云计算openstack核心组件——nova计算服务

一、nova介绍：

      Nova 是 OpenStack 最核心的服务，负责维护和管理云环境的计算资源。OpenStack 作为 IaaS 的云操作系统，虚拟机生命周期管理也就是通过 Nova 来实现的。

 

用途与功能 :

1) 实例生命周期管理

2) 管理计算资源

3) 网络和认证管理

4)REST 风格的 API

5) 异步的一致性通信

6)Hypervisor 透明：支持Xen,XenServer/XCP,KVM, UML, VMware vSphere and Hyper-V

 

 

在上图中可以看到，Nova 处于 Openstak 架构的中心，其他组件都为 Nova 提供支持： Glance 为 VM 提供 image Cinder 和 Swift 分别为 VM 提供块存储和对象存储 Neutron 为 VM 提供网络连接。

 

Nova 架构如下：

 

Nova 的架构比较复杂，包含很多组件。 这些组件以子服务（后台 deamon 进程）的形式运行，可以分为以下几类：

 

API

 

nova-api

是整个 Nova 组件的门户，接收和响应客户的 API 调用。所有对 Nova 的请求都首先由 nova-api 处理。nova-api 向外界暴露若干 HTTP REST API 接口 在 keystone 中我们可以查询 nova-api 的 endponits。

客户端就可以将请求发送到 endponits 指定的地址，向 nova-api 请求操作。 当然，作为最终用户的我们不会直接发送 Rest AP I请求。 OpenStack CLI，Dashboard 和其他需要跟 Nova 交换的组件会使用这些 API。

 

Nova-api 对接收到的 HTTP API 请求会做如下处理：

1. 检查客户端传入的参数是否合法有效

2. 调用 Nova 其他子服务的处理客户端 HTTP 请求

3. 格式化 Nova 其他子服务返回的结果并返回给客户端

 

nova-api 接收哪些请求？

简单的说，只要是跟虚拟机生命周期相关的操作，nova-api 都可以响应。 大部分操作都可以在 Dashboard 上找到。打开Instance管理界面

除了提供 OpenStack 自己的API，nova-api 还支持 Amazon EC2 API。 也就是说，如果客户以前使用 Amazon EC2，并且用 EC2 的 API 开发了些工具来管理虚机，那么如果现在要换成 OpenStack，这些工具可以无缝迁移到 OpenStack，因为 nova-api 兼容 EC2 API，无需做任何修改。

 

Compute Core

 

a）nova-scheduler：

虚机调度服务，负责决定在哪个计算节点上运行虚机。创建 Instance 时，用户会提出资源需求，例如 CPU、内存、磁盘各需要多少。OpenStack 将这些需求定义在 flavor 中，用户只需要指定用哪个 flavor 就可以了。

可用的 flavor 在 System->Flavors 中管理。

 

下面介绍 nova-scheduler 是如何实现调度的。在 /etc/nova/nova.conf 中，nova 通过 driver=filter_scheduler 这个参数来配置 nova-scheduler。

driver=filter_scheduler

 

Filter scheduler

Filter scheduler 是 nova-scheduler 默认的调度器，调度过程分为两步：

1. 通过过滤器（filter）选择满足条件的计算节点（运行 nova-compute）

2. 通过权重计算（weighting）选择在最优（权重值最大）的计算节点上创建 Instance。

 

Nova 允许使用第三方 scheduler，配置 scheduler_driver 即可。 这又一次体现了OpenStack的开放性。Scheduler 可以使用多个 filter 依次进行过滤，过滤之后的节点再通过计算权重选出最适合的节点。

上图是调度过程的一个示例：

1. 最开始有 6 个计算节点 Host1-Host6

2. 通过多个 filter 层层过滤，Host2 和 Host4 没有通过，被刷掉了

3. Host1，Host3，Host5，Host6 计算权重，结果 Host5 得分最高，最终入选

 

当 Filter scheduler 需要执行调度操作时，会让 filter 对计算节点进行判断，filter 返回 True 或 False。经过前面一堆 filter 的过滤，nova-scheduler 选出了能够部署 instance 的计算节点。

 

如果有多个计算节点通过了过滤，那么最终选择哪个节点呢？

 

Scheduler 会对每个计算节点打分，得分最高的获胜。 打分的过程就是 weight，翻译过来就是计算权重值，那么 scheduler 是根据什么来计算权重值呢？ 

 

目前 nova-scheduler 的默认实现是根据计算节点空闲的内存量计算权重值： 空闲内存越多，权重越大，instance 将被部署到当前空闲内存最多的计算节点上。

 

 

b）nova-compute：

nova-compute 是管理虚机的核心服务，在计算节点上运行。通过调用Hypervisor API实现节点上的 instance的生命周期管理。 OpenStack 对 instance 的操作，最后都是交给 nova-compute 来完成的。 nova-compute 与 Hypervisor 一起实现 OpenStack 对 instance 生命周期的管理。

Openstack中虚机默认的保存路径在：/var/lib/nova/instances

 

通过Driver架构支持多种Hypervisor

Hypervisor是计算节点上跑的虚拟化管理程序，虚机管理最底层的程序。 不同虚拟化技术提供自己的 Hypervisor。 常用的 Hypervisor 有 KVM，Xen， VMWare 等。nova-compute 为这些 Hypervisor 定义了统一的接口，Hypervisor 只需要实现这些接口，就可以 Driver 的形式即插即用到 OpenStack 系统中。 下面是Nova Driver的架构示意图：

 

 

 

c）nova-conductor：

nova-compute 经常需要更新数据库，比如更新和获取虚机的状态。 出于安全性和伸缩性的考虑，nova-compute 并不会直接访问数据库，而是将这个任务委托给 nova-conductor。

这样做有两个显著好处：

1. 更高的系统安全性

2. 更好的系统伸缩性

 

 

Console Interface

 

nova-console： 用户可以通过多种方式访问虚机的控制台：

nova-novncproxy： 基于 Web 浏览器的 VNC 访问

nova-spicehtml5proxy： 基于 HTML5 浏览器的 SPICE 访问

nova-xvpnvncproxy： 基于 Java 客户端的 VNC 访问

nova-consoleauth： 负责对访问虚机控制台请求提供 Token 认证

nova-cert： 提供 x509 证书支持

 

Database

 

Nova 会有一些数据需要存放到数据库中，一般使用 MySQL。数据库安装在控制节点上。 Nova 使用命名为 “nova” 的数据库。

 

 

Message Queue

在前面我们了解到 Nova 包含众多的子服务，这些子服务之间需要相互协调和通信。为解耦各个子服务，Nova 通过 Message Queue 作为子服务的信息中转站。 所以在架构图上我们看到了子服务之间没有直接的连线，是通过 Message Queue 联系的。

 

 

OpenStack 默认是用 RabbitMQ 作为 Message Queue。 MQ 是 OpenStack 的核心基础组件，我们后面也会详细介绍。

 

 

二、Nova 组件如何协同工作

 

Nova 物理部署方案                                                                                       

 

       前面大家已经看到 Nova 由很多子服务组成，我们也知道 OpenStack 是一个分布式系统，可以部署到若干节点上，那么接下来大家可能就会问：Nova 的这些服务在物理上应该如何部署呢？

 

对于 Nova，这些服务会部署在两类节点上：计算节点和控制节点。

 

计算节点上安装了 Hypervisor，上面运行虚拟机。 由此可知：

1. 只有 nova-compute 需要放在计算节点上。

2. 其他子服务则是放在控制节点上的。

 

下面我们可以看看实验环境的具体部署情况。 通过在计算节点和控制节点上运行

ps -elf | grep nova 来查看运行的 nova 子服务

计算节点compute只运行了nova-compute子服务

 

控制节点controller运行了若干nova-*子服务

 

RabbitMQ 和 MySQL 也是放在控制节点上的。可能细心的同学已经发现我们的控制节点上也运行了 nova-compute。 这实际上也就意味着 devstack-controller 既是一个控制节点，同时也是一个计算节点，也可以在上面运行虚机。

 

这也向我们展示了 OpenStack 这种分布式架构部署上的灵活性： 可以将所有服务都放在一台物理机上，作为一个 All-in-One 的测试环境； 也可以将服务部署在多台物理机上，获得更好的性能和高可用。

 

另外，也可以用 nova service-list 查看 nova-* 子服务都分布在哪些节点上

 

 

从虚机创建流程看 nova-* 子服务如何协同工作                                    

      

     从学习 Nova 的角度看，虚机创建是一个非常好的场景，涉及的 nova-* 子服务很全，下面是流程图。

 

1. 客户（可以是 OpenStack 最终用户，也可以是其他程序）向 API（nova-api）发送请求：“帮我创建一个虚机”

    
2. API 对请求做一些必要处理后，向 Messaging（RabbitMQ）发送了一条消息：“让 Scheduler 创建一个虚机”

    
3. Scheduler（nova-scheduler）从 Messaging 获取到 API 发给它的消息，然后执行调度算法，从若干计算节点中选出节点 A

    
4. Scheduler 向 Messaging 发送了一条消息：“在计算节点 A 上创建这个虚机”

    
5. 计算节点 A 的 Compute（nova-compute）从 Messaging 中获取到 Scheduler 发给它的消息，然后在本节点的 Hypervisor 上启动虚机。

    
6. 在虚机创建的过程中，Compute 如果需要查询或更新数据库信息，会通过 Messaging 向 Conductor（nova-conductor）发送消息，Conductor 负责数据库访问。

    

以上是创建虚机最核心的步骤， 这几个步骤向我们展示了 nova-* 子服务之间的协作的方式，也体现了 OpenStack 整个系统的分布式设计思想，掌握这种思想对我们深入理解 OpenStack 会非常有帮助。

 

三、Nova 创建虚拟机详细过程

 

 

1、界面或命令行通过RESTful API向keystone获取认证信息。

2、keystone通过用户请求认证信息，并生成auth-token返回给对应的认证请求。

3、界面或命令行通过RESTful API向nova-api发送一个boot instance的请求（携带auth-token）。

4、nova-api接受请求后向keystone发送认证请求，查看token是否为有效用户和token。

5、keystone验证token是否有效，如有效则返回有效的认证和对应的角色（注：有些操作需要有角色权限才能操作）。

6、通过认证后nova-api和数据库通讯。

7、初始化新建虚拟机的数据库记录。

8、nova-api通过rpc.call向nova-scheduler请求是否有创建虚拟机的资源(Host ID)。

9、nova-scheduler进程侦听消息队列，获取nova-api的请求。

10、nova-scheduler通过查询nova数据库中计算资源的情况，并通过调度算法计算符合虚拟机创建需要的主机。

11、对于有符合虚拟机创建的主机，nova-scheduler更新数据库中虚拟机对应的物理主机信息。

12、nova-scheduler通过rpc.cast向nova-compute发送对应的创建虚拟机请求的消息。

13、nova-compute会从对应的消息队列中获取创建虚拟机请求的消息。

14、nova-compute通过rpc.call向nova-conductor请求获取虚拟机消息。（Flavor）

15、nova-conductor从消息队队列中拿到nova-compute请求消息。

16、nova-conductor根据消息查询虚拟机对应的信息。

17、nova-conductor从数据库中获得虚拟机对应信息。

18、nova-conductor把虚拟机信息通过消息的方式发送到消息队列中。

19、nova-compute从对应的消息队列中获取虚拟机信息消息。

20、nova-compute通过keystone的RESTfull API拿到认证的token，并通过HTTP请求glance-api获取创建虚拟机所需要镜像。

21、glance-api向keystone认证token是否有效，并返回验证结果。

22、token验证通过，nova-compute获得虚拟机镜像信息(URL)。

23、nova-compute通过keystone的RESTfull API拿到认证k的token，并通过HTTP请求neutron-server获取创建虚拟机所需要的网络信息。

24、neutron-server向keystone认证token是否有效，并返回验证结果。

25、token验证通过，nova-compute获得虚拟机网络信息。

26、nova-compute通过keystone的RESTfull API拿到认证的token，并通过HTTP请求cinder-api获取创建虚拟机所需要的持久化存储信息。

27、cinder-api向keystone认证token是否有效，并返回验证结果。

28、token验证通过，nova-compute获得虚拟机持久化存储信息。

29、nova-compute根据instance的信息调用配置的虚拟化驱动来创建虚拟机。

四、彻底删除nova-compute节点

1、控制节点上操作查看计算节点，删除node1

1 2	openstack host list nova service-list

2、将node1上的计算服务设置为down，然后disabled

1 2	systemctl stop openstack-nova-compute nova service-list

1 2	nova service-disable node1 nova-compute nova service-list

3、在数据库里清理（nova库）

（1）参看现在数据库状态

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

[root@node1 ~]# mysql -u root -p Enter password: Welcome to the MariaDB monitor.  Commands end with ; or \g. Your MariaDB connection id is 90 Server version: 10.1.20-MariaDB MariaDB Server   Copyright (c) 2000, 2016, Oracle, MariaDB Corporation Ab and others.   Type 'help;' or '\h' for help. Type '\c' to clear the current input statement.   MariaDB [(none)]> use nova; Reading table information for completion of table and column names You can turn off this feature to get a quicker startup with -A   Database changed MariaDB [nova]> select host from nova.services; +---------+ | host    | +---------+ | 0.0.0.0 | | 0.0.0.0 | | node1   | | node1   | | node1   | | node1   | | node2   | +---------+ 7 rows in set (0.00 sec)   MariaDB [nova]> select hypervisor_hostname from compute_nodes; +---------------------+ | hypervisor_hostname | +---------------------+ | node1               | | node2               | +---------------------+ 2 rows in set (0.00 sec)

 （2）删除数据库中的node1节点信息

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

MariaDB [nova]> delete from nova.services where host="node1"; Query OK, 4 rows affected (0.01 sec)   MariaDB [nova]> delete from compute_nodes where hypervisor_hostname="node1"; Query OK, 1 row affected (0.00 sec)   MariaDB [nova]> MariaDB [nova]> MariaDB [nova]> MariaDB [nova]> select host from nova.services; +---------+ | host    | +---------+ | 0.0.0.0 | | 0.0.0.0 | | node2   | +---------+ 3 rows in set (0.00 sec)   MariaDB [nova]> select hypervisor_hostname from compute_nodes; +---------------------+ | hypervisor_hostname | +---------------------+ | node2               | +---------------------+ 1 row in set (0.00 sec)   MariaDB [nova]>