OpenStack的架构

OpenStack的架构

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 Compute[1],为云组织的控制器,它提供一个工具来部署云,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 Storage[2],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Web应用创建基于云的弹性存储。

OpenStack Image Service[1],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Amazon’s 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IaaS,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 operators,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
3.1OpenStack 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, 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,OpenStack 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Dashboard,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。

3.3OpenStack Compute系统架构

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 Compute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。

3.4OpenStack 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-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。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 Service
OpenStack Image Service包括两个主要的部分,分别是API server和Registry server(s)。

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)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,这两个服务安装在同一个服务器上。镜像本身则可存储在OpenStack Object Storage, Amazon’s 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 Storage
5.1 关键概念

a)Accounts和 Account Servers

OpenStack 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,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,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Album :

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。Operations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#/.NET 和Ruby。

5.2 Object Storage如何工作

a)Ring

Ring 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)Object Server

Object Server,是非常简单的blob存储服务器,能存储、检索和删除本地磁盘上的对象,它以二进制文件形式存放在文件系统中,元数据以文件的扩展属性存放。

对象以源于对象名的hash和操作的时间戳的路径来存放。上一次写总会成功,确保最新的版本将被使用。删除也视作文件的一个版本:这确保删除的文件也被正确复制,更旧的把本不会因为失败情形离奇消失。

d)Container Server

其主要工作是处理对象列表,它不知道对象在哪里,只是知道哪些对象在一个特定的container。列表被存储为sqlite 数据库文件,类似对象的方式在集群中复制。也进行了跟踪统计,包括对象的总数,以及container中使用的总存储量。

e)Account Server

它是类似于Container Server,除了它是负责containers的列表而非对象。

f)Replication

设计副本的目的是,在面临网络中断或驱动失败等临时错误条件时,保持系统在一致的状态。

副本进程会比较本地的数据和每个远处的副本,以确保他们所有都包含最新的版本。对象副本用一个Hash列表来快速比较每个分区的片段,而containe和 account replication 用的是Hash和共享的高水印结合的方法。

副本的更新,是基于推送的。对于对象副本,更新是远程同步文件到Peer。Account和container replication通过HTTP or rsync把整个数据库文件推送遗失的记录。

副本也通过tombstone设置最新版本的方式,确保数据从系统中清除。

g)更新器(Updaters)

有时,container 或 account数据不能被立即更新,这通常是发生在失败的情形或高负载时期。如果一个更新失败,该更新会在文件系统上本地排队,更新器将处理这些失败的更新。事件一致性窗口(eventual consistency window)最可能来起作用。比如,假设一个container服务器正处于载入之中,一个新对象正被放进系统,代理服务器一响应客户端成功,该对象就立即可读了。然而,container服务器没有更新Object列表,所以更新就进入队列,以等待稍后的更新。Container列表,因此可能还不会立即包含这个对象。

实际上,一致性窗口只是与updater运行的频率一样大,当代理服务器将转发清单请求到响应的第一个container服务器中,也许甚至还不会被注意。在载入之下的服务器可能还不是服务后续清单请求的那个。另外两个副本中的一个可能处理这个清单。

h)Auditors

Auditors会检查objects, containers, 和 accounts的完整性。如果发先损坏的文件,它将被隔离,好的副本将会取代这个坏的文件。如果发现其他的错误,它们会记入到日志中。

5.3 OpenStack Object Storage物理架构

Proxy Services 偏向于CPU和network I/O 密集型,而 Object Services, Container Services, Account Services 偏向于disk and networkI/O 密集型。

可以在每一服务器上安装所有的服务,在Rackspace内部, 他们将Proxy Services放在他们自己的服务器上,而所有存储服务则放在同一服务器上。这允许我们发送10G的网络给代理,1G给存储服务器,从而保持对代理服务器的负载平衡更好管理。我们能通过增加更多代理来扩展整个API吞吐量。如果需要获得Account或 Container Services更大的吞吐量,它们也可以部署到自己的服务器上。

在部署OpenStack Object Storage时,可以单结点安装,但是它只适用于开发和测试目的。也可以多服务器的安装,它能获得分布式对象存储系统需要的高可用性和冗余。

有这样一个样本部署架构,如图5-1所示。一个Proxy 结点,运行代理服务,一个Auth 结点,运行认证服务,五个Storage结点,运行Account,Container和Object服务。

5-1 五个Storage结点的OpenStack Object Storage物理架构

参考文献

[1] OpenStack Compute Administration Manual.

http://docs.openstack.org/cactus/openstack-compute/admin/content.

[2] OpenStack Object Storage Developer Guide.http://docs.openstack.org/.

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