『OpenStack』云计算平台『Nova』计算服务学习指南

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前言

本文将会讲解 OpenStack 平台计算服务组件 Nova ，结合抽象概念和简单易懂的实战操作，帮助您更好的理解 Nova 计算服务在 OpenStack 中的作用

系统配置：宿主机 Ubuntu 20.04（WSL2）

简介

OpenStack

官网链接：Open Source Cloud Computing Infrastructure - OpenStack

OpenStack 是开源的云计算平台，用于构建和管理公有云和私有云基础设施。它提供了一组模块化的工具和服务，使用户能够创建和管理虚拟机、存储、网络、身份验证、镜像和其他云基础设施资源

我们知道 OpenStack 是 IaaS 层的云操作系统，OpenStack 为虚拟机提供并管理三大类资源：计算、网络和存储

OpenStack三大类资源

服务组件

官网服务组件介绍：Open Source Cloud Computing Platform Software - OpenStack

目前 OpenStack 官方展示服务多达三十种，但是这些服务我们一般不会全都使用，下面仅介绍主要服务和其中的核心服务

OpenStack架构图

Nova：管理计算资源（核心）

Neutron：管理网络资源（核心）

Glance：为 VM 提供 OS 镜像，属于存储范畴（核心）

Cinder：块存储服务（核心）

Swift：对象存储服务

Keystone：身份认证服务（核心）

Ceilometer：监控服务

Horizon：Web 操作界面（核心）

Quantum：网络管理服务

节点组成

OpenStack 是分布式系统，由若干不同功能的节点（Node）组成

控制节点（Controller Node）
管理 OpenStack，其上运行的服务有 Keystone、Glance、Horizon 以及 Nova 和 Neutron 中管理相关的组件。控制节点也运行支持 OpenStack 的服务，例如 SQL 数据库（通常是 MySQL）、消息队列（通常是 RabbitMQ）和网络时间服务 NTP。
网络节点（Network Node）
其上运行的服务为 Neutron。为 OpenStack 提供 L2 和 L3 网络。包括虚拟机网络、DHCP、路由、NAT 等。
存储节点（Storage Node）
提供块存储（Cinder）或对象存储（Swift）服务。
计算节点（Compute Node）
其上运行 Hypervisor（默认使用 KVM）。同时运行 Neutron 服务的 agent，为虚拟机提供网络支持。

为了拓扑简洁同时功能完备，可以部署下面两种虚拟机节点

devstack-controller：控制节点 + 网络节点 + 块存储节点 + 计算节点
devstack-compute：计算节点

虚拟化

注：本章节为前置预备知识，可以酌情跳过

方式

虚拟化是云计算的基础，虚拟化使得在一台物理服务器上可以跑多台虚拟机，虚拟机共享物理机的 CPU、内存、IO 硬件资源，但逻辑上虚拟机之间是相互隔离的，物理机我们一般称为宿主机（Host），宿主机上面的虚拟机称为客户机（Guest）

其中主要是通过 Hypervisor 实现 Host 的硬件虚拟化 ，根据 Hypervisor 的实现方式和所处的位置，虚拟化又分为两种：1型虚拟化和2型虚拟化

1型虚拟化

Hypervisor 直接安装在物理机上，多个虚拟机在 Hypervisor 上运行。Hypervisor 实现方式一般是特殊定制的 Linux 系统。
Xen 和 VMWare 的 ESXi 都属于这个类型

1型虚拟化

2型虚拟化

物理机上首先安装常规的操作系统，比如 Redhat、Ubuntu 和 Windows。Hypervisor 作为 OS 上的一个程序模块运行，并对管理虚拟机进行管理。
KVM、VirtualBox 和 VMWare Workstation 都属于这个类型

2型虚拟化

对比

1 型虚拟化对硬件虚拟化功能进行了特别优化，性能上比 2 型要高

2 型虚拟化因为基于普通的操作系统，会比较灵活，比如支持虚拟机嵌套。嵌套意味着可以在 KVM 虚拟机中再运行 KVM

KVM

官网链接：KVM (linux-kvm.org)

本次将会使用 **KVM（Kernel-Based Virtual Machine）**作为虚拟化工具，顾名思义，KVM 是基于 Linux 内核实现的

KVM 内核模块叫 kvm.ko，只用于管理虚拟 CPU 和内存，IO 部分的虚拟化（比如存储和网络设备）需要交给 Linux 内核和 QEMU 来实现

注：博主下面使用的是基于 WSL2 的虚拟机作为宿主机，如果您是使用 VMWare Workstation 创建的虚拟机作为宿主机，不保证正确，毕竟 WSL2 和 VMWare Workstation 两种虚拟化方式不同

Libvirt

官网链接：libvirt: The virtualization API

注：此处仅会简单讲解，后面会详细讲解 Libvirt 体系架构

Libvirt 是目前使用最为广泛的对KVM虚拟机进行管理的工具，除了能管理 KVM 这种 Hypervisor，还能管理 Xen，VirtualBox 等。OpenStack 底层也使用 Libvirt

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

libvirtd 是服务程序，接收和处理 API 请求
API 库使得其他人可以开发基于 Libvirt 的高级工具，比如 virt-manager，这是个图形化的 KVM 管理工具，后面我们也会介绍
virsh 是我们经常要用的 KVM 命令行工具，后面会有使用的示例

注：如果你使用的是原生不支持 GUI 的虚拟化方式，需要使用 VcXsrv，之前博主写过相应文章，直接主页搜索 “『GUI界面』传输” 安装配置即可

安装

验证 CPU 是否支持硬件虚拟化

注：数字大于0，则代表CPU支持硬件虚拟化，反之则不支持

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

检查 VT 是否在 BIOS 中启用

# 安装
apt-get install cpu-checker -y
# 执行
kvm-ok

然后执行之后输出如下内容即为成功

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

执行如下命令安装 KVM 相关包

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

然后下面是 libvritd 的相关命令，可以启动服务和设置开机自启动服务

systemctl start libvirtd
systemctl enable libvirtd
# 查看虚拟化启动服务和自启动状态
systemctl list-unit-files |grep libvirtd.service

验证 libvirtd 是否启用，输出 active 表示启用

systemctl is-active libvirtd

验证 kvm，输出 kvm_intel、kvm 表示安装成功（但是我没有成功输出也暂时没有影响）

lsmod | grep kvm

创建虚机

这里我们使用小型虚拟机镜像 CirrOS，比较适合测试学习

镜像下载首页：Index of / (cirros-cloud.net)

镜像下载地址：cirros-0.3.3-x86_64-disk.img (cirros-cloud.net)

然后我们需要给镜像放在 /var/lib/Libvirt/images/ 目录下，这是 KVM 默认查找镜像文件的地方

启动虚拟机管理图形界面

virt-manager

然后按照如下步骤创建虚拟机，我们使用的是 .img 镜像文件，需要选择第四项，如果您使用的是 ISO 镜像需要选择第一项

后续都是默认即可

此时回到主页，我们可以看到 vm1 虚拟机已经创建成功

我们可以使用 virsh 管理虚机，比如使用如下命令查看宿主机上的虚机

# 执行如下
virsh list
# 输出列表
Id   Name   State
----------------------1    vm1    running

问题

如果您不是最新的 WSL2，可能没有默认启动 systemd，需要使用如下步骤开启

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

但是在进入目录之后，您需要手动修改以下两个参数

如果您的 WSL 版本为 0.67.6+（使用 wsl --version 检查版本），可以按照如下步骤开启 systemd

参考官方链接：WSL 中的高级设置配置 | Microsoft Learn

若要启用 systemd，请使用 sudo 通过管理员权限在文本编辑器中打开 wsl.conf 文件，并将以下行添加到 /etc/wsl.conf：

[boot]
systemd=true

然后，需要通过 PowerShell 使用 wsl.exe --shutdown 来关闭 WSL 发行版以重启 WSL 实例。发行版重启后，systemd 应该就会运行了。可以使用 systemctl list-unit-files --type=service 命令进行确认，该命令会显示服务的状态

DevStack

简介

DevStack（Develop OpenStack）是 OpenStack 社区提供的快速部署工具，是专为开发 OpenStack 量身打造的工具

DevStack 不依赖于任何自动化部署工具，纯 Bash 脚本实现，因此不需要花费大量时间耗在部署工具准备上，而只需要简单地编辑配置文件，然后运行脚本即可实现一键部署 OpenStack 环境。利用 DevStack 基本可以部署所有的 OpenStack 组件，但并不是所有的开发者都需要部署所有的服务，比如 Nova 开发者可能只需要部署核心组件就够了，其它服务比如 Swift、Heat、Sahara 等其实并不需要。DevStack 充分考虑这种情况，一开始的设计就是可扩展的，除了核心组件，其它组件都是以插件的形式提供，开发者只需要根据自己的需求定制配置自己的插件即可

部署

下面我们将会详解介绍如何单机部署 DevStack

我们需要添加用户

DevStack 应该以非 root 用户（但拥有 sudo 权限）执行，手动添加 stack 用户

# 添加 stack 用户
sudo useradd -s /bin/bash -d /opt/stack -m stack# 授予 sudo 权限
echo "stack ALL=(ALL) NOPASSWD: ALL" | sudo tee /etc/sudoers.d/stack# 以 stack 用户登录
sudo su - stack

然后配置 pip

# 创建文件夹
cd && mkdir .pip && cd .pip# 创建并编辑配置文件
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

下载 DevStack（执行如下命令之前需要自行配置 GitHub SSH 密钥）

生成密钥命令：ssh-keygen -t rsa -C “stack”

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

然后我们进入 devstack 文件夹内部，然后创建配置文件 local.conf，添加如下内容

解释参数：

ADMIN_PASSWORD：OpenStack 用户 admin 和 demo 的密码
DATABASE_PASSWORD：MySQL 管理员用户密码
RABBIT_PASSWORD：RabbitMQ 密码
SERVICE_PASSWORD：服务组件和 KeyStone 交互的密码
GIT_BASE：源代码托管服务器
HOST_IP：绑定的 IP 地址

[[local|localrc]]
HOST_IP=172.22.124.174
GIT_BASE=https://opendev.orgADMIN_PASSWORD=111111
DATABASE_PASSWORD=$ADMIN_PASSWORD
RABBIT_PASSWORD=$ADMIN_PASSWORD
SERVICE_PASSWORD=$ADMIN_PASSWORD

执行目录内脚本

# 安装
./stack.sh
# 停止
./unstack.sh
# 停止并删除配置
./clean.sh

如果安装中出现如下错误，可以执行命令 FORCE=yes ./stack.sh 来进行安装

[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

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

简介

现在我们开始进入本篇文章核心主题，管理虚拟机实例的计算服务 Nova

Nova 处理 OpenStack 云中实例（instances）生命周期的所有活动，其为负责管理计算资源、网络、认证、所需可扩展性的平台

但是 Nova 并不具有虚拟化能力，它需要使用 Libvirt API 来与被支持的 Hypervisor 交互

组件

1．API Server（Nova-Api）

API Server 对外提供与云基础设施交互的接口，也是外部可用于管理基础设施的唯一组件

2．Message Queue（Rabbit MQ Server）

OpenStack 节点之间通过消息队列使用 AMQP（Advanced Message Queue Protocol）完成通信。

3．Compute Worker（Nova-Compute）

Compute Worker 管理实例生命周期，通过 Message Queue 接收实例生命周期管理的请求，并承担操作工作。

4．Network Controller（Nova-Network）

Network Controller 处理主机的网络配置，包括 IP 地址分配、为项目配置 VLAN、实现安全组、配置计算节点网络。

5．Volume Workers（Nova-Volume）

Volume Worker 用来管理基于 LVM（Logical Volume Manager）的实例卷。Volume Worker 有卷的相关功能，例如新建卷、删除卷、为实例附加卷、为实例分离卷。

6．Scheduler（Nova-Scheduler）

调度器 Scheduler 把 Nova-API 调用映射为 OpenStack 组件。调度器作为 Nova-Schedule 守护进程运行，通过恰当的调度算法从可用资源池获得计算服务。

AMQP

AMQP（Advanced Message Queuing Protocol，高级消息队列协议），是应用层协议的开放标准，为面向消息的中间件而设计

主要用于实现存储与转发交换器发送来的消息，队列同时也具备灵活的生命周期属性配置，可实现队列的持久保存、临时驻留与自动删除

基本工作流程：

发布者（Publisher）发布消息（Message），经由交换机（Exchange）

交换机根据路由规则将收到的消息分发给与该交换机绑定的队列（Queue）

最后 AMQP 代理会将消息投递给订阅了此队列的消费者，或者消费者按照需求自行获取

图示如下：

交换器

交换机是用来发送消息的 AMQP 实体

交换机拿到一个消息之后将它路由给一个或零个队列

它使用哪种路由算法是由交换机类型和绑定（Bindings）规则所决定的

AMQP 0-9-1 的代理提供了四种交换机

Fanout exchange（扇型交换机 / 广播式交换器）

该类交换器不分析所接收到消息中的Routing Key，默认将消息转发到所有与该交换器绑定的队列中去
广播式交换器最为简单，转发效率最高，但是安全性较低，消费者应用程序可获取本不属于自己的消息

Direct exchange（直连交换机）

直接式交换器的转发效率较高，安全性较好，但是缺乏灵活性，系统配置量较大
相对广播交换器来说，直接交换器可以给我们带来更多的灵活性

直接交换器的路由算法很简单：一个消息的 routing_key 完全匹配一个队列的 binding_key，就将这个消息路由到该队列
绑定的关键字将队列和交换器绑定到一起。当消息的 routing_key 和多个绑定关键字匹配时消息可能会被发送到多个队列中

Topic exchange（主题交换机）

**主题交换机（topic exchanges）**中，队列通过路由键绑定到交换机上，然后，交换机根据消息里的路由值，将消息路由给一个或多个绑定队列

扇型交换机和主题交换机异同：

对于扇型交换机路由键是没有意义的，只要有消息，它都发送到它绑定的所有队列上
对于主题交换机，路由规则由路由键决定，只有满足路由键的规则，消息才可以路由到对应的队列上

Headers exchange（头交换机）

类似主题交换机，但是头交换机使用多个消息属性来代替路由键建立路由规则。通过判断消息头的值能否与指定的绑定相匹配来确立路由规则。
此交换机有个重要参数：”x-match”

当”x-match”为“any”时，消息头的任意一个值被匹配就可以满足条件
当”x-match”设置为“all”的时候，就需要消息头的所有值都匹配成功

队列

我们知道 Nova 包含众多的子服务，这些子服务之间需要相互协调和通信。为解耦子服务，Nova 通过 Message Queue 作为子服务的信息中转站。所以在架构图上我们看到了子服务之间没有直接的连线，它们都通过 Message Queue 联系

注：OpenStack 默认是用 RabbitMQ 作为 Message Queue

RPC 调用

Nova 基于 RabbitMQ 实现两种 RPC 调用

Nova 模块大致分为：

Invoker 模块：主要功能是向消息队列中发送系统请求消息，如Nova-API和Nova-Scheduler

Worker 模块：从消息队列中获取Invoker模块发送的系统请求消息以及向Invoker模块回复系统响应消息，如Nova-Compute、Nova-Volume和Nova-Network

RPC.CALL（基于请求与响应方式）

初始化一个 Topic Publisher 来发送消息请求到队列系统；在真正执行消息发布的动作前，立即创建一个 Direct Consumer 来等待回复消息；
一旦消息被 exchange 解包，它就会被 routing key (例如 ‘topic.host’) 中指定的 Topic Consumer 获取，并且被传递到负责该任务的 Worker；
一旦该任务完成，就会生成一个 Direct Publisher 来发送回复消息到队列系统；
一旦消息被 exchange 解包，它就会被 routing key (例如 ‘msg_id’) 中指定的 Direct Consumer 获取，并且被传递到 Invoker

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