Openstack與Docker融合的探究

涂 剛，徐 娟

（江蘇財經職業技術學院，江蘇 淮安 223003）

Openstack與Docker融合的探究

涂 剛，徐 娟

（江蘇財經職業技術學院，江蘇 淮安 223003）

OpenStack已成為了云計算中基礎設施即服務（Infrastructure as a Service，簡稱Iaas）標準。Docker是基于Linux容器為基礎構建的容器引擎，通過命名空間和資源劃分實現資源隔離和調配，使用分層存儲構建鏡像，實現了將操作系統和應用捆綁的方法，使得應用系統環境標準化、集裝箱化傳遞成為現實。文章探究了OpenStack、Docker的融合，分析了OPenStack融合Docker的三種方案，為OpenStack的部署、Docker技術的應用提供了參考。

云計算；容器技術；命名空間；資源劃分

0 引言

云計算已在企業中落地推廣；OpenStack[1]為用戶提供了廣泛的組件，將存儲，計算，監控，網絡服務分為幾個項目進行開發實現，其開源、靈活性、可擴展性、創新性、市場空間、節省成本、簡單的自動化等方面顯現出明顯的優勢，OpenStack已成為云計算中基礎設施即服務（Infrastructure as a Service，簡稱Iaas）標準[2]-[5]。Docker主旨是提供一套能夠在共享式基礎設施之上對軟件工作負載進行管理的容器環境，同時又確保不同負載之間彼此隔離且互不影響[6]；Docker還允許工作負載直接訪問設備驅動程序、從而帶來遠超過虛擬機管理程序方案的I/O運行速度；Docker成為云計算中另一個不可或缺的技術[7]-[9]。OpenStack與Docker的融合是云計算發展的必然[10]。

1 OpenStack組件

Rackspace公司和NASA（美國航空航天局）合作研發的開源云計算平臺——OpenStack于2010年貢獻到開源社區，它是一個完全開放源代碼的項目，任何企業及個人都可以參與到該項目的開發和測試中，并貢獻代碼。目前，最新的OpenStack版本是Ocata，它是自OpenStack項目創立以來的第15個版本；OpenStack通過keystone、glance、nova、neutron等組件[11]（如圖1所示）實現對裸機、虛機、塊存儲、對象存儲、文件目錄、網絡、負載均衡、防火墻等數據中心基礎架構的統一調度管理。

圖1 OpenStack架構Fig.1 OpenStack architecture

OpenStack各個服務之間API調用關系如圖2所示，其中實線代表client的API調用，虛線代表各個組件之間通過rpc調用。OpenStack的這種松耦合架構使得各個組件的開發人員可只關注各自的領域，對各自領域的修改不會影響到其他開發人員[12]。不過這種松耦合的架構也給整個系統的維護帶來了一定的困難，運維人員要掌握更多的系統相關的知識去調試出了問題的組件。因此開發人員和維護人員都要清楚OpenStack各個組件之間的相互調用關系[13]。

2 Docker技術

Docker[14]起源于2013年3月，是基于Linux容器（Linux Container，簡稱LXC）為基礎構建的容器引擎，通過命名空間（namespace）和資源劃分（controller group，簡稱cgourp）實現資源隔離和調配，使用分層存儲構建鏡像，實現了將操作系統（Operating System，簡稱OS）和應用捆綁的方法，使得應用系統環境標準化、集裝箱化傳遞成為現實。[15]-[16]

圖2 OpenStack服務調用關系Fig.2 OpenStack service call relationship

Docker采用客戶端-服務器（client-server）架構模式[17]，如圖3所示。Docker守護進程處理建立、運行、發布等任務；Docker客戶端和守護進程可以運行在同一個系統或不同系統中。Docker客戶端與Docker守護進程通過socket或者RESTful API進行通信。

圖3 Docker的架構Fig.3 Docker architecture

Docker鏡像是用來創建容器的，是一個只讀的模板；一個鏡像可以包含一個運行在Apache上的Web應用和其使用的操作系統（主要為Ubuntu）。Docker倉庫用來保存鏡像；相當于一個代碼倉庫，Docker倉庫分為公有和私有；公有的Docker倉庫一般指的是Docker Hub；私有倉庫是用戶自己創建的倉庫。一個Docker容器包含了某個應用運行所需要的環境。每一個Docker容器都是從Docker鏡像創建的。Docker容器可以運行、開始、停止、移動和刪除、保存為鏡像。Docker內部采用Linux的namespace機制實現隔離，采用cgroup實現資源的劃分（例如給容器劃分2G內存、0.5個cpu）；這樣每一個Docker容器都是獨立和安全的應用平臺。

命名空間[17]是為操作系統層面的虛擬化機制提供支撐，目前實現的有六種不同的命名空間，分別為mount命名空間、UTS命名空間、IPC命名空間、用戶命名空間、PID命名空間、網絡命名空間。命名空間簡單來說提供的是對全局資源的一種抽象，將資源放到不同的容器中（不同的命名空間），各容器彼此隔離。命名空間有的還有層次關系，如PID命名空間，命名空間的層次關系如圖4所示。

圖4 命名空間的層次關系Fig.4 hierarchy of namespaces

Docker是一個開源的應用容器引擎，開發者可以打包自己的應用以及依賴包到一個可移植的容器中，然后發布到的Linux 機器上，與KVM這類超級底層虛擬化方案相比，Docker是一種輕量級虛擬化方案，不需要對內核進行改變，Docker主要利用linux內核特性實現虛擬化，所有容器運行在同一個內核中。另外，Docker還可以部署在KVM/XEN這類虛擬機中，容器與虛擬機對比如圖5所示[5]。

3 Openstack與Docker的融合

云計算就是希望把計算像水電一樣提供給用戶使用。然而用戶并不是直接使用電，而是使用電燈電視等；同樣，用戶并不會直接使用計算資源，而是使用在計算資源上層開發的一些應用。OpenStack將硬件資源虛擬化出計算資源池，向上開放了一系列API，用于支持上層應用的開發，滿足用戶對計算資源的各種需求。OpenStack與Docker的融合有兩個方面[6]。

圖5 虛擬機與容器對比Fig.5 Containers vs. VMs

（1）利用Docker進行OpenStack部署。將OpenStack的各種服務分別部署在一個容器中，將所有容器互連提供OpenStack服務。以往的自動化部署需要將在每臺服務器上面跑部署腳本，現在只需在每臺服務器上面運行Docker容器即可，實現了OpenStack平臺的秒級部署。

（2）在OpenStack中融合Docker，提供PaaS服務；在這種情況下，云基礎設施能夠在容器或者虛擬機管理程序當中提供一套完整的數據中心管理解決方案，而這僅僅屬于龐大系統整體當中的組成部分之一。以OpenStack為代表的云基礎設施方案當中包含多租戶安全性與隔離、管理與監控、存儲及網絡外加其它多種功能設置。任何云數據中心管理體系都不能脫離這些服務而獨立存在，但對于Docker或者是KVM基礎環境卻不會做出過多要求。目前，OpenStack中融合Docker有三種方案。

① Docker Driver for Nova。通過nova-api、docker driver作為hypervisor部署[18]，如圖6所示。nova-computer-api調用virt api將nova docker driver作為http agent和docker rest api互通，從而控制docker和與容器的通信。另外，glance作為docker register服務的本地節點，提供image服務。

圖6 nova-docker方案Fig.6 Docker Driver for Nova

該方案將容器像VM一樣操作，通過增加nove docker driver，實現對Docker容器的啟停、創建等常規VM的操作，可以通過Docker save方式將鏡像存放在glance之中，該種方案優點在于可以使用現成的Openstack neutron來管理網絡、實現租戶的資源配額、使用host os（注：此處不等于baremetal）等Openstack的好處。然而缺點是沒法使用Docker/ COEs（容器調度引擎，Containers Orchestration Engines，簡稱COEs）服務發現、端口映射等的更有價值功能。

② Heat Docker Plugin。通過Heat組件來實現[19]，如圖7所示。利用heat來管理docker的資源模板，避免nova僅僅在hypervisor層面對docker管理的限制。

圖7 Heat docker plugin方案Fig.7 Heat docker plugin

該方案不依賴于nova的調用，而是通過Openstack編排組件Heat進行編排調用，通過使用Heat Docker Plugin 在創建的vm上使用Heat template設定Docker的參數，來使用Docker api提供的所有功能，缺點在于vm上使用Docker，無法實現資源調度，需要較多的配置工作，無法實現規模集群管理。

③ Magnum。因為Docker Driver for Nova和Docker Plugin for Heat的不足，OpenStack組建了一個Containers團隊，推出了magnum。通過magnum管理在vm及baremetal上提供COEs的服務。

magnum的架構[20]如圖8所示。通過定義Bay、Node、Pod映射為COEs的集群、pod的實現，完成對COES的部署調度，由COEs調度部署Docker，可以理解成COEs as a service的實現。通過Openstack現有的Heat、Cinder、Nova、Neutron、Glance和Keystone等組件實現租戶、編排、鏡像、認證、網絡等其他功能管理功能。由于現有COEs的網絡方案還存在多樣性和變數，因此存在需要多種驅動的逐一實現的問題。

4 結束語

OpenStack與Docker是云計算中熱門的兩個技術。OpenStack作為云計算基礎設施解決方案，包含任何云數據中心管理體系都需要的多租戶安全性與隔離、管理與監控、存儲及網絡等服務；Docker技術能夠在共享式基礎設施之上對軟件工作負載進行管理，同時又確保不同負載之間彼此隔離互不影響。將OpenStack與Docker融合，提高資源利用率，降低I/O資源開銷，將OpenStack、KVM以及Docker其視為一整套輔助堆?！渲蠴penStack扮演整體數據中心管理方案的角色，KVM作為多租戶計算資源管理工具，而Docker容器則負責與應用部署包相關的工作。

圖8 magnum架構Fig.8 Magnum architecture

[1] https://www.openstack.org.

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[18] https://wiki.openstack.org/wiki/Docker.

[19] https://github.com/MarouenMechtri/Docker-containers-deplo yment-with-OpenStack-Heat.

[20] http://docs.openstack.org/developer/kolla/.

The Exploration of OpenStack and Docker

TU Gang, XU Juan
(Jiangsu Vocational College of Finance and Economics Huaian Jiangsu 223003)

OpenStack has become the Infrastructure as a Service (Iaas) standard in cloud computing. Docker is based on the Linux container-based container engine, through the namespace and controller group to achieve resource isolation and deployment, the use of tiered storage to build the image, to achieve the operating system and application bundled methods, making the application system environment standardization, containerization Passing into reality. This paper explores the integration of OpenStack and Docker, and analyzes the three schemes of Open-Stack fusion Docker, which provides a reference for OpenStack and Docker.

Cloud computing; Container technology; Namespace; Controller group

TP399

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.05.013

大數據技術與應用專業課程體系與課程標準建設(2016GHB01006)，全國高等院校計算機基礎教育研究會2016年度高職科研規劃縱向重點課題；自適應空間域圖像數字水印算法研究(2016JSCJ01001)，江蘇財經職業技術學院課題

涂剛(1971-)，男，湖北仙桃人，碩士，副教授，主要研究方向：云計算，大數據；徐娟(1996-)，女，江蘇淮安人，?？?，主要研究方向：云計算。

本文著錄格式：涂剛，徐娟. Openstack與Docker融合的探究[J]. 軟件，2017，38（5）：59-63