基于OpenStack和Ceph的開源私有云平臺設計和實現

張榆

（云南電網有限責任公司信息中心，昆明 650217）

0 前言

云計算技術和虛擬化技術為優化資源利用率和資源管理方法提供了一種新型且有效的方法，為各個數據中心帶來了多元的架構解決方案，并隨著其在各方面優秀的表現而逐漸改變著傳統數據中心的運營方式。采用OpenStack開源虛擬化技術和Ceph開源分布式存儲技術構建了靈活高效的開源私有云平臺，實現計算資源、存儲資源以及網絡資源的統一管理和自助式使用。OpenStack和Ceph的開源性、架構松耦合性以及優秀的橫向擴展性為該私有云平臺提供了良好的靈活性、彈性擴展性、包容性，使該平臺能有效滿足不斷復雜的電力業務和不斷增長的資源規模對資源使用靈活和管理成本節約的需求。

1 開源私有云平臺架構設計

1.1 功能架構設計

私有云平臺的功能架構設計包括管理虛擬計算資源、虛擬存儲資源等云化基礎資源和配套的網絡環境，支持管理未來引入的異構基礎設施對象，包含X86服務器、IBM小型機、商業存儲、運維管理平臺等。通過該平臺的設計和實現，將建設成基于OpenStack和Ceph的開源虛擬化資源管理平臺，對數據中心進行統一管理，實現虛擬化資源和物理資源的統一抽象，形成邏輯統一的云計算資源池，主要提供虛擬計算、虛擬存儲、虛擬網絡以及虛擬安全等服務，具體可提供服務內容為虛擬主機服務、虛擬硬盤服務、備份服務、彈性負載均衡服務、物理機納管服務、虛擬機高可用服務、安全管理服務、資源監控服務、用戶自助服務等。

1.2 部署架構設計

遵循“集中控制、各司其職”的原則，根據OpenStack模塊之間的高度松耦合性和分布式特性，并依照服務器節點功能的不同，本開源私有云平臺的部署架構主要由3臺控制節點、3臺計算節點、3臺存儲節點以及3臺計算存儲融合節點組成，如圖2所示。同時，還單獨配置一臺部署節點用于平臺集群的一鍵部署和可視化操作。該架構設計使開源私有云平臺具有良好的橫向可擴展性，包括計算集群的可擴展性、存儲集群的可擴展性以及控制集群的可擴展性等。

圖1 平臺功能架構圖

圖2 平臺部署架構圖

1）部署節點：主要用于提供開源私有云平臺的一鍵式自動部署能力、平臺規模自動化擴展能力以及部署、擴容過程的全程可視化操作能力。

2）控制節點：主要用于運行管理開源私有云平臺環境中計算、網絡、存儲、計量、編排、容器調度等服務，以及服務運行所需的消息隊列組件RabbitMQ、MySQL數據庫和MongoDB數 據 庫， 并 通 過 HAProxy、Pacemaker、Corosync等技術實現各服務的高可用和接入層的負載均衡。在設計中，使用至少3個節點構成一個控制集群，并在集群中設置仲裁機制，從而避免因控制節點“腦裂現象”而導致整個私有云平臺不可用。

3）計算節點：是虛擬化層提供計算能力的載體，通常采用1～N臺標準X86物理服務器。計算節點可以進行擴展，并且在擴展時不影響業務的正常運行，保持系統不停機，保障業務的連續性。

4）存儲節點：主要采用Ceph開源分布式存儲技術實現分布式存儲資源池，通過存儲多副本技術保障整個存儲資源池中沒有單點故障，保障了數據的安全性和可靠性。基于Ceph的分布式存儲由多個獨立的標準x86服務器組成，利用本地硬盤提供存儲空間。存儲集群整體的有效存儲容量可依照公式（1）來計算和設計。

5）計算存儲融合節點：是指在同一個服務器節點上同時部署計算、存儲相關組件，使之同時具備計算節點和存儲節點的功能。

2 開源私有云平臺實現

依據以上架構設計，本文構建了適用于本企業電力信息系統的開源私有云平臺，形成了計算資源、存儲資源及網絡資源三大基礎資源的有效整合、統一管理、按需分配、靈活調度。

2.1 基礎環境部署

我們使用OpenStack和Ceph開源社區公布的穩定發行版來構建開源私有云平臺，并使用友好的圖形化安裝工具 Roller來實施基礎環境的自動化部署，包括控制節點、計算節點、存儲節點、計算存儲融合節點以及各關鍵組件的自動部署和配置。Roller是一個為OpenStack端到端“一鍵部署”設計的工具，其功能含蓋自動的PXE方式的操作系統安裝，DHCP服務，Orchestration服務 和puppet 配置管理相關服務等，此外還有OpenStack關鍵業務健康檢查和日志實時查看等非常好用的服務。Roller工具的架構圖如圖3所示。

圖3 Roller工具架構圖

2.2 計算資源虛擬化

通過OpenStack的Nova、Ironic等組件將能將不同品牌、型號的異構物理服務器進行裸設備資源整合，將基于KVM的計算資源和基于VMware的計算資源進行資源整合，現虛擬化資源和物理資源的統一抽象，形成邏輯統一的計算資源池，實現虛擬主機、物理機的統一管理、統一調配，避免了現有的商業虛擬化技術在資源擴展時候的技術封閉、難兼容的問題。

圖4 計算資源虛擬化架構圖

2.3 存儲資源虛擬化

基于Ceph分布式存儲技術，實現多個節點的存儲資源的整合和統一管理。此外，OpenStack可將Ceph開源分布式存儲、商業存儲等多種存儲資源進行高效集成，并通過cinder、swift等組件為用戶提供塊存儲、對象存儲以及文件存儲等多種存儲方式。

圖5 存儲資源虛擬化架構圖

2.4 網絡資源虛擬化

通過OpenStack的Neutron等組件構建虛擬化網絡，提供基于租戶隔離的從二層到七層的虛擬網絡服務，通過VLAN實現各個業務系統的網絡隔離，滿足業務對網絡高效性、可靠性、擴展性以及網絡隔離的需求。同時，通過VLAN/VXLAN組網，平臺實現了基于軟件的路由器、交換機、負載均衡、防火墻功能等。

圖6 網絡資源虛擬化架構圖

3 開源私有云平臺的應用和特性

該開源私有云平臺主要用于為企業電力信息系統的測試業務提供快速便捷的計算資源和存儲資源自助申請和動態調整，可以為電力信息系統測試業務在敏捷開發和敏捷運維中提供資源的靈活調度、高效利用。

該平臺還為用戶提供虛擬資源自助式申請服務。用戶可以自主選擇所需的資源服務模板進行資源申請，系統自動配置其所需資源。對于用戶而言，資源的申請只需要提交一次申請即可完成，無需分別申請計算資源、存儲資源和網絡資源，使用戶資源申請耗時可縮短70%，提高了資源申請的便捷性和高效性。對于資源管理員而言，一項業務所需的計算資源、存儲資源和網絡資源可以在平臺內流程化地完成資源的分配和調度，虛擬資源的配置時間短至分鐘級別，從而極大地降低管理復雜度和工作量，提升管理效率。

4 結束語

本文利用OpenStack和Ceph的開源技術構建了一個適用于電力信息系統的開源私有云平臺，并描述該平臺的架構設計和。OpenStack的開源性、包容性、架構松耦合性以及優秀的橫向擴展性使該開源私有云平臺能夠滿足電力信息系統和數據中心規模不斷增長對平臺擴展性、靈活性、包容性等各方面的需求，有效降低資源管理成本，優化資源服務方式，提高資源服務效能，實現項目在保證資源穩定性的條件下節省資源管理成本、優化資源管理和服務方式的目標。