云計(jì)算的開放架構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著技術(shù)的發(fā)展和各行業(yè)對(duì)云概念理解的深入，云開始在各個(gè)層面和各個(gè)領(lǐng)域蔓延。它已經(jīng)變成一種思路、一種潮流，如云計(jì)算、云服務(wù)、云安全等。它們可以使計(jì)算能力、服務(wù)、運(yùn)營(yíng)能力及安全能力通過(guò)一個(gè)平臺(tái)集中提供并控制，并讓其成為千千萬(wàn)萬(wàn)的企業(yè)和個(gè)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(tái)的提供，它可以使云透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通用管道，服務(wù)于普通百姓人家?？梢哉f(shuō)，使用云能力的門檻越低、越便利，使用范圍才能越來(lái)越廣。云計(jì)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(jì)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(wèn)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(gè)、競(jìng)爭(zhēng)性的、不兼容的實(shí)現(xiàn)所帶來(lái)的問(wèn)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(duì)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(shí)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(tái)，能夠支持多種底層虛擬化環(huán)境，如圖1所示。它未來(lái)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(cè)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(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。虛擬化平臺(tái)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(dòng)態(tài)調(diào)度虛擬機(jī)。業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過(guò)開放的接口調(diào)用，就能夠?qū)崿F(xiàn)更加廣義的自動(dòng)化業(yè)務(wù)彈性可擴(kuò)展解決方案。

　　1.2 存儲(chǔ)能力開放

　　存儲(chǔ)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(chǔ)主要有3種訪問(wèn)方式：文件存儲(chǔ)、對(duì)象存儲(chǔ)以及塊存儲(chǔ)。塊存儲(chǔ)與文件存儲(chǔ)面向底層接口，一般來(lái)說(shuō)對(duì)應(yīng)用透明；對(duì)象存儲(chǔ)屬于應(yīng)用層之上的軟接口［1］。

　　從文件系統(tǒng)的角度來(lái)看，云計(jì)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(duì)硬件設(shè)施的要求較高，往往需要存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)自身提供數(shù)據(jù)可靠性的保證。這類文件系統(tǒng)通常會(huì)在操作系統(tǒng)核心提供開放接口供文件訪問(wèn)。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(jià)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(shí)現(xiàn)方式，分布式文件系統(tǒng)都需要提供可靠性存儲(chǔ)及可供應(yīng)用訪問(wèn)的接口。核心域?qū)崿F(xiàn)的存儲(chǔ)開放方式主要是在操作系統(tǒng)內(nèi)核層面通過(guò)專用驅(qū)動(dòng)實(shí)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(duì)應(yīng)用開放。用戶域的存儲(chǔ)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(jí)，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(diǎn)，如接口對(duì)應(yīng)用有侵入性。如果遷移到其他存儲(chǔ)系統(tǒng)將需要重新編譯相關(guān)應(yīng)用。

　　對(duì)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(shí)并未考慮到分布式問(wèn)題，所以接口本身的分布式需要重點(diǎn)解決，即接口本身如何尋址、容錯(cuò)、負(fù)載均衡等。同時(shí)需要重點(diǎn)解決多文件共享訪問(wèn)的讀寫鎖問(wèn)題。

　　中興通訊分布式文件系統(tǒng)對(duì)于通用接口方式采用動(dòng)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(cuò)問(wèn)題，并且通過(guò)服務(wù)端增加額外一層接口層實(shí)現(xiàn)了根據(jù)能力的負(fù)載均衡技術(shù)。

　　1.3 對(duì)象存儲(chǔ)技術(shù)

　　直接開放文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)方式比較適合私有云的構(gòu)建，對(duì)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。互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展對(duì)存儲(chǔ)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(chǎng)上沒(méi)有一種解決方案可以滿足所有這些要求。對(duì)于快速升級(jí)的存儲(chǔ)需求，基于對(duì)象存儲(chǔ)（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(wèn)的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)（SAN）和安全、良好跨平臺(tái)共享數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)附屬存儲(chǔ)（NAS）的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)象存儲(chǔ)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(duì)象存儲(chǔ)的具體特點(diǎn)如圖2所示。下一代互聯(lián)網(wǎng)和PB級(jí)存儲(chǔ)大規(guī)模部署迫切地期待基于對(duì)象存儲(chǔ)技術(shù)的成熟和大規(guī)模應(yīng)用。對(duì)象存儲(chǔ)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(duì)象的唯一性，面向分布式系統(tǒng)時(shí)一般會(huì)劃分對(duì)象組，確保在不同對(duì)象組內(nèi)對(duì)象具有唯一性。

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

　　對(duì)象ID是訪問(wèn)該對(duì)象的唯一標(biāo)志（每個(gè)OSD設(shè)備唯一）。

　　圖3所示的是OSD安全模型，它是一個(gè)基于證書的訪問(wèn)控制系統(tǒng)，由4個(gè)實(shí)體組成：應(yīng)用客戶端、安全服務(wù)、策略/存儲(chǔ)管理者及對(duì)象服務(wù)。

　　對(duì)象存儲(chǔ)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(jiǎn)單存儲(chǔ)服務(wù)（S3）面向各種應(yīng)用提供了面向?qū)ο蟮腟3。

　　對(duì)象存儲(chǔ)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(zhǎng)鏈接的定制化客戶端接入則比較容易做到高效訪問(wèn)。

　　中興通訊開發(fā)的分布式鍵值訪問(wèn)系統(tǒng)就屬于典型的對(duì)象存儲(chǔ)方式。它將數(shù)據(jù)區(qū)劃分為不同的桶，每個(gè)桶內(nèi)的對(duì)象對(duì)應(yīng)唯一的鍵。通過(guò)鍵信息，可以獲取對(duì)應(yīng)的訪問(wèn)權(quán)限驗(yàn)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(gè)系統(tǒng)搭建成無(wú)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(dòng)分布與備份。系統(tǒng)為提高性能，同時(shí)支持了持久化存儲(chǔ)與非持久化存儲(chǔ)機(jī)制。

　　1.4 塊存儲(chǔ)能力開放

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

　　在云計(jì)算中提供塊存儲(chǔ)能力對(duì)于虛擬機(jī)與存儲(chǔ)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合有著其他存儲(chǔ)方式無(wú)法替代的作用［2］。因?yàn)楹芏鄳?yīng)用軟件并沒(méi)有按照云存儲(chǔ)形式進(jìn)行改造或優(yōu)化，例如大部分的數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǔ)能力必不可少。

　　塊存儲(chǔ)的一個(gè)問(wèn)題是安全性較差。因并非直接對(duì)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(duì)于存儲(chǔ)的內(nèi)容往往沒(méi)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(shí)現(xiàn)了分布式的塊存儲(chǔ)訪問(wèn)模式。通過(guò)塊存儲(chǔ)，能夠?qū)⒍嗯_(tái)機(jī)器上的物理存儲(chǔ)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(chǔ)設(shè)備還可以很好地利用淘汰下來(lái)的舊存儲(chǔ)設(shè)備，通過(guò)存儲(chǔ)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(guò)存儲(chǔ)虛擬化層整合各種物理存儲(chǔ)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(chǔ)接口，并將多個(gè)切片后的小塊存儲(chǔ)區(qū)域通過(guò)存儲(chǔ)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(gè)小的切片都會(huì)由接口將客戶機(jī)的塊訪問(wèn)請(qǐng)求直接映射成為物理機(jī)的塊訪問(wèn)請(qǐng)求。