基于OpenStack私有云平臺構建及高可用實現(xiàn)

楊軍彭興閆格

（閩南師范大學粒計算重點實驗室 福建漳州 363000）

基于OpenStack私有云平臺構建及高可用實現(xiàn)

楊軍彭興閆格

（閩南師范大學粒計算重點實驗室 福建漳州 363000）

隨著云計算技術的快速發(fā)展,開源云計算技術以其巨大的優(yōu)勢贏得了廣泛的關注。文章介紹了OpenStack云平臺的基本架構和組件功能,并利用自動化部署工具Fuel構建了4個節(jié)點的OpenStack私有云平臺。在此基礎上,說明了OpenStack高可用性的實現(xiàn)方式，并通過Galera實現(xiàn)了后端數據庫的高可用。

云計算；OpenStack；Fuel；高可用

自2006年Google提出“云計算”的概念，云計算便影響著整個計算機行業(yè)。同時，隨著云計算的快速發(fā)展，開源云計算技術也已成為云計算行業(yè)不可忽視的力量。開源云計算以其獨特低成本、開放性、靈活性和創(chuàng)新性贏得了廣泛的關注，逐步成為云計算基礎架構的一種重要解決方案[1]，一些商業(yè)公司和研究機構都采用開源云計算技術構建私有云平臺以供內部使用和研究。目前，業(yè)界處于領先地位的開源云計算項目有OpenStack、Eucalyptus[2]、OpenNebula[3]和CloudStack[4]等，其中OpenStack的關注度最高且發(fā)展最快速。

OpenStack是一個由美國國家航空航天局(NASA)和美國Rackspace公司合作研究發(fā)起的項目，OpenStack是一個IaaS(InfrastructureasaService)層的軟件，其目標是提供可靠的云部署方案及良好的擴展性。項目每半年發(fā)布一個新版本，版本號以字母表順序命名，從第一版的Austin(2010.10)到最新版的Kilo(2015.4)，已發(fā)布了11個版本。目前，OpenStack由11個子項目組成，包括Horizon、Nova、Swift[5]、Neutron、Cinder、 Keystone、Glance、Ceilometer、Heat、Trove、Sahara[6]。與其它開源云平臺相比，OpenStack具備以下的優(yōu)勢[7]：OpenStack是松耦合的結構，模塊清晰，添加新的功能組件時非常簡單；OpenStack的API是基于RESTful的API，用戶可以很好的做到二次開發(fā)。

一、OpenStack的基本架構

OpenStack云平臺基本架構[8](如圖1)，分為5個部分：儀表板(Dashboard)、計算(Computing)、網絡(Networking)、存儲(Storage)和共享服務(Shared services)。

計算服務(Nova)，其作用是在OpenStack環(huán)境中管理虛擬機的生命周期，包括虛擬機的生成、調度、停止等。

存儲服務，分為塊存儲(Cinder)和對象存儲(Swift)。塊存儲是為運行的虛擬機提供持久的邏輯卷服務，對象存儲服務則用于存儲和檢索任意的非結構化數據，并具有強大的擴展、冗余和持久特性。

網絡服務(Neutron)，用于OpenStack實例之間的網絡連接，具有可插撥的特性，用于支持一些流行的供應商和技術。

儀表盤(Horizon)，提供一個Web圖形化的管理界面，用于支持用戶和OpenStack底層服務的交互，例如，虛擬機的創(chuàng)建、重啟及停止等。

共享服務，分為身份認證服務 (Keystone)、鏡像服務(Glance)和監(jiān)控服務(Ceilometer)。身份認證服務為其他服務提供身份認證和授權。鏡像服務為虛擬機的鏡像文件提供存儲和檢索服務。監(jiān)控服務用于為計費、監(jiān)控、統(tǒng)計等服務提供數據的支撐。

圖1 OpenStack基本架構

二、部署OpenStack云平臺

OpenStack的部署方式有很多種，一是編譯包的安裝方式，只需要使用apt-get命令即可，這種方式可以幫助用戶快速熟悉OpenStack的各個組件；二是源碼的安裝方式，其優(yōu)勢在于安裝更加靈活；三是使用第三方的工具進行安裝，例如devstack腳本，F(xiàn)uel工具等，采用這種方式可以達到快速安裝的目的。在本文中，采用的是Mirantis Fuel多節(jié)點方式部署云平臺。Fuel是OpenStack的一個“一鍵部署”的工具，提供了一個直觀的圖形化界面，其功能有PXE方式的操作系統(tǒng)安裝，關鍵業(yè)務的健康檢查和日志實時查看等。用戶只需配置一些基本的信息，就可以自動化的部署云平臺。

（一）部署規(guī)劃。本次部署使用四臺Dell服務器，1臺作為控制節(jié)點，其余3臺作為計算節(jié)點。CPU為雙路24核的“Intel(R)Xeon(R)CPUE5-2620v2@2.10GHz”，控制節(jié)點內存為48G，計算節(jié)點內存為64G。每臺服務器掛載3塊1T的硬盤，一塊作為系統(tǒng)盤，其余兩塊用作統(tǒng)一存儲，存儲采用Ceph[9]來實現(xiàn)。每個服務器配置兩張1.0Gbps網卡，一張網卡上配置Fuel部署管理網絡、私有網絡、存儲網絡和OpenStack管理網絡，以Vlan分隔，外網通過另一張網卡來訪問虛擬機，具體網絡配置及網絡用途如表1所示。

表1 云平臺的網絡配置

（二）云平臺的登錄。配置好安裝環(huán)境的參數之后，執(zhí)行安裝動作，其部署過程大概需要3個小時，相對于命令行安裝和源碼安裝，安裝是非?？焖俚?。云平臺部署好之后，就可以通過賬號、密碼來登錄云平臺。登錄之后的界面如圖2所示。

圖2 云平臺的登錄

三、OpenStack云平臺的高可用性

隨著云技術的不斷發(fā)展，云平臺對高可用性的要求越來越多。系統(tǒng)高可用要求系統(tǒng)的線上時間超過99.99%或更多[10]，就是說一年的宕機時間不能超過一個小時，高可用系統(tǒng)必須保證系統(tǒng)在失效1~2分鐘之內恢復使用。單點故障是影響系統(tǒng)高可用的一個重要方面，單點故障是指單個服務發(fā)生故障時波及到整個系統(tǒng)，從而導致系統(tǒng)其他服務的不可用。OpenStack被設計成可以通過增加冗余來消除單點故障，但是，需要使用者自己配置環(huán)境。

（一）OpenStack高可用的實現(xiàn)方式。

1.應用服務的自動遷移。OpenStack云平臺是由后端數據庫、消息隊列以及各個子項目的服務一起協(xié)同工作，實現(xiàn)云平臺高可用就需增加這些服務的冗余，而這些服務主要可以通過配置成“主/主”或“主/從”兩種模式來增加冗余。

“主/從”模式是指當主實例工作時，冗余實例處于監(jiān)控準備的狀態(tài)，一旦主實例失效，冗余實例接替主機的工作以達到服務的高可用?！爸?從”模式可以通過Pacemaker搭配Corosync的方案[11]來實現(xiàn)。這是一個為Linux平臺提供服務高可用性的解決方案，同樣適用于 OpenStack組件。Pacemaker需要Corosync來實現(xiàn)集群的通信和管理，采用心跳機制來判斷對方是否失效。如果超過一定的時間沒有收到某服務器的心跳信息，則判斷該服務器處于失效狀態(tài)，集群將此服務器上的應用遷移到其他的服務器上運行。

非洲豬瘟分為最急性型、急性型、亞急性型和慢性型，最常見的是急性發(fā)病形式。主要癥狀為豬只出現(xiàn)高熱，皮膚黃染；突然發(fā)生死亡或步態(tài)僵直；食欲不振，呼吸困難，口腔或鼻腔出現(xiàn)血液泡沫；腹瀉或便秘，糞便帶血；耳、腹部或后肢出現(xiàn)斑點狀或片狀瘀血或出血；妊娠母豬在孕期各階段發(fā)生流產等。

“主/主”模式是指服務的主實例和冗余實例同時處于工作狀態(tài)，主實例和冗余實例之間相互監(jiān)測。在這種情況下，當主實例失效時，冗余實例還在繼續(xù)工作，不會對用戶產生影響。“主/主”模式可以在所有的實例前端增加一個負載均衡的服務，對客戶端的請求進行負載均衡。

2.物理網絡的高可用。云平臺使用的網絡一旦失效，就會導致服務的數據中斷，服務也將不可用，可以通過網卡綁定來解決這個問題。網卡綁定是將兩個或兩個以上網卡捆綁成一個虛擬的網卡，而使用同一個IP。網卡綁定可以配合交換機一起使用，將每塊網卡連接到不同的交換機，在出現(xiàn)如交換機失效的網絡異常時，也可以保證網絡的不中斷。

（二）高可用應用案例。在OpenStack的云平臺中，Nova、Keystone、Neutron、Cinder、Glance項目都需要用到數據庫服務，常用的是MySQL數據庫。在自動化的部署中，數據庫部署在OpenStack的控制節(jié)點上，存在一個單點故障的問題。如果這一個數據庫失效，就會導致其他的服務不可用。本文采用的是使用Galera插件來實現(xiàn) MySQL的高可用。MySQL/Galera是一種多主同步集群，但只限于使用MySQL 的InnoDB引擎，集群中任意節(jié)點的數據庫都能進行數據的讀和寫，數據庫之間的復制是基于row的并行復制，比傳統(tǒng)的MySQL Replication更加快速、高效。

1.安裝MySQL集群。文是采用5臺普通的PC機來實現(xiàn)，分別為3臺MySQL服務器和2臺代理服務器，系統(tǒng)是Ubuntu 12.04服務器版，數據庫是MySQL 5.5的版本，Galera的版本是2.99，具體服務器主機名、IP如表2所示，表格最后一行是虛擬IP。集群的網絡邏輯圖如圖3所示。

表2 集群的角色分配情況

2.配置OpenStack數據庫集群。在配置OpenStack數據庫集群時，可以根據OpenStack官方文檔的說明進行配置，在3臺MySQL主機上的任意一臺進行。主要步驟是創(chuàng)建5個數據庫nova、keystone、neutron、cinder、glance并分配訪問權限。此時，用戶只需將配置文件中關于數據庫的連接部分修改為“connection=mysql://nova:123456@192.168.2.201/nova”即可以連接到的某一臺服務器來使用數據庫服務，數據會同步到其余的兩臺數據庫中。但這樣仍會存在問題，如果連接的數據庫不能提供服務，就需要用戶手動的修改OpenStack中的配置文件中數據庫的連接部分來實現(xiàn)數據庫的重新連接。

圖3 集群的網絡邏輯圖

3.配置OpenStack數據庫集群。為了解決上述問題，可以在數據庫集群前面采用負載均衡，使用的是Haproxy和keepalived的方案。Haproxy是提供高可用性、負載均衡的代理，keepalived實現(xiàn)一個雙機熱備的功能，避免代理服務器的單點故障。在3臺MySQL服務器的前端增加2個Haproxy的代理，就可以在配置文件中使用虛擬的IP(192.168.2.220)來進行數據庫的連接，用戶的請求先發(fā)到代理服務器上，然后根據負載均衡策略，分配到具體的MySQL服務器上執(zhí)行。一旦第一個節(jié)點上Haproxy失效，第二個節(jié)點就會接管代理服務，保證數據庫服務的可用性。

四、結語

本文介紹了開源云平臺OpenStack的基本架構以及各個組件的功能，并利用MirantisFuel自動化部署工具搭建了一個包括1個控制節(jié)點，3個計算節(jié)點的OpenStack的私有云平臺，在此基礎上，說明了如何實現(xiàn)OpenStack在軟件和硬件兩方面的高可用，并采用Galera插件和負載均衡的方案實現(xiàn)了OpenStack云平臺后端數據庫的高可用性，避免數據庫因單點故障而導致其他服務的失效，提高了云平臺的實用性。

參考文獻：

[1]唐宏，秦潤峰，范均輪.開源云OpenStack技術指南[M].北京:科學出版社，2013.

[2]張帆，李磊，楊成胡，陳麗珍.基于Eucalyptus構建私有云計算平臺[J].電信科學，2011(11).

[3]于飛.基于openNebula云平臺實現(xiàn)及性能評估[D].北京郵電大學，2013.

[4]楊靜麗，查英華，胡光永.開源云計算平臺研究[J].計算機與現(xiàn)代化，2012(4).

[5]葛江浩，劉磊，李小勇.OpenStack Swift關鍵技術分析與性能評測[J].微型電腦應用,2013(11).

[6]唐攀，朱志祥，梁小江，等.基于OpenStack Sahara集群的高可用性的設計與實現(xiàn)[J].西安文理學院學報，2015(18).

[7]戢友.OpenStack開源云王者歸來[M].北京:清華大學出版社，2014.

[8]黃志成.開源云計算OpenStack在高校計算機機房中的應用研究[J].計算機與現(xiàn)代化，2013(3).

[9]李翔.Ceph分布式文件系統(tǒng)的研究及性能測試[D].西安電子科技大學，2014.

[10]唐飛雄，張利，楊寧.基于OpenStack的高可用私有云的實施案例[J].計算機系統(tǒng)應用,2015(6).

[11]姜懿珊.基于Cloud Foundry的高可用設計與實現(xiàn)[D].北京交通大學，2014.

[責任編輯 鄭麗娟]

理工科征稿啟事

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綏化學院學報編輯部

Construction of Private Cloud Platform and Im plementation of High Availability Based on OpenStack

Yang Jun Peng Xing Yan Ge
(Minnan Normal University,Zhangzhou 363000,China)

With the rapid development of cloud computing,open source cloud computing technology with its huge advantage has won widespread attention.In this paper,we introduce the basic architecture and components function of OpenStack cloud platform,and build a 4-node private cloud platform with automate deployment tool Fuel.On this basis,we show the ways to realize the high availability of OpenStack,and we achieve the high availability of database on the cloud platform by configuring Galera.

cloud computing;OpenStack;fuel;high availability

TP393

A

2095-0438（2015）12-0145-04

2015-07-31

楊軍(1990－)，男，浙江江山人，閩南師范大學粒計算重點實驗室碩士研究生，研究方向：信息安全。

漳州自然科學基金項目（ZZ2012J03）。