基于Docker的Open Stack云平台卷存储模块的设计

吴哲夫，邬新东，张 彤/Wu Zhefu，Wu Xindong，Zhang Tong

（浙江工业大学信息工程学院 杭州310023）

1 引言

近年来，随着科技的快速发展，尤其是网络技术的发展，云计算逐渐从概念变为现实。目前有4种主流的开源云平台管理软件[1]：OpenStack[2]、OpenNebula[3]、Eucalyptus[4]和 CloudStack[5]。 其 中 ，OpenStack凭借松耦合的系统架构、免费的商业模式及活跃的社区赢得了众多厂商的大力支持。在Havana版本中，OpenStack提供了对Docker[6]的支持。通过使用Nova-Docker项目，将OpenStack中用于构建虚拟机的Nova-Compute组件中的Hypervisor替换为Docker，以提供更轻量级、更高效的服务。但是Docker构建的容器并不支持OpenStack中的Cinder组件，基于此，本文设计了一个卷存储模块vol-manager，增加本地文件系统和Docker容器的映射功能，使本地卷存储能够直接挂载到容器中，以实现持久性存储。

2 基于Docker的OpenStack云平台的构建

2.1 OpenStack云平台整体部署架构

OpenStack采用模块化设计，松耦合的系统框架能集成老、旧、第三方的技术，从而满足业务需要，也使得开发者能够更容易地对OpenStack进行二次开发[7]。本文所要构建的云平台只需要使用以下几个组件。

认证服务：Keystone。Keystone为整个云平台提供统一的、完整的身份认证、服务目录、令牌、访问策略服务。

镜像服务：Glance。Glance为虚拟磁盘镜像提供目录和资源库，并保存镜像文件的元数据。

计算服务：Nova。Nova是整个OpenStack中最核心的组件，提供按需创建虚拟机的服务。

网络管理服务：Neutron。Neutron为Nova创建的各个虚拟机实例提供网络功能。

可视化组件：Horizon。Horizon为 OpenStack中的实例、服务提供图形化的界面。

其他组件：如Cinder、Swift等并不需要部署，详细信息可参见官方文档[8]。

具体的架构如图1所示。

2.2 Nova-Docker项目的部署

OpenStack云平台的默认虚拟化方案是KVM。在OpenStack Havana版本中，Nova-Docker作为插件被引入，以提供更轻量级的服务。之后为了加快整个项目的迭代开发，又将Nova-Docker作为孵化项目移出。在github上，适用于OpenStack Juno版本的Nova-Docker[9]已经相对成熟，可以提供较稳定的服务。Nova-Docker的架构如图2所示。

在整个云平台中，Docker作为一种新的Hypervisor，将取代默认的KVM。Docker创建的容器实例就是轻量级的虚拟机实例。Docker镜像通过Docker Save保存成TAR包，放置在Glance上管理。创建容器时，从Glance上下载容器镜像，利用Docker Load加载并启动容器镜像。

3 OpenStack构建虚拟机的流程

vol-manager模块依托于虚拟机实例的创建，掌握OpenStack构建虚拟机的整个流程对于模块的编写具有重要意义。在2.1节所介绍的组件中，Nova主要负责这一部分，它也是整个OpenStack中最核心的组件。从根本上来说，OpenStack中的其他组件都是为Nova服务。Nova由众多子服务组成，在构建虚拟机实例过程中，比较重要的是以下3个服务，见表1。创建虚拟机请求的处理流程如图3所示。

表1 Nova相关子服务

4 vol-manager模块的设计

4.1 整体架构设计

由于Docker并不支持Cinder共享存储，因此，Nova-Docker源代码中并没有在创建虚拟机的函数中增加存储功能。vol-manager的核心思想是通过配置文件中定义的相关参数，选择是否开启该模块，并在本地文件系统中创建目录，将该目录映射到Docker容器中，整体的架构如图4所示。

在spawn函数中，读取nova.conf配置文件中相关选项，判断是否开启卷模块，配置文件设置格式说明在4.2节。当确定模块开启时，调用_start_storage_container函数；当确定模块未开启时，调用_start_container函数。核心函数_start_storage_container的设计方案在4.3节。最后调用Docker本身的start方法创建容器实例。

4.2 配置文件的设定

由于OpenStack的配置文件采用分节的形式，本方案将vol-manager模块的配置单独作为一节添加到nova.conf中。

[vol-manager]

volume=true

container_dir=/data

local_dir=/mnt/docker_volume

volume选项决定是否开启卷服务：true为开启，false为关闭。local_dir为本地文件系统中卷目录地址，container_dir为映射到容器中的地址。

4.3 模块核心函数的设计

整个模块的核心函数为_start_storage_container函数，图5为该函数的设计流程。

函数首先要获取container_id，在编写代码过程中发现，在最新版本的Nova-Docker中，container_id可以作为一个参数直接传递给函数；在低版本的Nova-Docker中，需要调用_find_container_by_name函数来获取container_id。之后通过调用OpenStack的oslo.config库来读取nova.conf配置文件，来得到container_dir和local_dir，创建不存在的目录，并将两个参数绑定。传递给Docker类的start函数，等到容器创建完成，再为容器创建网络，并将网络附加到容器上。

在编写整个函数的过程中，要将相关步骤输出到日志中，这样有利于程序的编写及后期的调试。同时，需要对异常进行捕获，增强程序的顽健性。

以下为该核心函数中的关键源代码。

LOG.warning('_container_id__:%s'%container_id)

local_dir=self.get_localdir()

local_dir+=container_id.get('id','rand')

self.create_local_dir()

docker_dir=self.get_container_dir()

dir_param={local_dir:docker_dir}

self.docker.start(container_id,binds=dir_param)

if notnetwork_info:

return

try:

self.plug_vifs(instance,network_info)

self._attach_vifs(instance,network_info)

except Exception as e:

LOG.warning(('Cannot setup network:%s'),e,instance=instance,exc_info=True)

msg=_('Cannot setup network:{0}')

self.docker.kill(container_id)

self.docker.remove_container(container_id,force=True)

5 模块测试效果

由于OpenStack的版本更新速度较快，且每个版本之间可能会有较大的差异，因此，模块的设计在不同版本中可能会有所不同。本文所构建的云平台基于OpenStack Juno版本，具体主机配置见表2。

表2 主机配置

构建Ubunutu实例，分配浮动IP，如图6所示，其中的test4实例就是这次需要测试的实例。

进行功能性验证，具体的验证步骤如图7所示，图7为正向验证步骤，还可以反向验证，即在宿主机中创建文件，在test4实例中验证该文件是否存在。

实验结果表明：vol-manager模块能够有效解决容器实例中部分数据的持久性存储问题。同时，在容器与宿主机之间构建了通道，在宿主机上修改文件，能够实时映射到容器中。利用这种特性，将容器中部分软件的配置目录放在/data中，那么，在宿主机上就可以直接修改其中的文件，来改变容器中相关服务的特性。

以在test4实例中构建HTTP服务为例，说明vol-manager模块的作用。整个过程如图8所示。

在test4中，HTTP服务将/data目录作为网站的根目录。由于vol-manager模块将/data与宿主机中的local_dir关联在一起，因此，在宿主机的目录中建立网页文件，通过HTTP服务能够实时地访问。vol-manager模块不仅使容器中有关数据可以持久性存储，还为改变容器中某些服务属性提供了途径。

6 结束语

本文设计的vol-manager模块通过增加配置文件选项、修改驱动源代码实现了本地文件系统到Docker容器的映射，使容器中的数据能够保存到本地文件系统中。由于Nova-Docker项目正处于开发阶段，OpenStack对于Docker的支持并不完善，例如，不支持容器的迁移，这些都是未来的研究方向。

[1] 杨绍光，张云勇，陈清金等.基于OpenStack的云计算IaaS管理平台研究[J].互联网天地，2013,(3).

[2]SEFRAOUI O，AISSAOU M,ELEULDJ M.OpenStack:toward an open-source solution for cloud computing[J].International Journal of Computer Applications，2012,55(3):38-42.

[3]MILOJICIC D，LLORENTE I M，MONTERO R S.Opennebula:a cloud management tool[J].IEEE Internet Computing,2011,(2):11-14.

[4]NURMID，WOLSKIR，GRZEGORCZYK C，et al.The eucalyptus open-sourcecloud-computingsystem[A].9th IEEE,ACM International Symposium on Cluster Computing and the Grid[C].2009.

[5]KUMARR,JAINK,MAHARWALH,etal.Apache CloudStack:open source infrastructure as a service cloud computing platform[A].International Journal of Advancement in Engineering Technology,Management and Applied Science[C].2014.

[6]FINK J.Docker:a software as a service,operating system-level virtualization framework[J].Code4Lib Journal,2014,(25).

[7] 李小宁,李磊,金连文等.基于Open Stack构建私有云计算平台[J].电信科学,2012,28(9):1-8.

[8]OpenStack document[EB/OL].http://docs.openstack.org,2015.

[9]Nova-Docker[EB/OL].https://github.com/stackforge/nova-docker/tree/stable/juno,2015.