【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 擁有管理員權(quán)限，因此用戶可以不受限制的進(jìn)行任何操作。 （ 5）資費(fèi)靈活 所需資源可以隨時(shí)開始和停止，用戶只需要為自己所使用的資源付費(fèi)。 IaaS 整體架構(gòu) 虛擬化技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)底層物理資源的抽象，使其成為一個(gè)個(gè)可以被靈活生成、調(diào)度、管理的基礎(chǔ)資源單位 [8]。而要將這些資源進(jìn)行有效的整合，從而生成一個(gè)可以統(tǒng)一管理、靈活分配跳讀、動(dòng)態(tài)遷移、計(jì)費(fèi)度量的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施資源南京 郵電大學(xué) 2020 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 池，并向用戶提供自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，就需 要 IaaS 管理平臺(tái)。 如圖 圖 ，這是 對(duì)資源管理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn) 。 圖 IaaS 交互模型 資源管理平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)物理資源和虛擬化資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理和調(diào)度，形成統(tǒng)一的資源池，實(shí)現(xiàn) IaaS 服務(wù)的可管、可控，其核心是對(duì)每個(gè)基礎(chǔ)資源單位的生命周期管理能力和對(duì)資源的管理調(diào)度能力。 在上面的模型中，假定了與云交互的四種人員（開發(fā)商、開發(fā)人員、操作員、用戶），還定義了三層架構(gòu)（表現(xiàn)、邏輯、資源）和兩個(gè)正交領(lǐng)域（集成和管理）。 表現(xiàn)層，組件與用戶交互，接受并顯示用戶的信息。這一層為非開發(fā)人員提供了一個(gè) Web 圖形界面， 為開發(fā)人員提供了 API，還存在負(fù)載均衡、控制臺(tái)代理、安全、命名服務(wù)。 邏輯層，為云和控制功能提供情報(bào)。這層內(nèi)包括部業(yè)務(wù)流程（工作流程復(fù)雜的任務(wù)），調(diào)度（確定作業(yè)對(duì)資源的映射），政策（配額等），鏡像注冊(cè)表（例如鏡像的元數(shù)據(jù)），日志（事件和計(jì)量）。 資源層，提供實(shí)際的計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)資源給客戶。提供服務(wù)的資源可能是服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)或其他。 集成功能，大多數(shù)服務(wù)提供商已經(jīng)有一個(gè)客戶的身份和計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。任何云架構(gòu)將需要與這些系統(tǒng)集成。 管理功能，提供一個(gè) API 來(lái)管理云并提供監(jiān)控功能。 南京 郵電大學(xué) 2020 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 IaaS 關(guān)鍵技術(shù)介紹 虛擬化技術(shù) 虛擬化技術(shù)（ Virtualization）已經(jīng)對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響，尤其是最近發(fā)展非常熱門的云計(jì)算技術(shù)。其實(shí)，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，虛擬化的思想早已經(jīng)存在，最早 IBM 在二十世紀(jì)六十年代就提出并實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)物理機(jī)上運(yùn)行多個(gè)不同的操作系統(tǒng)實(shí)例，它顛覆了傳統(tǒng)的一臺(tái)計(jì)算機(jī)運(yùn)行一個(gè)操作系統(tǒng)實(shí)例的計(jì)算模式。多個(gè)操作系統(tǒng)運(yùn)行在一個(gè)物理機(jī)上，共享物理機(jī)資源（ CPU 資源、內(nèi)存資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源等） [3]。隨著計(jì)算機(jī)硬件資源的不斷快速發(fā)展，現(xiàn)有的很多軟件已不能充分 的利用計(jì)算機(jī)硬件的資源存在很多的資源浪費(fèi)現(xiàn)象。虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)，提高了物理機(jī)或者服務(wù)器的硬件資源的利用率，充分地利用了硬件所提供的并行性和高性能，也使系統(tǒng)管理員免去了管理大量物理機(jī)的所花費(fèi)的精力和時(shí)間。虛擬化技術(shù)的這些特點(diǎn)，使得虛擬化技術(shù)成為整個(gè)計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)中最受到重視的技術(shù)之一，它在云計(jì)算技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，是云計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)。 虛擬化就是通過(guò)脫耦合把應(yīng)用軟件和在其上的虛擬的操作系統(tǒng)與底層的物理設(shè)備分離開來(lái)。物理機(jī)系統(tǒng)的虛擬化究其根本就是通過(guò)某種手段把底層的物理設(shè)備和其上的軟件運(yùn)行環(huán)境分割的 技術(shù) 。然而虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于虛擬出虛擬的操作系統(tǒng)， 現(xiàn)在已經(jīng)看到了，內(nèi)存，網(wǎng)絡(luò)， CPU，文件，存儲(chǔ)等的虛擬化。 從一種更高的抽象、一個(gè)更廣泛的環(huán)境中來(lái)了解虛擬化技術(shù)，它實(shí)際上已經(jīng)成為了一個(gè)非常大的概念，可以為用戶企業(yè)帶來(lái)很大的便利。 虛擬化技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)底層物理資源的抽象，使其成為一個(gè)個(gè)可以被靈活生成、調(diào)度、管理的基礎(chǔ)資源單位，如 圖 。而要將這些資源進(jìn)行有效的整合，從而生成一個(gè)可以統(tǒng)一管理、靈活分配跳讀、動(dòng)態(tài)遷移、計(jì)費(fèi)度量的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施資源池，并向用戶提供自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，就需要 IaaS 管理平臺(tái) 。 資源管理平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)物理資源和虛擬化資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理和調(diào)度，形成統(tǒng)一的資源池，實(shí)現(xiàn) IaaS 服務(wù)的可管、可控，其核心是對(duì)每個(gè)基礎(chǔ)資源單位的生命周期管理能力和對(duì)資源的管理調(diào)度能力。 KVM與 QEMU KVM 虛擬機(jī)是基于 Linux 內(nèi)核虛擬化，自 之后就集成在 Linux的各個(gè)主要發(fā)行版本中。它使用 Linux 自身的調(diào)度器進(jìn)行管理，所以相對(duì)于 Xen，其核心源碼很少。 KVM 的虛擬化需要硬件的支持（如 Intel VT 技術(shù)或者 AMD V 南京 郵電大學(xué) 2020 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 虛擬化架構(gòu) 技術(shù)），是基于硬件的完全虛擬化 。而 Xen 早期則是基于軟件模擬的paravirtualization，新版本是基于硬件支持的完全虛擬化 [3]。 QEMU 是一種模擬處理器，現(xiàn)在運(yùn)用最多的就是將 KVM 和 QEMU 結(jié)合起來(lái)。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)， KVM 是 Linux kernel 的一個(gè)模塊，可以用命令 modprobe 去加載KVM 模塊 [13]。加載了該模塊后，才能進(jìn)一步通過(guò)工具創(chuàng)建虛擬機(jī)。但是僅有KVM 模塊是不夠的。因?yàn)橛脩魺o(wú)法直接控制內(nèi)核去做事情，還必須有一個(gè)運(yùn)行在用戶空間的工具才行。這個(gè)用戶空間的工具， KVM 開發(fā)者選擇了已經(jīng)成型的開源虛擬化軟件 QEMU。說(shuō) 起來(lái) QEMU 也是一個(gè)虛擬化軟件。它的特點(diǎn)是可虛擬不同的 CPU。比如說(shuō)在 x86 的 CPU 上可虛擬一個(gè) power 的 CPU，并可利用它編譯出可運(yùn)行在 power 上的 CPU，并可利用它編譯出可運(yùn)行在 power 上的程序。KVM 使用了 QEMU 的一部分，并稍加改造，就成了可控制 KVM 的用戶空間工具了。所以你會(huì)看到，官方提供的 KVM 下載有兩大部分 (QEMU 和 KVM)三個(gè)文件 (KVM 模塊、 QEMU 工具以及二者的合集 )。也就是說(shuō)，你可以只升級(jí) KVM模塊，也可以只升級(jí) QEMU 工具。這就是 KVM 和 QEMU 的關(guān)系，如 圖 。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù) 為保證高可用、高可靠和經(jīng)濟(jì)性，云計(jì)算采用分布式存儲(chǔ)的方式來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采用冗余存儲(chǔ)的方式來(lái)保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性，即為同一份數(shù)據(jù)存儲(chǔ)多個(gè)副本。另外，云計(jì)算系統(tǒng)需要同時(shí)滿足大量用戶的需求，并行地為大量用戶提供服務(wù)。 南京 郵電大學(xué) 2020 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 KVM 與 QEMU 關(guān)系 因此，云計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)必須具有高吞吐率和高傳輸率的特點(diǎn)。 云計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)主要有谷歌的非開源的 GFS(Google File System)和 Hadoop 開發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的 GFS 的開源實(shí)現(xiàn) HDFS(Hadoop Distributed File System)。大部分 IT 廠商，包括 Yahoo、 Intel 的 “云 ”計(jì)劃采用的都是 HDFS 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。未來(lái)的發(fā)展將集中在超大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)加密和安全性保證、以及繼續(xù)提高 I/O 速率等方面 [4]。 資源管理技術(shù) 在多節(jié)點(diǎn)并發(fā)執(zhí)行環(huán)境，分布式資源管理系統(tǒng)是保證系統(tǒng)狀態(tài)正確性的關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)狀態(tài)需要在多節(jié)點(diǎn)之間同步，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)需要遷移服務(wù)，分布式資源管理技術(shù)通過(guò)鎖機(jī)制協(xié)調(diào)多任務(wù)對(duì)于資源的使用，從而保證數(shù)據(jù)操作的一致性。典型的資源管理技術(shù)如 Google 公司的 Chubby 文件系統(tǒng)。 能耗管理技術(shù) 隨著云計(jì)算的快速發(fā)展，如今云服務(wù)的推出使許多中小企業(yè)用戶轉(zhuǎn)而向云計(jì)算服務(wù)提供商訂購(gòu)云計(jì)算服務(wù)。而這類云服務(wù)大多是安裝在主機(jī)托管服務(wù)提供商所擁有的大型數(shù)據(jù)中心。那么，關(guān)于數(shù)據(jù)中心的能耗問(wèn)題便成了數(shù)據(jù)中心管理者南京 郵電大學(xué) 2020 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 最關(guān)心的問(wèn)題。處理的能耗是服務(wù)能耗的主要組成部分之一，大型的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心有可能擁有數(shù)百、上萬(wàn)甚至更多的服務(wù)器，這些云平臺(tái)中數(shù)量眾多的基礎(chǔ)資源構(gòu)件對(duì)于電力的消耗也是非常巨大的，這將直接影響數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本。因此如何在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心部署良好的、持續(xù)的電源供應(yīng) 系統(tǒng)倍受用戶關(guān)注。Google 的數(shù)據(jù)中心一般選擇在人煙稀少、氣候寒冷、水電資源豐富的地區(qū)，這些地點(diǎn)的電價(jià)、散熱成本、場(chǎng)地成本、人力成本等都遠(yuǎn)低于人口稠密的大都市。我國(guó)三大電信運(yùn)營(yíng)商也效仿 Google 的做法，選擇在哈爾濱等地建設(shè)數(shù)據(jù)中心[4]。 另外，為滿足更多的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求，降低能耗，減少數(shù)字媒體下載量，可采用減少數(shù)字垃圾、進(jìn)行策略性的界面設(shè)計(jì)、提高使用意識(shí)以及避開使用高峰期等措施。 本章小結(jié) 本章主要是對(duì) IaaS 和云計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)的介紹，其中包括了 IaaS的定義、優(yōu)勢(shì)及架構(gòu)，充分說(shuō)明 了 IaaS 在云平臺(tái)中的地位與作用。虛擬化技術(shù)對(duì)于云計(jì)算平臺(tái)來(lái)說(shuō)是最重要的，本章還就對(duì)最終要的虛擬化技術(shù)展開了介紹，包含了關(guān)鍵的 KVM 和 QEMU。 南京 郵電大學(xué) 2020 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第三章 OpenStack 相關(guān)介紹 OpenStack 簡(jiǎn)介 OpenStack 是一套開源的云計(jì)算平臺(tái)，也是一款工具集。它剛問(wèn)世不久就得到了學(xué)術(shù)領(lǐng)域的普遍關(guān)注，并很快滲透到各個(gè)研究領(lǐng)域。 OpenStack 可以構(gòu)建自己的 IaaS 云計(jì)算環(huán)境，并提供給用戶使用。 OpenStack 部署云環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)就是靈活，可以根據(jù)自己的需要來(lái)搭建基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)可以自由地?cái)U(kuò)充 集群規(guī)模。OpenStack 允許客戶通過(guò)部署虛擬機(jī)來(lái)創(chuàng)建資源，在節(jié)點(diǎn)上通過(guò)使用 KVM 等來(lái)對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行一系列配置?？蛻舳擞脩糁恍枰暾?qǐng)自己需要的虛擬資源。 OpenStack 基礎(chǔ)架構(gòu) OpenStack 通過(guò)一系列的組件服務(wù)提供了一個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（ IaaS）的解決方案 [5]。在較 新版本 IceHouse 中包含了 10 個(gè)組件： （ 1） Nova：計(jì)算服務(wù)是 OpenStack 云中的計(jì)算組織控制器，對(duì)計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)證和擴(kuò)展性等進(jìn)行管理，并通過(guò)一個(gè)與 Amazon Web Services （ AWS）EC2 API 兼容的 web servicesAPI 來(lái)對(duì)外提供服務(wù)。 （ 2） Swift：對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)提供彈性可伸縮、高可用的分布式對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)，適合存儲(chǔ)大規(guī)模非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。 （ 3） Glance：鏡像服務(wù)提供虛機(jī)鏡像的注冊(cè)和分派服務(wù)。 （ 4） Cinder：塊存儲(chǔ)服務(wù)為虛機(jī)提供可用于持久存儲(chǔ)的塊存儲(chǔ)服務(wù)。 （ 5） Neutron：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)為其它 OpenStack 組件提供網(wǎng)絡(luò)連接，通過(guò) API 為終端用戶提供自定義網(wǎng)絡(luò)功能；通過(guò)一個(gè)插件式架構(gòu)支持大量網(wǎng)絡(luò)廣商設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 （ 6） Keystone：認(rèn)證服務(wù)為 OpenStack 提供認(rèn)證和授權(quán)服務(wù)。 （ 7） Horizon：儀表盤提供基于 Web 的管理控制臺(tái)，用戶可以通過(guò) Web 方式管理和操作 OpenStack 云。 （ 8） Ceilometer：計(jì)量監(jiān)控服務(wù)為 OpenStack 云提供計(jì)費(fèi)、基準(zhǔn)測(cè)試及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。 （ 9） Heat：編排組織服務(wù)提供基于模板的編排機(jī)制，用戶可以通過(guò)一個(gè)參數(shù)化的模板輕松的部署網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)等資源。 （ 10） Trove：數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)為關(guān)系型和非關(guān)系型數(shù)據(jù)引擎提供可擴(kuò)展、可靠的云數(shù)據(jù)庫(kù)即服務(wù)功能。 南京 郵電大學(xué) 2020 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 OpenStack 的概念架構(gòu)，如 圖 所示。 圖 OpenStack 概念架構(gòu) OpenStack 訪問(wèn)流程 （ 1） User 通過(guò)自己的身份憑證（ Credentials）想 Keystone 服務(wù)發(fā)起認(rèn)證，Keystone 如果通過(guò)認(rèn)證則給 User 頒發(fā)密鑰（ Token），之后執(zhí)行（ 2）步。 （ 2） User 把密鑰（ Token）和虛擬機(jī)的創(chuàng)建請(qǐng)求發(fā)送給 Nova 服務(wù)， Nova通過(guò) Keystone 服務(wù)驗(yàn)證密鑰（ Token）如果通過(guò)認(rèn)證則執(zhí)行（ 3）步。 （ 3） Nova 把密鑰（ Token）和 創(chuàng)建 虛擬機(jī)所需要的鏡像請(qǐng)求發(fā)送給 Glance服務(wù)， Glance 通過(guò) Keystone 服務(wù)驗(yàn)證密鑰（ Token），如果通過(guò) Glance 向 Nova返回鏡像執(zhí)行（ 4）步。 （ 4） Nova 把密鑰（ Token） 創(chuàng)建 虛擬機(jī)所需要的網(wǎng)絡(luò)資源請(qǐng)求發(fā)送給Quantum 服務(wù)，通過(guò) Keystone 服務(wù)驗(yàn)證密鑰（ Token），如果通過(guò) Quantum 向 Nova返回網(wǎng)絡(luò)資源執(zhí)行（ 5）步。 （ 5） Nova 得到創(chuàng)建虛擬機(jī)所需要的資源了，之后向用戶（ User）返回請(qǐng)求 南京 郵電大學(xué) 2020 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 OpenStack 訪問(wèn)流程 成功。 OpenStack 認(rèn)證服務(wù) ——Keystone Keystone 介紹 Keystone（ OpenStack Identity Service）是 OpenStack 框架中，負(fù)責(zé)身份驗(yàn)證、服務(wù)規(guī)則和服務(wù)令牌的功能，它實(shí)現(xiàn)了 OpenStack 的 Identity API。 Keystone 類似一個(gè)服務(wù)總線，或者說(shuō)是整個(gè) Openstack 框架的注冊(cè)表，其他服務(wù)通過(guò) keystone來(lái)注冊(cè)其服務(wù)的 Endpoint（服務(wù)訪問(wèn)的 URL），任何服務(wù)之間相互的調(diào)用，需要經(jīng)過(guò) Keystone 的身份驗(yàn)證，來(lái)獲得目標(biāo)服務(wù)的 Endpoint 來(lái)找到目標(biāo)服務(wù)。 Keystone 概念 User 即用戶，他們代表可以通過(guò) keystone 進(jìn)行訪問(wèn)的人或程序