OpenStack 容器服务 Zun 初探与原理分析

阅读数:7779 2019 年 7 月 19 日 08:00

OpenStack容器服务Zun初探与原理分析

01 Zun 服务简介

Zun 是 OpenStack 的容器服务(Containers as Service),类似于 AWS 的 ECS 服务,但实现原理不太一样,ECS 是把容器启动在 EC2 虚拟机实例上,而 Zun 会把容器直接运行在 compute 节点上。

和 OpenStack 另一个容器相关的 Magnum 项目不一样的是:Magnum 提供的是容器编排服务,能够提供弹性 Kubernetes、Swarm、Mesos 等容器基础设施服务,管理的单元是 Kubernetes、Swarm、Mesos 集群,而 Zun 提供的是原生容器服务,支持不同的 runtime 如 Docker、Clear Container 等,管理的单元是 container。

Zun 服务的架构如图:

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Zun 服务和 Nova 服务的功能和结构非常相似,只是前者提供容器服务,后者提供虚拟机服务,二者都是主流的计算服务交付模式。功能类似体现在如下几点:

  • 通过 Neutron 提供网络服务。
  • 通过 Cinder 实现数据的持久化存储。
  • 都支持使用 Glance 存储镜像。
  • 其他如 quota、安全组等功能。

组件结构结构相似则表现在:

  • 二者都是由 API、调度、计算三大组件模块构成,Nova 由 nova-api、nova-scheduler、nova-compute 三大核心组件构成,而 Zun 由 zun-api、zun-compute 两大核心组件构成,之所以没有 zun-scheduler 是因为 scheduler 集成到 zun-api 中了。
  • nova-compute 调用 compute driver 创建虚拟机,如 Libvirt。zun-compute 调用 container driver 创建容器,如 Docker。
  • Nova 通过一系列的 proxy 代理实现 VNC(nova-novncproxy)、Splice(nova-spiceproxy) 等虚拟终端访问,Zun 也是通过 proxy 代理容器的 websocket 实现远程 attach 容器功能。

02 Zun 服务部署

Zun 服务部署和 Nova、Cinder 部署模式类似,控制节点创建数据库、Keystone 创建 service 以及注册 endpoints 等,最后安装相关包以及初始化配置。计算节点除了安装 zun-compute 服务,还需要安装要使用的容器,比如 Docker。详细的安装过程可以参考官方文档,如果仅仅是想进行 POC 测试,可以通过 DevStack 自动化快速部署一个 AllInOne 环境,供参考的 local.conf 配置文件如下:

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如上配置会自动通过 DevStack 安装 Zun 相关组件、Kuryr 组件以及 Docker。

03 Zun 服务入门

3.1 Dashboard

安装 Zun 服务之后,可以通过 zun 命令行以及 Dashboard 创建和管理容器。

有一个非常赞的功能是如果安装了 Zun,Dashboard 能够支持 Cloud Shell,用户能够在 DashBoard 中进行交互式输入 OpenStack 命令行。

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原理的话就是通过 Zun 启动了一个 gbraad/openstack-client:alpine 容器。

通过 Dashboard 创建容器和创建虚拟机的过程非常相似,都是通过 panel 依次选择镜像 (image)、选择规格 (Spec)、选择或者创建卷 (volume)、选择网络 (network/port)、选择安全组 (SecuiryGroup) 以及 scheduler hint,如图:

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其中 Miscellaneous 杂项中则为针对容器的特殊配置,比如设置环境变量(Environment)、工作目录 (Working Directory) 等。

3.2 命令行操作

通过命令行创建容器也非常类似,使用过 nova 以及 docker 命令行的基本不会有困难,下面以创建一个 mysql 容器为例:

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  • 如上通过–mount 参数指定了 volume 大小,由于没有指定 volume_id,因此 Zun 会新创建一个 volume。需要注意的是,Zun 创建的 volume 在容器删除后,volume 也会自动删除 (auto remove),如果需要持久化 volume 卷,则应该先通过 Cinder 创建一个 volume,然后通过 source 选项指定 volume_id,此时当容器删除时不会删除已有的 volume 卷。
  • 和虚拟机不一样,虚拟机通过 flavor 配置规格,容器则直接指定 cpu、memory、disk。
  • 如上没有指定–image-driver 参数,则默认从 dockerhub 下载镜像,如果指定 glance,则会往 glance 下载镜像。

另外 mysql 容器初始化时数据卷必须为空目录,挂载的 volume 新卷格式化时会自动创建 lost+found 目录,因此需要手动删除,否则 mysql 容器会初始化失败:

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创建完成后可以通过 zun list 命令查看容器列表:

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可以看到 mysql 的容器 fixed IP 为 192.168.233.80,和虚拟机一样,租户 IP 默认与外面不通,需要绑定一个浮动 IP(floating ip),

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zun 命令行目前还无法查看 floating ip,只能通过 neutron 命令查看,获取到 floatingip 并且安全组入访允许 3306 端口后就可以远程连接 mysql 服务了:

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当然在同一租户的虚拟机也可以直接通过 fixed ip 访问 mysql 服务:

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可见,通过容器启动 mysql 服务和在虚拟机里面部署 mysql 服务,用户访问上没有什么区别,在同一个环境中,虚拟机和容器可共存,彼此可相互通信,在应用层上可以完全把虚拟机和容器透明化使用,底层通过应用场景选择虚拟机或者容器。

3.3 关于 capsule

Zun 除了管理容器 container 外,还引入了 capsule 的概念,capsule 类似 Kubernetes 的 pod,一个 capsule 可包含多个 container,这些 container 共享 network、ipc、pid namespace 等。

通过 capsule 启动一个 mysql 服务,声明 yaml 文件如下:

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创建 mysql capsule:

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可见 capsule 的 init container 用的就是 kubernetes 的 pause 镜像。

3.4 总结

OpenStack 的容器服务本来是在 Nova 中实现的,实现了 Nova ComputeDriver,因此 Zun 的其他的功能如容器生命周期管理、image 管理、service 管理、action 管理等和 Nova 虚拟机非常类似,可以查看官方文档,这里不再赘述。

04 Zun 实现原理

4.1 调用容器接口实现容器生命周期管理

前面提到过 Zun 主要由 zun-api 和 zun-compute 服务组成,zun-api 主要负责接收用户请求、参数校验、资源准备等工作,而 zun-compute 则真正负责容器的管理,Nova 的后端通过 compute_driver 配置,而 Zun 的后端则通过 container_driver 配置,目前只实现了 DockerDriver。因此调用 Zun 创建容器,最终就是 zun-compute 调用 docker 创建容器。

下面以创建一个 container 为例,简述其过程。

4.1.1 zun-api

首先入口为 zun-api,主要代码实现在 zun/api/controllers/v1/containers.py 以及 zun/compute/api.py,创建容器的方法入口为 post() 方法,其调用过程如下:

zun/api/controllers/v1/containers.py

  1. policy enforce: 检查 policy,验证用户是否具有创建 container 权限的 API 调用。
  2. check security group: 检查安全组是否存在,根据传递的名称返回安全组的 ID。
  3. check container quotas: 检查 quota 配额。
  4. build requested network: 检查网络配置,比如 port 是否存在、network id 是否合法,最后构建内部的 network 对象模型字典。注意,这一步只检查并没有创建 port。
  5. create container object:根据传递的参数,构造 container 对象模型。
  6. build requeted volumes: 检查 volume 配置,如果传递的是 volume id,则检查该 volume 是否存在,如果没有传递 volume id 只指定了 size,则调用 Cinder API 创建新的 volume。

zun/compute/api.py

  1. schedule container: 使用 FilterScheduler 调度 container,返回宿主机的 host 对象。这个和 nova-scheduler 非常类似,只是 Zun 集成到 zun-api 中了。目前支持的 filters 如 CPUFilter、RamFilter、LabelFilter、ComputeFilter、RuntimeFilter 等。
  2. image validation: 检查镜像是否存在,这里会远程调用 zun-compute 的 image_search 方法,其实就是调用 docker search。这里主要为了实现快速失败,避免到了 compute 节点才发现 image 不合法。
  3. record action: 和 Nova 的 record action 一样,记录 container 的操作日志。
  4. rpc cast container_create: 远程异步调用 zun-compute 的 container_create() 方法,zun-api 任务结束。

4.1.2 zun-compute

zun-compute 负责 container 创建,代码位于 zun/compute/manager.py,过程如下:

  1. wait for volumes avaiable: 等待 volume 创建完成,状态变为 avaiable。
  2. attach volumes:挂载 volumes,挂载过程后面再介绍。
  3. checksupportdisk_quota: 如果使用本地盘,检查本地的 quota 配额。
  4. pull or load image: 调用 Docker 拉取或者加载镜像。
  5. 创建 docker network、创建 neutron port,这个步骤下面详细介绍。
  6. create container: 调用 Docker 创建容器。
  7. container start: 调用 Docker 启动容器。

以上调用 Dokcer 拉取镜像、创建容器、启动容器的代码位于 zun/container/docker/driver.py,该模块基本就是对社区 Docker SDK for Python 的封装。

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Zun 的其他操作比如 start、stop、kill 等实现原理也类似,这里不再赘述。

4.2 通过 websocket 实现远程容器访问

我们知道虚拟机可以通过 VNC 远程登录,物理服务器可以通过 SOL(IPMI Serial Over LAN) 实现远程访问,容器则可以通过 websocket 接口实现远程交互访问。

Docker 原生支持 websocket 连接,参考 APIAttach to a container via a websocket,websocket 地址为 /containers/{id}/attach/ws,不过只能在计算节点访问,那如何通过 API 访问呢?

和 Nova、Ironic 实现完全一样,也是通过 proxy 代理转发实现的,负责 container 的 websocket 转发的进程为 zun-wsproxy。

当调用 zun-compute 的 container_attach() 方法时,zun-compute 会把 container 的 websocket_url 以及 websocket_token 保存到数据库中.

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zun-wsproxy 则可读取 container 的 websocket_url 作为目标端进行转发:

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通过 Dashboard 可以远程访问 container 的 shell:

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当然通过命令行 zun attach 也可以 attach container。

4.3 使用 Cinder 实现容器持久化存储

前面介绍过 Zun 通过 Cinder 实现 container 的持久化存储,之前我的另一篇文章介绍了 Docker 使用 OpenStack Cinder 持久化 volume 原理分析及实践,介绍了 john griffith 开发的 docker-cinder-driver 以及 OpenStack Fuxi 项目,这两个项目都实现了 Cinder volume 挂载到 Docker 容器中。另外 cinderclient 的扩展模块 python-brick-cinderclient-ext 实现了 Cinder volume 的 local attach,即把 Cinder volume 挂载到物理机中。

Zun 没有复用以上的代码模块,而是重新实现了 volume attach 的功能,不过实现原理和上面的方法完全一样,主要包含如下过程:

  1. connect volume: connect volume 就是把 volume attach(映射)到 container 所在的宿主机上,建立连接的的协议通过 initialize_connection 信息获取,如果是 LVM 类型则一般通过 iscsi,如果是 Ceph rbd 则直接使用 rbd map。
  2. ensure mountpoit tree: 检查挂载点路径是否存在,如果不存在则调用 mkdir 创建目录。
  3. make filesystem:如果是新的 volume,挂载时由于没有文件系统因此会失败,此时会创建文件系统。
  4. do mount: 一切准备就绪,调用 OS 的 mount 接口挂载 volume 到指定的目录点上。

Cinder Driver 的代码位于`zun/volume/driver.py 的 Cinder 类中,方法如下:

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其中 cinder.attach_volume() 实现如上的第 1 步,而 _mount_device() 实现了如上的 2-4 步。

4.4 集成 Neutron 网络实现容器网络多租户

4.4.1 关于容器网络

前面我们通过 Zun 创建容器,使用的就是 Neutron 网络,意味着容器和虚拟机完全等同的共享 Neutron 网络服务,虚拟机网络具有的功能,容器也能实现,比如多租户隔离、floating ip、安全组、防火墙等。

Docker 如何与 Neutron 网络集成呢?根据官方 Docker network plugin API 介绍,插件位于如下目录:

  • /run/docker/plugins
  • /etc/docker/plugins
  • /usr/lib/docker/plugins

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由此可见 Docker 使用的是 kuryr 网络插件。

Kuryr 也是 OpenStack 中一个较新的项目,其目标是“Bridge between container framework networking and storage models to OpenStack networking and storage abstractions.”, 即实现容器与 OpenStack 的网络与存储集成,当然目前只实现了网络部分的集成。

而我们知道目前容器网络主要有两个主流实现模型:

  • CNM:Docker 公司提出,Docker 原生使用的该方案,通过 HTTP 请求调用,模型设计可参考 The Container Network Model Design,network 插件可实现两个 Driver,其中一个为 IPAM Driver,用于实现 IP 地址管理,另一个为 Docker Remote Drivers,实现网络相关的配置。
  • CNI:CoreOS 公司提出,Kubernetes 选择了该方案,通过本地方法或者命令行调用。

因此 Kuryr 也分成两个子项目,kuryr-network 实现 CNM 接口,主要为支持原生的 Docker,而 kury-kubernetes 则实现的是 CNI 接口,主要为支持 Kubernetes,Kubernetes service 还集成了 Neutron LBaaS,下次再单独介绍这个项目。

由于 Zun 使用的是原生的 Docker,因此使用的是 kuryr-network 项目,实现的是 CNM 接口,通过 remote driver 的形式注册到 Docker libnetwork 中,Docker 会自动向插件指定的 socket 地址发送 HTTP 请求进行网络操作,我们的环境是 http://127.0.0.1:23750,即 kuryr-libnetwork.service 监听的地址,Remote API 接口可以参考 Docker Remote Drivers。

4.4.2 kuryr 实现原理

前面 4.1 节介绍到 zun-compute 会调用 docker driver 的 create() 方法创建容器,其实这个方法不仅仅是调用 python docker sdk 的 create_container() 方法,还做了很多工作,其中就包括网络相关的配置。

首先检查 Docker 的 network 是否存在,不存在就创建,network name 为 Neutron network 的 UUID,

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然后会调用 Neutron 创建 port,从这里可以得出结论,容器的 port 不是 Docker libnetwork 也不是 Kuryr 创建的,而是 Zun 创建的。

回到前面的 Remote Driver,Docker libnetwork 会首先 POST 调用 kuryr 的 /IpamDriver.RequestAddressAPI 请求分配 IP,但显然前面 Zun 已经创建好了 port,port 已经分配好了 IP,因此这个方法其实就是走走过场。如果直接调用 docker 命令指定 kuryr 网络创建容器,则会调用该方法从 Neutron 中创建一个 port。

接下来会 POST 调用 kuryr 的 /NetworkDriver.CreateEndpoint 方法,这个方法最重要的步骤就是 binding,即把 port attach 到宿主机中,binding 操作单独分离出来为 kuryr.lib 库,这里我们使用的是 veth driver,因此由 kuryr/lib/binding/drivers/veth.py 模块的 port_bind() 方法实现,该方法创建一个 veth 对,其中一个为 tap-xxxx,xxxx 为 port ID 前缀,放在宿主机的 namespace,另一个为 t_cxxxx 放到容器的 namespace,t_cxxxx 会配置上 IP,而 tap-xxxx 则调用 shell 脚本 (脚本位于 /usr/local/libexec/kuryr/)把 tap 设备添加到 ovs br-int 桥上,如果使用 HYBRID_PLUG,即安全组通过 Linux Bridge 实现而不是 OVS,则会创建 qbr-xxx,并创建一个 veth 对关联到 ovs br-int 上。

从这里可以看出,Neutron port 绑定到虚拟机和容器基本没有什么区别,如下所示:

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唯一不同的就是虚拟机是把 tap 设备直接映射到虚拟机的虚拟设备中,而容器则通过 veth 对,把另一个 tap 放到容器的 namespace 中。

有人会说,br-int 的流表在哪里更新了?这其实是和虚拟机是完全一样的,当调用 port update 操作时,neutron server 会发送 RPC 到 L2 agent 中(如 neutron-openvswitch-agent),agent 会根据 port 的状态更新对应的 tap 设备以及流表。

因此其实 kuryr 只干了一件事,那就是把 Zun 申请的 port 绑定到容器中。

05 总结

OpenStack Zun 项目非常完美地实现了容器与 Neutron、Cinder 的集成,加上 Ironic 裸机服务,OpenStack 实现了容器、虚拟机、裸机共享网络与存储。未来我觉得很长一段时间内裸机、虚拟机和容器将在数据中心混合存在,OpenStack 实现了容器和虚拟机、裸机的完全平等、资源共享以及功能对齐,应用可以根据自己的需求选择容器、虚拟机或者裸机,使用上没有什么区别,用户只需要关心业务针对性能的需求以及对硬件的特殊访问,对负载(workload)是完全透明的。

参考文献

本文转载自公众号 int32bit(ID:int32bit)

原文链接

https://mp.weixin.qq.com/s/aJsTSaCjoO2Fq_nqCkz0ZQ

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