云計算的開放架構(gòu)設(shè)計

隨著技術(shù)的發(fā)展和各行業(yè)對云概念理解的深入，云開始在各個層面和各個領(lǐng)域蔓延。它已經(jīng)變成一種思路、一種潮流，如云計算、云服務(wù)、云安全等。它們可以使計算能力、服務(wù)、運(yùn)營能力及安全能力通過一個平臺集中提供并控制，并讓其成為千千萬萬的企業(yè)和個人可以隨需索取的東西。

　　如何讓云深入人們的生活？其中的關(guān)鍵在于開放平臺的提供，它可以使云透過標(biāo)準(zhǔn)通用管道，服務(wù)于普通百姓人家?？梢哉f，使用云能力的門檻越低、越便利，使用范圍才能越來越廣。云計算的能力開放，不僅方便最終使用者，更是受益第三方企業(yè)，他們能利用開放的接口和服務(wù)， 提供超出云計算本身能力的服務(wù)。

　　1 IaaS能力開放架構(gòu)

　　1.1 虛擬化能力開放

　　目前業(yè)界已有很多廠商可以提供虛擬化解決方案，如VMWare、 Microsoft、Citrix以及基于開源的Xen/KVM等。各種虛擬化解決方案各有特色，但目前面臨的最大問題是：不論是生成的虛擬化文件，還是虛擬化的管理都各自為政、互不兼容。

　　當(dāng)前的形式迫切需要一種標(biāo)準(zhǔn)，能向所有參與者提供虛擬化應(yīng)用的方法，并且減少多個、競爭性的、不兼容的實現(xiàn)所帶來的問題。目前，分布管理任務(wù)組織已開始使用開放式虛擬機(jī)（OVF）格式。OVF支持多虛擬化映像格式，對于任何監(jiān)管程序的虛擬機(jī)都可以使用它引導(dǎo)程序并加載。另外，OVF引導(dǎo)程序是基于數(shù)字簽名的，確保了免費(fèi)發(fā)布和用戶的利益。

　　虛擬化最主要的參與廠商，像Dell、HP、IBM、微軟、VMware以及Citrix都加入了OVF，后幾者的加入表明虛擬化廠商參與的重要性，同時也增強(qiáng)了標(biāo)準(zhǔn)被廣泛采納的可能性。

　　中興通訊公司在虛擬化的統(tǒng)一管理方面提供了開放的管理平臺，能夠支持多種底層虛擬化環(huán)境，如圖1所示。它未來也將可以支持OVF， 并能提供用戶側(cè)的監(jiān)控與網(wǎng)管，自由創(chuàng)建、銷毀、遷移及監(jiān)測各虛擬機(jī)及上層應(yīng)用的狀態(tài)。由于虛擬機(jī)調(diào)度可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及負(fù)荷平衡設(shè)備的變化，因此將對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也實現(xiàn)統(tǒng)一管理。虛擬化平臺向應(yīng)用層提供可信的虛擬化開放接口，可以讓應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)自身需求，動態(tài)調(diào)度虛擬機(jī)。業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過開放的接口調(diào)用，就能夠?qū)崿F(xiàn)更加廣義的自動化業(yè)務(wù)彈性可擴(kuò)展解決方案。

　　1.2 存儲能力開放

　　存儲能力是最基本的能力之一，也是所有數(shù)據(jù)能夠被處理的基礎(chǔ)。目前的數(shù)據(jù)存儲主要有3種訪問方式：文件存儲、對象存儲以及塊存儲。塊存儲與文件存儲面向底層接口，一般來說對應(yīng)用透明；對象存儲屬于應(yīng)用層之上的軟接口［1］。

　　從文件系統(tǒng)的角度來看，云計算主要面向的是分布式文件系統(tǒng)，它是云基礎(chǔ)架構(gòu)中最核心的元素，目前比較著名的有RedHat GFS、IBM 的GPFS及SUN的Luster。這些分布式文件系統(tǒng)對硬件設(shè)施的要求較高，往往需要存儲節(jié)點自身提供數(shù)據(jù)可靠性的保證。這類文件系統(tǒng)通常會在操作系統(tǒng)核心提供開放接口供文件訪問。另外一類是類似Google GFS產(chǎn)品，如開源的HDFS、KFS、阿里巴巴的盤古文件系統(tǒng)等，此類產(chǎn)品使用廉價商用機(jī)器搭建分布式文件系統(tǒng)，并在用戶態(tài)提供開放接口。

　　不論何種內(nèi)部實現(xiàn)方式，分布式文件系統(tǒng)都需要提供可靠性存儲及可供應(yīng)用訪問的接口。核心域?qū)崿F(xiàn)的存儲開放方式主要是在操作系統(tǒng)內(nèi)核層面通過專用驅(qū)動實現(xiàn)裸設(shè)備的暴露，操作系統(tǒng)使用通用的文件系統(tǒng)如Ext3對應(yīng)用開放。用戶域的存儲開放方式是Posix接口或?qū)Ｓ玫乃接袇f(xié)議接口。使用用戶態(tài)開放接口有如下好處：

　　在用戶態(tài)文件系統(tǒng)與操作系統(tǒng)松耦合，便于單獨(dú)升級，穩(wěn)定性好。

　　減少操作系統(tǒng)導(dǎo)致的底層交互次數(shù)，降低復(fù)雜度，提高效率。

　　接口更豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的優(yōu)化。

　　安全性更好控制。

　　當(dāng)然，用戶態(tài)開放也有缺點，如接口對應(yīng)用有侵入性。如果遷移到其他存儲系統(tǒng)將需要重新編譯相關(guān)應(yīng)用。

　　對應(yīng)用戶態(tài)開放的是通用接口方式，如網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）、文件傳輸協(xié)議（FTP）等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。由于這些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議制訂時并未考慮到分布式問題，所以接口本身的分布式需要重點解決，即接口本身如何尋址、容錯、負(fù)載均衡等。同時需要重點解決多文件共享訪問的讀寫鎖問題。

　　中興通訊分布式文件系統(tǒng)對于通用接口方式采用動態(tài)域名系統(tǒng)（DNS）結(jié)合接口IP虛擬化技術(shù)，較好地解決尋址及容錯問題，并且通過服務(wù)端增加額外一層接口層實現(xiàn)了根據(jù)能力的負(fù)載均衡技術(shù)。

　　1.3 對象存儲技術(shù)

　　直接開放文件系統(tǒng)的存儲方式比較適合私有云的構(gòu)建，對于面向公眾服務(wù)的公有云服務(wù)，我們期望能夠和WEB協(xié)議（HTTP）兼容?；ヂ?lián)網(wǎng)的快速發(fā)展對存儲系統(tǒng)的容量、性能和功能提出了巨大挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為大容量、高性能、可擴(kuò)展性、可共享性、自適應(yīng)性、可管理性，以及高可靠性和可用性，目前市場上沒有一種解決方案可以滿足所有這些要求。對于快速升級的存儲需求，基于對象存儲（OBS）技術(shù)是一種非常有前景的解決方法，它融合了高速可直接訪問的存儲網(wǎng)絡(luò)（SAN）和安全、良好跨平臺共享數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)附屬存儲（NAS）的優(yōu)點。通過對象存儲可以很好地屏蔽底層協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對象存儲的具體特點如圖2所示。下一代互聯(lián)網(wǎng)和PB級存儲大規(guī)模部署迫切地期待基于對象存儲技術(shù)的成熟和大規(guī)模應(yīng)用。對象存儲設(shè)備（OSD） 可以基于獨(dú)立的設(shè)備（如OSD硬盤），也可以在分布式系統(tǒng)上構(gòu)建。為保證對象的唯一性，面向分布式系統(tǒng)時一般會劃分對象組，確保在不同對象組內(nèi)對象具有唯一性。

　　對象設(shè)備內(nèi)部管理元數(shù)據(jù)（空間管理）。

　　對象ID是訪問該對象的唯一標(biāo)志（每個OSD設(shè)備唯一）。

　　圖3所示的是OSD安全模型，它是一個基于證書的訪問控制系統(tǒng)，由4個實體組成：應(yīng)用客戶端、安全服務(wù)、策略/存儲管理者及對象服務(wù)。

　　對象存儲一般都要包含如下操作：讀、寫、列表、刪除、獲取元數(shù)據(jù)，例如Amazon 簡單存儲服務(wù)（S3）面向各種應(yīng)用提供了面向?qū)ο蟮腟3。

　　對象存儲主要是面向應(yīng)用開放，目前各種系統(tǒng)接口尚未完全統(tǒng)一。提供WebService或RESTful的接口比較便于應(yīng)用的透明接入，但提供基于長鏈接的定制化客戶端接入則比較容易做到高效訪問。

　　中興通訊開發(fā)的分布式鍵值訪問系統(tǒng)就屬于典型的對象存儲方式。它將數(shù)據(jù)區(qū)劃分為不同的桶，每個桶內(nèi)的對象對應(yīng)唯一的鍵。通過鍵信息，可以獲取對應(yīng)的訪問權(quán)限驗證元數(shù)據(jù)信息和值信息。為了保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，整個系統(tǒng)搭建成無主網(wǎng)絡(luò)，并且可以做到元數(shù)據(jù)信息以及鍵值信息的自動分布與備份。系統(tǒng)為提高性能，同時支持了持久化存儲與非持久化存儲機(jī)制。

　　1.4 塊存儲能力開放

　　塊存儲將存儲區(qū)域劃分成固定大小的小塊，是傳統(tǒng)裸存儲設(shè)備的存儲空間對外暴露方式，如圖4所示。傳統(tǒng)設(shè)備的塊存儲面向的是單一的物理設(shè)備，而到了云計算環(huán)境，塊存儲設(shè)備也將面臨分布式環(huán)境。

　　在云計算中提供塊存儲能力對于虛擬機(jī)與存儲系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合有著其他存儲方式無法替代的作用［2］。因為很多應(yīng)用軟件并沒有按照云存儲形式進(jìn)行改造或優(yōu)化，例如大部分的數(shù)據(jù)庫軟件。如果想要在虛擬機(jī)中有效地部署并使用這些應(yīng)用，提供塊存儲能力必不可少。

　　塊存儲的一個問題是安全性較差。因并非直接對應(yīng)用暴露接口，而是面向操作系統(tǒng)暴露底層設(shè)備，因此對于存儲的內(nèi)容往往沒有較好的辦法進(jìn)行控制。

　　中興通訊配合虛擬機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)了分布式的塊存儲訪問模式。通過塊存儲，能夠?qū)⒍嗯_機(jī)器上的物理存儲設(shè)備虛擬化，并且重新切分，分配給需要使用的虛擬機(jī)。使用塊存儲設(shè)備還可以很好地利用淘汰下來的舊存儲設(shè)備，通過存儲虛擬化接口層，將不同的物理底層設(shè)備接口進(jìn)行屏蔽［3-4］。

　　通過存儲虛擬化層整合各種物理存儲設(shè)備，并將它的內(nèi)空間按固定的大小統(tǒng)一切片。然后向客戶端提供塊存儲接口，并將多個切片后的小塊存儲區(qū)域通過存儲虛擬化層統(tǒng)一調(diào)度并組成客戶所需要的卷大小，如圖5所示。每個小的切片都會由接口將客戶機(jī)的塊訪問請求直接映射成為物理機(jī)的塊訪問請求。