服务云爆发

信息技术与信息化2014年第3期50软件工程*中国科学院成都文献情报中心四川成都610041云计算和开源都是当前信息技术发展的重要方向,开源软件的兴起加速了云计算时代的来临,云计算的发展也推动着开源软件的进步,使越来越多的企业和科研机构投身其中.
云计算的最终目的是实现灵活、自由的资源分配和使用,开源技术可以为云计算提供最强有力的支持.
特别是对于要求必须开放的公共云计算而言,开源软件的支撑更是必不可少.
从某种意义上而言,开源是云计算的灵魂,开源软件的兴起加速了云计算时代的来临,而云计算的发展也推动着开源软件的发展.
可以预见,开源云计算必将成为云计算发展的一个重要方向.
因此,本文对全球五个重要的云计算平台开源软件项目进行了介绍,比较分析它们的功能、架构,以展示当前云计算开源软件的发展趋势.
这些项目涉及云计算操作系统、基础设施即服务平台、网格基础设施、科学云计算等领域.
1OpenStackOpenStack最初是由网络主机托管服务商Rackspace和美国国家航空航天局(NASA)于2010年7月联合推出的一个开源云计算操作系统项目.
其最初的目的是为美国的航空航天机构提供可塑性较高的云客户端,目前已经发展成为一款独立的基础软件.
云计算平台典型开源软件项目对比研究ContrastiveResearchonTypicallyOpen-sourceSoftwareofCloudComputingPlatforms房俊民*张娟姜禾徐婧唐川FANGJun-minZHANGJuanJIANGHeXUJingTANGChuan摘要云计算和开源都是当前信息技术发展的重要方向,本文研究了全球五个重要的云计算平台开源软件的特点,对比分析了它们的共同点和不同之处.
关键词云计算开源软件构架组件AbstractCloudcomputingandOpen-sourcearethepopulartrends.
Thispaperresearchedvetypicallyopen-sourcesoftwaresandanalysedtheirsimilaritiesanddifferences.
KeywordCloudcomputingOpen-sourcesoftwareArchitectureModuledoi:10.
3969/j.
issn.
1672-9528.
2014.
03.
11OpenStack被视作云计算领域的Linux,云服务供应商、企业和政府机构均能利用免费、获Apache2.
0许可的Openstack软件创建可大规模扩展的云环境.
1.
1OpenStack具备多种优点[5]1.
1.
1可操控性与灵活性开源平台使用户无需再锁定专有的供应商,同时可以将模块化设计与传统或第三方技术集成来满足自身的业务需求.
1.
1.
2可扩展性借助可在千万亿次级(PB级)存储范围内大规模扩展的公共云,OpenStack已经在提供安全公共云和私有云基础设施的企业中实现了运行.
1.
1.
3开放的行业标准包括思科、Citrix、戴尔、Intel、微软等在内,全球超过12个国家的70多家领军企业已加入Openstack生态系统.
1.
1.
4开放性与兼容性OpenStack无需锁定专有供应商,支持获Apache许可的源码,这使其可以与数以千计的现有公共云和私有云兼容,实现云到云的无缝过渡.
1.
1.
5由全球领军IT厂商组成的OpenStack生态系统为在云内集成多种功能提供了支持例如,OpenStack支持hypervisor,包括ESX、Hyper-V、KVM、LXC、QEMU、UML、Xen和XenServer.
目前,参与OpenStack项目的企业和机构已超信息技术与信息化2014年第3期51软件工程过165家,如戴尔、微软、思科、惠普、Intel、Citrix、Akamai、NTT、韩国电信、雅虎、新浪等.
OpenStack作为一个整体来设计,每项组件服务需要协作来提供完整的基础设施即服务(IaaS),以实现大规模可扩展的云操作系统.
这种集成通过每项服务提供的公共API得以实现.
这些API也使每项服务之间可以互相使用,对云终端用户而言,这些API没有区别.
仪表板为其他OpenStack服务提供了一个web前端;计算组件负责将虚拟磁盘"映像"及相关元数据存储在映像服务中,也负责从中检索这些数据;映像服务可以将实际的虚拟磁盘文件存储在对象存储组件中;所有的服务最终需要获得身份识别组件的认证.
OpenStack的概念架构如图1所示[6],当然实际的逻辑架构远比概念架构复杂.
图1OpenStack的概念架构1.
2OpenStack各组件的功能1.
2.
1计算(OpenStackCompute)[7.
8]OpenStackCompute是专为大型虚拟机网络的配置和管理而设计的一种开源软件,它创建了一个可扩展的云计算平台.
为用户组织云提供所需的软件、控制面板和应用程序接口(API),包括运行虚拟机实例、管理网络,以及通过用户和项目来控制对云的访问.
1.
2.
2对象存储(OpenStackObjectStorage)[9]OpenStackObjectStorage是一种开源软件,它使用标准服务器集群创建充足、可扩展的对象存储,以达到存储海量(PB级)可访问数据的目的.
OpenStackObjectStorage不是一个文件系统或实时数据存储系统,而是一个面向永久性静态数据的长期存储系统,这些静态数据可被检索、利用和更新.
这种存储模式最适用的数据包括:虚拟机映像、照片存储、电邮存储和备份存档等.
1.
2.
3映像服务(OpenStackImageService)[10]OpenStackImageService为虚拟磁盘映像提供发现、注册和传送服务.
映像服务API服务器提供了一个标准的表述性状态转移(REST)接口,方便用户查询存储在各种后端存储器(包括OpenStack对象存储)的虚拟磁盘映像的信息.
1.
2.
4身份识别(OpenStackIdentity)在Essex之前,Openstack的各个核心项目如Nova、Swift等均使用各自独立的认证系统.
而Essex提供的身份识别服务Keystone为所有的OpenStack核心项目提供通用、统一的认证.
该技术为多种注册方式提供认证服务,例如用户名/密码注册、基于令牌(token)的注册,以及AWS式注册.
1.
2.
5仪表板(OpenStackDashboard)OpenStackDashboard使管理员和用户能通过自助服务门户访问和提供基于云的资源.
仪表板采用了可扩展设计,使第三方产品和服务可以很容易就实现即插即用.
2EucalyptusEucalyptus源自美国加州大学圣芭芭拉分校计算机科学系的一个研究项目——"虚拟网格应用开发软件项目"(VGrADS).
为了加速VGrADS和亚马逊Web服务(AmazonWebServices,AWS)的集成,项目研究人员开发了Eucalyptus作为本地云计算平台,并将其设计为可以同时支持多个API和虚拟环境[11].
Eucalyptus是全球部署范围最广的面向企业级开源私有(on-premise)基础设施即服务(IaaS)云的软件平台.
它采用开源途径,使用已有的基础设施创建了一个可扩展且安全的Web服务层,将计算、网络和存储提取出来,以提供和AWS兼容的高精度IaaS.
Eucalyptus兼容的AWS包括:亚马逊弹性计算云(EC2)、亚马逊弹性块存储(EBS)、亚马逊机器映像(AMI)、亚马逊简单存储服务(S3)、亚马逊身份和访问管理(IAM).
Eucalyptus利用现代化基础设施虚拟化软件创建了可以根据应用程序工作量动态扩展或缩减的弹性工具,能实现高效可扩展性、更高的可信度和对IT即服务的控制.
参与Eucalyptus项目的合作伙伴包括AmazonWebServices、戴尔、惠普、Intel、NetApp、Redhat、Ubuntu、Vmware、APEXCNS、CloudBerryLab等多家企业和机构.
Eucalyptus的主要优势包括[12]:(1)可以使用现有基础设施或专用的计算、网络、存储资源来创建并管理自助服务异构私有IaaS云,无需修改自身的开源软件组件;信息技术与信息化2014年第3期52软件工程(2)为最严格的云部署提供高度可用的IaaS支持;(3)通过具备资源配额的企业级用户和小组身份管理,实现对私有云资源的精确控制;(4)动态、弹性的资源池允许机构扩展和缩减虚拟的计算、网络和存储资源;(5)利用强大的存储集成,可以轻易连接和管理Eucalyptus云内的现有存储系统;(6)在私有Eucalyptus云、AWS和兼容AWS的公共云之间创建混合云;(7)利用充满活力的AWS生态系统与管理工具来管理EucalyptusIaaS云.
Eucalyptus云平台的架构:图2Eucalyptus的架构[31]Eucalyptus的架构如图2所示[13].
在逻辑上,EucalyptusIaaS包括5个组件:云控制器(CloudController,CLC)、集群控制器(ClusterController,CC)、节点控制器(NodeController,NC)、存储控制器(StorageController,SC)和Walrus存储控制器,这些组件相互协作共同提供所需的云服务.
云控制器是主要的控制器组件,负责管理整个系统.
它是所有用户和管理员进入Eucalyptus云的主要入口.
所有客户机通过基于SOAP或REST的API只与CLC通信,由CLC负责将请求传递给正确的组件、并将来自组件的响应发送回该客户机.
CLC是Eucalyptus云的对外"窗口".
集群控制器组件负责管理整个虚拟实例网络.
CC维护有关运行在系统内的节点控制器的全部信息,并负责控制这些实例的生命周期.
节点控制器控制主机操作系统及相应的hypervisor.
必须在托管了实际的虚拟实例(根据来自CC的请求实例化)的每个机器上运行NC的一个实例.
Walrus存储控制器组件管理对Eucalyptus内的存储服务的访问.
请求通过基于SOAP或REST的接口传递至Walrus.
存储控制器(SC)实现Amazon的S3接口.
SC与Walrus联合工作,用于存储和访问虚拟机映像、内核映像、RAM磁盘映像和用户数据.
Eucalyptus目前的最新版本是Eucalyptus3,除了延续之前Eucalyptus2能与亚马逊AWS接口兼容、本地块存储抽象、用户组和基于职责的访问管理等特性外,还新增了面向Eucalyptus组件的高可用性、身份访问管理、轻型目录访问协议(LDAP)与活动目录的集成、增强的审计与报道支持、资源政策与配额、映像管理等特性[14].
3OpenNebulaOpenNebula开源项目旨在开发用于数据中心虚拟化的开源行业标准,为全面管理虚拟化的数据中心提供功能丰富、灵活的解决方案,以实现私有(on-premise)IaaS云.
OpenNebula最初是马德里大学分布式系统架构研究组于2005年启动的一个研究项目,并于2008年3月公开发布了第一版软件.
OpenNebula主要被当作一种虚拟化工具使用,用于管理数据中心或集群中的虚拟化基础设施,通常被视为私有云.
OpenNebula也可以支持混合云,整合本地基础设施与公共云基础设施,实现高度可扩展的托管环境.
此外,OpenNebula还可以通过提供云接口为公共云提供支持[15.
16].
OpenNebula是企业级产品,具备完全开源、可互操作、可扩展、可集成、可修改、易于使用和稳定等特性.
OpenNebula的内部架构主要分为三层:工具层、内核层和驱动层(图3)[17].
图3OpenNebula内部架构内核层(Core)是最关键的部分,主要负责虚拟机的部署、监控和迁移等,包含了一套用于监控虚拟机、虚拟网络、存储和主机的组件.
工具层(Tools)主要利用内核层提供的接口开发各种管理工具.
这些工具包括命令行界面(CommandLineInterface,CLI)、任务调度程序、libvirtAPI实现,以及能使用XML-RPC接口或新的OpenNebula云接口轻易创建的第三方工具等.
信息技术与信息化2014年第3期53软件工程驱动层(Drivers)使不同的虚拟、存储和监控技术与云服务实现了在内核层的即插即用.
OpenNebula有一套可与特定中间件(如虚拟hypervisor、云服务、文件传输机制或信息服务)交互的即插型模块,它们被称为Drivers.
OpenNebula主要用来在物理资源池上部署、监控和管理虚拟机的运行.
其假设用户的物理基础设施采用了经典的集群架构,具备一个前端和一套可供虚拟机运行的主机,而且至少有一个物理网络将所有的主机与前端连接起来.
OpenNebula系统的基本组件包括:前端(Front-end)、主机(Hosts)、数据存储(Datastores)、服务网络(ServiceNetwork)和虚拟机网络(VMNetworks)[18](图4).
图4OpenNebula系统组成最新版的OpenNebula3.
4具备若干关键功能[19],包括:强大的用户安全管理;先进的多租户与群组管理功能;按需部署虚拟化数据中心;针对虚拟基础设施的高级控制与监控功能;完整的虚拟机配置;先进的物理基础设施控制和监控功能;为广泛的商品与企业平台提供支持;分布式资源优化;实现多个区域的集中式管理;具备混合云计算与云爆发功能;具备面向云用户的标准云接口和简单的自助服务门户;面向云管理员的丰富的命令行与Web界面;易于扩展与集成,具备高可用性、可靠性、高效和大规模可扩展性等.
OpenNebula是企业级的解决方案,被科研界和产业界广泛用于创建和管理云与虚拟化数据中心.
它同时还是一个面向创新的强大的开放平台,被许多国际性项目用于研究企业云和数据中心管理面临的挑战.
4NimbusNimbus是基于网格中间件Globus的云计算开源系统,从最早的虚拟工作区服务(VirtualWorkspaceService)演化而来,提供与EC2类似的功能和接口.
Nimbus是一套开源的工具集,这些工具集共同提供了一种基础设施即服务(IaaS)的云计算解决方案.
Nimbus云的主要研究目标是针对科学计算的需求,但是同样也支持非科学计算的应用.
Nimbus开源云的重心是为科研团体提供IaaS能力,为此Nimbus设置了三大主要目标[20]:(1)允许资源提供商创建私有或团体IaaS云.
Nimbus工作区服务提供计算云的实施,允许用户以在计算资源上部署虚拟机的形式租用这些资源.
(2)允许用户使用IaaS云.
(3)允许开发商扩展、实验和定制IaaS.
Nimbus主要具备如下特点:具有三套远程接口:AmazonEC2WSDLs接口、AmazonEC2QueryAPI、网格社区的WSRF接口;实现了Amazon简单存储服务S3RESTAPI接口;基于Xen和KVM的虚拟化的实现;可以使用作业调度器PBS或者SGE去调度虚拟机;一键启动自己配置的虚拟集群;定义了一个可扩展的架构,允许Nimbus云用户按照项目的需求定制相关的软件等.
Nimbus云的整体架构如图5所示.
Nimbus的架构设计和OpenNebula非常相像,用户通过浏览器界面访问Nimbus服务,管理节点通过SSH和libvirt调用计算节点上的Xen或者KVM命令.
不同的地方主要有两个,一个是通过DHCP服务器为虚拟机分配IP,另一个是使用了Cumulus云存储服务[21].
图5Nimbus整体架构图Nimbus云平台包含了可自由组合的多个组件,它们通过协作实现IaaS云服务.
Nimbus的主要组件有:(1)工作区服务(WorkspaceService):工作区服务是一个独立的虚拟机管理器,前端可以调用远程协议.
(2)WSRF前端(WSRFfrontend):这是一个工作区服务和Nimbus客户端(包括Cloud-client在内)一直以来都在调用的协议的实现.
(3)EC2前端(EC2frontend):通过它可以使用在真实的EC2云系统下开发的客户端程序对Nimbus信息技术与信息化2014年第3期54软件工程云系统进行调用.
(4)资源管理接口(RMAPI):是连接远程协议、远程安全和节点资源管理的桥梁.
(5)云客户端(Cloud-client):主要作用是注册用户并为用户提供管理虚拟机实例以及管理虚拟集群等功能.
(6)相关客户端(referenceclient):它将WSRF协议的全部特性作为功能以命令行的方式发布出来以供调用.
(7)工作区导航(WorkspacePilot):是整合配置到作业管理系统中(使用了例如PBS的批量作业管理器)的虚拟机.
(8)工作区控制器(Workspace-control):是在虚拟机管理器(VMM)上实现虚拟机管理和网络管理程序的组件.
(9)语境经纪人(ContextBroker):云客户端可以借此自动并且可重复地管理虚拟集群的启动.
(10)语境代理(ContextAgent):在虚拟集群的组织上,每个虚拟机需要安装语境代理与VMM节点上的语境经纪人进行交互,从而通过语境经纪人对虚拟集群中的每个虚拟机进行协调管理.
5RESERVOIR由欧盟第七框架计划(FP7)资助的"无障碍资源与服务虚拟化"(ResourcesandServicesVirtualizationwithoutBarriers,RESERVOIR)项目是欧盟的一个开源云计算旗舰项目.
该项目计划开发可以作为IaaS云的突破性系统与服务技术,实现复杂IT服务在不同管理域、IT平台和地域的大规模部署与管理.
RESERVOIR项目正在将虚拟化提升至一个新的高度,其目的是使资源能跨地域和管理域进行有效的迁移,最大程度地发掘资源的潜能并尽可能降低使用成本.
参与项目的联盟成员来自产业界和学术界,并由IBM位于以色列的海法研究实验室负责协调该联盟的工作[22].
RESERVOIR项目扩展、融合和集成了虚拟化、网格计算与业务服务管理(BSM)三大核心技术,旨在通过利用这些技术的优势互补实现无处不在的效用计算[23].
为满足服务导向,基础设施与服务的分离,开放/标准化规范的使用,独立的虚拟技术,对私有/公共/混合云站点联盟的支持,增强的安全与隔离,效用计算业务模式的使用等新需求,RESERVOIR为下一代IaaS云定义了一个参考架构(图6),该架构由三层组件构成[24].
5.
1服务管理器(ServiceManager,SM)服务管理器负责根据服务等级协议(SLA)和业务规则保护技术实现服务应用程序的实例化(控制服务生命周期)并且动态地向底层(即虚拟执行环境管理器)请求虚拟资源,尽量避免资源提供过度或不足,并避免超支.
服务管理器接口(SMI)允许服务提供商使用基于开放虚拟格式的服务清单来控制服务供应的生命周期,服务清单中申明了服务组件、服务需求、服务的QoS以及业务要素.
RESERVOIR服务管理器的核心组件是Telefonica公司开发的Claudia.
5.
2虚拟执行环境管理器(VirtualExecutionEnvironmentManager,VEEM)虚拟执行环境管理器负责将虚拟执行环境(VEE,是虚拟机概念的一个泛化)放置到VEE主机(hypervisor或Java虚拟机容器管理器概念的泛化).
虚拟执行环境管理器提供了VEEM接口(VMI)给服务管理器,并且基于许多部署指令来发现包含服务组件最合适的VEE.
OpenNebula是RESERVOIRVEEM的核心组件.
5.
3虚拟执行环境主机(VirtualExecutionEnvironmentHost,VEEH)虚拟执行环境主机代表了能够托管某种VEE(例如,一台具备hypervisor的物理机,或者一台Java虚拟服务容器)的虚拟化的资源.
VEEH也负责将虚拟网络管理、映像存储、映像实时迁移等必要的功能添加到虚拟化平台.
VEEH提供基于libvirt扩展的VEEH接口(VHI)给VEEM来管理VEE.
RESERVOIR通过OpenNebula集成了KVMhypervisor.
OpenNebula也支持Xen和VMWare驱动.
RESERVOIR开发的关键技术包括:.
能够在多个网络和存储边界间进行虚拟机和虚拟JAVA服务容器的移植;.
在支持私有、公共和混合云架构的站点间实现虚拟基础设施的分布式管理;.
符合SLA要求的资源配置算法;.
创建一种正式的服务定义语言,以支持在RESERVOIR站点间进行服务的部署和生命周期管理;.
针对在多台物理机和多个RESERVOIR站点间进行虚拟机的安全部署和重定位建立安全机制;.
针对跨一个或多个RESERVOIR站点使用资源的信息技术与信息化2014年第3期55软件工程情况,开发一个业务信息模型及业务导向的支付和记账机制,以收取相应的资源使用费;.
开发测试床,以测试RESERVOIR环境下实际产业用例的基准性能;.
实现面向服务提供和动态伸缩的自动化服务生命周期管理.
图6RESERVOIR的架构6五个云计算平台开源软件项目比较本节从项目目标、参与机构、功能与特性、组件与构架、用户群体定位等方面对上述六个代表性的云计算开源项目进行了比较分析.
6.
1目标OpenStack的开发目的是用作开源云计算操作系统,致力于为公共云和私有云开发泛在的开源云计算平台.
Eucalyptus的发展目标是在全球部署范围最广的面向企业级开源私有IaaS云的软件平台.
OpenNebula旨在开发用于数据中心虚拟化的开源行业标准,通常被视为私有云,也可以支持混合云和公共云.
Nimbus则是基于网格中间件Globus的云计算开源系统,主要用于满足科学计算的需求.
RESERVOIR旨在开发可以作为IaaS云的突破性系统与服务技术,实现复杂IT服务在不同管理域、IT平台和地域的大规模部署与管理.
6.
2主要参与机构OpenStack最初由Rackspace公司和美国国家航空航天局于2010年7月联合推出,目前参与企业和机构已超过165家.
参与Eucalyptus项目的有亚马逊AWS、惠普、Intel、NetApp、Redhat、Ubuntu、Vmware等多家企业和机构.
OpenNebula项目最初是马德里大学于2005年启动的一个研究项目,目前由C12G实验室负责管理.
RESERVOIR系由欧盟第七框架计划资助,项目成员来自产业界和学术界,由IBM位于以色列的海法研究实验室负责协调.
6.
3功能与特性OpenStack的特点在于其具有方便的可操控性、可扩展性、开放性、兼容性和灵活性,支持多家厂商开发的hypervisor.
Eucalyptus则提供自助服务用户门户、高可用的云IaaS、异构hypervisor管理、多种机器映像格式管理、高性能存储局域网利用等多种功能.
OpenNebula具备完全开源、可互操作、可扩展、可集成、可修改、易于使用和稳定等特性,且完全根据用户对功能的需求来进行开发.
Nimbus具有三套远程接口,基于Xen和KVM的虚拟化实现,一键启动自己配置的虚拟集群,并定义了一个可扩展的架构.
RESERVOIR扩展、融合和集成了虚拟化、网格计算与业务服务管理三大核心技术,此外还开发和改进了Claudia、OpenNebula、KVM等一系列开源延伸技术和其他一些项目.
6.
4组件与架构OpenStack由计算、对象存储、映像服务、身份识别和仪表板五大核心组件,部分OpenStack社区项目也扩展了核心组件的功能和可用性.
Eucalyptus由云控制器、集群控制器、节点控制器、存储控制器和Walrus存储控制器5个组件组成,它们相互协作共同提供所需的云服务.
OpenNebula内部架构主要分为三层:内核层、工具层和驱动层,整个系统的基本组件包括:前端、主机、数据存储、服务网络和虚拟机网络.
Nimbus由同一网络下的物理集群、Nimbus工具集以及其他一些工具软件共同组成.
Nimbus云包括提供NimbusIaaS和Cumulus云存储服务的服务节点以及提供了虚拟化资源的虚拟机管理节点.
RESERVOIR为下一代IaaS云定义了一个参考架构,该架构包括服务管理器、虚拟执行环境管理器和虚拟执行环境主机三层组件.
6.
5用户群体从目标用户群体的定位来看,OpenStack针对的主要是学术科研界、政府和企业.
Eucalyptus主要针对的是企业、政府和学术界用户.
OpenNebula的目标用户定位于企业、政府、科研机构和国际项目.
这五种开源软件均可用作重要的基础设施来对待.
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(收稿日期:2014-04-18)