面向互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的云操作系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　云計(jì)算是一次新的IT革命。目前，普遍認(rèn)為云計(jì)算服務(wù)可以分基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a service，IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)和軟件即服務(wù)3類。IaaS面向企業(yè)用戶，提供包括服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和管理工具在內(nèi)的虛擬數(shù)據(jù)中心，可以幫助企業(yè)削減IT建設(shè)成本和運(yùn)維成本。在數(shù)據(jù)中心的物理基礎(chǔ)設(shè)施上，IaaS通過虛擬化技術(shù)整合出了虛擬資源池。對(duì)提供基礎(chǔ)設(shè)施提供商來說，云計(jì)算平臺(tái)主要是由各種機(jī)器組成的數(shù)據(jù)中心、一組部署管理的軟件以及通過部署生成的虛擬機(jī)組成。與現(xiàn)有的企業(yè)數(shù)據(jù)中心相比，云計(jì)算平臺(tái)具有很多優(yōu)勢(shì)，如靈活的IT基礎(chǔ)架構(gòu)、資源的按需分配和資源的快速供給等，這些特點(diǎn)使得云計(jì)算特別適合于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下為用戶提供短期的、靈活的服務(wù)。

　　隨著云計(jì)算應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心面臨著新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，無論是企業(yè)私有數(shù)據(jù)中心，還是以提供租賃服務(wù)為主的運(yùn)營(yíng)商互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet data center，IDC），都面臨飛速增長(zhǎng)的空間擁擠、能耗巨大和管理復(fù)雜等問題。在云計(jì)算環(huán)境下，采用以虛擬化為核心技術(shù)的新一代虛擬數(shù)據(jù)中心在高密度的硬件資源環(huán)境下，占用更少的機(jī)架、電源和空調(diào)等物理資源，可以更快速、靈活、有效地部署更多的應(yīng)用，促進(jìn)數(shù)據(jù)中心“綠化”建設(shè)。更為潛在的作用是，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心機(jī)房可以顯著降低人員及管理成本，在經(jīng)過低成本的改造過程后機(jī)房運(yùn)維可以實(shí)現(xiàn)無人值守、實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)系統(tǒng)安裝和硬件故障報(bào)警等綜合性的云服務(wù)系統(tǒng)。

　　中小企業(yè)是推動(dòng)中國(guó)云計(jì)算發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)因素之一。對(duì)正處于成長(zhǎng)期的中小企業(yè)而言，投資建設(shè)IT基礎(chǔ)架構(gòu)的投資回報(bào)率較低，并且很難與業(yè)務(wù)的快速成長(zhǎng)匹配。云計(jì)算具有部署靈活、隨需隨用、按需定制和性價(jià)比高等特點(diǎn)，能為這些中小企業(yè)提供合適的解決方案。

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)滲透到社會(huì)生活的各個(gè)方面。互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具有高吞吐率、高并行性和較強(qiáng)的交互性等特點(diǎn)，在服務(wù)上具有非確定性，表現(xiàn)為“盡力而為”，較少涉及到復(fù)雜的運(yùn)算?；ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)用的特征為開發(fā)云操作系統(tǒng)提供了最基本的依據(jù)。互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的迅猛發(fā)展對(duì)云操作系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)和需求。目前，面向大型互聯(lián)網(wǎng)的云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)主要還是掌握在外國(guó)大型公司的手中。探究大型互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中大規(guī)模計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源和軟件資源等的靈活調(diào)度及按需部署仍然是一個(gè)較為前沿的研究課題。

　　云計(jì)算對(duì)運(yùn)營(yíng)商是發(fā)展契機(jī)，一方面它能夠優(yōu)化IT資源、降低企業(yè)內(nèi)部的運(yùn)營(yíng)成本，另一方面也是運(yùn)營(yíng)IT業(yè)務(wù)的切入點(diǎn)。為解決目前實(shí)際運(yùn)維中出現(xiàn)的管理成本高、第三方提供的云平臺(tái)的許可費(fèi)過高且不滿足動(dòng)態(tài)多變的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求等問題，必須設(shè)計(jì)和開發(fā)云操作系統(tǒng)INACloud。 INACloud要盡可能兼容既有資源，并能與現(xiàn)有業(yè)務(wù)平臺(tái)對(duì)接，其主要目標(biāo)服務(wù)群體是中小企業(yè)，并要求具有方便的定制能力，表現(xiàn)為以下兩方面：

　　（1）自動(dòng)化資源部署?！霸啤钡暮诵墓δ苁亲詣?dòng)為用戶提供IT服務(wù)，用戶、管理員和其他人員能通過界面對(duì)云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行管理和監(jiān)控。完全自動(dòng)化的部署流程不僅符合安全要求，而且能自動(dòng)滿足用戶的需求，通過提高現(xiàn)有資源的利用率和復(fù)用率節(jié)省成本。

　?。?）端到端服務(wù)請(qǐng)求管理。該流程管理可以提供對(duì)服務(wù)請(qǐng)求的全周期管理，包括訂單處理、系統(tǒng)開通和服務(wù)計(jì)費(fèi)等。

　　1.開源云計(jì)算操作系統(tǒng)選型

　“全新”設(shè)計(jì)一個(gè)云操作系統(tǒng)，從成本效益來看是不可取的。既要滿足自己的需要，又要避免陷入成本陷阱，因此，更可行的途徑是選擇一個(gè)合適的開源云操作系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，進(jìn)行本土化定制和二次開發(fā)。

　　除Amazon，Google提供的云計(jì)算操作系統(tǒng)外，云計(jì)算操作系統(tǒng)還包括Eucalyptus，OpenNebula，OpenStack，OpenQRM，XenServer，CloudStack，ConVirt等。每種云計(jì)算操作系統(tǒng)都具有一定的特點(diǎn)，其中大部分云計(jì)算操作系統(tǒng)采用開源模式，但社區(qū)規(guī)模較小，活躍程度也不高。除了Eucalyptus系統(tǒng)積極地鼓勵(lì)社區(qū)用戶參與項(xiàng)目的開發(fā)與測(cè)試之外，其他云計(jì)算操作系統(tǒng)選擇開放源代碼只是一種營(yíng)銷策略，并且價(jià)格大多較貴。另外，部分操作系統(tǒng)每年需要更新一次服務(wù)器許可證，僅管理和維護(hù)許可證就是個(gè)復(fù)雜問題。

　　國(guó)內(nèi)開發(fā)云計(jì)算操作系統(tǒng)較晚，目前仍處于起步階段，所以大多直接引入國(guó)外的云操作系統(tǒng)或通過引進(jìn)國(guó)外商業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)核心及平臺(tái)進(jìn)行架構(gòu)。浪潮、中興、阿里巴巴和華為等公司相繼推出了各自的云計(jì)算系統(tǒng)或云計(jì)算平臺(tái)，如浪潮的“云海OS、中興的“CoCloud云操作系統(tǒng)”和阿里巴巴的“阿里云OS”等。這些云操作系統(tǒng)還處于探索階段，尚未廣泛使用，并且系統(tǒng)的性能、價(jià)格和安全性等還有待市場(chǎng)檢驗(yàn)?？紤]到知識(shí)產(chǎn)權(quán)、建設(shè)成本和管理成本等因素，研究并自主開發(fā)開放的、兼容的、滿足實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求的云操作系統(tǒng)十分必要。

　　結(jié)合目前業(yè)界最先進(jìn)的虛擬化技術(shù)、開源IaaS平臺(tái)管理技術(shù)，利用自身云計(jì)算運(yùn)營(yíng)的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行研發(fā)、改造生成滿足運(yùn)營(yíng)需求、技術(shù)領(lǐng)先的云計(jì)算管理平臺(tái)。經(jīng)過初步篩選，本工作重點(diǎn)考察OpenStack和CloudStack開源云計(jì)算平臺(tái)，并分別搭建測(cè)試環(huán)境。通過一系列的技術(shù)、業(yè)務(wù)開展等方面的比對(duì)，整理的重要指標(biāo)見表1。

　表1 OpenStack和CloudStack的對(duì)比

　　C1oudStack平臺(tái)的前身是Cloud.com的平臺(tái)，作為全球最成功的公共云平臺(tái)之一，已經(jīng)幫助至少85個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)性云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了10億美元以上的運(yùn)營(yíng)收入。它支持VMWARE ESX，Xen，KVM，Hyper-V和Bare Metal裸金屬服務(wù)器，并提供了大量的云計(jì)算管理工具，如VM自助式供應(yīng)、動(dòng)態(tài)工作負(fù)載管理和多租戶管理等。

　　出于后續(xù)運(yùn)營(yíng)及技術(shù)等方面的考慮，本工作決定采用以CloudStack為主，參考OpenStack的方式進(jìn)行后續(xù)云計(jì)算操作系統(tǒng)的研發(fā)。

　　2.INACloud的架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　云計(jì)算平臺(tái)采用樹狀分層結(jié)構(gòu)（見圖1），其層次結(jié)構(gòu)定義如下：

圖1 資源組織結(jié)構(gòu)

　?。?） Zone。一個(gè)Zone包含多個(gè)pod和二級(jí)存儲(chǔ)，是最大的組織單元，傳統(tǒng)上對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)中心（在數(shù)據(jù)中心可以有多個(gè)zone），優(yōu)點(diǎn)是提供物理上的獨(dú)立性和冗余性。

　?。?） Pod。一個(gè)硬件陣列，包含一個(gè)2層交換機(jī)、若干個(gè)集群。Pod類似于機(jī)架，同一Pod中的主機(jī)在同一子網(wǎng)中。Pod對(duì)于最終用戶是不可見的。

　　（3） Cluster。一個(gè)CIuster包括若干個(gè)主機(jī)和主存儲(chǔ)。集群提供一種組織節(jié)點(diǎn)的方式，可以是XenServerserver池、一組KVM server或者是事先在vCenter中事先配置好的VMvare集群。一個(gè)集群中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)有同樣的硬件、hypervisor和子網(wǎng)，能夠訪問共享的主存儲(chǔ)。虛擬機(jī)能夠在不中斷的情況下于一個(gè)集群內(nèi)遷移。

　?。?） Host。單個(gè)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，以虛擬機(jī)的形式提供真正的云服務(wù)。

　?。?）主存儲(chǔ)。與一個(gè)集群相連，負(fù)責(zé)保存虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)所需的磁盤卷。

　?。?）二級(jí)存儲(chǔ)。與一個(gè)Zone相連，存儲(chǔ)模板、ISO鏡像和磁盤快照等。

　　2.1 組件結(jié)構(gòu)

　　CloudStack采用“框架+插件”的系統(tǒng)構(gòu)架，通過不同的插件來提供對(duì)不同虛擬化技術(shù)的支持，同時(shí)，這種系統(tǒng)構(gòu)架也為定制CloudStack提供了可能性。如圖2所示，INACloud在CloudStack上增加了調(diào)度服務(wù)、計(jì)費(fèi)服務(wù)和監(jiān)控服務(wù)等。

圖2 INACloud的組件結(jié)構(gòu)

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　CloudStack的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是一個(gè)亮點(diǎn)，也是其被商業(yè)廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要原因，INACloud則直接借用了這種設(shè)計(jì)模式。

　　根據(jù)不同的數(shù)據(jù)流量類型設(shè)計(jì)公共、管理、客戶和存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱PMGS。

　　公共（P）：用于虛擬機(jī)訪問外網(wǎng)，所有的HypervIsor都需要共享Public Vlan以保證虛擬機(jī)對(duì)外網(wǎng)的訪問。

　　管理（M）：用于云內(nèi)部通信，包括管理服務(wù)器節(jié)點(diǎn)與Hypervisor集群、系統(tǒng)虛擬機(jī)或其他組件之間的通信等。

　　客戶（G）：用于最終用戶運(yùn)行虛擬機(jī)實(shí)例時(shí)的通信和虛擬機(jī)實(shí)例之間的通信。

　　存儲(chǔ)（S）：用于主存儲(chǔ)與Hypervisor、二級(jí)存儲(chǔ)之間的通信。

　　網(wǎng)絡(luò)模式根據(jù)安全性不同分為基本網(wǎng)絡(luò)和高級(jí)網(wǎng)絡(luò)，其中M，G，S網(wǎng)絡(luò)對(duì)基本網(wǎng)絡(luò)和高級(jí)網(wǎng)絡(luò)通用，而P網(wǎng)絡(luò)只針對(duì)高級(jí)網(wǎng)絡(luò)。兩種網(wǎng)絡(luò)模式的主要區(qū)別在于對(duì)G網(wǎng)絡(luò)采用的隔離方式，前者采用SecurITy Group方式，而后者采用VlAN方式。

　　另外，系統(tǒng)虛擬機(jī)的虛擬路由器在高級(jí)網(wǎng)絡(luò)模式中十分重要，它為租戶私有網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò)之間的接口，并為租戶的私有網(wǎng)絡(luò)提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括NAT，靜態(tài)NAT，DHCP，DNS，Load Balancing，Port Forwording，F(xiàn)irewalls，SITe-to-SITe VPN等。

　　2.3 與現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)接

　　為便于與現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的對(duì)接，所有云操作系統(tǒng)的API都可以通過HTTP GET/POST帶上命令及其參數(shù)的方式進(jìn)行訪問；同時(shí)，云操作系統(tǒng)的對(duì)外功能層提供基于SOAP消息格式的Web服務(wù)和基于JSON消息格式的RESTfuI服務(wù)訪問方式（見圖3）。

圖3 云操作系統(tǒng)與電信系統(tǒng)的對(duì)接

　　3.可定制的云平臺(tái)管理功能

　　3.1資源調(diào)度

　　INACloud包括常用的3種負(fù)載均衡算法。

　?。?） Roundrobin，即簡(jiǎn)單輪詢調(diào)度，調(diào)度器通過“輪詢”算法將外部用戶請(qǐng)求按順序分配到集群中的每個(gè)物理服務(wù)器上。該算法平等地對(duì)待每一臺(tái)Real Server，而不受服務(wù)器上實(shí)際的負(fù)載狀況和連接狀態(tài)影響。

　?。?） Leastconn，即最少連接調(diào)度，調(diào)度器將網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求調(diào)度到已建立的鏈接數(shù)最少的服務(wù)器上。如果集群系統(tǒng)的真實(shí)服務(wù)器具有相近的系統(tǒng)性能，采用“最小連接”調(diào)度算法可以較好地均衡負(fù)載。

　?。?） Source，即“源地址”調(diào)度，調(diào)度器根據(jù)請(qǐng)求源IP進(jìn)行散列（hashing）來調(diào)度。

　　INACloud還包括：基于經(jīng)濟(jì)成本函數(shù)的調(diào)度算法，即最少費(fèi)用原則；Lastsame算法，即盡量與上一次的調(diào)度結(jié)果一致；最快響應(yīng)算法，即試圖與用戶歷史中最快響應(yīng)的虛擬機(jī)調(diào)度分配一致。

　　這些調(diào)度算法以服務(wù)的形式提供給用戶，并可通過用戶門戶來選用。調(diào)度服務(wù)采用目前流行的Web服務(wù)器Tomcat和JSP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)讀取XML數(shù)據(jù)顯示在瀏覽器頁面中，并融入INACloud管理平臺(tái)。

　　自定義調(diào)度算法通過云操作系統(tǒng)的2個(gè)接口進(jìn)行定制。

　?。?）主機(jī)資源調(diào)度接口

　　public List<Host> allocateTo （VirtuaIMachine-Profile <?extends VirtualMachine> vmProfile，DeploymentPlan plan，Type type，ExcIudeIist avoid，int returnUpTo）；

　?。?）存儲(chǔ)資源池調(diào)度接口

　　public list<Storage PooI> allocate ToPool （DiskProflie dskCh，Virtual Machine Profile? extendsVirtualMachine> vm，DeploymentPlan plan，Ex-cludeList avoid，int returnUpTo）。

　　3.2 資源監(jiān)控

　　由于云計(jì)算具有自動(dòng)化、彈性可擴(kuò)展的特點(diǎn)，因此，云計(jì)算環(huán)境中的資源監(jiān)控顯得格外重要。

　　監(jiān)控系統(tǒng)分為采集、信息處理與存儲(chǔ)、展現(xiàn)以及警告4個(gè)主要功能，其中采集的內(nèi)容包括主機(jī)的CPU狀態(tài)、內(nèi)存使用情況、INACloud平臺(tái)運(yùn)行狀況（包括事件和警告）和網(wǎng)絡(luò)流量等信息（見圖4）。監(jiān)控管理器（MServer）根據(jù)不同的采集頻度，采用輪詢的方式定期訪問收集器（Collectors），Collectors負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)。MServer接收到數(shù)據(jù)后按照設(shè)定的策略，定期將歷史信息存入HBase中。這些數(shù)據(jù)可為負(fù)載均衡或者動(dòng)態(tài)遷移等模塊提供信息。監(jiān)控客戶（MCLient）根據(jù)用戶要求從MServer獲取相關(guān)數(shù)據(jù)后，繪制易于用戶閱讀的圖表格式呈現(xiàn)給用戶。MServer對(duì)于收集到的信息進(jìn)行分析，若發(fā)現(xiàn)主機(jī)或云平臺(tái)的異常，會(huì)借用開源監(jiān)控系統(tǒng)Nigos提供報(bào)警功能，使用戶可以快速地定位錯(cuò)誤，并對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行修復(fù)。

　　圖4 INACloud的資源監(jiān)控

　　3.3 計(jì)費(fèi)管理

　　C1oudStack沒有實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，但是有相應(yīng)的模塊對(duì)資源使用情況進(jìn)行記錄，提供某賬戶的資源累計(jì)使用情況。INACloud利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)費(fèi)，并將定制的計(jì)費(fèi)策略集成到云計(jì)算操作系統(tǒng)中。

　　通過對(duì)照Amazon的云計(jì)算資源的計(jì)費(fèi)模式和云計(jì)算業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了INACloud的計(jì)費(fèi)模塊，并通過對(duì)用戶實(shí)際使用的云計(jì)算資源進(jìn)行細(xì)穎粒的統(tǒng)計(jì)計(jì)費(fèi)，計(jì)算出用戶某段時(shí)期內(nèi)虛擬機(jī)、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用（見圖5）。

圖5 INACloud的計(jì)費(fèi)界面

　　4.結(jié)束語

　　INACloud旨在打造動(dòng)態(tài)、開放的云服務(wù)平臺(tái)，向下整合多廠商的云計(jì)算基礎(chǔ)產(chǎn)品和解決方案，向上聯(lián)合更多的云服務(wù)提供商，以開源軟件CloudStack為基礎(chǔ)，進(jìn)行了功能定制和二次開發(fā)以滿足實(shí)際運(yùn)維的需要。

　　為適應(yīng)中小企業(yè)用戶的量多、短期和動(dòng)態(tài)性強(qiáng)的特點(diǎn)，INACloud提供了多樣化資源調(diào)度算法、單點(diǎn)登錄和多種計(jì)費(fèi)收費(fèi)策略等功能。

　　鑒于互連網(wǎng)應(yīng)用的交互性要求，采用4種網(wǎng)絡(luò)類型、2類網(wǎng)絡(luò)模式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以便更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)分流和帶寬分配。

　　試運(yùn)行結(jié)果表明，INACloud的架構(gòu)與設(shè)計(jì)在與原有系統(tǒng)的銜接、成本控制和解決許可證費(fèi)用等方面均取得了良好的效果。

來源：CIO時(shí)代網(wǎng)

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