摘  要： 將GlusterFS應(yīng)用于OpenStack中替代swift模塊,，并針對(duì)讀寫(xiě)性能進(jìn)行測(cè)試,，實(shí)驗(yàn)證明在GlusterFS下虛擬機(jī)讀寫(xiě)性能指標(biāo)IOPS明顯提高。
關(guān)鍵詞： 云計(jì)算,；OpenStack,；虛擬化；GlusterFS

　云計(jì)算[1]是近年來(lái)商業(yè)和科研機(jī)構(gòu)關(guān)注的熱點(diǎn),，云數(shù)據(jù)中心通過(guò)虛擬化技術(shù)將計(jì)算資源,、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建成動(dòng)態(tài)的虛擬資源池，從而實(shí)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(yùn)行成本,。
虛擬資源管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)云計(jì)算資源自動(dòng)部署,、動(dòng)態(tài)擴(kuò)展、按需分配,。OpenStack作為目前最大的開(kāi)源云計(jì)算管理平臺(tái),，實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬化平臺(tái)的管理,。目前OpenStack還不夠成熟，因此各方的關(guān)注點(diǎn)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(duì)虛擬資源的有效利用產(chǎn)生重要影響,，同時(shí)也對(duì)教育和科研具有深遠(yuǎn)的意義。
1 OpenStack[2]云計(jì)算虛擬化平臺(tái)
1.1 OpenStack簡(jiǎn)介
　當(dāng)前云環(huán)境中的資源都是通過(guò)虛擬化技術(shù)將底層的硬件資源進(jìn)行虛擬化,，形成一個(gè)龐大的虛擬資源池之后,，再通過(guò)動(dòng)態(tài)伸縮的部署方式以服務(wù)的形式提供給用戶(hù)。隨著使用云計(jì)算的用戶(hù)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(hù)，減少用戶(hù)等待時(shí)間,，已經(jīng)成為目前云計(jì)算環(huán)境中虛擬機(jī)的重要研究問(wèn)題之一,。
　OpenStack允許客戶(hù)通過(guò)部署虛擬機(jī)來(lái)創(chuàng)建資源，在節(jié)點(diǎn)上通過(guò)使用KVM鏡像等對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行一系列配置,，客戶(hù)端用戶(hù)只需申請(qǐng)自己需要的虛擬資源即可,。OpenStack完成資源虛擬化后，提供對(duì)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(shí)還要提供對(duì)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(xiāo),，要提供用戶(hù)和管理員接口，用戶(hù)要能知道自己應(yīng)用的情況,，管理員也要能知道整個(gè)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(chǔ)模塊,，主要負(fù)責(zé)大規(guī)模數(shù)據(jù)對(duì)象管理，包括冗余存儲(chǔ)管理,、備份數(shù)據(jù)管理,、數(shù)據(jù)容量預(yù)測(cè)等，存儲(chǔ)對(duì)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(chǔ)能力可以達(dá)到PB級(jí)別。
Swift具有很高的數(shù)據(jù)持久性,、持續(xù)的可擴(kuò)展性、無(wú)單點(diǎn)故障等優(yōu)點(diǎn),，Swift架構(gòu)的優(yōu)越性使其能夠?qū)ν馓峁┝己玫膶?duì)象存儲(chǔ)服務(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(diǎn)是靈活,，因此OpenStack的虛擬化應(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)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(duì)小文件（小于4 KB）的快速隨機(jī)讀寫(xiě)要求，Web應(yīng)用中對(duì)視頻的這種高度壓縮的大文件的存儲(chǔ),，以及網(wǎng)絡(luò)中對(duì)廉價(jià)大量存儲(chǔ)的要求,，都使得虛擬化平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題日益凸顯出來(lái)。Swift目前在應(yīng)對(duì)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(xiě)問(wèn)題帶來(lái)的影響已經(jīng)超過(guò)計(jì)算問(wèn)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(yùn)行,，從而支持OpenStack虛擬化平臺(tái)與Glusterfs的結(jié)合,。GlusterFS3.4為用戶(hù)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)者帶來(lái)了高可靠性、數(shù)據(jù)機(jī)動(dòng)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(shí)現(xiàn),，完全獨(dú)立于硬件和操作系統(tǒng),，GlusterFS大量部署在基于廉價(jià)硬件的各種操作系統(tǒng)上，構(gòu)成集中統(tǒng)一的虛擬存儲(chǔ)資源池,。
　GlusterFS存儲(chǔ)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(kāi)發(fā)更加靈活,，在拓展其虛擬化應(yīng)用時(shí)，不用考慮其存儲(chǔ)服務(wù)的限制。
2.2 GlusterFS與OpenStack結(jié)合的優(yōu)勢(shì)及難點(diǎn)
　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(jià)大量冗余,，小文件高速隨機(jī)讀寫(xiě)，視頻等大文件快速寫(xiě)入都作為不斷被攻克的問(wèn)題,。直至現(xiàn)在有了比較全面的性能優(yōu)勢(shì),，作為OpenStack后盾可以強(qiáng)化對(duì)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(guò)修改Compute節(jié)點(diǎn)配置文件，根據(jù)虛擬機(jī)實(shí)例,、鏡像的存儲(chǔ)區(qū)域和虛擬機(jī)虛擬硬盤(pán),、存儲(chǔ)區(qū)的不同，對(duì)比完成四種虛擬機(jī)部署,。
這些部署設(shè)計(jì)各有優(yōu)劣,，針對(duì)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(xiě)速度、冗余等,?？煽啃浴⒖捎眯钥梢酝ㄟ^(guò)Glusterfs完全保障,，但是在OpenStack虛擬化平臺(tái)下讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)速度不明確,。于是通過(guò)實(shí)驗(yàn)，利用FIO存儲(chǔ)壓力測(cè)試工具,，模擬GIS應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)要求,，對(duì)不同部署設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，并最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明部署場(chǎng)景對(duì)不同應(yīng)用的支持力度,。
3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
在OpenStack虛擬平臺(tái)下,，修改其計(jì)算節(jié)點(diǎn)的配置文件，從而使OpenStack計(jì)算節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)虛擬機(jī)的鏡像和實(shí)例部署在GlusterFS[5]之上,，并分別測(cè)試虛擬機(jī)對(duì)虛擬機(jī)自身機(jī)虛擬硬盤(pán)和直接訪問(wèn)GlusterFS做對(duì)比,。
主要針對(duì)以下四種部署環(huán)境進(jìn)行研究：
　場(chǎng)景1：虛擬機(jī)實(shí)例和鏡像部署在OpenStack計(jì)算節(jié)點(diǎn)，并且訪問(wèn)虛擬機(jī)自身存儲(chǔ)區(qū),。
　場(chǎng)景2：虛擬機(jī)實(shí)例和鏡像部署在GlusterFS上面,，并且訪問(wèn)虛擬機(jī)自身存儲(chǔ)區(qū)。
　場(chǎng)景3：虛擬機(jī)實(shí)例和鏡像部署在OpenStack計(jì)算節(jié)點(diǎn),，并訪問(wèn)掛載的GlusterFS作為其存儲(chǔ)區(qū),。
　場(chǎng)景4：虛擬機(jī)實(shí)例和鏡像部署在GlusterFS上面,，并且訪問(wèn)掛載GlusterFS作為其存儲(chǔ)區(qū)。
　以下在OpenStack虛擬機(jī)的4種部署場(chǎng)景中,，分別選取大小為4 kB和4 MB的文件,，對(duì)其隨機(jī)寫(xiě)性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)架構(gòu)圖如圖1所示,。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：
　（1）場(chǎng)景1：這是OpenStack傳統(tǒng)的虛擬機(jī)部署方式,，并且訪問(wèn)虛擬機(jī)本身的虛擬硬盤(pán)空間,，用這種方式來(lái)做為基準(zhǔn)衡量其他方式的讀寫(xiě)性能。
?。?）場(chǎng)景2：這種部署方式是相對(duì)較好的,，因?yàn)閷?duì)虛擬機(jī)用戶(hù)透明，存儲(chǔ)的部署也對(duì)用戶(hù)透明,，同時(shí)在GlusterFS的保障下能保證虛擬機(jī)的高可用性,。但是其讀寫(xiě)性能比直接對(duì)GlusterFS差，比場(chǎng)景1要好,，這主要是受制于數(shù)據(jù)要通過(guò)虛擬機(jī)完成對(duì)虛擬硬盤(pán)的讀寫(xiě),，其后數(shù)據(jù)再寫(xiě)入到GlusterFS，整個(gè)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(méi)有造成讀寫(xiě)上的延遲,。
　（3）場(chǎng)景3：讀寫(xiě)性能在場(chǎng)景2之上,，因?yàn)樵竭^(guò)了虛擬層,，數(shù)據(jù)直接流轉(zhuǎn)到GlusterFS，有很高的讀寫(xiě)性能,，但是不能保證虛擬機(jī)的高可用性,，因?yàn)殓R像和實(shí)例沒(méi)有部署在GlusterFS上面。
?。?）場(chǎng)景4：讀寫(xiě)性能也在場(chǎng)景2之上,，并且讀寫(xiě)性能跟場(chǎng)景3基本相當(dāng)。也是因?yàn)樵竭^(guò)了虛擬層,，而且也可以保證虛擬機(jī)的高可用性,。但是對(duì)于虛擬機(jī)用戶(hù)的要求高一點(diǎn)，因?yàn)樾枰脩?hù)虛擬機(jī)在部署過(guò)程中掛載GlusterFS作為存儲(chǔ)區(qū),。這也表明虛擬機(jī)部署在GlusterFS沒(méi)有造成讀寫(xiě)上的延遲,。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，OpenStack將虛擬機(jī)部署在GlusterFS之上,，沒(méi)有帶來(lái)讀寫(xiě)上的延遲,，反而有了更加優(yōu)越的讀寫(xiě)性能,，同時(shí)憑借GlusterFS自身的優(yōu)勢(shì)，能保障虛擬機(jī)資源的高可用性,。四種場(chǎng)景的寫(xiě)性能測(cè)試如圖2,、圖3所示。

　在云計(jì)算中,，虛擬化資源的管理是一項(xiàng)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(yùn)行成本。而現(xiàn)在市場(chǎng)占有率和支持陣營(yíng)最大的云計(jì)算管理平臺(tái)OpenStack已經(jīng)體現(xiàn)出其開(kāi)源的優(yōu)勢(shì),，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(xiě)性能、擴(kuò)展能力有了較高的提升,，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了策略的可行性和有效性,。提升了OpenStack對(duì)虛擬化的高效管理，同時(shí)也對(duì)教育和科研具有重要意義,。
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