校園網(wǎng)私有云計(jì)算平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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【摘 要】高校是網(wǎng)絡(luò)用戶的集中地，資源豐富，但是利用率卻不高，實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署冗雜，網(wǎng)絡(luò)資源交付過程緩慢。為了解決這些問題，本文利用開源的資源管理平臺(tái)OpenStack來構(gòu)建學(xué)校的私有云基礎(chǔ)架構(gòu)。結(jié)合校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對(duì)云平臺(tái)類型的選擇、架構(gòu)的設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、說明；云平臺(tái)搭建過程中，對(duì)于需要的基礎(chǔ)環(huán)境以及節(jié)點(diǎn)功能組件配置和網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行分析、說明。最終實(shí)現(xiàn)了校園網(wǎng)私有云計(jì)算平臺(tái)的搭建，平臺(tái)搭建完成后提供了云管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，提高運(yùn)行和維護(hù)的效率，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)應(yīng)用環(huán)境和測(cè)試環(huán)境。

【關(guān)鍵詞】校園網(wǎng)；云計(jì)算；OpenStack

【Abstract】Universities are concentrated of the internet users，it was rich in resources，but its utilization rate is not high，the experimental environment jumbled to deploy，network resource delivery process is slow.To solve these problems，we use open source resource management platform OpenStack to build the schools private cloud infrastructure. Combined with the campus network environment，to analysis and show the choice of the type of cloud platform，the design of architecture and network.The process of building the cloud platform，analysis and shows the basis and needed environmental，the node functional components configuration and network configuration.Finally finished to build a campus private cloud computing platform，the platform provides a cloud management system，to achieve unified management，provides operation and maintenance efficiency，realize the basic application and test environments.

【Key words】Campus network； Cloud computing； OpenStack

0 引言

云計(jì)算時(shí)代的今天，數(shù)據(jù)中心架構(gòu)和技術(shù)正在向著開源、融合的方向邁進(jìn)，開源及融合的概念被越來越多的體積并成為新時(shí)代人們對(duì)產(chǎn)業(yè)失誤發(fā)展進(jìn)化的一種共識(shí)[1]。云計(jì)算[2]是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加，使用和交付模式，通過互聯(lián)網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且虛擬化的資源。云計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)包括：設(shè)備眾多，規(guī)模較大，利用了虛擬化技術(shù)，提供任意地點(diǎn)和各種設(shè)備的接入，并可以定制服務(wù)質(zhì)量等[3]。OpenStack[4]是一個(gè)由NASA和Rackspace合作研發(fā)并發(fā)起的，以Apache許可證授權(quán)的自由軟件和開放源代碼項(xiàng)目。云計(jì)算時(shí)代的今天，數(shù)據(jù)中心架構(gòu)和技術(shù)正在向著開源，融合的方向邁進(jìn)。在這樣的趨勢(shì)下，作為一個(gè)幾乎支持所有類型云環(huán)境的開源云計(jì)算管理平臺(tái)，OpenStack在近幾年增長(zhǎng)迅速，成為引領(lǐng)開放融合云計(jì)算發(fā)展的一個(gè)主導(dǎo)力量。

目前，高校是網(wǎng)絡(luò)用戶較為集中的地方，網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算和存儲(chǔ)等資源十分豐富。隨著云計(jì)算技術(shù)的成熟，云計(jì)算已然成為高校信息化建設(shè)和發(fā)展的新模式，私有云也隨之成為主流模式。因此在校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)建一個(gè)具有合理架構(gòu)，建設(shè)一種資源可管理和交付的，滿足校園業(yè)務(wù)需求的OpenStack私有云計(jì)算平臺(tái)是必不可少的。本文提供校園網(wǎng)搭建云平臺(tái)的基本環(huán)境和基本架構(gòu)，采用資源池化的方式進(jìn)行私有云的建設(shè)，解決校園網(wǎng)服務(wù)器資源得不到合理利用和存在訪問高峰的問題；在平臺(tái)搭建過程中對(duì)各個(gè)方面的相關(guān)配置，實(shí)現(xiàn)資源的整合以及動(dòng)態(tài)交付，提高物力資源的利用率；平臺(tái)搭建完成后提供云管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，提高運(yùn)行和維護(hù)的效率，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)應(yīng)用環(huán)境和測(cè)試環(huán)境。

1 云平臺(tái)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

云計(jì)算有很多種不同類型的部署方式和運(yùn)營(yíng)方式，OpenStack也具有多種功能組件。所以本節(jié)結(jié)合校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分析說明云平臺(tái)類型選擇，云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)以及云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有多種業(yè)務(wù)的需求，其中的基本服務(wù)包括計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)，每種服務(wù)都有不同的資源需求，所以云平臺(tái)架構(gòu)選擇的是通用性云，它將被設(shè)計(jì)為平衡的組件，在整體的計(jì)算環(huán)境中不強(qiáng)調(diào)某個(gè)特定的領(lǐng)域。對(duì)于計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等組件來說，云的設(shè)計(jì)有必要的公平權(quán)衡，這樣可以適用于校園環(huán)境的各種用例。

1.1 云平臺(tái)設(shè)計(jì)的類型節(jié)點(diǎn)

云平臺(tái)架構(gòu)主要設(shè)計(jì)三種類型節(jié)點(diǎn)：控制節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)：在控制器安裝Horizon模塊為云用戶和管理員提供圖形化界面；安裝Keystone模塊為的是驗(yàn)證用戶身份和訪問服務(wù)目錄的權(quán)限；安裝Swift模塊可以提供對(duì)象存儲(chǔ)；Glance模塊主要是提供Image鏡像的存儲(chǔ)；Cinder模塊則是提供block存儲(chǔ)?？刂破鞯幕A(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)可以提供管理服務(wù)給最終用戶，還可以在云內(nèi)部為運(yùn)行和維護(hù)提供服務(wù)?？刂破鬏^典型的現(xiàn)象[6]，就是運(yùn)行消息隊(duì)列服務(wù)，在每個(gè)服務(wù)之間攜帶傳遞系統(tǒng)消息?？刂破鞣?wù)的性能不僅僅限于處理器的處理能力，也受限于服務(wù)的并發(fā)用戶。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)：遺留的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)主要是一個(gè)二層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，云運(yùn)維人員負(fù)責(zé)遺留網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將安裝OpenStack網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件，提供給租戶訪問網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限，并且還可以管理和創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)資源?；谝延械木W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來封裝通信路徑，來實(shí)現(xiàn)給租戶的流量分段。這些方法依賴于特殊的實(shí)現(xiàn)方式，例如GRE隧道，VXLAN封裝和VLAN標(biāo)簽。本文采用了VXLAN來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通信。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝的Neutron模塊具有管理云平臺(tái)局域網(wǎng)的功能，用戶可以通過web接口創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，路由和DHCP等服務(wù)，還可針對(duì)路由和協(xié)議配置訪問控制策略。

計(jì)算節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)：計(jì)算節(jié)點(diǎn)選擇硬件規(guī)格包括了CPU，內(nèi)存以及磁盤類型，硬件規(guī)格和OpenStack的服務(wù)優(yōu)化參數(shù)會(huì)直接影響到實(shí)例的性能。本文主要是搭建一個(gè)通用性的云平臺(tái)，所以O(shè)penStack環(huán)境使用默認(rèn)的配置。計(jì)算節(jié)點(diǎn)使用一致的硬件來設(shè)計(jì)資源池中的節(jié)點(diǎn)，這樣對(duì)資源池會(huì)有積極作用，可以更易部署，支持和維護(hù)云。在計(jì)算節(jié)點(diǎn)安裝OpenStack的nova模塊相關(guān)組件，通過Nova組件控制整個(gè)云平臺(tái)的計(jì)算資源的調(diào)度，所以將它單獨(dú)部署在一臺(tái)節(jié)點(diǎn)上。Nova模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)OpenStack Compute的相關(guān)服務(wù)，因此Nova是整個(gè)云平臺(tái)IaaS的核心模塊，它生成一個(gè)抽象層，以此來實(shí)現(xiàn)資源的虛擬化，提高自動(dòng)化部署云主機(jī)的效率。

1.2 云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2.1 云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

一般傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)把網(wǎng)絡(luò)分為業(yè)務(wù)網(wǎng)段和管理網(wǎng)段。云平臺(tái)按照傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)來部署，多增加一個(gè)網(wǎng)段節(jié)點(diǎn)間的通信網(wǎng)段。云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)提供云主機(jī)服務(wù)的計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)資源來設(shè)計(jì)的。圖1為云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。

圖中根據(jù)防火墻的三個(gè)接口，對(duì)整個(gè)拓?fù)溥M(jìn)行安全域的劃分，不同的安全域可以在防火墻進(jìn)行不同的訪問控制策略，并且為了避免流量嗅探，局域網(wǎng)攻擊等一些網(wǎng)絡(luò)攻擊方式，把云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分三個(gè)網(wǎng)段，以此來增強(qiáng)云平臺(tái)的安全性。

圖1中云平臺(tái)區(qū)域總共劃分三個(gè)網(wǎng)段[5]：網(wǎng)段一為圖中VXLAN，它是通信網(wǎng)段，用來計(jì)算節(jié)點(diǎn)，為的是實(shí)現(xiàn)云主機(jī)間進(jìn)行相互通訊和隔離；網(wǎng)段二是圖中br-ex，它是外網(wǎng)網(wǎng)段，用來為云主機(jī)提供訪問外網(wǎng)的路由功能，圖中web-api是給用戶和管理員提供web接口，通過瀏覽器可以登錄云平臺(tái)的web控制面板進(jìn)行操作；網(wǎng)段三是圖中標(biāo)注的管理網(wǎng)段，用于云管理員對(duì)服務(wù)器的管理和維護(hù)網(wǎng)段，主要是針對(duì)硬件資源的管理，同時(shí)也方便管理員在服務(wù)器上部署新的應(yīng)用和管理工具。

本文采用VXLAN來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信，計(jì)算節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間主要功能組件設(shè)計(jì)安裝如下圖2所示。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要處理外部和內(nèi)部的虛擬路由和DHCP服務(wù)的，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝neutron的二層插件ML2，目的是實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的二層通信，ML2插件使用OVS機(jī)制為實(shí)例建立虛擬的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；為虛擬網(wǎng)絡(luò)提供路由服務(wù)需要安裝Layer-3 agent插件，通過添加外部網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)物理上的連通性；為虛擬網(wǎng)絡(luò)提供DHCP服務(wù)需要安裝DHCP代理插件（如果這里配置錯(cuò)誤，OpenStack會(huì)產(chǎn)生實(shí)例，獲取不到ip地址）；安裝OVS服務(wù)是為了給實(shí)例提供底層虛擬網(wǎng)絡(luò)框架，集成網(wǎng)橋br-int處理OVS內(nèi)實(shí)例內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的流通。外部網(wǎng)橋br-ex處理OVS內(nèi)實(shí)例外部網(wǎng)絡(luò)的流通。外部網(wǎng)橋需要提供外部網(wǎng)絡(luò)接口來訪問實(shí)例外部網(wǎng)絡(luò)。

1.2.3 計(jì)算節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

計(jì)算節(jié)點(diǎn)主要處理是實(shí)例的連通性及安全性。安裝相關(guān)認(rèn)證機(jī)制、消息代理和插件的網(wǎng)絡(luò)通用組件。認(rèn)證機(jī)制的安裝和調(diào)試可以使網(wǎng)絡(luò)組件正常訪問其他的服務(wù)組件，然后進(jìn)行交互；消息代理的正確配置使計(jì)算節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的消息交互和合作工作；對(duì)網(wǎng)絡(luò)通用組件的安裝和調(diào)試，啟用ML2插件，路由服務(wù)，overlapping IP addresses特性：ML2插件使用OVS機(jī)制創(chuàng)建實(shí)例的虛擬網(wǎng)絡(luò)，OVS服務(wù)為實(shí)例提供underlying虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)框架。在網(wǎng)絡(luò)組件中需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)組件不可以直接訪問neutron組件的數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 私有云計(jì)算平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

主機(jī)準(zhǔn)備：需要新建3臺(tái)主機(jī)，分別為控制節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)準(zhǔn)備：OpenStack可以被比較多的系統(tǒng)支持。本次的部署選擇Centos7系統(tǒng)，選擇“基本”安裝包，完成后配置安裝OpenStack特定的yum倉(cāng)庫(kù)，這樣節(jié)點(diǎn)就可以在指定站點(diǎn)下載所需的安裝包。

網(wǎng)絡(luò)配置：主要是針對(duì)主機(jī)，分為管理網(wǎng)絡(luò)，通信網(wǎng)段，外網(wǎng)網(wǎng)段。本次的云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)使用了VXLAN來實(shí)現(xiàn)平臺(tái)內(nèi)部的通信，計(jì)算節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要額外配置OVS，來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信。為了與外部網(wǎng)絡(luò)通訊，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要配置br-ex。

公共配置：三節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步，需要安裝NTP服務(wù)，修改NTP的配置文件。

2.1 配置控制節(jié)點(diǎn)

實(shí)例采用MySQL和Qpid作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)和AMQP服務(wù)的實(shí)現(xiàn)。Qpid安裝消息服務(wù)，完成后需把客戶端設(shè)置為不需要驗(yàn)證使用服務(wù)。

Keystone安裝與配置：先安裝keystone包，安裝完成后為keystone設(shè)置admin賬戶tokn。然后keystone與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，為keystone建表創(chuàng)建管理員和系統(tǒng)服務(wù)使用的租戶，為keystone建立service和endpoint關(guān)聯(lián)。

Glance安裝與配置：安裝Glance包，配置Glance連接數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)建glance用戶，分配service角色，創(chuàng)建glance服務(wù)，創(chuàng)建keystone的endpoint。

Nova安裝與配置：安裝Nova包，并在keystone中創(chuàng)建nova相應(yīng)的用戶和服務(wù)，keystone注冊(cè)服務(wù)，keystone注冊(cè)endpoint。

Neutron server安裝與配置：安裝Neutron server相關(guān)包，在keystone中創(chuàng)建Neutron相應(yīng)的用戶和服務(wù)，為Neutron在MySQL建數(shù)據(jù)庫(kù)，配置Neutron Keystone認(rèn)證，配置nova使用Neutron作為network服務(wù)。

2.2 配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

安裝Neutron相關(guān)的包，修改系統(tǒng)配置允許ip forward，配置Neutron keystone認(rèn)證，配置Neutron使用openvswitch和vxlan模式，實(shí)現(xiàn)二層轉(zhuǎn)發(fā)功能，配置L3插件實(shí)現(xiàn)三層轉(zhuǎn)發(fā)功能，配置dhcp agent實(shí)現(xiàn)DHCP功能，配置完成后將端口與ovs關(guān)聯(lián)。

2.3 配置計(jì)算節(jié)點(diǎn)

安裝配置Nova相關(guān)的包，安裝Neutron m12和openvswitch agent，配置Neutron Keystone認(rèn)證，配置Nova使用Neutron提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，配置Neutron使用ovs和vxlan模式。

3 云服務(wù)實(shí)例演示

通過實(shí)例演示云服務(wù)的交付方式，基本可以分為管理員角色，云用戶角色和其他用戶角色。交付方式如下圖3所示，管理員創(chuàng)建項(xiàng)目和用戶，用戶登錄項(xiàng)目創(chuàng)建VM實(shí)例，其他用戶再訪問VM實(shí)例搭建的服務(wù)。

3.1 管理員權(quán)限

管理員權(quán)限登錄云平臺(tái)（http：//192.168.23.11/dashboard），可以對(duì)整個(gè)云平臺(tái)的計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)，存儲(chǔ)資源進(jìn)行管理，調(diào)配。管理員可以創(chuàng)建項(xiàng)目，項(xiàng)目包含一定的計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)，存儲(chǔ)等資源。項(xiàng)目創(chuàng)建完成，管理員可創(chuàng)建項(xiàng)目組的用戶，之后用戶就可以登錄到項(xiàng)目界面，在資源額度范圍內(nèi)自由的對(duì)資源進(jìn)行分配，使用。

3.2 云用戶的權(quán)限

普通用戶登錄云平臺(tái)，可在管理員分配的資源額度內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)，存儲(chǔ)等分配使用操作。首先創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)名稱和管理員狀態(tài)，下一步創(chuàng)建子網(wǎng)名稱，網(wǎng)絡(luò)地址，IP版本以及網(wǎng)關(guān)IP，第三步創(chuàng)建子網(wǎng)詳情，可以配置地址池，并可以選擇開啟DHCP功能，可選配置DNS服務(wù)器地址，以及主機(jī)路由下一跳配置。

云鏡像創(chuàng)建，可以選擇本地或者網(wǎng)絡(luò)鏡像源，鏡像格式，架構(gòu)，最小磁盤，最低運(yùn)行內(nèi)存等參數(shù)，設(shè)置時(shí)公有的還是受保護(hù)的。并且可以基于鏡像去創(chuàng)建云硬盤。

啟動(dòng)云主機(jī)可以配置云主機(jī)名稱、數(shù)量、鏡像源、類型等。選擇之前創(chuàng)建的私有網(wǎng)絡(luò)，云主機(jī)將自動(dòng)加到此私有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。運(yùn)行云主機(jī)之后，將使用鏡像開始安裝系統(tǒng)，系統(tǒng)安裝完成后，用戶可以在系統(tǒng)上搭建服務(wù)。當(dāng)云用戶使用云主機(jī)搭建好服務(wù)后，其他用戶可以訪問云主機(jī)上服務(wù)了。

4 總結(jié)

本文就校園網(wǎng)搭建云平臺(tái)所需要的基本環(huán)境和基本架構(gòu)進(jìn)行分析，采用資源池化的方式進(jìn)行私有云的建設(shè)，根據(jù)校園網(wǎng)服務(wù)器資源得不到合理利用的問題，以及校園網(wǎng)存在訪問高峰的特點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)；說明在平臺(tái)搭建過程中對(duì)各個(gè)方面的相關(guān)配置，實(shí)現(xiàn)資源的整合以及動(dòng)態(tài)交付，提高物理資源的利用率；平臺(tái)搭建完成后提供云管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，提高運(yùn)行和維護(hù)的效率，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)應(yīng)用環(huán)境和測(cè)試環(huán)境。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]