CN111538561B - 基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试的方法及系统 - Google Patents

基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试的方法及系统，该方法包括以下步骤：步骤1：基于PXE服务器节点安装并定制化所有物理服务器的操作系统，同时安装依赖的工具；步骤2：定制化KVM虚拟机的操作系统镜像，保存在所有物理服务器的指定位置，作为基础镜像；步骤3：通过Ansible控制器生成KVM虚拟机的XML描述文件，基于该描述文件批量启动KVM虚拟机；步骤4：通过cloud‑init工具定制化KVM虚拟机的操作系统，并注入开机执行脚本，完成KVM虚拟机的配置操作；步骤5：基于批量启动并配置完毕生成的KVM虚拟机，部署OpenStack大规模集群。与现有技术相比，本发明具有部署测试速度快，性能可靠等优点。

Description

基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试的方法 及系统
技术领域
本发明涉及云计算、KVM虚拟化、网络虚拟化等技术领域，尤其是涉及一种基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试方法及系统。
背景技术
OpenStack作为一个成熟的云计算管理平台，能够灵活便捷地将底层资源池按用户需求进行分配，并已经实现了广泛的商用。
OpenStack在设计时，虽然考虑到了集群和服务的水平扩展，但是在集群规模达到一定数量时，仍然存在诸多问题。一般情况下，OpenStack集群规模较小(100个节点以下)时，性能优越，功能稳定；当达到一定规模(大于100个节点)后，云平台可能会遇到数据库访问瓶颈、消息队列处理瓶颈等问题。为了部署并调优较大规模的OpenStack集群，需要大量昂贵的服务器、网络设备等资源，这无疑造成开发成本的提高，同时大量物理服务器的配置工作也是比较耗时的，因此传统的使用硬件资源部署OpenStack的方式成本高、效率低，并不适合开发测试环境的快速搭建。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：基于PXE服务器节点安装并定制化所有物理服务器的操作系统，同时安装依赖的工具；
步骤2：定制化KVM虚拟机的操作系统镜像，保存在所有物理服务器的指定位置，作为基础镜像；
步骤3：通过Ansible控制器生成KVM虚拟机的XML描述文件，基于该描述文件批量启动KVM虚拟机；
步骤4：通过cloud-init工具定制化KVM虚拟机的操作系统，并注入开机执行脚本，完成KVM虚拟机的配置操作；
步骤5：基于批量启动并配置完毕生成的KVM虚拟机，部署OpenStack大规模集群。
进一步地，所述的步骤5中的KVM虚拟机中还通过直通的模式挂载有用于提升OpenStack大规模集群整体性能的硬盘。
进一步地，所述的硬盘包括虚拟硬盘、SSD硬盘和HDD硬盘。
进一步地，所述的步骤2具体包括：定制化KVM虚拟机的操作系统镜像，并以Qcow2格式保存在所有物理服务器的指定位置，作为基础镜像。
进一步地，所述的步骤3具体包括：通过Ansible控制器的Jinja2模板生成KVM虚拟机的XML描述文件，基于该描述文件批量启动KVM虚拟机。
本发明还提供一种用于所述的一种基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试的方法的系统，该系统包括：
PXE服务器节点，用于提供PXE无人值守装机服务；
Ansible控制器，用于负责KVM虚拟机的批量生成及定制化任务；
物理资源池，包括物理服务器和物理网络设备，其中，所述物理服务器，用于提供计算资源以启动KVM实例，所述物理网络设备，用于和虚拟网桥共同组成OpenStack的网络。
进一步地，所述的PXE无人值守装机服务包括DHCP服务和TFTP服务。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)为了降低开发成本、提高开发效率，本发明基于KVM虚拟化技术通过镜像的方式快速批量启动大量的用于测试的虚拟机，并通过cloud-init工具进行批量虚拟机配置，结合网络虚拟化技术实现OpenStack VLAN和VXLAN两种模式的支持，并通过合理的节点角色分配，仅需少量的物理服务器、网络设备资源，便可快速高效地部署一个大规模OpenStack集群，成本低、效率高。
(2)节约成本。无需大量采购昂贵的服务器、网络设备等硬件资源，只需少量的资源PXE服务器节点、Ansible控制器和物理资源池便可部署一个大规模的OpenStack集群。提高硬件利用效率，大大降低开发成本。
(3)提高开发效率。无需耗费大量的时间去调配服务器、网络设备等硬件资源，通过镜像模板，基于ansible工具即可快速批量地启动并配置虚拟机，作为集群节点。
附图说明
图1为基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试的整体框架图；
图2是虚拟化环境中对OpenStack集群的VLAN的支持示意图；
图3为虚拟化环境中对OpenStack集群的VXLAN的支持示意图；
图4为大规模OpenStack集群的节点分配图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明为了解决大规模OpenStack集群开发测试环境部署成本高、效率低的问题，提出了一种基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试的方法。该方法基于PXE快速安装并定制化物理服务器的操作，基于KVM虚拟化技术结合定制化的镜像批量启动虚拟机实例，结合网络虚拟机技术实现OpenStack VLAN和VXLAN两种模式的支持，结合OpenStack各个角色节点的特点优化虚拟机配置，最终实现快速高效地部署一个大规模OpenStack集群的目的。
PXE服务器实现快速安装物理服务器的操作系统，定制化服务器的主机名、网络配置等信息；Ansible控制器负责通过镜像批量创建并定制化配置虚拟机；物理服务器提供硬件资源，启动KVM虚拟机；网络设备负责多种类型网络的分配。
通过批量配置工具可以实现快速部署大量KVM虚拟机，Ansible作为一种批量部署工具，可以方便实现无代理的快速批量任务执行。
KVM虚拟机可以通过预先定制化的镜像启动。Qcow2作为一种写时复制的镜像格式，具有占用空间小、启动速度快、支持快照等特点，在创建KVM虚拟机时，基于预先定制的Qcow2镜像，通过引用原始镜像创建增量卷的方式，实现秒级启动KVM虚拟机。
通过对虚拟卷做快照，可以方便地对集群进行回滚操作。
通过Cloud-init批量定制虚拟机的网络地址、主机名等配置。预先定制化的镜像中，安装了Cloud-init工具，在启动虚拟机时，通过config-drive的方式将虚拟机的定制化信息注入到虚拟机中，从而实现快速批量配置虚拟机的网络地址、主机名等信息。
KVM虚拟机的硬盘根据实际需求配置为不同的模式。硬盘模式定义两种类型：物理硬盘和虚拟硬盘。物理硬盘通过直通模式挂载到虚拟机上，性能高，但受服务器上的物理硬盘数量的限制；虚拟硬盘分配灵活，但是性能一般。
基于Ansible的jinja2模块，批量定制化生成虚拟机的XML描述文件，基于XML描述文件快速批量启动虚拟机，提高虚拟机创建速度。
OpenStack的网络模式复杂，通常包含以下几种：管理网络(服用部署网络)、租户网络、存储网络、备份网络等。其中管理网络、存储网络、备份网络一般只需通过划分到指定的VLAN网络中即可。租户网络的类型较多，常用的支持模式包括VLAN和VXLAN。本文中的虚拟机包含四种网卡，分别对应以上四种网络，通过Linux bridge或者OpenvSwitch的方式桥接到物理网口上，物理网口通过物理交换机接入对应类型的网络中。当OpenStack的租户网络模式为VLAN时，租户网络对应的物理网口，接入到交换机的Trunk口，并指定VLAN范围；当OpenStack的租户网络模式为VXLAN时，租户网络的配置与其他三种网络相同，只需桥接到物理网口，并接入交换机的Access口，隧道端点配置在虚拟机内部虚拟网口上。
OpenStack集群中包含多种类型的节点，如控制节点(含数据库服务)、计算节点、存储节点、监控节点、消息队列节点(规模较大时，需要独立的功能节点)等，由于每种类型的节点对资源需求不同，因此必须合理布局规划节点类型。对于控制节点(含数据库服务)，由于需要频繁的IO请求，因此需要挂载高效的SSD硬盘提高性能；对于计算节点，需要大量的CPU、内存资源提供给虚拟机使用，因此该类型节点需要分配较多CPU、内存，由于对硬盘性能要求不高，可使用虚拟硬盘；对于存储节点，对硬盘性能要求较高，因此可通过直通的模式将HDD/SSD挂载给虚拟机。通过资源合理分配，提高OpenStack集群整体性能。
实际实施例
如图1所示，整个平台包含三种类型的节点：PXE服务器节点，用于提供PXE无人值守装机服务，该服务中含有DHCP服务、TFTP服务；Ansible控制器，负责虚拟机的批量生成及定制化任务；物理资源池包括物理服务器和网络设备，其中物理服务器提供计算资源启动KVM实例，物理网络设备和虚拟网桥共同组成OpenStack的网络。
主要的实施流程：首先，基于PXE快速安装并定制化所有物理服务器的操作系统，并安装依赖的工具，如Ansible、KVM等；然后，定制化虚拟机的操作系统镜像，并以Qcow2格式保存在所有物理服务器的指定位置，作为基础镜像；通过Ansible的Jinja2模板，快速生成虚拟机的XML描述文件，基于KVM的XML描述文件，批量启动虚拟机；通过cloud-init定制化虚拟机的操作系统，并注入开机执行脚本，完成虚拟机的主机配置、网络配置等；基于批量生成的虚拟机，部署大规模的OpenStack集群。
图2是虚拟化环境中对OpenStack集群的VLAN的支持。OpenStack集群创建的虚拟机(图中的嵌套虚拟机)的流量，经过虚拟交换机br-int(负责云平台虚拟机的网络接入)、虚拟机交换机br-vlan(负责云平台二层租户网络VLAN的管理)后，由虚拟机的veth1虚拟网口发出，此时数据包中带有该虚拟机所在网络的VLAN信息；然后，经由物理机上的虚拟网桥Bridge(可以是linux网桥，也可以是OVS网桥，通过桥接的方式挂载到物理网口上，允许租户网络的VLAN数据包通过)、物理网口发出，通过交换机的Trunk口发送到另一个物理服务器，另一个物理服务器经过类似的处理最终发送给目的虚拟机。
图3是虚拟化环境中对OpenStack集群的VXLAN的支持。OpenStack集群创建的虚拟机(图中的嵌套虚拟机)的流量，经过虚拟交换机br-int(负责云平台虚拟机的网络接入)到达虚拟机交换机br-vxlan(负责云平台二层租户网络VLAN的管理)，br-vxlan负责VXLAN隧道的建立、虚拟机数据包的封装，VXLAN隧道的端点配置为vEth1的地址，租户流量经vEth1虚拟网口发出；vEth1的网口接入到虚拟网桥Bridge，该网桥桥接到物理网口Eth1上，并且和对端物理服务器的Eth1是二层或三层可达，两个物理服务器的Eth1接入物理交换机的端口可以分配为不同的VLAN ID；最终封装后的数据包达到对端物理服务器，并经过解封到达目的虚拟机。
图4是大规模OpenStack集群的节点分配图，OpenStack集群中包含了5种类型的节点：控制节点(含数据库服务)、计算节点、存储节点、监控节点、消息队列节点，针对每种类型的节点对资源需求不同，合理布局每个物理服务器上的虚拟机。以3个控制节点+3个消息队列节点+3个监控节点+M个计算节点+N个存储节点的模式为例，为了满足高可用的需求，将3个控制节点分布在不同的物理服务机上，同理消息队列节点和监控节点也分布在不同的物理服务器上。对于控制节点(含数据库服务)，由于需要频繁的IO请求，因此需要挂载高效的SSD硬盘提高性能；对于计算节点，需要大量的CPU、内存资源提供给虚拟机使用，因此该类型节点需要分配较多CPU、内存，由于对硬盘性能要求不高，可使用虚拟硬盘；对于存储节点，对硬盘性能要求较高，因此可通过直通的模式将HDD/SSD挂载给虚拟机。通过资源合理分配，提高OpenStack集群整体性能。
结合服务器的性能，合理分配每个服务器上启动的虚拟机规格和数量。实验环境中，每个服务器分配10个左右的虚拟机，分配虚拟机过多达到一定限值时会造成虚拟机性能的急剧下降，分配虚拟机过少造成物理资源浪费。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：基于PXE服务器节点安装并定制化所有物理服务器的操作系统，同时安装依赖的工具；
步骤2：定制化KVM虚拟机的操作系统镜像，保存在所有物理服务器的指定位置，作为基础镜像；
步骤3：通过Ansible控制器生成KVM虚拟机的XML描述文件，基于该描述文件批量启动KVM虚拟机；
步骤4：通过cloud-init工具定制化KVM虚拟机的操作系统，并注入开机执行脚本，完成KVM虚拟机的配置操作；
步骤5：基于批量启动并配置完毕生成的KVM虚拟机，部署OpenStack大规模集群；
所述的步骤3具体包括：通过Ansible控制器的Jinja2模板生成KVM虚拟机的XML描述文件，基于该描述文件批量启动KVM虚拟机；
所述的步骤4具体包括：通过cloud-init工具定制化KVM虚拟机的操作系统，并通过config-drive的方式注入开机执行脚本，完成KVM虚拟机的配置操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试的方法，其特征在于，所述的步骤5中的KVM虚拟机中还通过直通的模式挂载有用于提升OpenStack大规模集群整体性能的硬盘。
3.根据权利要求2所述的一种基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试的方法，其特征在于，所述的硬盘包括虚拟硬盘、SSD硬盘和HDD硬盘。
4.根据权利要求1所述的一种基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试的方法，其特征在于，所述的步骤2具体包括：定制化KVM虚拟机的操作系统镜像，并以Qcow2格式保存在所有物理服务器的指定位置，作为基础镜像。
5.一种用于如权利要求1～4中任意一项所述的一种基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试的方法的系统，其特征在于，该系统包括：
PXE服务器节点，用于提供PXE无人值守装机服务；
Ansible控制器，用于负责KVM虚拟机的批量生成及定制化任务；
物理资源池，包括物理服务器和物理网络设备，其中，所述物理服务器，用于提供计算资源以启动KVM实例，所述物理网络设备，用于和虚拟网桥共同组成OpenStack的网络。
6.根据权利要求5所述的一种基于KVM虚拟化技术的OpenStack大规模集群部署测试的方法，其特征在于，所述的PXE无人值守装机服务包括DHCP服务和TFTP服务。
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