基于OpenStack和Ceph的開源私有云平臺設(shè)計和實現(xiàn)

張榆

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司信息中心，昆明 650217）

0 前言

隨著信息時代的持續(xù)發(fā)展，電力業(yè)務(wù)越來越復(fù)雜，用戶需求越來越多樣化，需要不斷擴展ΙT應(yīng)用才能滿足業(yè)務(wù)部門的需求。應(yīng)用的增加同時也帶來了服務(wù)器數(shù)量的快速增加，從初期的幾臺服務(wù)器發(fā)展到龐大的數(shù)據(jù)中心，上千臺的服務(wù)器資源如何有效的利用和管理成為一個急切的問題。

近年來，云計算技術(shù)和虛擬化技術(shù)為優(yōu)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(shù)據(jù)中心帶來了多元的架構(gòu)解決方案，并隨著其在各方面優(yōu)秀的表現(xiàn)而逐漸改變著傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的運營方式。其中，商業(yè)云計算解決方案因其成熟、穩(wěn)定、操作便捷等特性而被最早地使用。然而，隨著數(shù)據(jù)中心服務(wù)器規(guī)模的不斷增長，商業(yè)云計算解決方案不斷增加的軟件授權(quán)費和專業(yè)運維費為企業(yè)帶來了愈來愈嚴重的資源管理成本過高的問題。并且，商業(yè)云計算解決方案的產(chǎn)品較為封閉，難以與其它云計算技術(shù)有效地集成在一起。

針對以上問題，本文采用OpenStack開源虛擬化技術(shù)和Ceph開源分布式存儲技術(shù)構(gòu)建了靈活高效的開源私有云平臺，實現(xiàn)計算資源、存儲資源以及網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理和自助式使用。OpenStack和Ceph的開源性、架構(gòu)松耦合性以及優(yōu)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(fù)雜的電力業(yè)務(wù)和不斷增長的資源規(guī)模對資源使用靈活和管理成本節(jié)約的需求。

1 開源私有云平臺架構(gòu)設(shè)計

1.1 功能架構(gòu)設(shè)計

私有云平臺的功能架構(gòu)設(shè)計包括管理虛擬計算資源、虛擬存儲資源等云化基礎(chǔ)資源和配套的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，支持管理未來引入的異構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施對象，包含X86服務(wù)器、ΙBM小型機、商業(yè)存儲、運維管理平臺等。通過該平臺的設(shè)計和實現(xiàn)，將建設(shè)成基于OpenStack和Ceph的開源虛擬化資源管理平臺，對數(shù)據(jù)中心進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)虛擬化資源和物理資源的統(tǒng)一抽象，形成邏輯統(tǒng)一的云計算資源池，主要提供虛擬計算、虛擬存儲、虛擬網(wǎng)絡(luò)以及虛擬安全等服務(wù)，具體可提供服務(wù)內(nèi)容為虛擬主機服務(wù)、虛擬硬盤服務(wù)、備份服務(wù)、彈性負載均衡服務(wù)、物理機納管服務(wù)、虛擬機高可用服務(wù)、安全管理服務(wù)、資源監(jiān)控服務(wù)、用戶自助服務(wù)等。

圖1 平臺功能架構(gòu)圖

1.2 部署架構(gòu)設(shè)計

遵循“集中控制、各司其職”的原則，根據(jù)OpenStack模塊之間的高度松耦合性和分布式特性，并依照服務(wù)器節(jié)點功能的不同，本開源私有云平臺的部署架構(gòu)主要由3臺控制節(jié)點、3臺計算節(jié)點、3臺存儲節(jié)點以及3臺計算存儲融合節(jié)點組成，如圖2所示。同時，還單獨配置一臺部署節(jié)點用于平臺集群的一鍵部署和可視化操作。該架構(gòu)設(shè)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2 平臺部署架構(gòu)圖

1）部署節(jié)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(guī)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(jié)點：主要用于運行管理開源私有云平臺環(huán)境中計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲、計量、編排、容器調(diào)度等服務(wù)，以及服務(wù)運行所需的消息隊列組件RabbitMQ、MySQL數(shù)據(jù)庫和MongoDB數(shù) 據(jù) 庫， 并 通 過 HAProxy、Pacemaker、Corosync等技術(shù)實現(xiàn)各服務(wù)的高可用和接入層的負載均衡。在設(shè)計中，使用至少3個節(jié)點構(gòu)成一個控制集群，并在集群中設(shè)置仲裁機制，從而避免因控制節(jié)點“腦裂現(xiàn)象”而導(dǎo)致整個私有云平臺不可用。

3）計算節(jié)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(wù)器。計算節(jié)點可以進行擴展，并且在擴展時不影響業(yè)務(wù)的正常運行，保持系統(tǒng)不停機，保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

4）存儲節(jié)點：主要采用Ceph開源分布式存儲技術(shù)實現(xiàn)分布式存儲資源池，通過存儲多副本技術(shù)保障整個存儲資源池中沒有單點故障，保障了數(shù)據(jù)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(wù)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(shè)計。

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

2 開源私有云平臺實現(xiàn)

依據(jù)以上架構(gòu)設(shè)計，本文構(gòu)建了適用于本企業(yè)電力信息系統(tǒng)的開源私有云平臺，形成了計算資源、存儲資源及網(wǎng)絡(luò)資源三大基礎(chǔ)資源的有效整合、統(tǒng)一管理、按需分配、靈活調(diào)度。

2.1 基礎(chǔ)環(huán)境部署

我們使用OpenStack和Ceph開源社區(qū)公布的穩(wěn)定發(fā)行版來構(gòu)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(chǔ)環(huán)境的自動化部署，包括控制節(jié)點、計算節(jié)點、存儲節(jié)點、計算存儲融合節(jié)點以及各關(guān)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(shè)計的工具，其功能含蓋自動的PXE方式的操作系統(tǒng)安裝，DHCP服務(wù)，Orchestration服務(wù) 和puppet 配置管理相關(guān)服務(wù)等，此外還有OpenStack關(guān)鍵業(yè)務(wù)健康檢查和日志實時查看等非常好用的服務(wù)。Roller工具的架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 Roller工具架構(gòu)圖

2.2 計算資源虛擬化

通過OpenStack的Nova、Ιronic等組件將能將不同品牌、型號的異構(gòu)物理服務(wù)器進行裸設(shè)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(xiàn)虛擬化資源和物理資源的統(tǒng)一抽象，形成邏輯統(tǒng)一的計算資源池，實現(xiàn)虛擬主機、物理機的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)配，避免了現(xiàn)有的商業(yè)虛擬化技術(shù)在資源擴展時候的技術(shù)封閉、難兼容的問題。

圖4 計算資源虛擬化架構(gòu)圖

2.3 存儲資源虛擬化

基于Ceph分布式存儲技術(shù)，實現(xiàn)多個節(jié)點的存儲資源的整合和統(tǒng)一管理。此外，OpenStack可將Ceph開源分布式存儲、商業(yè)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。

2.4 網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化

通過OpenStack的Neutron等組件構(gòu)建虛擬化網(wǎng)絡(luò)，提供基于租戶隔離的從二層到七層的虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，通過VLAN實現(xiàn)各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)隔離，滿足業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)高效性、可靠性、擴展性以及網(wǎng)絡(luò)隔離的需求。同時，通過VLAN/VXLAN組網(wǎng)，平臺實現(xiàn)了基于軟件的路由器、交換機、負載均衡、防火墻功能等。

圖5 存儲資源虛擬化架構(gòu)圖

圖6 網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化架構(gòu)圖

3 開源私有云平臺的應(yīng)用和特性

該開源私有云平臺主要用于為企業(yè)電力信息系統(tǒng)的測試業(yè)務(wù)提供快速便捷的計算資源和存儲資源自助申請和動態(tài)調(diào)整，可以為電力信息系統(tǒng)測試業(yè)務(wù)在敏捷開發(fā)和敏捷運維中提供資源的靈活調(diào)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(wù)。用戶可以自主選擇所需的資源服務(wù)模板進行資源申請，系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)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(yè)務(wù)所需的計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源可以在平臺內(nèi)流程化地完成資源的分配和調(diào)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(fù)雜度和工作量，提升管理效率。

4 結(jié)束語

本文利用OpenStack和Ceph的開源技術(shù)構(gòu)建了一個適用于電力信息系統(tǒng)的開源私有云平臺，并描述該平臺的架構(gòu)設(shè)計和。OpenStack的開源性、包容性、架構(gòu)松耦合性以及優(yōu)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(tǒng)和數(shù)據(jù)中心規(guī)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(yōu)化資源服務(wù)方式，提高資源服務(wù)效能，實現(xiàn)項目在保證資源穩(wěn)定性的條件下節(jié)省資源管理成本、優(yōu)化資源管理和服務(wù)方式的目標。