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（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)測各虛擬機及上層應(yīng)用的狀態(tài)。由于虛擬機調(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。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與存儲系統(tǒng)的有機結(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。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的塊訪問請求直接映射成為物理機的塊訪問請求。