【作者】張志強，多年的云計算、虛擬化架構(gòu)設(shè)計、企業(yè)信息化建設(shè)、自動化運維經(jīng)驗，擁有豐富的混合元架構(gòu)及管理經(jīng)驗。

　　說起云計算想必大家都很熟悉，它被視為科技界的革命性產(chǎn)物，極大可能的改變?nèi)藗兊墓ぷ鞣绞胶蜕虡I(yè)模式的運作。但是它并不是從石頭縫中突然蹦出來的，而是經(jīng)過了諸多技術(shù)的成熟和演變誕生的。云計算吸收了之前并行計算、分布式計算和網(wǎng)格計算的優(yōu)勢，借助虛擬化、效用計算等技術(shù)混合而成。按照資源形態(tài)來分，主要經(jīng)歷了以下不同的發(fā)展階段：

　　圖1-云計算的發(fā)展

　　IT發(fā)展初期，百廢待興。所有的系統(tǒng)處于分散零落的狀態(tài)，哪里需要IT系統(tǒng)，就在哪里構(gòu)建，IT資源分散，架構(gòu)不清晰。業(yè)務(wù)資源和數(shù)據(jù)資源相對分散，IT管理模式較為落后，浪費了很多的IT資源。各種IT設(shè)備五花八門，問題層出不窮。

　　這個時代主要解決了企業(yè)IT資源分散管理難和容災的問題。將企業(yè)分散的數(shù)據(jù)資源、IT 資源進行了物理集中，形成了規(guī)模化的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施。在數(shù)據(jù)集中過程中，不斷實施數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的整合，大多數(shù)企業(yè)的數(shù)據(jù)中心基本完成了自身的標準化，使得既有業(yè)務(wù)的擴展和新業(yè)務(wù)的部署能夠規(guī)劃、可控，并以企業(yè)標準進行IT 業(yè)務(wù)的實施，解決了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分散時期的混亂無序問題。在這一階段中，很多企業(yè)在數(shù)據(jù)集中后期也開始了容災建設(shè)。企業(yè)的容災中心建設(shè)普遍受到重視，以金融為熱點行業(yè)幾乎開展了全行業(yè)的容災建設(shè)熱潮，并且金融行業(yè)的大部分容災建設(shè)的級別都非常高，面向應用級容災（數(shù)據(jù)零丟失為目標）。總的來說，解決了企業(yè)IT 分散管理和容災的問題。

　　隨著企業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心IT 基礎(chǔ)設(shè)施擴張迅速，但是系統(tǒng)建設(shè)成本高、周期長，即使是標準化的業(yè)務(wù)模塊建設(shè)，軟硬件采購成本、調(diào)試運行成本與業(yè)務(wù)實現(xiàn)周期并沒有顯著下降。標準化并沒有給系統(tǒng)帶來靈活性，集中的大規(guī)模IT 基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)了大量系統(tǒng)利用率不足的問題，不同的系統(tǒng)運行在獨占的硬件資源中，效率低下導致資源浪費，而數(shù)據(jù)中心的能耗、空間問題逐步突顯出來。因此，以降低成本、提升IT 運行靈活性、提升資源利用率為目的的虛擬化開始在數(shù)據(jù)中心進行部署。虛擬化屏蔽了不同物理設(shè)備的異構(gòu)性，將基于標準化接口的物理資源虛擬化成邏輯上也完全標準化和一致化的邏輯計算資源（虛擬機）和邏輯存儲空間。虛擬化可以將多臺物理服務(wù)器整合成單臺，每臺服務(wù)器上運行多種應用的虛擬機，實現(xiàn)物理服務(wù)器資源利用率的提升，由于虛擬化環(huán)境可以實現(xiàn)計算與存儲資源的邏輯化變更，特別是虛擬機的克隆，使得數(shù)據(jù)中心IT 實施的靈活性大幅提升，業(yè)務(wù)部署周期可用數(shù)月縮小到一天以內(nèi)。虛擬化后，應用以VM 為單元部署運行，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器數(shù)量可大為減少且計算能效提升，使得數(shù)據(jù)中心的能耗與空間問題得到控制。通過虛擬化，提升了企業(yè)IT 架構(gòu)的靈活性，數(shù)據(jù)中心資源利用率有效提高，運行成本降低。

　　對企業(yè)而言，數(shù)據(jù)中心的各種軟硬件系統(tǒng)是一大筆很大的資源投入。系統(tǒng)在建成后一般經(jīng)歷3-5 年硬件方面將面臨逐步老化與更換，而軟件技術(shù)則不斷面臨升級的壓力。另一方面，IT 的投入難以匹配業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，即使虛擬化后，也難以解決不斷增加的業(yè)務(wù)對資源的變化需求，在一定時期內(nèi)擴展性總是有所限制。云計算可以使IT 資源彈性擴展、按需服務(wù)，將服務(wù)作為IT 的核心，提升業(yè)務(wù)敏捷性，進一步大幅降低成本。因此，面向服務(wù)的IT 需求開始演化到云計算架構(gòu)上。云計算架構(gòu)可以由企業(yè)自己構(gòu)建，也可采用第三方云設(shè)施，但基本趨勢是企業(yè)將逐步采取租用IT 資源的方式來實現(xiàn)業(yè)務(wù)需要，如同水力、電力資源一樣，計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)將成為企業(yè)IT 運行的一種被使用的資源，無需自己建設(shè)，可按需獲得。解決了IT 資源的動態(tài)需求和最終成本問題，使得IT 部門可以專注于服務(wù)的提供和業(yè)務(wù)運營。

　　云計算的概念已經(jīng)由來很久了，各種版本不一。從物理上講，就是將所有的計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源及應用等資源從本地挪到互聯(lián)網(wǎng)的一個集中區(qū)域去計算。之后通過網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，獲得相關(guān)的結(jié)果。從邏輯上講，就是改變了傳統(tǒng)IT的服務(wù)模式，從大鍋飯到按需分配的進化。就像我們用水用電一樣，你不需要自己購買發(fā)電機，購買水泵，只需要通過電卡或者水卡充值購買即可，根據(jù)自己的使用需求。

　　簡單地說云計算是一種未來引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展的主要架構(gòu)之一，很多的應用都基于云計算。云提供商通過云端應用提供各種多元化的服務(wù)到用戶端，用戶只需要使用即可，不需要額外的運維和維護成本。

　　總之云的最大特點就是按需汲取、隨時擴展和按量計費。

　　圖2-云計算

　　云計算是個很大的概念，不同的業(yè)務(wù)場景會需要不同的云計算框架和應用。為此從業(yè)務(wù)的應用場景可分為公有云、私有云和混合云。

　　公有云從文字上就可以看出，云被建立在第三方的區(qū)域，而不是自己建立的。一般是由第三方機構(gòu)進行建立并通過互聯(lián)網(wǎng)提供各種各樣的應用給用最終使用者。公有云廠商按照用戶的需求，進行資源的分配，提供各種不同層級的服務(wù)給用戶。國內(nèi)類似阿里云、華為云、京東云，國外類似AWS和微軟的Azure等。

　　私有云顧名思義，就是云平臺由自己企業(yè)內(nèi)部建立，不對外提供服務(wù)。所有資源自給自足，按照企業(yè)的實際情況進行彈性伸縮。私有云的初期構(gòu)建成本較高，長期看是比傳統(tǒng)IT的投資要低。從控制權(quán)上來講，私有云較公有云具備更好的控制權(quán)。

　　混合云是指將公有云和私有云通過專線進行互聯(lián)互通，既可以享受公有云的速度與強大的計算能力，又可以保證數(shù)據(jù)存儲在企業(yè)在私有云中保證數(shù)據(jù)的安全可控。因此，混合云也是未來企業(yè)主要的服務(wù)模式和發(fā)展方向。

　　目前云平臺主要分為兩大陣營，開源系和商業(yè)系，其主要目的是管理云資源和提供云服務(wù)。兩大陣營的代表產(chǎn)品有開源的云管平臺OpenStack和商業(yè)平臺VMware。

　　VMware與OpenStack相比，是兩種截然不同的設(shè)計架構(gòu)和理念。無論是從設(shè)計、安裝部署、功能和維護方面都有較大的差異。VMware套件是以虛擬化技術(shù)為核心，通過其強悍的虛擬化能力，虛擬計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲等資源提供靈活的資源分配能力。其ESXi是當前最流行、最穩(wěn)定的虛擬機管理系統(tǒng)。其提供優(yōu)秀的部署架構(gòu)和穩(wěn)定的運行平臺。做為商業(yè)軟件，VMware自然經(jīng)過了全面的測試，并且具有單一的部署架構(gòu)，簡單明了。由于VMware具有健壯的架構(gòu)和穩(wěn)定的部署機制，成為很多高規(guī)格用戶在數(shù)據(jù)中心級環(huán)境中的首選。

　　而OpenStack作為一個開源系統(tǒng)，沒有任何一家單獨的公司控制OpenStack的發(fā)展路線。OpenStack本身是年輕的，但是卻具有巨大的市場動力，與此同時，很多大公司都在支持OpenStack的發(fā)展，例如IBM、Dell、HP等。有了如此多公司的資源投入，OpenStack的發(fā)展將是多元化的。

　　作為企業(yè)IT決策者，可以根據(jù)自身的實際需求和技術(shù)考量來決定使用哪一種云平臺，提供適合業(yè)務(wù)發(fā)展的計算基礎(chǔ)。

　　云服務(wù)的類型主要分為三種，基礎(chǔ)設(shè)計即服務(wù)（IAAS）、平臺即服務(wù)（PAAS）和軟件即服務(wù)（SAAS）。為了理解，以前將使用各種服務(wù)的簡稱。

　　基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)算是整個云平臺中最基礎(chǔ)也是最重要的一塊，處于PAAS層以下。用于提供各種資源給應用，比如計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源和其他優(yōu)化性資源，如vCDN加速、云防護等。

　　國內(nèi)外提供這種層面的服務(wù)商很多，比如AWS、阿里等等。用戶只需要安裝自己的操作系統(tǒng)和應用即可，底層硬件無需知曉。

　　平臺即服務(wù)包括IAAS層和基礎(chǔ)開發(fā)環(huán)境。位于IAAS層的上方，用戶無需自己安裝各種軟件開發(fā)環(huán)境，只需要申請相關(guān)的環(huán)境后，進行開發(fā)即可。開發(fā)環(huán)境以下的部分均由云提供商負責。使開發(fā)人員僅僅關(guān)注自己的開發(fā)上，提高了開發(fā)的效率和質(zhì)量。

　　算是更為靈活的一種服務(wù)交付模式，用戶無需投入任何的資源進行軟件的開發(fā)和運營。只需要通過互聯(lián)網(wǎng)連接到自己需要的軟件即可工作。SAAS改變了很多企業(yè)的服務(wù)模式，實現(xiàn)了應用的靈活擴展和安全提供服務(wù)。類似Google的Gmail、微信、釘釘?shù)�，�?shù)不勝數(shù)。

　　圖3-云服務(wù)類型

　　由上文可知，OpenStack是開源云管平臺之一，可以通過其對虛擬化資源進行調(diào)度管理，幫助企業(yè)快速實現(xiàn)云的建設(shè)與業(yè)務(wù)價值釋放。

　　學習OpenStack之前大家一定要先知道什么是OpenStack。OpenStack是一個由NASA（美國國家航空航天局）和Rackspace合作研發(fā)并發(fā)起的，以Apache許可證授權(quán)的自由軟件和開放源代碼項目。是一個開源的云計算管理平臺項目，由幾個主要的組件組合起來完成具體工作。OpenStack支持幾乎所有類型的云環(huán)境，項目目標是提供實施簡單、可大規(guī)模擴展、豐富、標準統(tǒng)一的云計算管理平臺。通過各種互補的服務(wù)提供了基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）的解決方案，每個服務(wù)提供API以進行集成。

　　OpenStack本身是一個屬于IAAS層的服務(wù)，用于對基礎(chǔ)設(shè)施的管理，如計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源等。它的社區(qū)擁有超過130家企業(yè)及1350位開發(fā)者，這些機構(gòu)與個人都將OpenStack作為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）資源的通用前端。OpenStack項目的首要任務(wù)是簡化云的部署過程并為其帶來良好的可擴展性。

　　OpenStack是由多個關(guān)鍵的組件組成，相互之間通過消息隊列進行通信，當然只是其中一種，還有API等方式。多種組件相互配合，最終完成用戶在OpenStack平臺上的各種動作。隨著時間的推移，越來越多的組件被開發(fā)用于優(yōu)化OpenStack平臺，完善平臺功能。以下簡單介紹一下幾個主要的核心組件，每個組件都有個好記的代號，比如Nova、Glance、Keystone、Ceilometer、Horizon、Cinder、Swift、Heat等等，其余的組件，大家可以訪問OpenStack官方進行學習。

　　圖4-組件連接圖

　　控制節(jié)點和它的名字一樣，是對其余各個類型節(jié)點的管理。主要包括管理支持服務(wù)、基礎(chǔ)管理服務(wù)和擴展管理服務(wù)。如MySQL、消息隊列，其它支持組件等。

　　代號為Nova，主要用于虛擬化資源的載體，提供各種虛擬機的建立。分配各種計算資源到虛擬機，如CPU、內(nèi)存等。此節(jié)點相對于其他節(jié)點來說，需要更多的CPU和內(nèi)存資源。

　　代號為Glance，主要用于提供OpenStack平臺的鏡像服務(wù)。負責磁盤和服務(wù)器虛擬鏡像的查詢、注冊和傳輸?shù)墓δ�。Glance本身其實并不存儲鏡像，它只是一個代理，充當鏡像存儲服務(wù)和其他Openstack組件之間的紐帶。所有的磁盤和鏡像存儲在OpenStack的后端服務(wù)上，比如對象存儲系統(tǒng)或者本地存儲系統(tǒng)中。

　　代號為Cinder，主要提供OpenStack的塊存儲服務(wù)，為云環(huán)境提供塊設(shè)備的創(chuàng)建、添加和卸載，支持多種主流的存儲平臺。塊設(shè)備適用于對應性能要求較高的應用場景，比如數(shù)據(jù)庫。塊設(shè)備的快照功能可以實現(xiàn)基于塊存儲卷的數(shù)據(jù)備份，而且也可以利用快照進行數(shù)據(jù)恢復。

　　代號為Neutron，主要提供OpenStack的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，之前的代碼為Quantum，后改名為Neutron。Neutron提供云計算環(huán)境下的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能，目的是為OpenStack云更靈活地劃分物理網(wǎng)絡(luò)，在多租戶環(huán)境下提供給每個租戶獨立的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。該模塊最開始是 Nova 的一部分，叫 nova-network，后來從 Nova 中分離出來。該模塊之所以重要是因為如果沒有虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，OpenStack 就變?yōu)閱渭兲峁┨摂M機實例和虛擬存儲服務(wù)的平臺，這就違背了提供分布式虛擬服務(wù)的云計算核心價值。

　　代號為KeyStone，主要提供了用戶目錄的集中式存儲，以及相關(guān)的授權(quán)服務(wù)，便于其他OpenStack服務(wù)的訪問。提供創(chuàng)建用戶和租戶，并且以基于角色的方式限制用戶租戶訪問云計算中的計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等資源。

　　代號為Swift，是OpenStack所有組件中最早的之一，還有一個是Nova組件。主要提供對象存儲，存儲的是一些資源文件，如圖片、代碼等文件。在OpenStack平臺中，任何的數(shù)據(jù)都是一個對象。是一個可擴展并且提供了冗余的存儲系統(tǒng)。

　　OpenStack經(jīng)過9年多的演進，版本也從最早的Austin版本發(fā)展到了現(xiàn)在最新的Queens版本。功能上不斷的完善，組件兼容性越發(fā)穩(wěn)定。以下是出自官方的OpenStack版本Release時間表。

　　（本文首發(fā)于2018年，相關(guān)版本信息請以官網(wǎng)最新發(fā)布為準）

　　通過眾多企業(yè)及社區(qū)專業(yè)人士的代碼貢獻，OpenStack平臺將會越來越穩(wěn)定，承載越來越多的關(guān)鍵服務(wù)。

　　OpenStack是一個靈活性非常強的云管理平臺，各種組件靈活搭配，實現(xiàn)單一或者冗余的不同架構(gòu)。所有的架構(gòu)都應按照不同的業(yè)務(wù)場景進行設(shè)計，沒有任何的架構(gòu)是萬年不變的，所以要求云平臺架構(gòu)師要深入的理解業(yè)務(wù)需求，從而設(shè)計一個符合需求的好架構(gòu)。一個樓能蓋多高就要看它的地基好不好，骨架合不合理。

　　下文將主要講兩個典型的OpenStack架構(gòu)，單一架構(gòu)不在這次的討論范圍內(nèi)，因其主要是用于測試和學習環(huán)境，不具備生產(chǎn)環(huán)境的要求。

　　公司IT主要要求搭建一套基于OpenStack的私有云平臺系統(tǒng)。主要承載公司內(nèi)部的非核心系統(tǒng)及一些輕應用。要求IT可用率必須滿足兩個9，業(yè)務(wù)對實時在線要求不高。

　　經(jīng)分析，架構(gòu)設(shè)計不需要過于復雜。在TCO控制得當?shù)那闆r下，只需要滿足基本的功能即可，無需投入更多的高可靠功能。

　　如上圖所示，主要包括3個控制節(jié)點（含網(wǎng)絡(luò)節(jié)點）、N個計算節(jié)點（根據(jù)實際情況自定決定）、1個塊存儲節(jié)點及1個鏡像節(jié)點�？刂乒�(jié)點和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)了冗余，保證了主要功能的高可用。由于對業(yè)務(wù)實時性要求不高，所以VM都存儲在Nova節(jié)點的本地，無法自動實現(xiàn)遷移，出故障后需要管理員介入。管理流量通過千兆網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)流量通過萬兆網(wǎng)卡傳輸，保證了數(shù)據(jù)的隔離。

　　同樣的場景，不同的是老板要求業(yè)務(wù)的實效性和平臺的高可靠性。主要承載公司的核心系統(tǒng)，比如郵件系統(tǒng)、OA系統(tǒng)、SRM等關(guān)鍵系統(tǒng)。

　　經(jīng)分析，這樣的架構(gòu)要求要比第一個場景復雜很多。架構(gòu)師要考慮平臺的高可靠，同時也要確保問題發(fā)生后，對業(yè)務(wù)應用沒有影響，或者說影響到最低。

　　如上圖所示，主要包括3個控制節(jié)點（含網(wǎng)絡(luò)節(jié)點）、N個計算節(jié)點（根據(jù)實際情況自定決定）、2個塊存儲節(jié)點、1個鏡像節(jié)點以及1個自動化部署工具節(jié)點。同時采用了IBM GPFS分布式文件系統(tǒng)對計算節(jié)點數(shù)據(jù)進行存儲，3副本存儲。這種架構(gòu)保證了平臺功能的高可用，同時也確保了數(shù)據(jù)的可靠性和高可用。由于對業(yè)務(wù)實時性要求高，所以VM都存儲在GPFS存儲中，可以自動實現(xiàn)遷移，出故障后無需管理員介入。管理流量通過千兆網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)流量通過萬兆網(wǎng)卡傳輸，保證了數(shù)據(jù)流量的隔離。

　　云計算是個未來技術(shù)發(fā)展的趨勢，會隨著業(yè)務(wù)的不同，發(fā)展出不同的云架構(gòu)。OpenStack做為開源云管理平臺之一，在眾多熱心技術(shù)人員和多家公司的鼎力支持下，已經(jīng)越來越穩(wěn)定，成為眾多企業(yè)的私有云甚至公有云的首選平臺。但是對于未來的發(fā)展，OpenStack依然面臨很多的挑戰(zhàn)。

　　OpenStack屬于開源軟件，很多組件是由不同的個體或者機構(gòu)自行開發(fā)的。組件過多，導致整體OpenStack的安裝部署相對于成型的商業(yè)軟件較為復雜。由于沒有專業(yè)的測試團隊在社區(qū)，所以拍錯和升級較苦難。

　　OpenStack的發(fā)展離不開資金的支持。在發(fā)展過程中，得到了多家國際IT巨頭的支持與代碼奉獻。各家公司在這方面投入的資金也相對較大。由于是開源環(huán)境，運維難度高，所以人力成本和研發(fā)成本也是很高的。

　　現(xiàn)在商業(yè)成熟的產(chǎn)品很多，所以O(shè)penStack要與這些廠商爭奪地盤，必須想辦法突出自身的技術(shù)優(yōu)勢，優(yōu)化自己的技術(shù)劣勢。從現(xiàn)在趨勢來看，還是任重而道遠。