基于開源軟件的私有云計算平臺構(gòu)建*

姜 毅 ，王偉軍 ，曹 麗 ，劉 凱 ，陳桂強

（1.華中師范大學(xué)信息管理學(xué)院 武漢 430079；2.浙江理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 杭州 310018；3.浙江理工大學(xué)信息學(xué)院 杭州 310018）

1 引言

云計算的應(yīng)用越來越廣泛，對相關(guān)問題的研究也逐漸深入，不少公司和研究機構(gòu)需要構(gòu)建自己的私有云計算平臺。商業(yè)解決方案存在價格高、授權(quán)模式復(fù)雜等問題，并且無法獲得系統(tǒng)源代碼，很多情況下并不適合采用。開源云計算技術(shù)具有成本低、靈活性高等優(yōu)勢，能夠方便地獲得源代碼進(jìn)行深入研究，因此很多機構(gòu)都采用開源軟件構(gòu)造私有云計算平臺。目前主要的開源云計算項目有Eucalyptus、OpenStack、OpenNebula 和 Nimbus，本文在對比這些項目的基礎(chǔ)上，分析了OpenStack的架構(gòu)，闡述了利用OpenStack構(gòu)建私有云平臺的方法。

2 私有云平臺概述

2.1 私有云概念

從用戶使用的角度來看，云計算平臺可以分為公共云和私有云[1]。公共云部署在互聯(lián)網(wǎng)中，用戶通過網(wǎng)絡(luò)獲得計算資源和存儲資源，并按照“即用即付”（pay-as-you-go）的方式付費。私有云是企業(yè)或組織內(nèi)部數(shù)據(jù)中心的資源，只提供給機構(gòu)內(nèi)部人員使用，不對外面向公眾。私有云計算平臺一般構(gòu)建在機構(gòu)的防火墻內(nèi)部，相對于公共云，其安全性更高，服務(wù)質(zhì)量更有保證。私有云能夠充分利用現(xiàn)有的硬件資源和軟件資源，可以有效地降低信息化成本。

2.2 私有云計算平臺構(gòu)建模式

私有云平臺的構(gòu)建可以采用3種模式：研究機構(gòu)自行開發(fā)[2]，這種方式需要企業(yè)或研究機構(gòu)有很強的技術(shù)實力，比較典型的是清華大學(xué)的透明計算平臺；采用商業(yè)解決方案[3]，不少商業(yè)公司提供了較為成熟的私有云整體解決方案，比較典型的是IBM的“藍(lán)云”計算平臺；使用開源解決方案[4]，這種方案是利用開源系統(tǒng)構(gòu)造企業(yè)或組織的私有云平臺，比較典型的是使用Eucalyptus和OpenStack等開源系統(tǒng)。3種構(gòu)造方式的比較見表1。

表1 私有云計算平臺構(gòu)建模式對比

2.3 開源私有云計算平臺優(yōu)勢

在自行開發(fā)、商業(yè)解決方案和開源解決方案3種私有云的構(gòu)建模式中，開源方案具有如下多個優(yōu)勢。

（1）使用成本低

用戶只需要購買硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，無需為開源軟件的使用付費。即使用戶需要開源軟件開發(fā)商提供服務(wù)，其需要付出的費用也相對比較低廉。例如，Ubuntu幫助用戶構(gòu)建基于OpenStack的私有云平臺的服務(wù)費用是9 000美元，相關(guān)工作在5天內(nèi)完成[5]。

（2）開放源代碼

開放源代碼，有利于研究人員對系統(tǒng)內(nèi)部的實現(xiàn)機制進(jìn)行深入研究。開源軟件使用Apache或其他授權(quán)協(xié)議，用戶能夠獲得系統(tǒng)的源代碼，并且可以通過社區(qū)、討論組等多種形式，與開發(fā)人員和其他用戶深入探討各種技術(shù)問題。

（3）平臺可擴(kuò)展性強

由于現(xiàn)有的云計算技術(shù)尚在快速發(fā)展中，沒有形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，一旦選擇了一種商業(yè)解決方案，就很難轉(zhuǎn)換到其他平臺。而開源云平臺在設(shè)計時一般會保持對主流云計算技術(shù)（如亞馬遜EC2、S3等）的兼容性，同時提供轉(zhuǎn)換工具，有效地避免了廠商鎖定問題，增強了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

3 開源云計算項目現(xiàn)狀

3.1 主流開源云計算項目介紹

目前已經(jīng)有多個云計算平臺的開源實現(xiàn)，主要的開源云計算項目有 Eucalyptus、OpenStack、CloudStack 和OpenNebula等，基本介紹如下。

（1）Eucalyptus

Eucalyptus[6]是加州大學(xué)圣芭芭拉分校計算機科學(xué)系Rich Wolski領(lǐng)導(dǎo)的項目組完成的開源軟件項目，該項目開發(fā)和應(yīng)用較早，目前占有最大的市場份額。其組件無需修改即可使用，可以運行在沒做修改的GNU Linux內(nèi)核上。Eucalyptus提供了與Amazon云計算平臺EC2和S3接口的兼容性，可以使客戶應(yīng)用方便地從私有云平臺遷移到公共云平臺。

（2）OpenStack

OpenStack[7]是美國國家航空航天局（NASA）和Rackspace合作研發(fā)的開源云計算平臺項目，整合了NASA的Nebula Platform和Rackspace的Cloud Files Platform技術(shù)。OpenStack得到了多個商業(yè)公司和開源組織的支持，被認(rèn)為是未來開源云計算平臺最具有潛力的技術(shù)，從Ubuntu 11.04版本開始，已經(jīng)把OpenStack作為內(nèi)置集成的云計算技術(shù)。

（3）CloudStack

CloudStack[8]起源于2008年成立的VMOps公司，2010年改名為Cloud.com，分為社區(qū)版本和商業(yè)版本。2011年7月思杰系統(tǒng)（Citrix System）公司收購了 Cloud.com，把以前維護(hù)的商業(yè)分支全部合并到了開源分支，并把該軟件加入Apache軟件基金會，成為了一個完全開源的項目。目前全球已經(jīng)有多個大規(guī)模應(yīng)用實例，如Zynga、GoDaddy等。

（4）OpenNebula

OpenNebula[9]起源于 2005年 Ignacio M Llorente和 Rubén S Montero創(chuàng)立的一個研究項目，于2008年7月發(fā)布了第一個公開版本。OpenNebula是一個虛擬化企業(yè)數(shù)據(jù)中心和云基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理的行業(yè)開源解決方案，具有開放性、模塊化和可擴(kuò)展的架構(gòu)，目前已成為歐盟云計算項目RESERVOIR中虛擬執(zhí)行環(huán)境管理器VEEM的核心組件。

3.2 開源云計算項目對比

Eucalyptus、OpenStack、CloudStack 和 OpenNebula這 4個主流的開源云計算項目各有特點，表2從多個方面對這4個項目進(jìn)行了對比，其中社區(qū)活躍程度的數(shù)據(jù)來源于蔣清野博客[10]。

在主流的開源云計算項目中，OpenStack目前已經(jīng)獲得英特爾、惠普、戴爾、Ubuntu、思科等多個重要公司和開源組織的支持，是目前最熱門的開源云計算項目，因此本文選擇OpenStack構(gòu)造私有云平臺。

表2 主流開源云計算項目對比

4 OpenStack平臺架構(gòu)

4.1 OpenStack服務(wù)架構(gòu)

OpenStack 中 有 Compute、Storage、Image、Identity 和Dashboard 5個子項目，其服務(wù)架構(gòu)如圖1所示。

其中，Compute、Storage、Image是核心的 3個子項目，提供計算、對象存儲和鏡像管理服務(wù)，其他的子項目包括提供身份認(rèn)證的Identity、基于Web的管理控制臺Dashboard等。OpenStack需要通過虛擬化技術(shù)使用基礎(chǔ)硬件平臺，客戶應(yīng)用系統(tǒng)可以通過OpenStack提供的接口（API）訪問各個云服務(wù)實例。

圖1 OpenStack服務(wù)架構(gòu)

4.2 OpenStack主要實現(xiàn)

OpenStack云計算平臺管理系統(tǒng)目前有 Nova、Swift、Glance、Keystone和Horizon 5個主要的具體實現(xiàn)。Nova是Compute的具體實現(xiàn)，主要功能是計算資源管理和云平臺控制服務(wù)管理，運行和管理虛擬服務(wù)器實例等；Swift是Object Storage的具體實現(xiàn)，提供分布式云存儲服務(wù)，是一個可擴(kuò)展的對象存儲系統(tǒng)；Glance是Image Service的具體實現(xiàn)，提供虛擬機鏡像的發(fā)現(xiàn)、注冊、獲取服務(wù)；Keystone是Identity的具體實現(xiàn)，提供統(tǒng)一的身份認(rèn)證服務(wù)；Horizon是Dashboard的具體實現(xiàn)，提供通過Web用戶界面管理云計算平臺的方式。Nova、Glance、Keystone的安裝和使用都需要使用數(shù)據(jù)庫，可以采用開源的MySQL、PostgreSQL或SQLite等數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

Nova和Swift是核心的兩類服務(wù)實現(xiàn)。Nova組件是云平臺的計算模塊，提供多種服務(wù)，包括API服務(wù)（nova-api）、消息隊列、計算服務(wù)（nova-compute）、網(wǎng)絡(luò)控制（nova-network）、卷服務(wù)（nova-volume）和調(diào)度管理（nova-scheduler）等；Swift組件提供云存儲服務(wù)，適合存儲大量、長期、需要備份的數(shù)據(jù)。Swift通過 “賬戶—容器—對象”（account-containerobject）的形式提供對象存儲服務(wù)，一個賬戶下可有多個容器，每個容器中可存儲多個對象。環(huán)服務(wù)是Swift最重要的組件，用于記錄存儲對象與物理位置間的映射關(guān)系。

5 基于OpenStack的私有云平臺構(gòu)建

5.1 總體說明

本文選擇OpenStack來構(gòu)造私有云平臺實例，并采用Ubuntu、KVM等開源軟件作為平臺的基礎(chǔ)操作系統(tǒng)和虛擬化工具。私有云平臺使用的主要開源軟件說明見表 3。

本文討論的私有云平臺實例主要應(yīng)用在科研實驗室環(huán)境中，服務(wù)器采用x86架構(gòu)，硬件設(shè)備初始的投入成本較低，并可以根據(jù)需要動態(tài)擴(kuò)展各種資源。私有云平臺的初始硬件配置見表4。

表3 構(gòu)造私有云平臺的主要開源軟件

表4 私有云平臺的初始硬件配置

5.2 基礎(chǔ)環(huán)境的配置

一個典型的私有云計算平臺至少采用兩臺服務(wù)器，本文將其稱為服務(wù)器Ⅰ和服務(wù)器Ⅱ。服務(wù)器Ⅰ上安裝Nova、Glance、Swift、Keystone和 Horizon 全部組件，作為云平臺的控制節(jié)點和存儲節(jié)點；服務(wù)器Ⅱ僅安裝Nova組件，作為云平臺的計算節(jié)點。在平臺性能不能滿足需要的情況下，可以動態(tài)擴(kuò)展計算和存儲等資源。每臺服務(wù)器均配置2塊吉比特以太網(wǎng)卡，第一塊網(wǎng)卡eth0設(shè)置為外部可訪問的IP地址，第二塊網(wǎng)卡eth1設(shè)置為云平臺各節(jié)點內(nèi)部通信的IP地址。服務(wù)器Ⅰ和服務(wù)器Ⅱ的配置說明見表5。

表5 服務(wù)器Ⅰ和服務(wù)器Ⅱ的配置說明

服務(wù)器Ⅰ和服務(wù)器Ⅱ首先需要安裝基礎(chǔ)操作系統(tǒng)（Base OS），本平臺使用 Ubuntu Server 12.04的 64 bit版本。安裝過程包括系統(tǒng)分區(qū)、設(shè)置初始用戶、配置網(wǎng)卡的IP地址等過程，在選擇系統(tǒng)組件時僅需要選擇Openssh-server。在Ubuntu安裝完成后，需要使用NTP（network time protocol）同步服務(wù)器時間，即在服務(wù)器 I安裝NTP服務(wù)器，其他服務(wù)通過該服務(wù)器進(jìn)行同步。

由于OpenStack的Nova和Glance等組件需要使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫，本平臺在基礎(chǔ)操作系統(tǒng)中安裝MySQL 5.5數(shù)據(jù)庫，并使用下列SQL腳本構(gòu)造OpenStack數(shù)據(jù)庫：

CREATE DATABASE nova;

CREATE USER novadbadmin;

GRANTALLPRIVILEGESONnova.*TO'novadbadmin'@'%';

SET PASSWORD FOR'novadbadmin'@'%'=PASSWORD('novasecret');

CREATE DATABASE glance;

CREATE USER glancedbadmin;

GRANTALLPRIVILEGESONglance.*TO'glancedbadmin'@'%';

SET PASSWORD FOR 'glancedbadmin'@'% '=PASSWORD('glancesecret');

CREATE DATABASE keystone;

CREATE USER keystonedbadmin;

GRANT ALL PRIVILEGES ON keystone.*TO'keystoned badmin'@'%';

SETPASSWORDFOR'keystonedbadmin'@'%'=PASSWORD('keystonesecret');

5.3 OpenStack各組件的安裝配置

OpenStack 一般按照 Keystone、Glance、Nova、Swift 和Dashboard順序進(jìn)行安裝和配置，服務(wù)器I依次安裝以上全部組件，服務(wù)器Ⅱ只需要安裝Nova組件。

（1）安裝和配置Keystone組件

該組件為OpenStack提供認(rèn)證、授權(quán)、用戶管理和角色管理等服務(wù)。在使用apt-get命令安裝并連接數(shù)據(jù)庫成功后，需要創(chuàng)建租戶（tenant）、用戶（user）和角色（role），關(guān)鍵代碼如下：

keystone tenant-create-name tenant_name

keystone user-create-name user_name-pass user_password-email user_email

keystone role-create-name role_name

然后將租戶、用戶和角色關(guān)聯(lián)起來，關(guān)鍵代碼如下：keystone user-role-add-user$USER_ID-role$ROLE_ID-tenant_id$TENANT_ID

需要注意的是，$USER_ID、$ROLE_ID和$TENANT_ID必須使用OpenStack分配的ID號碼，該號碼可以使用keystone user-list、keystone tenant-list和 keystone role-list命令查詢。

接下來是創(chuàng)建服務(wù)目錄和端點（endpoint）信息，關(guān)鍵代碼如下：

keystone service-create-name service_name-type service_type-description'Description of the service'

圖2 Nova服務(wù)狀態(tài)

keystone endpoint-create-region region_name-service_id service_id-publicurlpublic_url-adminurladmin_url-internalurl internal_url

全部配置成功后，Keystone組件安裝完成。

（2）安裝和配置Glance組件

Glance提供虛擬機鏡像管理服務(wù)，其安裝配置比較簡單，首先使用apt-get命令下載安裝，然后配置租/用戶和密碼信息、連接MySQL數(shù)據(jù)庫并配置環(huán)境變量，主要是修改/etc/glance/目 錄 下 的 g lance-api-paste.ini、glance-registrypaste.ini和glance-api.conf 3個文件。在配置成功Glance服務(wù)后，通過使用Keystone的授權(quán)機制，可以將虛擬機鏡像上傳到私有云計算平臺中。

（3）安裝和配置Nova組件

Nova組件是計算模塊，提供多種相關(guān)服務(wù)。首先使用apt-get命令安裝，然后修改/etc/nova/nova.conf配置信息，創(chuàng)建物理卷和卷組信息，改變/etc/nova目錄和/etc/nova/nova.conf文件的權(quán)限，并通過/etc/nova/api-paste.ini配置租/用戶和密碼信息，連接MySQL數(shù)據(jù)庫。在這些操作完成后，需要為虛擬機實例設(shè)置待分配的IP地址段，關(guān)鍵代碼如下：

sudo nova-manage network create private-fixed_range_v4=192.168.4.32/27-num_networks=1-bridge=br100-bridge_interface=eth1-network_size=32

在導(dǎo)出環(huán)境變量并重啟Nova服務(wù)后，可以使用sudo nova-manage service list查看Nova服務(wù)狀態(tài)，如圖2所示。

（4）安裝和配置 S wift組件

該組件提供云存儲服務(wù)，其配置過程比較復(fù)雜。首先使用apt-get命令安裝，然后設(shè)置Swift存儲后端（backend）。存儲后端即可以使用已經(jīng)存在的分區(qū)/卷，也可以創(chuàng)建回送文件（loopback file）系統(tǒng)。本平臺在服務(wù)器Ⅰ分區(qū)時已經(jīng)給Swift預(yù)留了約500 GB的磁盤空間，因此直接使用該分區(qū)。使用XFS對該分區(qū)進(jìn)行格式化，然后掛載該分區(qū)，并根據(jù)需要創(chuàng)建一些節(jié)點。

然后配置文件分布工具Rsync，Rsync能夠維護(hù)對象副本，需要被Swift的多個服務(wù)使用。再配置Swift組件信息，需要修改paste.deploy和/etc/swift/swift.conf等文件。下一步是配置Swift的代理服務(wù)，代理服務(wù)提供看守功能，用來響應(yīng)客戶請求，并負(fù)責(zé)其他組件間的相互通信過程，配置時需要修改/etc/swift/proxyserver.conf文件。

接下來需要配置賬號服務(wù)、容器服務(wù)和對象服務(wù)，主要是修改/etc/swift目錄下的account-server.conf、containerserver.conf、object-server.conf 3個配置文件信息。最后配置Swift的環(huán)服務(wù)，所有的配置完成后，即可使用私有云存儲服務(wù)。

（5）安裝 D ashboard 組件

該組件提供Web形式的管理界面，其安裝配置比較簡單，直接使用apt-get命令安裝，然后在瀏覽器中輸入服務(wù)器I的IP地址即可訪問Dashboard服務(wù)。

5.4 配置虛擬化環(huán)境

Nova組件本身不提供虛擬化的能力，而是通過libvirt API與虛擬機進(jìn)行交互，支持Xen、KVM、VMware、UML（user mode Linux）、LXC和QEMU等虛擬化技術(shù)。這些技術(shù)中，Xen和KVM是最主流的開源虛擬化項目。Xen使用半虛擬化技術(shù)，能夠在不支持硬件虛擬化的服務(wù)器上運行，其架構(gòu)比較復(fù)雜。KVM是輕量級的虛擬化管理程序模塊，目前已經(jīng)被集成到Linux內(nèi)核中，只支持全虛擬化技術(shù)，需要服務(wù)器支持硬件虛擬化技術(shù)。本文討論的私有云計算平臺服務(wù)器的CPU為Intel Xeon E3-1230，支持Intel VT硬件虛擬化技術(shù)，因此選擇KVM虛擬化技術(shù)。

首先安裝KVM，這一過程比較簡單[11]。然后制作操作系統(tǒng)鏡像文件，這些鏡像既可以從網(wǎng)絡(luò)中下載，也可以自行制作。由于不同的應(yīng)用環(huán)境需要默認(rèn)安裝的應(yīng)用軟件各不相同，所以一般需要自行制作鏡像。以Ubuntu為例，自行制作鏡像首先需要創(chuàng)建img文件，關(guān)鍵代碼如下：

kvm-img create-f qcow2 server.img 10G

然后利用KVM虛擬光驅(qū)加載操作系統(tǒng)ISO文件，完成虛擬機中操作系統(tǒng)的安裝。在鏡像制作完成后，通過Glance命令上傳到私有云平臺中，關(guān)鍵代碼如下：

glance add name=""is_public=true container_format=ovf disk_format=qcow2<.img

在鏡像上傳成功后，就可以在私有云計算平臺中創(chuàng)建虛擬機實例。創(chuàng)建過程主要步驟包括創(chuàng)建授權(quán)、加載鏡像、連接和使用鏡像等。

5.5 管理OpenStack服務(wù)

在需要的服務(wù)配置完成后，可以通過Dashboard對OpenSatck的各項服務(wù)進(jìn)行在線監(jiān)控。OpenStack服務(wù)狀態(tài)的Web監(jiān)控如圖3所示。

圖3 OpenStack服務(wù)狀態(tài)的Web監(jiān)控（Dashboard）

Dashboard同時提供了對OpenStack各服務(wù)在線管理的功能，主要包括管理虛擬機實例、管理操作系統(tǒng)鏡像、管理默認(rèn)硬件配置文件、管理用戶、管理卷等，其圖形化操作界面比命令行模式更加友好。

6 開源私有云平臺運行實例

6.1 云計算軟件測試平臺說明

在筆者參與的研究項目中，目前已經(jīng)利用OpenStack、KVM等開源軟件構(gòu)造了私有云計算平臺，該平臺用于進(jìn)行云計算軟件測試項目。用戶通過瀏覽器登錄和使用云測試項目管理系統(tǒng)，完成申請與執(zhí)行測試項目、配置虛擬測試環(huán)境（用術(shù)語“硬件矩陣”和“軟件矩陣”表示）、分配和使用虛擬測試服務(wù)器等操作，系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

測試用戶可選擇合適的測試環(huán)境，申請需要的CPU、內(nèi)存和磁盤等硬件資源和應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫等軟件資源，通過云平臺實現(xiàn)快速部署。用戶對云測試平臺計算、存儲和鏡像等資源的調(diào)用需要使用Keystone組件的認(rèn)證服務(wù)，需要長期保存和使用的測試數(shù)據(jù)需要使用Swift組件的云存儲服務(wù)。云測試平臺提供了Java、.net和PHP 3種開發(fā)技術(shù)的云測試環(huán)境，3種云測試環(huán)境的詳細(xì)說明見表6。

圖4 云計算軟件測試項目管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

表6 3種云測試環(huán)境說明

6.2 云測試執(zhí)行實例

筆者使用了私有云平臺的虛擬測試服務(wù)器進(jìn)行了某信息采集軟件客戶端的功能測試，硬件配置選擇1CPU、512 MB內(nèi)存和2 GB硬盤空間，軟件環(huán)境選擇了Java的Web軟件測試環(huán)境。創(chuàng)建測試項目的系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 創(chuàng)建測試項目的系統(tǒng)界面

虛擬測試服務(wù)器的創(chuàng)建分為自動創(chuàng)建和手工創(chuàng)建兩種方式。如果測試矩陣變量的默認(rèn)取值可以滿足用戶需要，用戶配置完參數(shù)后系統(tǒng)通過調(diào)用OpenStack的API自動開啟虛擬測試服務(wù)器。如果默認(rèn)取值不符合用戶要求，用戶可以填寫新建矩陣需求表，由系統(tǒng)管理員根據(jù)實際情況進(jìn)行手工添加。

用戶一般通過遠(yuǎn)程連接對虛擬服務(wù)器進(jìn)行管理。Linux平臺使用OpenSSH的命令行界面和VNC的圖形界面，Windows Server平臺使用Windows系統(tǒng)中的 “遠(yuǎn)程桌面”工具。用戶遠(yuǎn)程連接進(jìn)入虛擬測試服務(wù)器后，就可以配置和使用該虛擬服務(wù)器，其使用方式和使用普通物理服務(wù)器一致。

7 結(jié)束語

利用開源軟件構(gòu)造私有云計算平臺具有成本低、部署快、無特殊硬件限制等多個優(yōu)勢，將在教學(xué)、科研和商業(yè)中得到更加廣泛的應(yīng)用。OpenStack是最值得關(guān)注的開源云計算項目，但是目前其配置過程比較復(fù)雜。接下來的研究中，筆者將編寫自動化安裝腳本，以簡化OpenStack的部署和應(yīng)用難度。同時深入研究OpenStack各組件的API，根據(jù)研究需要對OpenStack進(jìn)行二次開發(fā)。

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11 秦學(xué)東.開源虛擬化—KVM的構(gòu)建.現(xiàn)代圖書情報技術(shù),2011(11):89～92