劉輝邦, 羅 萱, 黃保青, 金耀輝,
(1.上海交通大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240;2.上海交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心,上海 200240)
云計(jì)算已經(jīng)成為當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)很重要的服務(wù)方式,它能夠?yàn)橛脩籼峁┌葱璧挠?jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)資源.云計(jì)算可以分為三個(gè)層面:軟件即服務(wù)(Software as a Service,SaaS),平臺(tái)即服務(wù)(Platform as a Service,PaaS)和基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Infrastructure as a Service,IaaS).IaaS通過(guò)虛擬化技術(shù)以共享資源池的形式為用戶提供計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等IT資源,用戶可以部署、控制和運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件,并只需按照實(shí)際使用量付費(fèi),極大地降低了建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本.
越來(lái)越多的企業(yè)將自己的業(yè)務(wù)遷移到云計(jì)算平臺(tái)之上,對(duì)于高校來(lái)說(shuō),建設(shè)面向校園提供服務(wù)的云平臺(tái)也是勢(shì)在必行的.由于向云服務(wù)提供商租用云服務(wù)可能需要較多花費(fèi),越來(lái)越多的高校選擇開(kāi)源軟件技術(shù)搭建屬于自己的IaaS平臺(tái)[1].OpenStack[2]就是目前最為流行的開(kāi)源云計(jì)算平臺(tái),它是一個(gè)由社區(qū)開(kāi)發(fā)推動(dòng)的開(kāi)源云計(jì)算項(xiàng)目,用于建設(shè)和管理公有/私有云,具有良好的可擴(kuò)展性,現(xiàn)在已被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)界.
在OpenStack中,虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是最復(fù)雜的一個(gè)服務(wù)[3].用戶可以在OpenStack中自行創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、子網(wǎng)、端口、路由器等虛擬部件,它們所起的作用和真實(shí)的物理部件類似.比如,路由器起的是一個(gè)路由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)的功能;端口起的是連接設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的功能.隨著OpenStack版本不斷的更新,其虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能也越來(lái)越強(qiáng)大,可以通過(guò)不同的方法和技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),方法和技術(shù)的不同勢(shì)必會(huì)造成性能的差異,而虛擬化的存儲(chǔ)資源和計(jì)算資源最終都要通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務(wù),因此.虛擬網(wǎng)絡(luò)的性能是非常值得關(guān)注的一點(diǎn).
本文針對(duì)當(dāng)前OpenStack最新發(fā)行版,對(duì)其虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行了介紹,著重對(duì)虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不同的實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)進(jìn)行了分析與性能測(cè)量[4-6],并詳細(xì)介紹了上海交通大學(xué)云計(jì)算平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐現(xiàn)狀,為高校云計(jì)算虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供了參考.
本文的第二部分主要是OpenStack虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)介紹與分析;第三部分是性能測(cè)量以及結(jié)果分析;第四部分介紹上海交通大學(xué)云計(jì)算平臺(tái)運(yùn)營(yíng)實(shí)踐;第五部分是結(jié)論.
在OpenStack中有兩種模式來(lái)實(shí)現(xiàn)OpenStack虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù),分別是Nova-network和Neutron,兩者各有優(yōu)缺點(diǎn):Nova-network的優(yōu)點(diǎn)是它可以分布式地部署在每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上,每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)可自行提供虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù),穩(wěn)定性比較好;而Nova-network的主要缺點(diǎn)就在于支持的插件、技術(shù)太少,比如只支持Linux Bridge這一種虛擬網(wǎng)橋,在網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)上,只支持虛擬局域網(wǎng)(VLAN)技術(shù).
相對(duì)于Nova-network,Neutron在功能上比較強(qiáng)大.在Neutron很重要的一個(gè)插件中叫做模塊化二層插件(ML2),它的一個(gè)強(qiáng)大的功能就是可以支持不同的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)像VLAN、通用路由封裝虛擬網(wǎng)絡(luò)(NVGRE)、虛擬可擴(kuò)展局域網(wǎng)(VXLAN)等;同時(shí),它也可以支持多種不同的虛擬網(wǎng)橋,比如像Linux Bridge、OpenvSwitch等等.而Neutron的缺點(diǎn)在于它只能集中地部署在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上,而不能分布式的部署在計(jì)算節(jié)點(diǎn),可擴(kuò)展性差.
OpenStack虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的不斷演變給用戶帶來(lái)了云平臺(tái)建設(shè)上的更多選擇,但也同時(shí)給用戶帶來(lái)了困擾.采用不同的方法與技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù),其性能必然會(huì)有差異,對(duì)于高校來(lái)說(shuō),如何建設(shè)適合高校的云計(jì)算虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是非常重要的.下面我們將從以下三方面對(duì)OpenStack虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的不同實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)進(jìn)行具體的分析.
Neutron的功能相對(duì)于Nova-network來(lái)說(shuō)更加強(qiáng)大,但是主要的缺是不能在多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行分布式的部署,虛擬機(jī)所有向不同子網(wǎng)和公共網(wǎng)絡(luò)的流量必須要經(jīng)過(guò)Neutron網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的路由器進(jìn)行三層轉(zhuǎn)發(fā),這就會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載過(guò)大,并且延長(zhǎng)了包轉(zhuǎn)發(fā)的路徑.
如圖1,這是一個(gè)基于Neutron的OpenStack虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu),虛擬機(jī)1和虛擬機(jī)2屬于同一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)不同的網(wǎng)絡(luò).如果虛擬機(jī)1要和虛擬機(jī)2通信的話,就一定要先經(jīng)過(guò)Neutron服務(wù)所在的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),之后才返回計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的虛擬機(jī)2;虛擬機(jī)1和虛擬機(jī)3的通信過(guò)程同樣要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn).而對(duì)于基于Nova-network的Open-Stack部署架構(gòu)來(lái)說(shuō),則并不需要這么麻煩.如圖2所示,Nova-network服務(wù)部署在計(jì)算節(jié)點(diǎn)上,虛擬機(jī)1如果要和屬于不同網(wǎng)絡(luò)的虛擬機(jī)2通信的話,直接經(jīng)由計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的路由器轉(zhuǎn)發(fā)之后,數(shù)據(jù)包就可以到達(dá)虛擬機(jī)2了.
由以上分析可知,Nova-network和Neutron這兩種網(wǎng)絡(luò)模式在三層轉(zhuǎn)發(fā)上的不同必然造成性能上的差異.
圖1 Neutron架構(gòu)
圖2 Nova-Network架構(gòu)
虛擬網(wǎng)橋在OpenStack虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中主要起的是數(shù)據(jù)包的交換功能,相當(dāng)于交換機(jī),是一個(gè)非常重要的部件.OpenStack中有兩種虛擬網(wǎng)橋可供選擇,分別是Linux Bridge和OpenvSwitch,Openvswitch只能在Neutron架構(gòu)下部署.OpenStack在流量安全方面做了很多的控制,包括在虛擬機(jī)與虛擬網(wǎng)橋的接口處做Iptables,在路由器端口做防火墻設(shè)置.而對(duì)于OpenvSwitch來(lái)說(shuō),并不支持在其接口處做Iptables這一功能,而通過(guò)Linux bridge是可以實(shí)現(xiàn)這一功能的,但是Linux Bridge又不如OpenvSwitch可以支持NVGRE和VXLAN等網(wǎng)絡(luò)類型.因此,比較常見(jiàn)的虛擬網(wǎng)橋架構(gòu)是單獨(dú)用Linux Bridge或者是Linux Bridge和OpenvSwitch級(jí)聯(lián)的模式,如圖3所示.
圖3 虛擬網(wǎng)橋架構(gòu)
Linux Bridge和OpenvSwitch相級(jí)聯(lián)的模式雖然可以帶來(lái)功能上的增強(qiáng),但是是否會(huì)對(duì)性能帶來(lái)影響還是未知的,所以這兩種不同的網(wǎng)橋架構(gòu)的性能上的優(yōu)劣是非常值得研究和關(guān)注的一點(diǎn).
OpenStack中采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)對(duì)不同用戶的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離,可支持的技術(shù)包括VLAN技術(shù)、NVGRE技術(shù)和VXLAN技術(shù).VLAN技術(shù)將一個(gè)局域網(wǎng)從邏輯上劃分為多個(gè)不同的網(wǎng)段,從而實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)段的隔離,每個(gè)網(wǎng)段通過(guò)VLAN tag來(lái)識(shí)別.但由于VLAN tag只有12 bit,個(gè)數(shù)有限,并不適用于大型的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò).因此,業(yè)界提出了兩種基于隧道技術(shù)的解決方案:NVGRE、VXLAN.NVGRE和VXLAN都有24 bit的字段來(lái)標(biāo)識(shí)不同的租戶網(wǎng)絡(luò),很好的解決了VLAN個(gè)數(shù)的限制.但是,這三種網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)性能上的優(yōu)劣性還是有待實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證的.
基于以上分析,我們搭建了實(shí)驗(yàn)環(huán)境來(lái)進(jìn)行具體的測(cè)試.在實(shí)驗(yàn)中,我們主要關(guān)注的兩個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo):帶寬和時(shí)延.為了保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性,本文所有的實(shí)驗(yàn)都是在同一個(gè)Open-Stack環(huán)境中進(jìn)行的,搭建OpenStack平臺(tái)的三個(gè)節(jié)點(diǎn)使用的都是同樣的服務(wù)器與操作系統(tǒng),相關(guān)的安裝配置也是參照OpenStack Icehouse官方文檔操作的.在OpenStack中創(chuàng)建虛擬機(jī)時(shí),我們統(tǒng)一選擇2 G內(nèi)存、雙核CPU的配額.在實(shí)驗(yàn)中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境都是獨(dú)立的,不受其他因素影響.
3.1.1 帶寬
我們通過(guò)在OpenStack創(chuàng)建虛擬機(jī),然后測(cè)試兩臺(tái)虛擬機(jī)在萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)下最多能夠占用多少帶寬,在測(cè)量工具方面,采用Iperf工具來(lái)測(cè)網(wǎng)絡(luò)帶寬.Iperf是一個(gè)被廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試工具,可以測(cè)試最大的TCP、UDP帶寬性能,并且可以設(shè)置傳輸?shù)目倳r(shí)間,默認(rèn)時(shí)間是10 s,在本文實(shí)驗(yàn)中,統(tǒng)一采用的是100 s的傳輸時(shí)間.
3.1.2 時(shí)延
在時(shí)延測(cè)試中,我們主要通過(guò)發(fā)Ping包來(lái)測(cè)試包從虛擬機(jī)到另一虛擬機(jī)之間所需要的時(shí)間,經(jīng)過(guò)多次測(cè)試取平均值.
本文測(cè)試的機(jī)器為英特爾2U4節(jié)點(diǎn)服務(wù)器,內(nèi)存為64 G,CPU為16核,四個(gè)節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)都是Ubuntu14.04 LTS X86_64.每個(gè)節(jié)點(diǎn)都用了兩個(gè)網(wǎng)卡,一個(gè)千兆網(wǎng)卡,一個(gè)萬(wàn)兆網(wǎng)卡,其中千兆網(wǎng)卡用于OpenStack管理網(wǎng)絡(luò),萬(wàn)兆網(wǎng)卡用于OpenStack虛擬機(jī)之間通信的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò).千兆網(wǎng)卡所連接的交換機(jī)NetGear,萬(wàn)兆網(wǎng)卡所連接的交換機(jī)為IBM BNT G8124.
在OpenStack中所創(chuàng)建的虛擬機(jī)內(nèi)存配置為2 G,CPU為雙核,操作系統(tǒng)為Ubuntu 12.04.2 LTS X86_64.
3.3.1 Nova-network和Neutron性能測(cè)量
我們分別在Nova-network和Neutron兩種不同模式下對(duì)虛擬機(jī)之間的帶寬和時(shí)延做測(cè)試.在帶寬測(cè)試中,我們以一個(gè)虛擬機(jī)作為Iperf server,然后另一虛擬機(jī)作為Iperf客戶端向主機(jī)端發(fā)包.一共分以下四種情形:
1)主機(jī)端的虛擬機(jī)和客戶端的虛擬機(jī)在相同網(wǎng)絡(luò)相同計(jì)算節(jié)點(diǎn)上;
2)主機(jī)端的虛擬機(jī)和客戶端的虛擬機(jī)在相同網(wǎng)絡(luò)不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)上;
3)主機(jī)端的虛擬機(jī)和客戶端的虛擬機(jī)在不同網(wǎng)絡(luò)相同計(jì)算節(jié)點(diǎn)上;
4)主機(jī)端的虛擬機(jī)和客戶端的虛擬機(jī)在不同網(wǎng)絡(luò)不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)上.
在時(shí)延測(cè)試中,我們使用的方法是以一臺(tái)虛擬機(jī)作為主機(jī),然后通過(guò)作為客戶端的虛擬機(jī)向主機(jī)發(fā)Ping包.
從圖4、圖5中可以看到,當(dāng)兩虛擬機(jī)在同一網(wǎng)絡(luò)下,Nova-network和Neutron的性能基本是一致的,但是當(dāng)虛擬機(jī)不在同一網(wǎng)絡(luò)下,Nova-network的性能要明顯優(yōu)于Neutron.從以上結(jié)果可知,由于在Neutron模式下,所有屬于不同網(wǎng)絡(luò)的虛擬機(jī)之間的通信數(shù)據(jù)包都要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),從而造成了網(wǎng)絡(luò)性能的較大下降.
圖4 Nova-network和Neutron帶寬測(cè)試
圖5 Nova-network和Neutron時(shí)延測(cè)試
3.3.2 虛擬網(wǎng)橋性能測(cè)試
由于Nova-network不支持OpenvSwitch,因此,只能在Neutron架構(gòu)下分別對(duì)Linux Bridge和Linux Bridge級(jí)聯(lián)OpenvSwitch這兩種網(wǎng)橋模式下做虛擬機(jī)之間的帶寬和時(shí)延測(cè)試,兩種網(wǎng)橋模式所連接的虛擬機(jī)都是在相同網(wǎng)絡(luò)相同計(jì)算節(jié)點(diǎn)的.同樣也是通過(guò)Iperf和Ping來(lái)分別測(cè)帶寬和時(shí)延.由于Linux Bridge只支持VLAN技術(shù),而不支持NVGRE和VXLAN技術(shù),所以在這里我們也只能通過(guò)VLAN類型的網(wǎng)絡(luò)虛擬化來(lái)進(jìn)行測(cè)量.
從圖6-7中可以看到,Linux Bridge的性能要優(yōu)于Linux Bridge級(jí)聯(lián)OpenvSwitch模式的性能.
圖6 不同虛擬網(wǎng)橋的帶寬測(cè)試
圖7 不同虛擬網(wǎng)橋的時(shí)延測(cè)試
3.3.3 網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)測(cè)量
由于Nova-network和Linux Bridge不支持NVGRE和VXLAN技術(shù),所以只能采用的在Neutron架構(gòu)下,以Linux Bridge級(jí)聯(lián)OpenvSwitch作為虛擬網(wǎng)橋,來(lái)對(duì)三種不同的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)進(jìn)行性能測(cè)量.通過(guò)圖8-9可以看到,當(dāng)虛擬機(jī)屬于相同網(wǎng)絡(luò)相同計(jì)算節(jié)點(diǎn)的情況下,三者的性能是差不多的,但是對(duì)于其他三種情況,VLAN的性能要明顯優(yōu)于其他兩者.同時(shí),在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)虛擬機(jī)網(wǎng)卡的MTU和物理機(jī)網(wǎng)卡的MTU相等時(shí),會(huì)造成虛擬機(jī)之間的帶寬性能急劇下降,只有10Mbit/s,這是因?yàn)閺奶摂M機(jī)出來(lái)的包經(jīng)過(guò)NVGRE和VXLAN的封裝后MTU會(huì)大于物理機(jī)的MTU,這就造成了這些包將會(huì)在IP層進(jìn)行分片,最終就造成了性能上的急劇下降.
圖8 網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的帶寬測(cè)試
圖9 網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的時(shí)延測(cè)試
通過(guò)以上測(cè)量,我們可以得出總結(jié),如表1:
表1 測(cè)量結(jié)果總結(jié)
上海交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心以O(shè)penStack為基礎(chǔ),配合其他開(kāi)源軟件,建設(shè)了IaaS平臺(tái),可以提供類似Amazon的EC2、S3和EBS等服務(wù).所建設(shè)的IaaS平臺(tái)擁有計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)、虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、鏡像服務(wù)、身份認(rèn)證服務(wù)等等.平臺(tái)總共包括40臺(tái)服務(wù)器,300 TB本地存儲(chǔ),24 TB塊存儲(chǔ),60 TB對(duì)象存儲(chǔ),設(shè)備之間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)全萬(wàn)兆以太網(wǎng)互聯(lián),管理網(wǎng)絡(luò)通過(guò)千兆以太網(wǎng)互聯(lián),平臺(tái)支持水平擴(kuò)容,可管理超過(guò)1000臺(tái)服務(wù)器以上規(guī)模的集群.平臺(tái)的虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)采用的是Neutron模式,以Linux Bridge作為虛擬網(wǎng)橋,不同租戶之間的虛擬網(wǎng)絡(luò)采用VLAN技術(shù)隔離.之所以這樣選擇,主要出于以下幾點(diǎn)考量:
(1)由于平臺(tái)需要為不同的用戶提供服務(wù),為了確保用戶的網(wǎng)絡(luò)地址空間相互不受影響,有必要對(duì)用戶網(wǎng)絡(luò)的IP地址實(shí)現(xiàn)可重疊;
(2)Neutron可提供穩(wěn)定的負(fù)載均衡API;
(3)雖然Neutron不能分布式地部署在每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上,但我們可以采用部署多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以減輕其負(fù)載壓力,保證服務(wù)的可靠性;
(4)Neutron支持多種API,例如支持部署軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)控制器;
(5)VLAN的個(gè)數(shù)對(duì)于校園級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)是充分夠用的,因此不會(huì)出現(xiàn)VLAN ID不足的情況,并且VLAN技術(shù)的性能較好.
上海交通大學(xué)云計(jì)算平臺(tái)從2013年6月份開(kāi)始提供服務(wù),到目前為止未曾出現(xiàn)任何虛擬機(jī)/存儲(chǔ)/網(wǎng)絡(luò)等方面的故障.高峰時(shí)期有200多臺(tái)虛擬機(jī),最大單個(gè)用戶有30多臺(tái)虛擬機(jī).服務(wù)對(duì)象多樣化,包括科研,教學(xué),信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā),PaaS平臺(tái)和創(chuàng)新實(shí)踐等.
虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是云計(jì)算平臺(tái)核心的一個(gè)服務(wù),其性能的好壞直接影響到了云計(jì)算的計(jì)算服務(wù)和存儲(chǔ)服務(wù).作為OpenStack眾多服務(wù)中最復(fù)雜的一個(gè),隨著版本的不斷更新,有多種方法和技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)其虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù).對(duì)于高校來(lái)說(shuō),如何選擇方法和技術(shù)構(gòu)建合理的虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是非常重要的.本文針對(duì)當(dāng)前OpenStack虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)進(jìn)行研究與性能測(cè)量,詳細(xì)分析了各種方法和技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),并介紹了上海交通大學(xué)云計(jì)算平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐現(xiàn)狀,為今后高校的云平臺(tái)虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)建設(shè)提供了參考.
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華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2015年1期