『OpenStack』云計算平臺『Nova』計算服務學習指南

這篇具有很好參考價值的文章主要介紹了『OpenStack』云計算平臺『Nova』計算服務學習指南。希望對大家有所幫助。如果存在錯誤或未考慮完全的地方，請大家不吝賜教，您也可以點擊"舉報違法"按鈕提交疑問。

『OpenStack』云計算平臺『Nova』計算服務學習指南,隨筆摘錄,OpenStack,Nova,云計算,計算服務

前言

本文將會講解 OpenStack 平臺計算服務組件 Nova ，結合抽象概念和簡單易懂的實戰(zhàn)操作，幫助您更好的理解 Nova 計算服務在 OpenStack 中的作用

系統(tǒng)配置：宿主機 Ubuntu 20.04（WSL2）

簡介

OpenStack

官網鏈接：Open Source Cloud Computing Infrastructure - OpenStack

OpenStack 是開源的云計算平臺，用于構建和管理公有云和私有云基礎設施。它提供了一組模塊化的工具和服務，使用戶能夠創(chuàng)建和管理虛擬機、存儲、網絡、身份驗證、鏡像和其他云基礎設施資源

我們知道 OpenStack 是 IaaS 層的云操作系統(tǒng)，OpenStack 為虛擬機提供并管理三大類資源：計算、網絡和存儲

『OpenStack』云計算平臺『Nova』計算服務學習指南,隨筆摘錄,OpenStack,Nova,云計算,計算服務

服務組件

官網服務組件介紹：Open Source Cloud Computing Platform Software - OpenStack

目前 OpenStack 官方展示服務多達三十種，但是這些服務我們一般不會全都使用，下面僅介紹主要服務和其中的核心服務

『OpenStack』云計算平臺『Nova』計算服務學習指南,隨筆摘錄,OpenStack,Nova,云計算,計算服務

Nova：管理計算資源（核心）

Neutron：管理網絡資源（核心）

Glance：為 VM 提供 OS 鏡像，屬于存儲范疇（核心）

Cinder：塊存儲服務（核心）

Swift：對象存儲服務

Keystone：身份認證服務（核心）

Ceilometer：監(jiān)控服務

Horizon：Web 操作界面（核心）

Quantum：網絡管理服務

節(jié)點組成

OpenStack 是分布式系統(tǒng)，由若干不同功能的節(jié)點（Node）組成

控制節(jié)點（Controller Node）
管理 OpenStack，其上運行的服務有 Keystone、Glance、Horizon 以及 Nova 和 Neutron 中管理相關的組件。控制節(jié)點也運行支持 OpenStack 的服務，例如 SQL 數據庫（通常是 MySQL）、消息隊列（通常是 RabbitMQ）和網絡時間服務 NTP。
網絡節(jié)點（Network Node）
其上運行的服務為 Neutron。為 OpenStack 提供 L2 和 L3 網絡。包括虛擬機網絡、DHCP、路由、NAT 等。
存儲節(jié)點（Storage Node）
提供塊存儲（Cinder）或對象存儲（Swift）服務。
計算節(jié)點（Compute Node）
其上運行 Hypervisor（默認使用 KVM）。同時運行 Neutron 服務的 agent，為虛擬機提供網絡支持。

為了拓撲簡潔同時功能完備，可以部署下面兩種虛擬機節(jié)點

devstack-controller：控制節(jié)點 + 網絡節(jié)點 + 塊存儲節(jié)點 + 計算節(jié)點
devstack-compute：計算節(jié)點

虛擬化

注：本章節(jié)為前置預備知識，可以酌情跳過

方式

虛擬化是云計算的基礎，虛擬化使得在一臺物理服務器上可以跑多臺虛擬機，虛擬機共享物理機的 CPU、內存、IO 硬件資源，但邏輯上虛擬機之間是相互隔離的，物理機我們一般稱為宿主機（Host），宿主機上面的虛擬機稱為客戶機（Guest）

其中主要是通過 Hypervisor 實現 Host 的硬件虛擬化 ，根據 Hypervisor 的實現方式和所處的位置，虛擬化又分為兩種：1型虛擬化和2型虛擬化

1型虛擬化

Hypervisor 直接安裝在物理機上，多個虛擬機在 Hypervisor 上運行。Hypervisor 實現方式一般是特殊定制的 Linux 系統(tǒng)。
Xen 和 VMWare 的 ESXi 都屬于這個類型

『OpenStack』云計算平臺『Nova』計算服務學習指南,隨筆摘錄,OpenStack,Nova,云計算,計算服務

2型虛擬化

物理機上首先安裝常規(guī)的操作系統(tǒng)，比如 Redhat、Ubuntu 和 Windows。Hypervisor 作為 OS 上的一個程序模塊運行，并對管理虛擬機進行管理。
KVM、VirtualBox 和 VMWare Workstation 都屬于這個類型

『OpenStack』云計算平臺『Nova』計算服務學習指南,隨筆摘錄,OpenStack,Nova,云計算,計算服務

對比

1 型虛擬化對硬件虛擬化功能進行了特別優(yōu)化，性能上比 2 型要高

2 型虛擬化因為基于普通的操作系統(tǒng)，會比較靈活，比如支持虛擬機嵌套。嵌套意味著可以在 KVM 虛擬機中再運行 KVM

KVM

官網鏈接：KVM (linux-kvm.org)

本次將會使用 **KVM（Kernel-Based Virtual Machine）**作為虛擬化工具，顧名思義，KVM 是基于 Linux 內核實現的

KVM 內核模塊叫 kvm.ko，只用于管理虛擬 CPU 和內存，IO 部分的虛擬化（比如存儲和網絡設備）需要交給 Linux 內核和 QEMU 來實現

注：博主下面使用的是基于 WSL2 的虛擬機作為宿主機，如果您是使用 VMWare Workstation 創(chuàng)建的虛擬機作為宿主機，不保證正確，畢竟 WSL2 和 VMWare Workstation 兩種虛擬化方式不同

Libvirt

官網鏈接：libvirt: The virtualization API

注：此處僅會簡單講解，后面會詳細講解 Libvirt 體系架構

Libvirt 是目前使用最為廣泛的對KVM虛擬機進行管理的工具，除了能管理 KVM 這種 Hypervisor，還能管理 Xen，VirtualBox 等。OpenStack 底層也使用 Libvirt

主要包含下面三部分：后臺 daemon 程序 libvirtd、API 庫和命令行工具 virsh

libvirtd 是服務程序，接收和處理 API 請求
API 庫使得其他人可以開發(fā)基于 Libvirt 的高級工具，比如 virt-manager，這是個圖形化的 KVM 管理工具，后面我們也會介紹
virsh 是我們經常要用的 KVM 命令行工具，后面會有使用的示例

注：如果你使用的是原生不支持 GUI 的虛擬化方式，需要使用 VcXsrv，之前博主寫過相應文章，直接主頁搜索 “『GUI界面』傳輸” 安裝配置即可

安裝

驗證 CPU 是否支持硬件虛擬化

注：數字大于0，則代表CPU支持硬件虛擬化，反之則不支持

grep -Eoc '(vmx|svm)' /proc/cpuinfo

檢查 VT 是否在 BIOS 中啟用

# 安裝
apt-get install cpu-checker -y
# 執(zhí)行
kvm-ok

然后執(zhí)行之后輸出如下內容即為成功

INFO: /dev/kvm exists
KVM acceleration can be used

執(zhí)行如下命令安裝 KVM 相關包

sudo apt-get install qemu-kvm qemu-system Libvirt-bin virt-manager bridge-utils vlan -y

然后下面是 libvritd 的相關命令，可以啟動服務和設置開機自啟動服務

systemctl start libvirtd
systemctl enable libvirtd
# 查看虛擬化啟動服務和自啟動狀態(tài)
systemctl list-unit-files |grep libvirtd.service

驗證 libvirtd 是否啟用，輸出 active 表示啟用

systemctl is-active libvirtd

驗證 kvm，輸出 kvm_intel、kvm 表示安裝成功（但是我沒有成功輸出也暫時沒有影響）

lsmod | grep kvm

創(chuàng)建虛機

這里我們使用小型虛擬機鏡像 CirrOS，比較適合測試學習

鏡像下載首頁：Index of / (cirros-cloud.net)

鏡像下載地址：cirros-0.3.3-x86_64-disk.img (cirros-cloud.net)

然后我們需要給鏡像放在 /var/lib/Libvirt/images/ 目錄下，這是 KVM 默認查找鏡像文件的地方

『OpenStack』云計算平臺『Nova』計算服務學習指南,隨筆摘錄,OpenStack,Nova,云計算,計算服務

啟動虛擬機管理圖形界面

virt-manager

然后按照如下步驟創(chuàng)建虛擬機，我們使用的是 .img 鏡像文件，需要選擇第四項，如果您使用的是 ISO 鏡像需要選擇第一項

『OpenStack』云計算平臺『Nova』計算服務學習指南,隨筆摘錄,OpenStack,Nova,云計算,計算服務

后續(xù)都是默認即可

『OpenStack』云計算平臺『Nova』計算服務學習指南,隨筆摘錄,OpenStack,Nova,云計算,計算服務

此時回到主頁，我們可以看到 vm1 虛擬機已經創(chuàng)建成功

我們可以使用 virsh 管理虛機，比如使用如下命令查看宿主機上的虛機

# 執(zhí)行如下
virsh list
# 輸出列表
Id   Name   State
----------------------
 1    vm1    running

問題

如果您不是最新的 WSL2，可能沒有默認啟動 systemd，需要使用如下步驟開啟

git clone https://github.com/DamionGans/ubuntu-wsl2-systemd-script.git
cd ubuntu-wsl2-systemd-script/
bash ubuntu-wsl2-systemd-script.sh
# Enter your password and wait until the script has finished

但是在進入目錄之后，您需要手動修改以下兩個參數

『OpenStack』云計算平臺『Nova』計算服務學習指南,隨筆摘錄,OpenStack,Nova,云計算,計算服務

如果您的 WSL 版本為 0.67.6+（使用 wsl --version 檢查版本），可以按照如下步驟開啟 systemd

參考官方鏈接：WSL 中的高級設置配置 | Microsoft Learn

若要啟用 systemd，請使用 sudo 通過管理員權限在文本編輯器中打開 wsl.conf 文件，并將以下行添加到 /etc/wsl.conf：

[boot]
systemd=true

然后，需要通過 PowerShell 使用 wsl.exe --shutdown 來關閉 WSL 發(fā)行版以重啟 WSL 實例。發(fā)行版重啟后，systemd 應該就會運行了。可以使用 systemctl list-unit-files --type=service 命令進行確認，該命令會顯示服務的狀態(tài)

DevStack

簡介

DevStack（Develop OpenStack）是 OpenStack 社區(qū)提供的快速部署工具，是專為開發(fā) OpenStack 量身打造的工具

DevStack 不依賴于任何自動化部署工具，純 Bash 腳本實現，因此不需要花費大量時間耗在部署工具準備上，而只需要簡單地編輯配置文件，然后運行腳本即可實現一鍵部署 OpenStack 環(huán)境。利用 DevStack 基本可以部署所有的 OpenStack 組件，但并不是所有的開發(fā)者都需要部署所有的服務，比如 Nova 開發(fā)者可能只需要部署核心組件就夠了，其它服務比如 Swift、Heat、Sahara 等其實并不需要。DevStack 充分考慮這種情況，一開始的設計就是可擴展的，除了核心組件，其它組件都是以插件的形式提供，開發(fā)者只需要根據自己的需求定制配置自己的插件即可

部署

下面我們將會詳解介紹如何單機部署 DevStack

我們需要添加用戶

DevStack 應該以非 root 用戶（但擁有 sudo 權限）執(zhí)行，手動添加 stack 用戶

# 添加 stack 用戶
sudo useradd -s /bin/bash -d /opt/stack -m stack

# 授予 sudo 權限
echo "stack ALL=(ALL) NOPASSWD: ALL" | sudo tee /etc/sudoers.d/stack

# 以 stack 用戶登錄
sudo su - stack

然后配置 pip

# 創(chuàng)建文件夾
cd && mkdir .pip && cd .pip

# 創(chuàng)建并編輯配置文件
sudo vim pip.conf

# 添加如下配置
[global]
timeout = 6000
index-url = http://mirrors.aliyun.com/pypi/simple/
trusted-host = mirrors.aliyun.com

下載 DevStack（執(zhí)行如下命令之前需要自行配置 GitHub SSH 密鑰）

生成密鑰命令：ssh-keygen -t rsa -C “stack”

git clone https://opendev.org/openstack/devstack -b stable/ussuri

然后我們進入 devstack 文件夾內部，然后創(chuàng)建配置文件 local.conf，添加如下內容

解釋參數：

ADMIN_PASSWORD：OpenStack 用戶 admin 和 demo 的密碼
DATABASE_PASSWORD：MySQL 管理員用戶密碼
RABBIT_PASSWORD：RabbitMQ 密碼
SERVICE_PASSWORD：服務組件和 KeyStone 交互的密碼
GIT_BASE：源代碼托管服務器
HOST_IP：綁定的 IP 地址

[[local|localrc]]
HOST_IP=172.22.124.174
GIT_BASE=https://opendev.org

ADMIN_PASSWORD=111111
DATABASE_PASSWORD=$ADMIN_PASSWORD
RABBIT_PASSWORD=$ADMIN_PASSWORD
SERVICE_PASSWORD=$ADMIN_PASSWORD

執(zhí)行目錄內腳本

# 安裝
./stack.sh
# 停止
./unstack.sh
# 停止并刪除配置
./clean.sh

如果安裝中出現如下錯誤，可以執(zhí)行命令 FORCE=yes ./stack.sh 來進行安裝

[ERROR] ./stack.sh:227 If you wish to run this script anyway run with FORCE=yes
/opt/stack/devstack/functions-common: line 241: /opt/stack/logs/error.log: No such file or directory

Nova

官方倉庫：openstack/nova: OpenStack Compute (Nova). Mirror of code maintained at opendev.org. (github.com)

簡介

現在我們開始進入本篇文章核心主題，管理虛擬機實例的計算服務 Nova

Nova 處理 OpenStack 云中實例（instances）生命周期的所有活動，其為負責管理計算資源、網絡、認證、所需可擴展性的平臺

但是 Nova 并不具有虛擬化能力，它需要使用 Libvirt API 來與被支持的 Hypervisor 交互

組件

1．API Server（Nova-Api）

API Server 對外提供與云基礎設施交互的接口，也是外部可用于管理基礎設施的唯一組件

2．Message Queue（Rabbit MQ Server）

OpenStack 節(jié)點之間通過消息隊列使用 AMQP（Advanced Message Queue Protocol）完成通信。

3．Compute Worker（Nova-Compute）

Compute Worker 管理實例生命周期，通過 Message Queue 接收實例生命周期管理的請求，并承擔操作工作。

4．Network Controller（Nova-Network）

Network Controller 處理主機的網絡配置，包括 IP 地址分配、為項目配置 VLAN、實現安全組、配置計算節(jié)點網絡。

5．Volume Workers（Nova-Volume）

Volume Worker 用來管理基于 LVM（Logical Volume Manager）的實例卷。Volume Worker 有卷的相關功能，例如新建卷、刪除卷、為實例附加卷、為實例分離卷。

6．Scheduler（Nova-Scheduler）

調度器 Scheduler 把 Nova-API 調用映射為 OpenStack 組件。調度器作為 Nova-Schedule 守護進程運行，通過恰當的調度算法從可用資源池獲得計算服務。

AMQP

AMQP（Advanced Message Queuing Protocol，高級消息隊列協(xié)議），是應用層協(xié)議的開放標準，為面向消息的中間件而設計

主要用于實現存儲與轉發(fā)交換器發(fā)送來的消息，隊列同時也具備靈活的生命周期屬性配置，可實現隊列的持久保存、臨時駐留與自動刪除

基本工作流程：

發(fā)布者（Publisher）發(fā)布消息（Message），經由交換機（Exchange）

交換機根據路由規(guī)則將收到的消息分發(fā)給與該交換機綁定的隊列（Queue）

最后 AMQP 代理會將消息投遞給訂閱了此隊列的消費者，或者消費者按照需求自行獲取

圖示如下：

『OpenStack』云計算平臺『Nova』計算服務學習指南,隨筆摘錄,OpenStack,Nova,云計算,計算服務

交換器

交換機是用來發(fā)送消息的 AMQP 實體

交換機拿到一個消息之后將它路由給一個或零個隊列

它使用哪種路由算法是由交換機類型和綁定（Bindings）規(guī)則所決定的

AMQP 0-9-1 的代理提供了四種交換機

Fanout exchange（扇型交換機 / 廣播式交換器）

該類交換器不分析所接收到消息中的Routing Key，默認將消息轉發(fā)到所有與該交換器綁定的隊列中去
廣播式交換器最為簡單，轉發(fā)效率最高，但是安全性較低，消費者應用程序可獲取本不屬于自己的消息

Direct exchange（直連交換機）

直接式交換器的轉發(fā)效率較高，安全性較好，但是缺乏靈活性，系統(tǒng)配置量較大
相對廣播交換器來說，直接交換器可以給我們帶來更多的靈活性

直接交換器的路由算法很簡單：一個消息的 routing_key 完全匹配一個隊列的 binding_key，就將這個消息路由到該隊列
綁定的關鍵字將隊列和交換器綁定到一起。當消息的 routing_key 和多個綁定關鍵字匹配時消息可能會被發(fā)送到多個隊列中

Topic exchange（主題交換機）

**主題交換機（topic exchanges）**中，隊列通過路由鍵綁定到交換機上，然后，交換機根據消息里的路由值，將消息路由給一個或多個綁定隊列

扇型交換機和主題交換機異同：

對于扇型交換機路由鍵是沒有意義的，只要有消息，它都發(fā)送到它綁定的所有隊列上
對于主題交換機，路由規(guī)則由路由鍵決定，只有滿足路由鍵的規(guī)則，消息才可以路由到對應的隊列上

Headers exchange（頭交換機）

類似主題交換機，但是頭交換機使用多個消息屬性來代替路由鍵建立路由規(guī)則。通過判斷消息頭的值能否與指定的綁定相匹配來確立路由規(guī)則。
此交換機有個重要參數：”x-match”

當”x-match”為“any”時，消息頭的任意一個值被匹配就可以滿足條件
當”x-match”設置為“all”的時候，就需要消息頭的所有值都匹配成功

隊列

我們知道 Nova 包含眾多的子服務，這些子服務之間需要相互協(xié)調和通信。為解耦子服務，Nova 通過 Message Queue 作為子服務的信息中轉站。所以在架構圖上我們看到了子服務之間沒有直接的連線，它們都通過 Message Queue 聯(lián)系

注：OpenStack 默認是用 RabbitMQ 作為 Message Queue

RPC 調用

Nova 基于 RabbitMQ 實現兩種 RPC 調用

Nova 模塊大致分為：

Invoker 模塊：主要功能是向消息隊列中發(fā)送系統(tǒng)請求消息，如Nova-API和Nova-Scheduler

Worker 模塊：從消息隊列中獲取Invoker模塊發(fā)送的系統(tǒng)請求消息以及向Invoker模塊回復系統(tǒng)響應消息，如Nova-Compute、Nova-Volume和Nova-Network

RPC.CALL（基于請求與響應方式）

初始化一個 Topic Publisher 來發(fā)送消息請求到隊列系統(tǒng)；在真正執(zhí)行消息發(fā)布的動作前，立即創(chuàng)建一個 Direct Consumer 來等待回復消息；
一旦消息被 exchange 解包，它就會被 routing key (例如 ‘topic.host’) 中指定的 Topic Consumer 獲取，并且被傳遞到負責該任務的 Worker；
一旦該任務完成，就會生成一個 Direct Publisher 來發(fā)送回復消息到隊列系統(tǒng)；
一旦消息被 exchange 解包，它就會被 routing key (例如 ‘msg_id’) 中指定的 Direct Consumer 獲取，并且被傳遞到 Invoker

『OpenStack』云計算平臺『Nova』計算服務學習指南,隨筆摘錄,OpenStack,Nova,云計算,計算服務