OpenStack之Nova服務

毛軍禮

摘要：云計算是近年來IT領域非常熱門的研究方向，OpenStack作為開源的云計算平臺得到了廣泛地應用，重點對OpenStack中的Nova服務進行介紹。描述Nova服務在OpenStack中的地位及與其他服務之間關系的基礎上，分別對Nova組件的邏輯架構、運行架構和部署架構進行了簡要說明，并對Nova服務中的消息隊列、Nova Network組件和Nova Scheduler組件的工作原理進行了進一步闡述，提出了一種基于OpenStack的適合實驗室或中小型企業的私有云構建方案，并描述了其安裝部署流程。

關鍵詞：OpenStack；Nova；Nova Network；Nova Scheduler；私有云

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2018）03-60-4

Nova Service of OpenStack

MAO Junli

（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang Hebei 050081， China）

0引言

隨著云計算時代的到來，出現了各種基于IaaS層的云管理平臺。OpenStack作為開源云管理平臺軟件的代表，得到了越來越多企業的應用和個人開發者的支持。OpenStack平臺是為了讓企業構建靈活高效的云計算環境，打造一個部署更加靈活、功能豐富且高擴展性的云計算平臺。OpenStack平臺的核心組件就是Nova服務，也就是通常所說的OpenStack計算服務，Nova服務是OpenStack平臺的中心控制單元，提供虛擬機實例的運行功能、云網絡的管理功能、用戶控制、資源管理和訪問管理的云部署功能。

1 Nova在OpenStack框架中的位置

OpenStack的功能由多個子項目協同實現，分別是Nova、 Swift、Keystone、Neutron、Glance及Horizon等，其中，Nova是核心管理部分[1-2]。在OpenStack云平臺系統中，Nova服務作為整個系統最為核心的模塊，完成虛擬機實例全生命周期管理、云平臺網絡管理及云平臺存儲管理等有關的管控能力。

OpenStack由多個單元組成：①Heat單元的作用是編排云；②Horizon組件為其他云服務提供一個基于Web的操作界面；③Ceilometer負責監視其他模塊，其他模塊通過Keystone進行身份認證；④虛擬機（VM）是實現云計算的核心，Nova負責創建VM；⑤Glance提供鏡像給虛擬機；⑥Cinder提供快存儲服務給虛擬機；⑦Neutron提供虛擬機的網絡活動及服務；⑧Swift負責OpenStack的對象的存儲，可保存Glance的鏡像文件和Cinder的備份卷。

Nova組件的主要任務是完成虛擬機的創建和維護，以及云平臺的管控和服務提供等。Nova通過與Keystone組件交互獲得認證授權服務、與Glance組件交互獲得虛擬機鏡像及與Horizon組件交互獲得用戶和管理員接口。

2 Nova邏輯架構

Nova雖然是OpenStack中的一個組件，但是Nova與OpenStack整個系統的設計理念相當一致。Nova也是根據功能的不同，被劃分成為不同的模塊來實現不同的任務，Nova邏輯架構如圖1所示。

①Nova-API：API服務守護進程，是OpenStack計算服務的核心，提供查詢入口給其他所有的API，對大部分部署活動進行初始化，以及配置一些策略；

②Nova-Compute：計算單元守護進程，主要負責VM的創建和停止；

③Nova-Volume：卷服務進程，負責映射到計算機卷的創建、追加、作廢及刪除等管理活動；

④Nova-Network：網絡控制守護進程，負責從消息隊列中獲取網絡相關的作業，通過實現相關的程序以操控網絡；

⑤Nova-Scheduler：調度管理后臺進程，負責調度選擇計算節點，以啟動新的VM運行實例，通過特定的計算模型和算法從計算資源池中選擇合適的計算節點作為可調度的資源；

⑥Nova-Database：利用基于SQL的集中式數據庫，用于存儲云基礎平臺中的絕大多數編譯和運行時的狀態數據；

⑦Queue：提供中心hub，是整個Nova組件中的消息中樞，為守護進程傳遞信息。

OpenStack的開發方、系統使用人員或系統其他組件通過Nova-PAI作為調用入口，Nova內部的組件都是通過消息隊列或數據庫來實現API的調用和消息的傳遞。

3 Nova運行架構

Nova-API在Nova服務中是重要的關鍵單元，為其他組件訪問提供標準化的統一接口，計算資源服務、存儲資源服務及網絡資源服務等模塊都是通過API接口來執行服務。API接口之間可以相互調用，在OpenStack中，計算服務通過調用存儲服務和網絡服務的API接口對外提供服務，虛擬機創建的時序圖如圖2所示。

①創建VM：VM實例的建立需通過調用Nova-API提供的接口來實現，Nova-API服務單元進行參數校驗和用戶合法性校驗，根據所要創建的VM的CPU、內存、磁盤和網絡等要素信息，Compute-API服務單元訪問虛擬機實例數據庫。

②調度：通過Nova-Scheduler和Compute-API單元配合，確定新建的VM實例運行在的哪個物理主機上，VM實例的調度消息將通過Compute-API接口以遠程過程調用的模式傳遞給消息隊列。

③訂閱調度消息：Nova-Scheduler單元通過訂閱調度消息來接收包含調度信息的消息。收到調度消息之后，Nova-scheduler單元在所有可用的計算節點中選擇一個物理主機運行新創建的虛擬機實例，消息隊列將收到Nova調度單元傳來的VM的基礎消息和物理主機數據。

④部署：物理主機訂閱并收到調度消息，通過調度消息中所包含的要素創建并運行虛擬機。

⑤分配IP：VM實例建立完成以后，Nova-Compute單元調用Network-API接口，把VM實例信息和網絡信息統一發送給消息隊列。

⑥訂閱網絡消息：Nova-Network訂閱并將接收到網絡的相關信息，Nova-Network結合DHCP給新創建的虛擬機實例分配IP地址。

⑦完成網絡分配。

4 Nova部署架構

Nova組件的安裝配置和布設非常靈活便捷，常用的有以下幾種部署架構：

①單節點架構：在單臺服務器節點上安裝部署所有的Nova服務組件，這種部署方式通常用于實驗室場景，或者開發；

②雙節點架構：2臺服務器，一臺安裝配置作為云控制器節點，另一臺安裝配置作為ComputeNode，ComputeNode運行Nova-Compute，云控制節點運行所有Nova的其他服務組件；

③多節點架構：在雙節點架構的基礎上，將Nova-Compute部署在一臺單獨的服務器上，為了增加更多的Compute Node，在新加的服務器上拷貝nova.conf配置文件，即可形成多節點的部署架構。

5消息隊列

在Nova組件中，所采用的消息隊列是AMQP高級消息隊列協議[3-5]，是處于應用層的一種協議規范，基于異步消息傳送為基礎。通常，AMQP協議的服務器簡稱為消息隊列，OpenStack通過消息隊列這個橋梁溝通其計算節點、網絡節點、存儲節點以及各個不同的API服務組件和調度模塊之間的通信。一般利用RabbitMQ技術來實現平臺中的AMQP協議，采取遠程過程調用（RPC）方式完成Nova服務各單元之間的消息傳遞和API接口調用，其調用模式類似于RSS的訂閱和發布模式，AMQP在OpenStack中的應用架構如圖3所示。

OpenStack架構對外提供的接口均為REST API標準接口，通過AMQP消息隊列完成OpenStack框架內部各個組件之間的通信。

6 Nova Network組件

Nova-Network單元是OpenStack平臺的網絡單元，負責云平臺VM集群之間及內部虛擬網絡平臺與外部公網平臺之間的互聯互通。

OpenStack平臺的網絡模型有Flat、Flat DHCP和VLAN三種網絡模型，默認采用VLAN模式。這幾種網絡模式可以共存于一個OpenStack平臺，采取分片式網絡管理解決方案，根據不同網絡區域的具體需求采用不同的網絡模型。

①Flat：全部創建的VM實例都通過人工配置好的網橋連接到相同的虛擬網絡中，計算節點網關的IP地址配置為Nova網絡組件所在節點的IP地址。在開啟虛擬機時，將VM實例創建時手工配制的IP地址加注到VM鏡像中。通過對新建的VM實例進行地址翻譯和轉換，實現云平臺和外部網絡平臺的互通。

②Flat DHCP：該模式的運行方式類似于Flat模式，從IP地址資源池中選取IP地址分配給虛擬機實例，和Flat類同，該網絡模型為扁平式網絡，所有創建成功的虛擬機實例都和相同的網橋相關聯。與Flat模式不同的是，該模型多運行了一個DHCP服務，并與以太網設備建立網橋，通過DHCP服務為虛擬機實例動態分配IP和回收IP。

③VLAN：VLAN網絡模型為默認的網絡模式，通過為每個子項目創建獨立的VLAN、網橋和子網，第一步創建VLAN和網橋，第二步配置VLAN的IP地址，將VLAN加入進獨立網橋，第三步將虛擬機實例的虛擬網卡加入到獨立網橋中，這樣，同在一個組織的虛擬機實例均隸屬于相同的虛擬局域網絡中，這些項目所能獲得的IP地址資源均為私網網段。

7 Nova Scheduler組件

Nova-Scheduler是Nova的資源調度器，負責選擇合適的節點響應VM的請求，通過API提供接口給Nova的其他組成單元。Nova調度單元由一組Python文件構成，Nova-Scheduler調度流程如圖4所示。

Nova-Scheduler單元采用的調度流程如下：

①啟動調度進程：當接收到用戶創建VM的請求后，Nova調度組件啟動Nova默認的過濾器FilterScheduler；

②過濾主機列表：FilterScheduler獲取全部主機列表，根據配置文件依次調用過濾程序，按照過濾屬性進行過濾，最后選擇合適主機創建指定數目的虛擬機；

③權值計算：將過濾后的主機節點逐個計算權值，OpenStack提供了2種策略來支持權值計算；

④權值排序并響應請求：根據計算出的權值對主機列表排序，根據用戶請求選擇適當數量的權值，最小的主機響應請求創建或更改虛擬機，并將請求處理結果返回給Nova-API。

8基于OpenStack的私有云平臺部署實驗

為滿足科研實驗室以及中小企業不同用戶和不同階段的需求，為其提供高可用性云服務，本文提出一種基于OpenStack的私有云計算平臺建設思路[6]。為了提供高可用的云服務，需要在虛擬鏡像中集成多種開發環境和開發工具，該私有云構建方案包括存儲節點、控制節點和計算節點，如圖5所示，Swift單元主要部署在存儲節點上，Keystone、Glance、Horizon和Nova（不含Nova-Compute）單元均部署在控制節點上，可以采用一臺或多臺服務器，Nova-Compute組件部署在計算節點上。

根據企業私有云部署方案進行安裝部署過程分為6個步驟，包括Keystone、Swift、Glance、Nova和Horizon單元的部署及定制開發環境，如圖6所示。

①安裝Keystone組件，對各項服務進行授權以便順利使用，例如對計算、存儲和鏡像等服務進行注冊，Swift組件提供分布式云存儲服務。

②Glance組件通過建立數據庫以存儲鏡像的元數據、管理鏡像的上傳、刪除及驗證等，實現虛擬機鏡像管理的工程。

③Nova組件是核心部分，較為復雜，包括虛擬機實例、網絡及云硬盤等的管理，Nova組件安裝配置完成后需要安裝KVM虛擬機工具，Nova開啟VM實例需通過第三方軟件來實現。另外，為了保證時間同步，以控制節點作為時間基準，所有計算節點的時鐘均同步到控制節點。

④Horizon組件為用戶提供Web界面服務，客戶端通過該服務即可使用云平臺。

管理員為私有云平臺定制所需鏡像的必要條件是其具備了控制節點、計算節點和鏡像服務，可以接受用戶的使用需求，提供虛擬化實例。根據用戶的開發需求，為鏡像定制軟件和服務，安裝所需的開發環境在虛擬機上，并開啟需要的服務，用戶實例化該鏡像后，可以便捷地使用所需要的軟件平臺服務，不用每次都重新安裝軟件和啟動服務，有效地提高了工作效率。

9結束語

本文通過對OpenStack中核心組件Nova進行全面分析解剖，對其工作原理進行了詳細地闡述，對深入了解和使用OpenStack具有重要的意義，并提出一種簡易的實驗室或小型企業私有云的構建方案以及安裝部署流程，利用開源的OpenStack軟件快速構建私有云平臺，為科研工作或企業用戶提供彈性計算服務，并通過在虛擬鏡像中集成各種開發環境和開發工具，提高云服務的可用性。

參考文獻

[1]李知杰，趙健飛.OpenStack開源云計算平臺[J].軟件導刊， 2012（12）：10-12.

[2]趙保華.OpenStack構建下的云計算平臺實現與研究[J].激光雜志，2014，35（11）：117-119.

[3]鄭晨.基于OpenStack的移動設備消息中間件研究與實現[D].沈陽：東北大學，2013.

[4] Vinoski，S.Advanced Message Queuing Protocol[J].IEEE Internet Computing，2006，10（6）：87-89.

[5]李知杰.基于AMQP的異步通信實現及其在OpenStack項目中的應用[J].軟件導刊，2013（7）：35-37.

[6] AN Jianwei.A Brief Analysis on Private Cloud Construction of Traditional Enterprise[J].China Internet Weekly，2014，7（20）： 38-39.