OpenStack之Nova服務(wù)

毛軍禮

摘要：云計算是近年來IT領(lǐng)域非常熱門的研究方向，OpenStack作為開源的云計算平臺得到了廣泛地應(yīng)用，重點對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Nova組件的邏輯架構(gòu)、運行架構(gòu)和部署架構(gòu)進(jìn)行了簡要說明，并對Nova服務(wù)中的消息隊列、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的適合實驗室或中小型企業(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

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：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

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

1 Nova在OpenStack框架中的位置

OpenStack的功能由多個子項目協(xié)同實現(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云平臺系統(tǒng)中，Nova服務(wù)作為整個系統(tǒng)最為核心的模塊，完成虛擬機實例全生命周期管理、云平臺網(wǎng)絡(luò)管理及云平臺存儲管理等有關(guān)的管控能力。

OpenStack由多個單元組成：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Keystone進(jìn)行身份認(rèn)證；④虛擬機（VM）是實現(xiàn)云計算的核心，Nova負(fù)責(zé)創(chuàng)建VM；⑤Glance提供鏡像給虛擬機；⑥Cinder提供快存儲服務(wù)給虛擬機；⑦Neutron提供虛擬機的網(wǎng)絡(luò)活動及服務(wù)；⑧Swift負(fù)責(zé)OpenStack的對象的存儲，可保存Glance的鏡像文件和Cinder的備份卷。

Nova組件的主要任務(wù)是完成虛擬機的創(chuàng)建和維護(hù)，以及云平臺的管控和服務(wù)提供等。Nova通過與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鏡像及與Horizon組件交互獲得用戶和管理員接口。

2 Nova邏輯架構(gòu)

Nova雖然是OpenStack中的一個組件，但是Nova與OpenStack整個系統(tǒng)的設(shè)計理念相當(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實現(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計算服務(wù)的核心，提供查詢?nèi)肟诮o其他所有的API，對大部分部署活動進(jìn)行初始化，以及配置一些策略；

②Nova-Compute：計算單元守護(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)映射到計算機卷的創(chuàng)建、追加、作廢及刪除等管理活動；

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

⑤Nova-Scheduler：調(diào)度管理后臺進(jìn)程，負(fù)責(zé)調(diào)度選擇計算節(jié)點，以啟動新的VM運行實例，通過特定的計算模型和算法從計算資源池中選擇合適的計算節(jié)點作為可調(diào)度的資源；

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

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

OpenStack的開發(fā)方、系統(tǒng)使用人員或系統(tǒng)其他組件通過Nova-PAI作為調(diào)用入口，Nova內(nèi)部的組件都是通過消息隊列或數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)API的調(diào)用和消息的傳遞。

3 Nova運行架構(gòu)

Nova-API在Nova服務(wù)中是重要的關(guān)鍵單元，為其他組件訪問提供標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一接口，計算資源服務(wù)、存儲資源服務(wù)及網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)等模塊都是通過API接口來執(zhí)行服務(wù)。API接口之間可以相互調(diào)用，在OpenStack中，計算服務(wù)通過調(diào)用存儲服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的API接口對外提供服務(wù)，虛擬機創(chuàng)建的時序圖如圖2所示。

①創(chuàng)建VM：VM實例的建立需通過調(diào)用Nova-API提供的接口來實現(xiàn)，Nova-API服務(wù)單元進(jìn)行參數(shù)校驗和用戶合法性校驗，根據(jù)所要創(chuàng)建的VM的CPU、內(nèi)存、磁盤和網(wǎng)絡(luò)等要素信息，Compute-API服務(wù)單元訪問虛擬機實例數(shù)據(jù)庫。

②調(diào)度：通過Nova-Scheduler和Compute-API單元配合，確定新建的VM實例運行在的哪個物理主機上，VM實例的調(diào)度消息將通過Compute-API接口以遠(yuǎn)程過程調(diào)用的模式傳遞給消息隊列。

③訂閱調(diào)度消息：Nova-Scheduler單元通過訂閱調(diào)度消息來接收包含調(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算節(jié)點中選擇一個物理主機運行新創(chuàng)建的虛擬機實例，消息隊列將收到Nova調(diào)度單元傳來的VM的基礎(chǔ)消息和物理主機數(shù)據(jù)。

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

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

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)建的虛擬機實例分配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)點架構(gòu)：在單臺服務(wù)器節(jié)點上安裝部署所有的Nova服務(wù)組件，這種部署方式通常用于實驗室場景，或者開發(fā)；

②雙節(jié)點架構(gòu)：2臺服務(wù)器，一臺安裝配置作為云控制器節(jié)點，另一臺安裝配置作為ComputeNode，ComputeNode運行Nova-Compute，云控制節(jié)點運行所有Nova的其他服務(wù)組件；

③多節(jié)點架構(gòu)：在雙節(jié)點架構(gòu)的基礎(chǔ)上，將Nova-Compute部署在一臺單獨的服務(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)點的部署架構(gòu)。

5消息隊列

在Nova組件中，所采用的消息隊列是AMQP高級消息隊列協(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)器簡稱為消息隊列，OpenStack通過消息隊列這個橋梁溝通其計算節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、存儲節(jié)點以及各個不同的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)來實現(xiàn)平臺中的AMQP協(xié)議，采取遠(yuǎn)程過程調(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)對外提供的接口均為REST API標(biāo)準(zhǔn)接口，通過AMQP消息隊列完成OpenStack框架內(nèi)部各個組件之間的通信。

6 Nova Network組件

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

OpenStack平臺的網(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OpenStack平臺，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實例都通過人工配置好的網(wǎng)橋連接到相同的虛擬網(wǎng)絡(luò)中，計算節(jié)點網(wǎng)關(guān)的IP地址配置為Nova網(wǎng)絡(luò)組件所在節(jié)點的IP地址。在開啟虛擬機時，將VM實例創(chuàng)建時手工配制的IP地址加注到VM鏡像中。通過對新建的VM實例進(jìn)行地址翻譯和轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)云平臺和外部網(wǎng)絡(luò)平臺的互通。

②Flat DHCP：該模式的運行方式類似于Flat模式，從IP地址資源池中選取IP地址分配給虛擬機實例，和Flat類同，該網(wǎng)絡(luò)模型為扁平式網(wǎng)絡(luò)，所有創(chuàng)建成功的虛擬機實例都和相同的網(wǎng)橋相關(guān)聯(lián)。與Flat模式不同的是，該模型多運行了一個DHCP服務(wù)，并與以太網(wǎng)設(shè)備建立網(wǎng)橋，通過DHCP服務(wù)為虛擬機實例動態(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，通過為每個子項目創(chuàng)建獨立的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)獨立網(wǎng)橋，第三步將虛擬機實例的虛擬網(wǎng)卡加入到獨立網(wǎng)橋中，這樣，同在一個組織的虛擬機實例均隸屬于相同的虛擬局域網(wǎng)絡(luò)中，這些項目所能獲得的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)點響應(yīng)VM的請求，通過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啟動調(diào)度進(jìn)程：當(dāng)接收到用戶創(chuàng)建VM的請求后，Nova調(diào)度組件啟動Nova默認(rèn)的過濾器FilterScheduler；

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

③權(quán)值計算：將過濾后的主機節(jié)點逐個計算權(quán)值，OpenStack提供了2種策略來支持權(quán)值計算；

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

8基于OpenStack的私有云平臺部署實驗

為滿足科研實驗室以及中小企業(yè)不同用戶和不同階段的需求，為其提供高可用性云服務(wù)，本文提出一種基于OpenStack的私有云計算平臺建設(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發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具，該私有云構(gòu)建方案包括存儲節(jié)點、控制節(jié)點和計算節(jié)點，如圖5所示，Swift單元主要部署在存儲節(jié)點上，Keystone、Glance、Horizon和Nova（不含Nova-Compute）單元均部署在控制節(jié)點上，可以采用一臺或多臺服務(wù)器，Nova-Compute組件部署在計算節(jié)點上。

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

①安裝Keystone組件，對各項服務(wù)進(jìn)行授權(quán)以便順利使用，例如對計算、存儲和鏡像等服務(wù)進(jìn)行注冊，Swift組件提供分布式云存儲服務(wù)。

②Glance組件通過建立數(shù)據(jù)庫以存儲鏡像的元數(shù)據(jù)、管理鏡像的上傳、刪除及驗證等，實現(xiàn)虛擬機鏡像管理的工程。

③Nova組件是核心部分，較為復(fù)雜，包括虛擬機實例、網(wǎng)絡(luò)及云硬盤等的管理，Nova組件安裝配置完成后需要安裝KVM虛擬機工具，Nova開啟VM實例需通過第三方軟件來實現(xiàn)。另外，為了保證時間同步，以控制節(jié)點作為時間基準(zhǔn)，所有計算節(jié)點的時鐘均同步到控制節(jié)點。

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

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

9結(jié)束語

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

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