剖析开源云和基础架构技术

核心开源技术

Linux 领域经历着以虚拟化、管理和大规模云软件包集成的虚拟基础架构为中心的开发浪潮。在这里，我们先来看一下在单个节点级别上的开源，然后再研究此基础架构。

虚拟管理程序

虚拟管理程序是云在节点级别的基础。尽管虚拟化不是必需的，但它在提供可伸缩的和功耗合理的架构方面的能力是勿庸置疑的。目前有很多开源虚拟化解决方案，其中有两个解决方案很关键，它们可以将 Linux 操作系统转化为虚拟管理程序，这两个解决方案分别为 Linux Kernel Virtual Machine (KVM) 和 Lguest。KVM 是虚拟管理程序的正式解决方案，被部署到生产环境中。Lguest 是一个只能运行 Linux VM 的以 Linux 为中心的解决方案，但将它集成到内核就可以得到更广泛的应用。由于其性能优势，Xen 虚拟管理程序也被广泛用于公共和私有 IaaS 解决方案中。

除了将 Linux 转换为虚拟管理程序外，还有其他一些以 guest VM 为中心的解决方案。User-Mode Linux (UML) 则是另一种方式，它能修改 guest Linux 内核使其运行在另一个 Linux 操作系统上（无虚拟管理程序扩展）。因为许多用户都希望运行一个未被修改的内核，所以完整的虚拟化解决方案（比如 KVM）更受欢迎。

UML 方法也很受欢迎，但它需要虚拟硬件（比如控制台、虚拟硬盘和网络）。

设备仿真

虚拟管理程序提供了与多个操作系统共享 CPU 的途径（CPU 虚拟化），但是为了提供完整的虚拟化，整个环境都必须针对这些 VM 进行虚拟化。机器（或平台）仿真可以以几种方式实现，其中有一种流行的开源包可支持许多虚拟管理程序，被称作 QEMU。QEMU 是一个完全的仿真器和虚拟管理程序。但是 KVM 只将 QEMU 用于设备仿真，作为用户空间内的一个多带带过程（参见 图 1）。QEMU 的一个有趣特性是因它提供了磁盘仿真（通过 QCOW 格式），QEMU 还提供了其他一些高级特性，比如快照和实时 VM 迁移。

自内核 2.6.25 后，KVM 使用 virtio 作为一种优化 I/O 虚拟化性能的手段。为此，它将准虚拟化了的 (paravirtualized) 驱动程序引入到虚拟管理程序，进而将性能提高到了接近原生的级别。虽然这只有在操作系统可针对此目的修改时才有效，但是它还是可以用在 Linux 虚拟管理程序场景中的 Linux guest 内。

如今，virtio 和 QEMU 可协同工作以便在用户空间内的 Linux guest 和 QEMU 仿真器之间优化仿真设备事务。

虚拟网络

由于 VM 合并到了物理服务器上，因此对平台的联网需求十分迫切。但我们不需要把所有 VM 的联网都强加到这个平台的物理层上，本地通信可自行被虚拟化。为了优化 VM 间的网络通信，引入了虚拟交换。vSwitch 和物理交换一样，只是被虚拟化进了这个平台（参见 图 3）。在这个图中，与 VM 相连的虚拟接口 (VIF) 通过虚拟交换与物理接口 (PIF) 进行通信。

图 3. 具有虚拟和物理接口的 Open vSwitch 高级视图
 

开源也可以解决这个问题，借助的是一个很有趣的解决方案，称为 Open vSwitch。除了为虚拟环境提供虚拟交换外，vSwitch 还能集成物理平台及提供企业级特性，比如虚拟本地局域网络 (VLAN)、基于优先级 Quality of Service (QoS)、中继和对硬件加速的支持（比如单根 I/O 虚拟化 [IOV] 网络适配器）。Open vSwitch 现在可用的是 2.6.15 内核，并支持一系列基于 Linux 的虚拟化解决方案 (Xen、KVM 和 VirtualBox）和管理标准（Remote Switched Port Analyzer [RSPAN] 和 NetFlow 等）。

VM 工具和技术

由于 VM 是操作系统、根文件系统和配置的聚合，因此空间已经很成熟，完全适于工具开发。但是为了充分发挥 VM 和工具的潜力，必须有一种方式来组合它们。目前的这种方式称为 Open Virtualization Format (OVF)，它是一种 VM 结构，灵活、高效且可移植。OVF 在一个 XML 包装程序内包含了一个虚拟磁盘映像，这个包装程序定义了该 VM 的配置，包括网络配置、处理器和内存要求以及多种可扩展的元数据来进一步定义此映像及其平台要求。OVF 提供的关键功能是可移植性，可以以一种虚拟管理程序不可知的方式分发 VM。

目前，有很多实用工具可用来管理 VM 映像 (VMI) 以及将这些映像转变为其他格式，或从其他格式转变回来。VMware 的 ovftool 就是这样一种很有用的工具，可用于 VMI 转化（比如，从 VMware Virtual Disk Development Kit [VMDK] 格式转变为 OVF）。对于 VMI，这些工具显得非常有用，但是如果有一个物理服务器，要将它转变为 VMI，该如何做呢？对此，您可以使用一个很有用的工具，称为 Clonezilla。虽然该工具最早是作为灾难恢复的磁盘克隆工具开发的，但它可以被用来将一个物理服务器实例转化成一个 VM，以便于部署在一个虚拟基础架构内。随着 OVF 格式的大量采用，有很多其他的转换和管理工具或者已经存在（比如构建于 libvirt 之上的实用工具）或正在开发之中。

本地管理

本文从两个角度探索了管理。本节讨论平台管理；稍后的一个章节会谈及较高级别的基础架构管理。

Red Hat 引入了 libvirt 库作为管理平台虚拟化（虚拟管理程序和 VM）的一个 API。libvirt 的一个吸引人之处是它支持多种虚拟管理程序解决方案（KVM 和 Xen 就是其中两个）并提供对多种语言（比如 C、Python 和 Ruby）的 API 绑定。它提供的是管理的 “最后阶段”，直接与平台虚拟管理程序交互并将 API 扩展到更大的基础架构管理解决方案。借助 libvirt，启动和停止 VM 非常简单，而且它还为更先进的操作（比如在平台间迁移 VM）提供了 API。使用 libvirt 还能使用它的 shell（构建于 libvirt 之上），称为 virsh。