Ubuntu+KVM+Openstack搭建私有云平台

搭建私有云（1）_理论知识总结

前言：由于工作需求，需要搭建一个私有云平台，搜集了些资料，在此汇总记录

0x00 云平台架构

图1-1 云平台架构

云平台通常由一个控制器节点（controller node）和n个计算节点（compute node）组成，既包括客户端又包括服务器端。
①客户端：用户通过客户端登录到云平台，按照自己的需求选择相应的平台环境（Windows、Linux）和云主机；
②服务器端：根据用户的选择为其建立相应的虚拟机，为虚拟机分配资源

图1-2 Openstack 部署架构

0x02 部署Openstack

1. 控制节点
控制器节点是云平台中实现包括网络控制、调度管理、ＡＰＩ服务、身份管理和镜像管理等在内的物理节点。如图1-1所示，在云平台中只有一个控制器节点，所以它既是调度管理服务器，又是身份管理、镜像管理、API服务管理器。按照表2-1所示的步骤部署和配置云制器节点。

表2-1 部署云控制节点步骤

2. 计算节点
计算节点是指提供nova-compute服务的物理节点，为云平台提供包括CPU、内存等计算资源，如图1-1所示，在云平台中一共有４个计算节点为云平台提供nova-compute服务，按照表2-2所示的步骤配置和部署计算节点。

表2-2 部署计算节点步骤

0x03 创建/上传系统环境模板

1. 创建系统环境模板
云平台环境一般包括操作系统和专业软件环境两部分。

制作操作系统镜像
创建操作系统镜像要求本地环境支持KVM以及安装vncviewer组件。首先创建一个镜像盘，如＂qemu -img create -f raw windows_xp.img 10G＂，该命令创建了一个容量为10G、raw格式的镜像盘；接着创建KVM镜像虚拟机，通过下面的命令启动系统安装Ｗ及建立引导启动系统，kvm -m 512 –cdrom windows_xp.iso –drive file=windows_xp.img,if=scsi,index= 0-boot d –net nic -net user -nogrephic -vnc:0;最后使用vnc viewer登录引导界面安装系统；
安装专业软件
安装完操作系统后，需要在操作系统之上安装实验所需的专业软件和常用工具。比如为计算机实验室制作平台环境模板时，需要准备专业的VC++实验开发环境VC6.0，Java实验开发环境JDK、Eclipse等。
最后等待安装完成以后退出，通过命令killall kvm终止kvm，经过上述步骤，即可创建一个完整的系统环境模板。

２.上传模板
模板制作完成以后，需要把模板通过glance发布到云端，这样，用户才可以使用该模板，Openstack提供了命令行工具和Dashboard图形化界面上传镜像文件。通过命令行上传镜像； glance image-create -name “windows_xp” -file “windows_xp.img” -disk-format qcow2 -container-format bare -is-public true

３.创建云主机类型
云主机类型主要是指一些虚拟硬件设施的模板，它通过定义内存、硬盘及CPU等参数大小来限制用户对硬件设施的使用，防止因为用户申请过多的资源。Openstack允许开发者或管理员自定义云主机类型，它提供了命令行工具和Web图形界面两种方式支持云主机类型的自定义。Openstack默认提供了常用的五种云主机类型，如图3-1所示。开发者可根据实际需求自定义云主机的大小。

图3-1 OpenStack 中云主机类型

0x04 Openstack虚拟机管理策略

1.虛拟机创建流程分析
后台创建虚拟机的过程实际上是为用户创建系统环境的过程，后台根据用户选择的云主机大小和系统环境模板为用户创建一个虚拟机，虚拟机提供了用户所需的操作系统和专业的软件环境。虚拟机创建过程如图4-1所示。

图4-1 虚拟机创建过程

当API服务器从User处接收到一个创建虚拟机的请求时，API服务器将会通过Keystone对User的权限进行验证，如果验证通过，就把送个虚拟机创建请求发送给（控制器）；
当控制器接收到虚拟机创建的请求（携带用户选择的云主机大小）时，就会调用Scheduler模块去决策该把这个虚拟机创建到哪台计算节点上；
模块通过一定的初始化放置算法选择出当前集群中最符合算法要求的一个计算节点上并返回给Cloud Controller
Cloud Controller收到Scheduler模块返回的计算节点后，就把创建虚拟机实例的请求以及相关数据发送给该计算节点；
该计算节点接收到创建虚拟机实例的请求后，便在本机上执行虚拟机实例创建过程，并且把创建结果返回给Cloud Controller；
接着Cloud Controller需要请求网络控制节点为新创建的虚拟机实例进行网络配置（如分配IP）以便新的虚拟机实例可以和其他虚拟机实例进行网络通信；
网络控制节点把网络配置结果（如分配的IP）返回给Cloud Controller；
最后Cloud Controller把网络配置结果发送给该计算节点，让新建的虛拟机实例与网络配置进行绑定；整个虚拟机的创建就结束了。

2.Openstack调度策略分析
当后台为用户创建实验环境或者系统在维护整个云平台的运行时，为了能够使云平台提供稳定和可靠的云服务，系统利用调度策略选择一个合适的计算节点来放置用户的实验环境虚拟机。调度策略是指通过Scheduler模块选择一个合理的计算节点放置虚拟机，其主要由nova-Scheduler模块负责。对OpenStack的调度策略简要介绍如下；

Nova-scheduler从AMQP队列中接收一个RPC（Remote Procedure Call，远程过程调用）消息，然后就会根据指定的Nova调度器的调度策略筛选出符合要求的计算节点，目前,Nova中现在己经支持的调度器如图4-2所示。

图4-2 Nova支持的调度器

在没有特定指明的情况下，Nova默认使用FilterScheduler调度器，接下来我们对FilterScheduler调度器机制进行详细说明。
Nova-Scheduler从AMQP队列中接收消息后，FilterScheduler的处理过程大致分为两个步骤：主机过滤（主机过滤）和主机权衡（Weighting），如图4-3所示。

图4-3 nova-scheduler的调度机制

（1）主机过滤
每一个计算节点都会在Nova数据库中保存一条数据，记录了计算节点的能力信息，包括内存容量、CPU个数等。在过滤之前，首先获取所有可用的计算节点的信息并加入到可用的计算节点集合Hosts。然后FilterScheduler会根据指定的过滤器和过滤属性对Hosts进行过滤，如图4-3所示，过滤掉不满足条件的Host2和Host5，并从Hosts集合中删除，满足条件的计算节点将会参与下一步的权值计算。过滤器可以在nova.conf文件中进行指定，默认使用以下过滤器依次进行主机过滤：RetryFilter、AvailabilityZoneFilter、RamFilter、ComputeFilter、ComputeCapabilitiesFilter、ImagePropertiesFilter、ServerGroupAffinityFilter，每种过滤器部有自己的过滤条件。以图4-4所示的RamFilter的过滤算法为例来说明过滤器的过滤算法。

图4-4 RamFilter的过滤算法

如图4-4所示，当主机的空闲RAM小于请求的虚拟机所需的RAM时，函数host_passes返回False，表示当前主机不能满足过滤器的过滤条件，该主机将不能通过过滤。

（2）主机权衡
权值是一个经过计算的数值，用来表示宿主主机与请求的符合度。经过主机过滤筛选出符合条件的计算节点集合Hosts，对Hosts集合中的每个主机进行主机权衡，权衡过程如图4-5所示。针对每个主机调用代价函数_weight_object()进行计算，将得到的值weight进行如下处理：

把weight归一化得到w。
通过函数weight_multiplier()获取权重因子multiplier，权值因子可Ｗ在配置nova.conf中指定，默认为1.0。

图4-5 nova-scheduler权值计算过程

OpenStack允许开发者自定义代价函数，目前它仅提供了一种代价函数：基于空闲内存的代价函数。它的实现比较简单，只是简单的返回主机的空闲内存大小，因此，在OpenStack的默认情况下，主机空闲内存越大，其权值也越大，被选中的几率也就越大。经过权值计算以后，根据每台主机的权值对主机进行排序，选择权值最大的主机，如果存在多个具有相同的最大权值的主机，OpenStack采取了随机选取策略从这些主机中选取一个主机作为目的主机放置虚拟机，如图4-3所示，从Host3和Host4中随机选取，得到Host3。

参考：张煜. 基于OpenStack的“实验云”平台的研究与开发[D]. 西南交通大学,2015.