基于OpenStack的高校云數(shù)據(jù)中心研究與實(shí)現(xiàn)

宋凌怡

（四川民族學(xué)院　計算機(jī)科學(xué)系，四川　康定　626001）

基于OpenStack的高校云數(shù)據(jù)中心研究與實(shí)現(xiàn)

宋凌怡

（四川民族學(xué)院計算機(jī)科學(xué)系，四川康定626001）

隨著高校信息化建設(shè)的不斷深入，應(yīng)用系統(tǒng)越來越多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴(kuò)大，問題越來越多，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心已經(jīng)不能適應(yīng)高校信息化的發(fā)展.針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心在建設(shè)和管理中暴露出的問題，在分析當(dāng)前主流云計算平臺的基礎(chǔ)上，提出了采用開源云計算平臺OpenStack構(gòu)建云數(shù)據(jù)中心，并給出了部署方案.

OpenStack；開源；云計算；數(shù)據(jù)中心

近年來，各高校在教育現(xiàn)代化和信息化方面發(fā)展迅速，取得了巨大成績，基本都建成了主干帶寬為千兆或萬兆，百兆或千兆到桌面的校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.建立了一批適應(yīng)科研、教學(xué)、管理等需求的各類信息化應(yīng)用，成為了學(xué)校正常運(yùn)轉(zhuǎn)必須可少的技術(shù)手段.然而，隨著應(yīng)用的不斷增多，高校數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和運(yùn)維成本不斷增加，早期在數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)中不夠合理和全面所帶來的利用率低、能耗高、管理復(fù)雜、安全性差等問題日益突現(xiàn)，成為了高校信息發(fā)展的瓶頸.針對高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)維中出現(xiàn)的這些問題，技術(shù)人員嘗試了許多方法來進(jìn)行解決，云計算的出現(xiàn)為解決這些問題提供了新的技術(shù)手段.通過云計算可以對數(shù)據(jù)中心中的計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲等各種資源進(jìn)行整合和虛擬化，讓每個應(yīng)用系統(tǒng)能夠在獨(dú)立的虛擬環(huán)境中運(yùn)行，保證了數(shù)據(jù)中心的可靠性［1］.

云計算（Cloud Computing）是分布式計算（Distributed Computing）、并行計算（Parallel Computing）、效用計算（Utility Computing）、網(wǎng)絡(luò)存儲（Network Storage Technologies）、虛擬化（Virtualization）、負(fù)載均衡（Load Balance）、熱備份冗余（High Available）等傳統(tǒng)計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物［2］.他將服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲、應(yīng)用軟件等軟硬件資源集中在一起進(jìn)行共享，按需提供給計算機(jī)、其他設(shè)備或終端用戶.云計算可以為用戶提供以下3個層次的服務(wù)［3］，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

（1）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）.用戶通過互聯(lián)網(wǎng)可以獲得服務(wù)器、存儲設(shè)備等計算機(jī)基礎(chǔ)硬件的服務(wù).

（2）平臺即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）. PaaS作為SaaS的一種應(yīng)用，將軟件開發(fā)平臺作為一種服務(wù)以SaaS的模式提供給用戶使用.它的出現(xiàn)加快了SaaS的發(fā)展，特別是SaaS應(yīng)用的開發(fā)速度.

（3）軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）.用戶不需要購買軟件，而是通過互聯(lián)網(wǎng)租用服務(wù)商提供的基于Web的軟件來管理企業(yè)經(jīng)營活動的一種軟件提供模式.

圖1　云計算服務(wù)體系結(jié)構(gòu)

從云計算的服務(wù)體系結(jié)構(gòu)中可以看出，對于數(shù)據(jù)中心而言實(shí)現(xiàn)的是IaaS，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示.

目前，構(gòu)建IaaS有商業(yè)軟件和開源軟件兩種方式.商業(yè)軟件主要有VMware 的vSphere、微軟的Hyper-V Server、Citrix 的Xen Server，其特點(diǎn)是性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、操作簡單、服務(wù)體系完備，但價格較高，完全依賴于軟件出品公司.開源軟件相對于商業(yè)軟件來說，無需購買，代碼開源能夠針對具體實(shí)際進(jìn)行靈活配置，甚至對代碼進(jìn)行修改.其劣勢在于沒有完備的服務(wù)體系，對使用者的技術(shù)水平要求較高，但由于開源軟件擁有眾多的使用者，特別是像微軟、谷歌、IBM、思科、HP、Dell等廠商加入到了開源云平臺的行列，服務(wù)不完備、硬件支持不好的劣勢得到了彌補(bǔ).

圖2　I aa S數(shù)據(jù)中心架構(gòu)圖

本文針對高校數(shù)據(jù)中心在建設(shè)和管理方面存在的問題，以建設(shè)滿足科研、教學(xué)、管理需求的數(shù)據(jù)中心為目標(biāo)，采用開源云計算平臺中應(yīng)用最為廣泛，支持最好的OpenStack Kilo版構(gòu)建一個可對資源進(jìn)行共享和彈性分配、能夠快速擴(kuò)展的云數(shù)據(jù)中心.

1　開源云平臺

在全球范圍內(nèi)，已經(jīng)有多個開源云平臺，其中以下4種開源系統(tǒng)是使用最廣泛的主流云計算平臺［4］：

1.1OpenStack

OpenStack 最初由NASA（National Aeronautics and Space Administration，美國國家航空航天局）和Rackspace公司合作開發(fā)并發(fā)起的開源云計算平臺管理項(xiàng)目，整合了Rackspace 的Cloud Files Platform和NASA 的Nebula Platform技術(shù)，其目標(biāo)是提供一個免費(fèi)、資源豐富、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、易于實(shí)施和擴(kuò)展的云計算平臺.2010 年7 月以Apache 2.0 許可證授權(quán)開源，源代碼來源于NASA 的Nebula 云平臺和Rackspace的分布式云存儲項(xiàng)目. 目前該項(xiàng)目已經(jīng)有包括Rackspace、RedHat、AT&T、Nebula、HP、Canonical、IBM在內(nèi)的400 個成員.

1.2Eucalyptus

Eucalyptus是由加州大學(xué)圣芭芭拉分校計算機(jī)科學(xué)系一個研究項(xiàng)目發(fā)展起來的，商業(yè)化后由Eucalyptus系統(tǒng)公司運(yùn)營，在2014年9月被HP公司收購.不過，Eucalyptus仍然作為開源項(xiàng)目進(jìn)行開發(fā). Eucalyptus作為AmazonEC2服務(wù)的開源實(shí)現(xiàn)，由云、集群、節(jié)點(diǎn)、存儲控制器和Walrus組成，并提供了與Amazon云平臺E C2和S3接口.Eucalyptus除H P公司外，還得到了Amazon公司和Dell公司的支持.

1.3CloudStack

CloudStack最初由VMOps公司（2010年改名為Cloud.com公司）開發(fā)，他分為通過GPLv3協(xié)議授權(quán)的社區(qū)（開源）版和商業(yè)版.2011年Citrix System公司收購Cloud.com公司后將代碼全部開放，并在2012年提供給了Apache基金會，隨后在2013年3月成為了Apache正式開源項(xiàng)目.Cloud-Stack采用插件的形式來實(shí)現(xiàn)對不同虛擬化技術(shù)的支持，是一個高可用、高可擴(kuò)展、虛擬機(jī)能夠方便進(jìn)行大規(guī)模部署和管理的云平臺，目前已有GoDaddy等多個應(yīng)用.

1.4OpenNebula

OpenNebula是歐盟云計算項(xiàng)目RESERVOIR中一個子項(xiàng)目，目前已經(jīng)是VEEM（Virtual Execute Environment Manager，虛擬執(zhí)行環(huán)境管理器）的核心組件.他由歐洲研究學(xué)會發(fā)起，專為基于L inu x的虛擬機(jī)而設(shè)計，目的是為了解決虛擬化管理問題.由于OpenNebula重點(diǎn)在用戶驅(qū)動，導(dǎo)致支持的公司較少.

2　OpenStack架構(gòu)

圖3　OpenStack架構(gòu)

OpenStack由4個核心服務(wù)組件和3個公共服務(wù)組件組成［5］.分別是：用于配置和管理計算資源的Nova 計算服務(wù)（Compute as a Service）組件；用于管理網(wǎng)絡(luò)的Neutron 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（Networking as a Service）組件；用于自動在多個節(jié)點(diǎn)之間復(fù)制數(shù)據(jù)的Swift 對象存儲服務(wù)（Object Storage as a Service）組件；用于創(chuàng)建計算實(shí)例的Cinder 塊存儲服務(wù)（Block Storage as a Service）組件；用于管理虛擬機(jī)鏡像的Glance 鏡像服務(wù)（Image as a Service）組件；用于身份認(rèn)證的Keystone認(rèn)證服務(wù)（Identity as a Service） 組件；用于提供用戶圖形界面的Horizon 儀表盤服務(wù)（Dashboard as a Service）組件，其架構(gòu)如圖3所示.

3　部署OpenStack

3.1部署環(huán)境

根據(jù)高校數(shù)據(jù)中心的特點(diǎn)和OpenStack 的架構(gòu)，這里使用9 臺服務(wù)器安裝Keystone 組件、Glance組件、Nova 組件、Neutron 組件、Cinder 組件、Horizon 組件，分別作為控制節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、計算節(jié)點(diǎn)和存儲節(jié)點(diǎn).為保證整個系統(tǒng)的可靠性，將這些組件安裝在多臺服務(wù)器上，并啟用HA（High Available高可用集群）.操作系統(tǒng)使用Ubuntu，數(shù)據(jù)庫使用MySQL.

3.2安裝部署

3.2.1部署基礎(chǔ)組件

OpenStack需要使用數(shù)據(jù)庫存儲運(yùn)行的狀態(tài)和信息，使用消息組件將消息在各個服務(wù)內(nèi)進(jìn)行傳輸，所以在安裝其它組件前必須安裝數(shù)據(jù)庫和消息組件.

在部署數(shù)據(jù)庫時，我們安裝多個MySQL服務(wù)端，通過NFS方式使用存儲在存儲池中的同一個數(shù)據(jù)庫文件，并啟用H eartbeat服務(wù)實(shí)現(xiàn)HA.

由于OpenStack使用AMQP（Advanced Message Queuing Protocol，高級消息隊列協(xié)議）作為消息傳遞的技術(shù)，所以O(shè)penStack可以使用ZeroMQ、RabbitMQ、Qpid等支持AMQP的軟件.因?yàn)镽abbit-MQ是第一個被OpenStack使用的消息傳遞軟件，這里使用它作用為各組件的消息傳遞軟件，同樣也采用HA方式部署.

3.2.2部署Keystone組件

在部署Keystone組件時按照以下步驟進(jìn)行部署：第一步：安裝PIP工具、MySQL客戶端等必要的支持組件；第二步：修改“/etc/keystone/”下的配置文件；第三步，安裝服務(wù)；第四步，創(chuàng)建Keystone數(shù)據(jù)庫，并建立表結(jié)構(gòu)；第五步，創(chuàng)建Keystone的管理員用戶；第六步，定義Keystone使用的APIEndpoints 和Services.

3.2.3部署Glance組件

部署 Glance組件主要是對 glance-api和glance-registry兩個服務(wù)的安裝和配置，安裝和配置過程相對簡單，需要注意的是需要在Keystone中創(chuàng)建Glance的用戶、服務(wù)和Endpoint.

3.2.4部署Neutron組件

Neutron負(fù)責(zé)OpenStack的網(wǎng)絡(luò)管理功能，由于Neutron中的網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)際上是以插件的形式通過系統(tǒng)底層來實(shí)現(xiàn)的，所在，在每個節(jié)點(diǎn)上都需要安裝Neutron，這樣才能實(shí)現(xiàn)完全的網(wǎng)絡(luò)管理功能.

3.2.5部署Nova組件

Nova組件在部署前還是要先安裝必須的第三方組件，特別是由于Nova組件本身并不能實(shí)現(xiàn)虛擬化，必須安裝其支持的K VM、Xen等虛擬化軟件.在安裝完支持組件后，應(yīng)該按照以下步驟進(jìn)行安裝：第一步，安裝Nova組件包；第二步，候改“/etc/nova/nova.conf”配置文件；第三步，創(chuàng)建并初始化Nova數(shù)據(jù)庫；第四步，在Keystone中創(chuàng)建Nova用戶和Endpoint，并配置虛擬機(jī)的用戶名和密碼；第六步，為虛擬機(jī)設(shè)置可供分配的IP地址池.

3.2.6部署Cinder組件

Cinder組件有三個服務(wù)：cinder-volume、cinder-api、cinder-sche duler，需要在控制節(jié)點(diǎn)上安裝負(fù)責(zé)接收其他命令和組件對cinder-volume請求的cinder-api和Cinder調(diào)度程序cinder-scheduler.

3.2.7部署Horizon組件

Horizon 作為OpenStack 的Dashboard，他通過WEB 頁面進(jìn)行訪問，可以讓用戶通過圖形界面使用OpenStack. 其安裝比較簡單，只需要通過命令“#apt-get install -y openstack-dashboard memcached”即可完成部署.

4　結(jié)語

云計算技術(shù)的出現(xiàn)，為解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心存在的各種問題提供了新的技術(shù)手段，而開源軟件的使用保證了在實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)中心的同時能夠大大降低建設(shè)成本.本文首先對云計算技術(shù)的進(jìn)行了簡要介紹，然后在對主流開源云平臺軟件進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用OpenStack構(gòu)建了基于云計算技術(shù)的數(shù)據(jù)中心，提升了數(shù)據(jù)中心的可靠性和可用性，使數(shù)據(jù)中心更好地為高校信息化建設(shè)服務(wù).

〔1〕黃榮.OpenStack在高校數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用研究［J］.赤峰學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（6）：18-19.

〔2〕百度百科.云計算［EB/OL］.http：//baike.baidu. com/view/1316082.htm.2016-06-14.

〔3〕孫濤.基于開源軟件的高校云計算試驗(yàn)環(huán)境部署［J］.湖北科技學(xué)院學(xué)報，2015（6）：143-145.

〔4〕姜毅，王偉軍，曹麗，劉凱，陳桂強(qiáng).基于開源軟件的私有云計算平臺構(gòu)建 ［J］.電信科學(xué)，2013（1）：68-75.

〔5〕黃凱，毛偉杰，顧駿杰.OpenStack實(shí)戰(zhàn)指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.37-54.

T P308

A

1673-260X（2016）08-0033-03

2016-04-24

四川省教育廳自然科學(xué)一般項(xiàng)目（15ZB0329）