摘  要： 將GlusterFS應(yīng)用于OpenStack中替代swift模塊，并針對讀寫性能進(jìn)行測試，實驗證明在GlusterFS下虛擬機(jī)讀寫性能指標(biāo)IOPS明顯提高,。
關(guān)鍵詞： 云計算；OpenStack,；虛擬化,；GlusterFS

　云計算[1]是近年來商業(yè)和科研機(jī)構(gòu)關(guān)注的熱點，云數(shù)據(jù)中心通過虛擬化技術(shù)將計算資源,、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建成動態(tài)的虛擬資源池,，從而實現(xiàn)了有效整合資源、提高資源利用率,、節(jié)約能源,，降低了運行成本。
虛擬資源管理技術(shù)實現(xiàn)云計算資源自動部署,、動態(tài)擴(kuò)展,、按需分配。OpenStack作為目前最大的開源云計算管理平臺,，實現(xiàn)了對虛擬化平臺的管理,。目前OpenStack還不夠成熟，因此各方的關(guān)注點集中在功能的完善和性能的優(yōu)化提升上,。因此研究OpenStack的功能和性能將對虛擬資源的有效利用產(chǎn)生重要影響,，同時也對教育和科研具有深遠(yuǎn)的意義。
1 OpenStack[2]云計算虛擬化平臺
1.1 OpenStack簡介
　當(dāng)前云環(huán)境中的資源都是通過虛擬化技術(shù)將底層的硬件資源進(jìn)行虛擬化，形成一個龐大的虛擬資源池之后,，再通過動態(tài)伸縮的部署方式以服務(wù)的形式提供給用戶,。隨著使用云計算的用戶持續(xù)增加，云數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也不斷加大,，高效利用云中的虛擬化資源并快速提供給用戶,，減少用戶等待時間，已經(jīng)成為目前云計算環(huán)境中虛擬機(jī)的重要研究問題之一,。
　OpenStack允許客戶通過部署虛擬機(jī)來創(chuàng)建資源,，在節(jié)點上通過使用KVM鏡像等對虛擬機(jī)進(jìn)行一系列配置，客戶端用戶只需申請自己需要的虛擬資源即可,。OpenStack完成資源虛擬化后,，提供對虛擬資源進(jìn)行管理的功能，負(fù)責(zé)在云上部署各種應(yīng)用和文件,，同時還要提供對應(yīng)用和文件的檢索,，創(chuàng)建和分配虛擬機(jī)。當(dāng)虛擬機(jī)用完之后要進(jìn)行撤銷,，要提供用戶和管理員接口,，用戶要能知道自己應(yīng)用的情況，管理員也要能知道整個資源池的占用情況,，負(fù)責(zé)資源的分配,、檢索和收回。
1.2 Swift模塊的作用
　Swift[3]是OpenStack的存儲模塊,，主要負(fù)責(zé)大規(guī)模數(shù)據(jù)對象管理,，包括冗余存儲管理、備份數(shù)據(jù)管理,、數(shù)據(jù)容量預(yù)測等，存儲對象包括存檔數(shù)據(jù),、圖像或視頻等多種應(yīng)用的數(shù)據(jù),，存儲能力可以達(dá)到PB級別。
Swift具有很高的數(shù)據(jù)持久性,、持續(xù)的可擴(kuò)展性,、無單點故障等優(yōu)點，Swift架構(gòu)的優(yōu)越性使其能夠?qū)ν馓峁┝己玫膶ο蟠鎯Ψ?wù)能力,，但在公有云的構(gòu)建上,，其功能存在不足之處。本文提出了采用GlusterFS替換Swift模塊,，旨在為OpenStack提供更加快速,、可靠、穩(wěn)定的服務(wù)。
1.3 OpenStack現(xiàn)狀及Swift的乏力表現(xiàn)
　OpenStack部署云環(huán)境的優(yōu)點是靈活,，因此OpenStack的虛擬化應(yīng)用越來越廣泛,，同時廣泛地應(yīng)用也就意味著要求的多樣和嚴(yán)格。部署在OpenStack上的應(yīng)用,，比如GIS應(yīng)用的對小文件（小于4 KB）的快速隨機(jī)讀寫要求,，Web應(yīng)用中對視頻的這種高度壓縮的大文件的存儲，以及網(wǎng)絡(luò)中對廉價大量存儲的要求,，都使得虛擬化平臺數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}日益凸顯出來,。Swift目前在應(yīng)對不同要求上表現(xiàn)不盡如人意，其發(fā)展腳步也略慢于OpenStack,。OpenStack中數(shù)據(jù)的快速讀寫問題帶來的影響已經(jīng)超過計算問題,。
2 GlusterFS
2.1 GlusterFS[4]已經(jīng)為OpenStack做好準(zhǔn)備
　2013年5月9日GlusterFS3.4發(fā)行，該版本主要是增強(qiáng)了云,、虛擬化和性能,，支持KVM鏡像在Glusterfs上的部署和運行，從而支持OpenStack虛擬化平臺與Glusterfs的結(jié)合,。GlusterFS3.4為用戶和應(yīng)用開發(fā)者帶來了高可靠性,、數(shù)據(jù)機(jī)動性等方面的特性。GlusterFS的諸多特性,，都可以作為OpenStack的強(qiáng)大后盾,。
GlusterFS完全由軟件實現(xiàn)，完全獨立于硬件和操作系統(tǒng),，GlusterFS大量部署在基于廉價硬件的各種操作系統(tǒng)上,，構(gòu)成集中統(tǒng)一的虛擬存儲資源池。
　GlusterFS存儲服務(wù)支持NFS,、CIFS,、HTTP、FTP以及Gluster原生協(xié)議,，完全與POSIX標(biāo)準(zhǔn)兼容,。這與正在發(fā)展的OpenStack非常契合，所以在OpenStack上的二次開發(fā)更加靈活,，在拓展其虛擬化應(yīng)用時,，不用考慮其存儲服務(wù)的限制。
2.2 GlusterFS與OpenStack結(jié)合的優(yōu)勢及難點
　Glusterfs作為分布式文件系統(tǒng)始終致力于多要求下性能提升,。所以廉價大量冗余,，小文件高速隨機(jī)讀寫，視頻等大文件快速寫入都作為不斷被攻克的問題,。直至現(xiàn)在有了比較全面的性能優(yōu)勢,，作為OpenStack后盾可以強(qiáng)化對各種應(yīng)用的支持,。
在OpenStack[5]與Glusterfs結(jié)合中，有很多結(jié)合方式,，本文主要通過修改Compute節(jié)點配置文件,，根據(jù)虛擬機(jī)實例、鏡像的存儲區(qū)域和虛擬機(jī)虛擬硬盤,、存儲區(qū)的不同,，對比完成四種虛擬機(jī)部署。
這些部署設(shè)計各有優(yōu)劣,，針對不同的應(yīng)用要求,，綜合考慮可靠性、可用性,，以及數(shù)據(jù)的讀寫速度,、冗余等?？煽啃?、可用性可以通過Glusterfs完全保障，但是在OpenStack虛擬化平臺下讀寫的數(shù)據(jù)的讀寫速度不明確,。于是通過實驗,，利用FIO存儲壓力測試工具，模擬GIS應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用對數(shù)據(jù)的讀寫要求,，對不同部署設(shè)計進(jìn)行測試,，并最終通過實驗結(jié)果說明部署場景對不同應(yīng)用的支持力度。
3 實驗測試
在OpenStack虛擬平臺下,，修改其計算節(jié)點的配置文件,，從而使OpenStack計算節(jié)點啟動虛擬機(jī)的鏡像和實例部署在GlusterFS[5]之上，并分別測試虛擬機(jī)對虛擬機(jī)自身機(jī)虛擬硬盤和直接訪問GlusterFS做對比,。
主要針對以下四種部署環(huán)境進(jìn)行研究：
　場景1：虛擬機(jī)實例和鏡像部署在OpenStack計算節(jié)點,，并且訪問虛擬機(jī)自身存儲區(qū)。
　場景2：虛擬機(jī)實例和鏡像部署在GlusterFS上面,，并且訪問虛擬機(jī)自身存儲區(qū),。
　場景3：虛擬機(jī)實例和鏡像部署在OpenStack計算節(jié)點，并訪問掛載的GlusterFS作為其存儲區(qū),。
　場景4：虛擬機(jī)實例和鏡像部署在GlusterFS上面，并且訪問掛載GlusterFS作為其存儲區(qū),。
　以下在OpenStack虛擬機(jī)的4種部署場景中,，分別選取大小為4 kB和4 MB的文件，對其隨機(jī)寫性能進(jìn)行測試,。實驗架構(gòu)圖如圖1所示,。

3.2 實驗結(jié)果
　實驗結(jié)果分析如下：
?。?）場景1：這是OpenStack傳統(tǒng)的虛擬機(jī)部署方式，并且訪問虛擬機(jī)本身的虛擬硬盤空間,，用這種方式來做為基準(zhǔn)衡量其他方式的讀寫性能,。
　（2）場景2：這種部署方式是相對較好的,，因為對虛擬機(jī)用戶透明,，存儲的部署也對用戶透明，同時在GlusterFS的保障下能保證虛擬機(jī)的高可用性,。但是其讀寫性能比直接對GlusterFS差,，比場景1要好，這主要是受制于數(shù)據(jù)要通過虛擬機(jī)完成對虛擬硬盤的讀寫,，其后數(shù)據(jù)再寫入到GlusterFS,，整個數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)多了虛擬機(jī)這一中間層。這表明虛擬機(jī)部署在GlusterFS沒有造成讀寫上的延遲,。
?。?）場景3：讀寫性能在場景2之上，因為越過了虛擬層,，數(shù)據(jù)直接流轉(zhuǎn)到GlusterFS,，有很高的讀寫性能，但是不能保證虛擬機(jī)的高可用性,，因為鏡像和實例沒有部署在GlusterFS上面,。
　（4）場景4：讀寫性能也在場景2之上,，并且讀寫性能跟場景3基本相當(dāng),。也是因為越過了虛擬層，而且也可以保證虛擬機(jī)的高可用性,。但是對于虛擬機(jī)用戶的要求高一點,，因為需要用戶虛擬機(jī)在部署過程中掛載GlusterFS作為存儲區(qū)。這也表明虛擬機(jī)部署在GlusterFS沒有造成讀寫上的延遲,。
實驗結(jié)果表明,，OpenStack將虛擬機(jī)部署在GlusterFS之上，沒有帶來讀寫上的延遲,，反而有了更加優(yōu)越的讀寫性能,，同時憑借GlusterFS自身的優(yōu)勢，能保障虛擬機(jī)資源的高可用性,。四種場景的寫性能測試如圖2,、圖3所示。

　在云計算中,，虛擬化資源的管理是一項關(guān)鍵技術(shù),，它能夠有效整合資源,、提高資源利用率、節(jié)約能源,、降低運行成本,。而現(xiàn)在市場占有率和支持陣營最大的云計算管理平臺OpenStack已經(jīng)體現(xiàn)出其開源的優(yōu)勢，功能日趨完善,，性能日益提高,。本文在OpenStack的基礎(chǔ)之上，采用性能更加優(yōu)越的GlusterFS代替其Swift模塊,，使讀寫性能,、擴(kuò)展能力有了較高的提升，并通過實驗驗證了策略的可行性和有效性,。提升了OpenStack對虛擬化的高效管理,，同時也對教育和科研具有重要意義。
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