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。隨著使用云計(jì)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(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，客戶端用戶只需申請(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，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(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、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。可靠性、可用性可以通過(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：
?。?）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)用戶透明，存儲(chǔ)的部署也對(duì)用戶透明，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)用戶的要求高一點(diǎn)，因?yàn)樾枰脩籼摂M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。
參考文獻(xiàn)
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