面的container/object操作而传递。典型的，特定语言的API处理认证，令牌传递和HTTPS request/response 通信。 通过运用X-Container-Read: accountname和 X-Container-Write: accountname:username

26、，你能为用户或者账户对对象执行访问控制。比如，这个设置就允许来自accountname账户的的任意用户来读，但是只允许accountname账户里的用户username来写。你也能给OpenStack Object Storage中存储的对象授予公共访问的权限，而且可以通过Referer头部阻止像热链接这种基于站点的内容盗窃，来限制公共访问。公共的container设置被用作访问控制列表之上的默认授权。比如，X-Container-Read: referer: any 这个设置，允许任何人能从container中读，而不管其他的授权设置。 一般来说，每个用户能完全访问自己的存储账户。用户必须用

27、他们的证书来认证，一旦被认证，他们就能创建或删除container，以及账户之类的对象。一个用户能访问另一个账户的内容的唯一方式是，他们享有一个API访问key或你的认证系统提供的会话令牌。c) Containers and Objects一个Container是一个存储隔间，为你提供一种组织属于属于你的数据的方式。它比较类似于文件夹或目录。Container和其他文件系统概念的主要差异是containers不能嵌套。然而，你可以在你的账户内创建无数的containers。但是你必须在你的账户上有一个container，因为数据必须存在Container中。 Container取名上的限制是，

28、它们不能包含“/”，而且长度上少于256字节。长度的限制也适用于经过URL编码后的名字。比如，Course Docs的Container名经过URL编码后是“Course%20Docs”，因此此时的长度是13字节而非11字节。 一个对象是基本的存储实体，和表示你存储在OpenStack Object Storage系统中文件的任何可选的元数据。当你上传数据到OpenStack Object Storage，它原样存储，由一个位置（container），对象名，以及key/value对组成的任何元数据。比如，你可选择存储你数字照片的副本，把它们组织为一个影集。在这种情况下，每个对象可以用元数据A

29、lbum :Caribbean Cruise 或Album : Aspen Ski Trip来标记。 对象名上唯一的限制是，在经过URL编码后，它们的长度要少于1024个字节。 上传的存储对象的允许的最大大小5GB，最小是0字节。你能用内嵌的大对象支持和St工具来检索5GB以上的对象。对于元数据，每个对象不应该超过90个key/value对，所有key/value对的总字节长度不应该超过4KB。d) Operations Operations是你在OpenStack Object Storage系统上执行的行为，比如创建或删除containers，上传或下载objects等等。Operatio

30、ns的完全清单可以在开发文档上找到。Operations能通过ReST web service API或特定语言的API来执行。值得强调的是，所有操作必须包括一个来自你授权系统的有效的授权令牌。e) 特定语言的API绑定一些流行语言支持的API 绑定，在RackSpace云文件产品中是可用的。这些绑定在基础ReST API上提供了一层抽象，允许变成人员直接与container和object模型打交道，而不是HTTP请求和响应。这些绑定可免费下载，使用和修改。它们遵循MIT许可协议。对于OpenStack Object Storage，当前支持的API绑定是：PHP，Python，Java，C#

31、/.NET 和Ruby。5.2 Object Storage如何工作 a) RingRing 代表磁盘上存储的实体的名称和它们的物理位置的映射。accounts, containers, and objects都有单独的Ring。其他组件要在这三者之一进行任何操作，他们都需要合相应的Ring进行交互以确定它在集群中的位置。Ring用zones，devices，partitions，和replicas来维护映射，在Ring中的每个分区都会在集群中默认有三个副本。分区的位置存储在Ring维护的映射中。Ring也负责确定失败场景中接替的设备。（这点类似HDFS副本的复制）。分区的副本要保证存储在不同

32、的zone。Ring的分区分布在OpenStack Object Storage installation所有设备中。分区需要移动的时候，Ring确保一次移动最少的分区，一次仅有一个分区的副本被移动。权重能用来平衡分区在磁盘驱动上的分布。Ring在代理服务器和一些背景进程中使用。b) Proxy Server代理服务器负责将OpenStack Object Storage架构中其他部分结合在一起。对于每次请求，它都查询在Ring中查询account, container, or object的位置，并以此转发请求。公有APIs也是通过代理服务器来暴露的。大量的失败也是由代理服务器来进行处理。比如一个服务器不可用，它就会要求Ring来为它找下一个接替的服务器，并把请求转发到那里。当对象流进或流出object server时，它们都通过代理服务器来流给用户，或者通过它从用户获取。代理服务器不会缓冲它们。Proxy服务器的功能可以总结为：查询位置，处理失败，中转对象。c)