云计算服务架构与OpenStack

最近在看CloudMan的《每天5分钟玩转 OpenStack》系列文章，受益很多，这篇为学习总结篇，感谢阅读~

一、云计算服务架构

云计算是IT技术不断发展的产物。 要理解云计算，需要对IT系统架构的发展过程有所认识，可以通过下图来理解云计算：

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IT系统架构的发展到目前为止大致可以分为3个阶段：

1、物理机架构
这一阶段，应用部署和运行在物理机上。 比如企业要上一个ERP系统，如果规模不大，可以找3台物理机，分别部署Web服务器、应用服务器和数据库服务器。 如果规模大一点，各种服务器可以采用集群架构，但每个集群成员也还是直接部署在物理机上。 我见过的客户早期都是这种架构，一套应用一套服务器，通常系统的资源使用率都很低，达到20%的都是好的。

2、虚拟化架构
摩尔定律决定了物理服务器的计算能力越来越强，虚拟化技术的发展大大提高了物理服务器的资源使用率。 这个阶段，物理机上运行若干虚拟机，应用系统直接部署到虚拟机上。 虚拟化的好处还体现在减少了需要管理的物理机数量，同时节省了维护成本。

3、云计算架构
虚拟化提高了单台物理机的资源使用率，随着虚拟化技术的应用，IT环境中有越来越多的虚拟机，这时新的需求产生了： 如何对IT环境中的虚拟机进行统一和高效的管理。 有需求就有供给，云计算登上了历史舞台。

计算（CPU/内存）、存储和网络是 IT 系统的三类资源。 通过云计算平台，这三类资源变成了三个池子 当需要虚机的时候，只需要向平台提供虚机的规格。 平台会快速从三个资源池分配相应的资源，部署出这样一个满足规格的虚机。 虚机的使用者不再需要关心虚机运行在哪里，存储空间从哪里来，IP是如何分配，这些云平台都搞定了。

云平台是一个面向服务的架构，按照提供服务的不同分为 IaaS、PaaS 和 SaaS。 如下图所示：

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三层架构的说明如下：
IaaS（Infrastructure as a Service）
基础设施即服务，该层提供的服务是虚拟机。 IaaS 负责管理虚机的生命周期，包括创建、修改、备份、启停、销毁等。 使用者从云平台得到的是一个已经安装好镜像（操作系统+其他预装软件）的虚拟机。 使用者需要关心虚机的类型（OS）和配置（CPU、内存、磁盘），并且自己负责部署上层的中间件和应用。 IaaS 的使用者通常是数据中心的系统管理员。 典型的 IaaS 例子有 AWS、Rackspace、阿里云等。

PaaS（Platform as a Service）
平台即服务，该层提供的服务是应用的运行环境和一系列中间件服务（比如数据库、消息队列等）。 使用者只需专注应用的开发，并将自己的应用和数据部署到PaaS环境中。 PaaS负责保证这些服务的可用性和性能。 PaaS的使用者通常是应用的开发人员。 典型的 PaaS 有 Heroku、Google App Engine、IBM BlueMix 等。

SaaS（Software as a Service）
软件即服务，该层提供的是应用服务。 使用者只需要登录并使用应用，无需关心应用使用什么技术实现，也不需要关系应用部署在哪里。 SaaS的使用者通常是应用的最终用户。 典型的 SaaS 有 Google Gmail、Salesforce 等。

现在，基于Docker的CaaS容器云平台架构设计也逐渐流行起来，还有最新的容器编排框架k8s（Kubernetes），详细介绍可以参考这篇文章：基于Docker的CaaS容器云平台架构设计

二、云计算与OpenStack

OpenStack is a cloud operating system that controls large pools of compute, storage, and networking resources throughout a datacenter, all managed through a dashboard that gives administrators control while empowering their users to provision resources through a web interface.

以上是官网对 OpenStack 的定义，OpenStack 对数据中心的计算、存储和网络资源进行统一管理。 由此可见，OpenStack 针对的是 IT 基础设施，是 IaaS 这个层次的云操作系统。

OpenStack 已经走过了 6 个年头。 每半年发布一个版本，版本以字母顺序命名，现在已经到第 14 个版本 Newton（字母 N）。 OpenStack最初只有两个模块（服务），现在已经有 20+（见下图），每个模块作为独立的子项目开发。

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作为 IaaS 层的云操作系统，OpenStack 为虚机提供并管理三大类资源：计算、网络和存储。如下图所示：

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三、OpenStack架构

架构能帮助我们站在高处看清楚事物的整体结构，避免过早地进入细节而迷失方向。下图是 OpenStack 的 Conceptual Architecture

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中间菱形VM是虚拟机，围绕 VM 的那些长方形代表 OpenStack 不同的模块（OpenStack 叫服务，后面都用服务这个术语），下面来分别介绍。

Nova：管理 VM 的生命周期，是 OpenStack 中最核心的服务。
Neutron：为 OpenStack 提供网络连接服务，负责创建和管理L2、L3 网络，为 VM 提供虚拟网络和物理网络连接。
Glance：管理 VM 启动镜像，Nova 创建 VM 时将使用 Glance 提供的镜像。
Cinder：为 VM 提供块存储服务。Cinder 提供的每一个 Volume 在 VM 看来就是一块虚拟硬盘，一般用作数据盘。
Swift：提供对象存储服务。VM 可以通过 RESTful API 存放对象数据。作为可选的方案，Glance 可以将镜像存放在 Swift 中；Cinder 也可以将 Volume 备份到 Swift 中。
Keystone：为 OpenStack 的各种服务提供认证和权限管理服务。简单的说，OpenStack 上的每一个操作都必须通过 Keystone 的审核。
Ceilometer：提供 OpenStac k监控和计量服务，为报警、统计或计费提供数据。
Horizon：为 OpenStack 用户提供一个 Web 的自服务 Portal。

在上面的这些服务中，哪些是 OpenStack 的核心服务呢？ 核心服务就是如果没有它，OpenStack 就跑不起来。 很显然：

Nova 管理计算资源，是核心服务。
Neutron 管理网络资源，是核心服务。
Glance 为 VM 提供 OS 镜像，属于存储范畴，是核心服务。
Cinder 提供块存储，VM怎么也得需要数据盘吧，是核心服务。
Swift 提供对象存储，不是必须的，是可选服务。
Keystone 认证服务，没它 OpenStack 转不起来，是核心服务。
Ceilometer 监控服务，不是必须的，可选服务。
Horizon 操作界面，也是必须的。

再看OpenStack核心服务内部的组成结构：
Logical Architecture

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在 Logical Architecture 中，可以看到每个服务又由若干组件组成。 以 Neutron 为例，包含：

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• Neutron Server、Neutron plugins 和 Neutron agents
• Network provider
• 消息队列 Queue
• 数据库 Neutron Database

上面是 Logical Architecture，描述的是 Neutron 服务各个组成部分以及各组件之间的逻辑关系。 而在实际的部署方案上，各个组件可以部署到不同的物理节点上。

OpenStack 本身是一个分布式系统，不但各个服务可以分布部署，服务中的组件也可以分布部署。 这种分布式特性让 OpenStack 具备极大的灵活性、伸缩性和高可用性。 当然从另一个角度讲，这也使得 OpenStack 比一般系统复杂，学习难度也更大。