對(duì)分布式系統(tǒng)也就是 Internet 使用云作為一種抽象是十分普遍的，但在過去的幾年中，這個(gè)抽象已經(jīng)擴(kuò)展，并入了高度虛擬化的可伸縮基礎(chǔ)架構(gòu)，這些基礎(chǔ)架構(gòu)可以很容易地被作為一個(gè)（本地的或遠(yuǎn)程的，或者本地和遠(yuǎn)程資源的組合）服務(wù)提供。本文將不對(duì)云架構(gòu)的定義及其優(yōu)點(diǎn)做深入的介紹，供您參考閱讀。

云計(jì)算剖析

本文將從云架構(gòu)的核心抽象開始討論（從基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù) [IaaS]），然后是構(gòu)建塊，***是高度集成的解決方案。

盡管不是必需的，但虛擬化為構(gòu)建可動(dòng)態(tài)伸縮的架構(gòu)提供了一些獨(dú)特的優(yōu)勢。除資源共享和可伸縮性外，為了負(fù)載均衡，虛擬化還能夠在物理服務(wù)器間遷移虛擬機(jī) (VM)。圖 1 中所示的這個(gè)虛擬化組件是由一個(gè)名為虛擬管理程序（有時(shí)也叫作虛擬機(jī)監(jiān)視器 [VMM]）的軟件層提供的。這個(gè)層提供了同時(shí)在一個(gè)單一物理機(jī)器上執(zhí)行多個(gè)操作系統(tǒng)（及其應(yīng)用程序）的能力。每個(gè)操作系統(tǒng)被視為一個(gè)邏輯機(jī)器并由虛擬管理程序映射到物理機(jī)器。在這個(gè)虛擬管理程序上有一個(gè)名為 virtual machine 的對(duì)象，這個(gè)對(duì)象封裝了操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序及配置。另外，如果需要，還可以在這個(gè)虛擬管理程序中提供設(shè)備仿真或是作為一個(gè) VM 提供設(shè)備仿真。***，考慮到虛擬化的新動(dòng)態(tài)特性及它所提供的新功能，還會(huì)需要新的管理模式。這種管理***在各層內(nèi)完成，本地管理在服務(wù)器上完成，還有更高級(jí)別的基礎(chǔ)架構(gòu)管理，以便提供虛擬環(huán)境的全面協(xié)調(diào)管理。

圖 1. 云中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心元素

如果將 圖 1 中的那些節(jié)點(diǎn)在一個(gè)具有共享存儲(chǔ)的物理網(wǎng)絡(luò)上繁殖它們，在整個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)上編排管理，然后用緩存和過濾提供入向連接（無論是私有的還是公共的設(shè)置）的前端負(fù)載均衡，那么您就有了一個(gè)可以叫作云 的慮擬基礎(chǔ)架構(gòu)了。圖 2 顯示了這個(gè)新結(jié)構(gòu)。有了根據(jù)其各自的負(fù)載實(shí)現(xiàn)的跨節(jié)點(diǎn) VM 均衡（甚至是動(dòng)態(tài)均衡的），睡眠狀態(tài)的服務(wù)器可以關(guān)掉，除非還需要額外的計(jì)算能力（以提供更好的電源效率）。

圖 2. 云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)
 

定義了云的基本架構(gòu)后，就可以開始探究如何應(yīng)用開源技術(shù)來構(gòu)建一個(gè)動(dòng)態(tài)的云基礎(chǔ)架構(gòu)了。#p#

核心開源技術(shù)

Linux 領(lǐng)域經(jīng)歷著以虛擬化、管理和大規(guī)模云軟件包集成的虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)為中心的開發(fā)浪潮。在這里，我們先來看一下在單個(gè)節(jié)點(diǎn)級(jí)別上的開源，然后再研究此基礎(chǔ)架構(gòu)。

虛擬管理程序

虛擬管理程序是云在節(jié)點(diǎn)級(jí)別的基礎(chǔ)。盡管虛擬化不是必需的，但它在提供可伸縮的和功耗合理的架構(gòu)方面的能力是勿庸置疑的。目前有很多開源虛擬化解決方案，其中有兩個(gè)解決方案很關(guān)鍵，它們可以將 Linux 操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為虛擬管理程序，這兩個(gè)解決方案分別為 Linux Kernel Virtual Machine (KVM) 和 Lguest。KVM 是虛擬管理程序的正式解決方案，被部署到生產(chǎn)環(huán)境中。Lguest 是一個(gè)只能運(yùn)行 Linux VM 的以 Linux 為中心的解決方案，但將它集成到內(nèi)核就可以得到更廣泛的應(yīng)用。由于其性能優(yōu)勢，Xen 虛擬管理程序也被廣泛用于公共和私有 IaaS 解決方案中。

除了將 Linux 轉(zhuǎn)換為虛擬管理程序外，還有其他一些以 guest VM 為中心的解決方案。User-Mode Linux (UML) 則是另一種方式，它能修改 guest Linux 內(nèi)核使其運(yùn)行在另一個(gè) Linux 操作系統(tǒng)上（無虛擬管理程序擴(kuò)展）。因?yàn)樵S多用戶都希望運(yùn)行一個(gè)未被修改的內(nèi)核，所以完整的虛擬化解決方案（比如 KVM）更受歡迎。

UML 方法也很受歡迎，但它需要虛擬硬件（比如控制臺(tái)、虛擬硬盤和網(wǎng)絡(luò)）。

設(shè)備仿真

虛擬管理程序提供了與多個(gè)操作系統(tǒng)共享 CPU 的途徑（CPU 虛擬化），但是為了提供完整的虛擬化，整個(gè)環(huán)境都必須針對(duì)這些 VM 進(jìn)行虛擬化。機(jī)器（或平臺(tái)）仿真可以以幾種方式實(shí)現(xiàn)，其中有一種流行的開源包可支持許多虛擬管理程序，被稱作 QEMU。QEMU 是一個(gè)完全的仿真器和虛擬管理程序。但是 KVM 只將 QEMU 用于設(shè)備仿真，作為用戶空間內(nèi)的一個(gè)單獨(dú)過程（參見 圖 1）。QEMU 的一個(gè)有趣特性是因它提供了磁盤仿真（通過 QCOW 格式），QEMU 還提供了其他一些高級(jí)特性，比如快照和實(shí)時(shí) VM 遷移。

自內(nèi)核 2.6.25 后，KVM 使用 virtio 作為一種優(yōu)化 I/O 虛擬化性能的手段。為此，它將準(zhǔn)虛擬化了的 (paravirtualized) 驅(qū)動(dòng)程序引入到虛擬管理程序，進(jìn)而將性能提高到了接近原生的級(jí)別。雖然這只有在操作系統(tǒng)可針對(duì)此目的修改時(shí)才有效，但是它還是可以用在 Linux 虛擬管理程序場景中的 Linux guest 內(nèi)。

如今，virtio 和 QEMU 可協(xié)同工作以便在用戶空間內(nèi)的 Linux guest 和 QEMU 仿真器之間優(yōu)化仿真設(shè)備事務(wù)。

虛擬網(wǎng)絡(luò)

由于 VM 合并到了物理服務(wù)器上，因此對(duì)平臺(tái)的聯(lián)網(wǎng)需求十分迫切。但我們不需要把所有 VM 的聯(lián)網(wǎng)都強(qiáng)加到這個(gè)平臺(tái)的物理層上，本地通信可自行被虛擬化。為了優(yōu)化 VM 間的網(wǎng)絡(luò)通信，引入了虛擬交換。vSwitch 和物理交換一樣，只是被虛擬化進(jìn)了這個(gè)平臺(tái)（參見 圖 3）。在這個(gè)圖中，與 VM 相連的虛擬接口 (VIF) 通過虛擬交換與物理接口 (PIF) 進(jìn)行通信。

圖 3. 具有虛擬和物理接口的 Open vSwitch 高級(jí)視圖
 

開源也可以解決這個(gè)問題，借助的是一個(gè)很有趣的解決方案，稱為 Open vSwitch。除了為虛擬環(huán)境提供虛擬交換外，vSwitch 還能集成物理平臺(tái)及提供企業(yè)級(jí)特性，比如虛擬本地局域網(wǎng)絡(luò) (VLAN)、基于優(yōu)先級(jí) Quality of Service (QoS)、中繼和對(duì)硬件加速的支持（比如單根 I/O 虛擬化 [IOV] 網(wǎng)絡(luò)適配器）。Open vSwitch 現(xiàn)在可用的是 2.6.15 內(nèi)核，并支持一系列基于 Linux 的虛擬化解決方案 (Xen、KVM 和 VirtualBox）和管理標(biāo)準(zhǔn)（Remote Switched Port Analyzer [RSPAN] 和 NetFlow 等）。

VM 工具和技術(shù)

由于 VM 是操作系統(tǒng)、根文件系統(tǒng)和配置的聚合，因此空間已經(jīng)很成熟，完全適于工具開發(fā)。但是為了充分發(fā)揮 VM 和工具的潛力，必須有一種方式來組合它們。目前的這種方式稱為 Open Virtualization Format (OVF)，它是一種 VM 結(jié)構(gòu)，靈活、高效且可移植。OVF 在一個(gè) XML 包裝程序內(nèi)包含了一個(gè)虛擬磁盤映像，這個(gè)包裝程序定義了該 VM 的配置，包括網(wǎng)絡(luò)配置、處理器和內(nèi)存要求以及多種可擴(kuò)展的元數(shù)據(jù)來進(jìn)一步定義此映像及其平臺(tái)要求。OVF 提供的關(guān)鍵功能是可移植性，可以以一種虛擬管理程序不可知的方式分發(fā) VM。

目前，有很多實(shí)用工具可用來管理 VM 映像 (VMI) 以及將這些映像轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌袷剑驈钠渌袷睫D(zhuǎn)變回來。VMware 的 ovftool 就是這樣一種很有用的工具，可用于 VMI 轉(zhuǎn)化（比如，從 VMware Virtual Disk Development Kit [VMDK] 格式轉(zhuǎn)變?yōu)?OVF）。對(duì)于 VMI，這些工具顯得非常有用，但是如果有一個(gè)物理服務(wù)器，要將它轉(zhuǎn)變?yōu)?VMI，該如何做呢？對(duì)此，您可以使用一個(gè)很有用的工具，稱為 Clonezilla。雖然該工具最早是作為災(zāi)難恢復(fù)的磁盤克隆工具開發(fā)的，但它可以被用來將一個(gè)物理服務(wù)器實(shí)例轉(zhuǎn)化成一個(gè) VM，以便于部署在一個(gè)虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)內(nèi)。隨著 OVF 格式的大量采用，有很多其他的轉(zhuǎn)換和管理工具或者已經(jīng)存在（比如構(gòu)建于 libvirt 之上的實(shí)用工具）或正在開發(fā)之中。

本地管理

本文從兩個(gè)角度探索了管理。本節(jié)討論平臺(tái)管理；稍后的一個(gè)章節(jié)會(huì)談及較高級(jí)別的基礎(chǔ)架構(gòu)管理。

Red Hat 引入了 libvirt 庫作為管理平臺(tái)虛擬化（虛擬管理程序和 VM）的一個(gè) API。libvirt 的一個(gè)吸引人之處是它支持多種虛擬管理程序解決方案（KVM 和 Xen 就是其中兩個(gè)）并提供對(duì)多種語言（比如 C、Python 和 Ruby）的 API 綁定。它提供的是管理的 “***階段”，直接與平臺(tái)虛擬管理程序交互并將 API 擴(kuò)展到更大的基礎(chǔ)架構(gòu)管理解決方案。借助 libvirt，啟動(dòng)和停止 VM 非常簡單，而且它還為更先進(jìn)的操作（比如在平臺(tái)間遷移 VM）提供了 API。使用 libvirt 還能使用它的 shell（構(gòu)建于 libvirt 之上），稱為 virsh。

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基礎(chǔ)架構(gòu)開源技術(shù)

了解了虛擬節(jié)點(diǎn)級(jí)別的開源解決方案后，接下來看看支持這種基礎(chǔ)架構(gòu)的其他一些開源解決方案。本文共討論了三類。前兩類是基礎(chǔ)架構(gòu)級(jí)別技術(shù)，可補(bǔ)充之前我們討論的解決方案。第三類包含一些集成的解決方案，可將所有這些綜合起來以簡化部署。

I/O 技術(shù)

構(gòu)建一個(gè)可伸縮的平衡 Web 架構(gòu)取決于跨服務(wù)器（實(shí)現(xiàn)后端功能）平衡 Web 流量的能力。目前已有很多負(fù)載平衡解決方案，但最近 Yahoo! 也開源了一個(gè)解決方案，名為 Traffic Server。Traffic Server 非常有意思，因?yàn)樗谝粋€(gè)包內(nèi)封裝了面向云基礎(chǔ)架構(gòu)的大量功能，包括會(huì)話管理、身份驗(yàn)證、過濾、負(fù)載均衡和路由。Yahoo! 最初是從 Inktomi 購買到此產(chǎn)品的，但是現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展并將此產(chǎn)品引入到了開源領(lǐng)域。

基礎(chǔ)架構(gòu)管理

較大規(guī)模的基礎(chǔ)架構(gòu)管理（管理很多虛擬管理程序以及更多 VM）可以通過幾種方式實(shí)行。其中最常用的兩個(gè)解決方案均構(gòu)建自同一個(gè)平臺(tái) (libvirt)。oVirt 包是一個(gè)開放的 VM 管理工具，可管理少至幾個(gè) VM，多至數(shù)千個(gè)運(yùn)行在數(shù)百個(gè)主機(jī)上的 VM。oVirt 包由 Red Hat 開發(fā)，是一個(gè)基于 Web 的管理控制臺(tái)，除了進(jìn)行傳統(tǒng)管理外，還支持集群和負(fù)載均衡自動(dòng)化。oVirt 工具用 Python 語言編寫。VirtManager 基于的也是 libvirt，并且也是由 Red Hat 開發(fā)，它是具有 GTK+ UI 的應(yīng)用程序（而不像 oVirt 那樣是基于 Web 的）。VirtManager 帶來了更為豐富的圖形顯示（比如顯示當(dāng)前性能和資源使用情況），而且還包含了一個(gè) VNC 客戶查看器，可作為對(duì)遠(yuǎn)端 VM 的一個(gè)完整的圖形控制臺(tái)。

Puppet 是另外一種開源包，為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)（一個(gè)云）量身設(shè)計(jì)。雖然它不是僅為了虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)而設(shè)計(jì)，但它卻可以通過抽象對(duì)等操作系統(tǒng)的細(xì)節(jié)而簡化大型基礎(chǔ)架構(gòu)的管理。它是通過 Puppet 語言的使用實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的。Puppet 非常適合于自動(dòng)化管理許多服務(wù)器上的任務(wù)，如今已被廣泛使用。

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集成的IaaS 解決方案

如下所列的這些開源包采取了一種更為全面的方式，它們均在一個(gè)包內(nèi)集成了所有必需功能（包括虛擬化、管理、接口和安全性）。如果將它們添加到服務(wù)器和存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上，這些包均能提供靈活的云計(jì)算和存儲(chǔ)基礎(chǔ)架構(gòu) (IaaS)。有關(guān)這些平臺(tái)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見 參考資料。

Eucalyptus

最為流行的用來構(gòu)建云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的開源包之一是 Eucalyptus（全稱是 Elastic Utility Computing Architecture for Linking Your Programs to Useful Systems）。它的獨(dú)特之處是其接口與 Amazon Elastic Compute Cloud（Amazon EC2—Amazon 的云計(jì)算接口）兼容。此外，Eucalyptus 還包含了 Walrus，它是一個(gè)云存儲(chǔ)應(yīng)用程序，與 Amazon Simple Storage Service（Amazon S3—Amazon 的云存儲(chǔ)接口）兼容。

對(duì)于虛擬管理程序，Eucalyptus 支持 KVM/Linux 和 Xen，對(duì)于集群管理，包括了 Rocks 集群分發(fā)。

OpenNebula

OpenNebula 是另一種有趣的開源應(yīng)用程序（在 Apache 許可下），在 Universidad Complutense de Madrid 開發(fā)。除了支持私有云結(jié)構(gòu)之外，OpenNebula 還支持混合云的概念。混合云允許私有云基礎(chǔ)架構(gòu)與公共云基礎(chǔ)架構(gòu)（比如 Amazon）的集成以提供更高級(jí)別的伸縮。

OpenNebula 支持 Xen、KVM/Linux 和 VMware，并且依賴于 libvirt 等元素來進(jìn)行管理和內(nèi)省。

Nimbus

Nimbus 是一種以科學(xué)計(jì)算為中心的 IaaS 解決方案。使用 Nimbus，您可以借用遠(yuǎn)程資源（比如由 Amazon EC2 提供的遠(yuǎn)端資源）并能對(duì)它們進(jìn)行本地管理（配置、部署 VM 和監(jiān)視等）。Nimbus 由 Workspace Service project（Globus.org 的一部分）演變而來。由于依賴于 Amazon EC2，因此 Nimbus 支持 Xen 和 KVM/Linux。

Xen 云平臺(tái)

Citrix 已經(jīng)將 Xen 集成到一個(gè) IaaS 平臺(tái)，Xen 被用作 虛擬管理程序，而同時(shí)又并入了其他的開源功能，比如 Open vSwitch。Xen 解決方案的優(yōu)勢之一是其著重于來自 Kensho 項(xiàng)目的基于標(biāo)準(zhǔn)的管理（包括 OVF、Distributed Management Task Force [DTMF]、Common Information Model [CIM] 和 Virtualization Management Initiative [VMAN]）。Xen 管理?xiàng)ＶС?SLA 保障，以及具體的退款標(biāo)準(zhǔn)。

OpenQRM

倒數(shù)第二個(gè)解決方案是 OpenQRM，這是一種數(shù)據(jù)中心管理平臺(tái)。OpenQRM 提供了單個(gè)控制臺(tái)來管理整個(gè)虛擬化的數(shù)據(jù)中心，在架構(gòu)上它允許插入以便集成第三方工具。OpenQRM 集成了對(duì)高可用性（通過冗余）的支持，并支持各種各樣的虛擬管理程序，包括 KVM/Linux、Xen、VMware 和 Linux VServer。

OpenStack

目前，領(lǐng)先的 IaaS 解決方案稱為 OpenStack。OpenStack 于 2010 年 7 月發(fā)布，并且迅速成為標(biāo)準(zhǔn)開源 IaaS 解決方案。OpenStack 是兩種云計(jì)劃的組合，即 RackSpace Hosting (Cloud Files) 和 NASA 的 Nebula platform。OpenStack 是用 Python 語言開發(fā)的，并且在 Apache 許可下的開發(fā)活動(dòng)很活躍。

圖 4 展示了 OpenStack 作為一種模塊化架構(gòu)來管理一組計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)器。可通過三個(gè)主要組件來定義 OpenStack：Nova（表示計(jì)算端）、Swift（表示對(duì)象存儲(chǔ)）和 Glance（實(shí)現(xiàn)映像服務(wù)）。OpenStack 支持各種各樣的虛擬管理程序，包括 KVM、Linux Containers (LXC)、QEMU、UML、Xen 和 XenServer。OpenStack 現(xiàn)在促進(jìn)了云基礎(chǔ)架構(gòu)的開放標(biāo)準(zhǔn)，并且因此其采用率也在迅速增加。

圖 4. OpenStack 模塊化架構(gòu)
 

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嵌套的虛擬管理程序

虛擬化和開源中最有趣的發(fā)展之一就是能夠在一個(gè)虛擬管理程序上托管另一個(gè)虛擬管理程序（使用稱為嵌套 的概念）。想想 圖 1 中的內(nèi)容，典型的使用模型是：對(duì)于 guest 虛擬機(jī)，將虛擬管理程序作為物理平臺(tái)的抽象。通過嵌套，除了 guest 虛擬管理程序（參見圖 4），host 虛擬管理程序?yàn)檎麄€(gè)虛擬機(jī)提供了基本級(jí)別的抽象（一種典型用例）。

圖 5. 嵌套虛擬管理程序作為一種有用的抽象
 

雖然嵌套可能看似是一種很奇怪的使用模型，但可考慮將其應(yīng)用到云計(jì)算中。云通常需要多個(gè)虛擬機(jī)才能滿足其虛擬管理程序選擇的需求。但是如果該虛擬管理程序支持嵌套，那么用戶不僅可以提供其虛擬機(jī)，而且還能提供所選的 guest 虛擬管理程序。這也為用戶提供了額外的抽象，為云添加了可移植性（能夠輕松地在云提供商之間切換）。

目前 KVM 虛擬管理程序已支持嵌套的虛擬化。查看 參考資料 內(nèi)容，了解如何在 AMD 服務(wù)器上演示該功能。

結(jié)束語

對(duì)開源技術(shù)在云和虛擬化領(lǐng)域中的引導(dǎo)作用的介紹足以占據(jù)相當(dāng)大的篇幅，本文只對(duì)當(dāng)今流行、常見的一些解決方案作了簡短介紹。不管您是想要根據(jù)您自己的需要逐步構(gòu)建一個(gè)云，還是想要一個(gè)開箱即用的綜合解決方案，開源技術(shù)都能讓您如愿以償。有關(guān)這些解決方案以及其他解決方案的細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱接下來的 參考資料 部分。