摘  要： 將GlusterFS應(yīng)用于OpenStack中替代swift模塊，并針對讀寫性能進行測試，實驗證明在GlusterFS下虛擬機讀寫性能指標(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)境中虛擬機的重要研究問題之一。
　OpenStack允許客戶通過部署虛擬機來創(chuàng)建資源，在節(jié)點上通過使用KVM鏡像等對虛擬機進行一系列配置，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。當(dāng)虛擬機用完之后要進行撤銷，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)，存儲能力可以達到PB級別。
Swift具有很高的數(shù)據(jù)持久性、持續(xù)的可擴展性、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)機動性等方面的特性。GlusterFS的諸多特性，都可以作為OpenStack的強大后盾。
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)虛擬機實例、鏡像的存儲區(qū)域和虛擬機虛擬硬盤、存儲區(qū)的不同，對比完成四種虛擬機部署。
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)點啟動虛擬機的鏡像和實例部署在GlusterFS[5]之上，并分別測試虛擬機對虛擬機自身機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)境進行研究：
　場景1：虛擬機實例和鏡像部署在OpenStack計算節(jié)點，并且訪問虛擬機自身存儲區(qū)。
　場景2：虛擬機實例和鏡像部署在GlusterFS上面，并且訪問虛擬機自身存儲區(qū)。
　場景3：虛擬機實例和鏡像部署在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，對其隨機寫性能進行測試。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：
　（1）場景1：這是OpenStack傳統(tǒng)的虛擬機部署方式，并且訪問虛擬機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。
?。?）場景2：這種部署方式是相對較好的，因為對虛擬機用戶透明，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)多了虛擬機這一中間層。這表明虛擬機部署在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的高可用性。但是對于虛擬機用戶的要求高一點，因為需要用戶虛擬機在部署過程中掛載GlusterFS作為存儲區(qū)。這也表明虛擬機部署在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。
參考文獻
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