本文简要介绍了云计算、虚拟化以及 OpenStack 产生的背景。

云计算的前世今生

分时操作系统 Linux

最早的服务器一般是单主机多用户模式（分时操作系统 Linux），这种模式下租户和租户间仅有微弱的隔离（用户主目录，文件权限区分），彼此影响，资源互相依赖，没有严格的隔离措施，随着租户增多和单主机多用户模式弊端显现，以及虚拟化技术发展，逐步出现了单主机多虚拟机模式，这种模式将底层宿主资源（网络、计算、存储）共享，但不同虚拟机指令、内存和存储等强隔离（Vmware ESXi，KVM + QEMU 等，虚拟机 CPU 本质是宿主机线程模拟的，虚拟机内存也是）。

Linux 虚拟化技术：Linux Bridge & KVM

单主机多虚拟机有几种类型：Hypervisor 直接安装在物理机上的 I 型虚拟化（Xen，VMWare ESXi 等），物理机上先安装常规操作系统，然后 Hypervisor 作为一个模块运行的 II 型虚拟化（KVM，VirtualBox 和 VMWare Workstation 等）。I 型虚拟化一般对硬件虚拟化功能进行了特别优化，性能更高，但 II 型虚拟化基于普通 OS，比较灵活（比如支持 KVM 套 KVM）。在这些技术中，开源、热门且应用广泛的数 KVM - Kernel-Based Virtual Machine，其包含一个叫做 kvm.ko 的内核模块，只管理虚拟 CPU 和内存（只负责虚拟机调度和内存管理），而 IO 的虚拟化，比如存储和网络，则由 Linux 内核和 QEMU 来实现。KVM 的库叫做 libvirt，服务程序 libvirtd，命令行叫 virsh，GUI 有 vir-manager。一个 KVM 虚拟机本质上是 Linux 的一个 qemu-kvm 进程，宿主机需要支持虚拟化：一般通过查看 /proc/cpuinfo 是否由 vmx 或者 svm 指令支持判断是否支持虚拟化（VMWare ESXi 或 Workstation 需打开 Intel/AMD 虚拟化方案）。

使用 KVM 可以安装如下包：libvirt, qemu-kvm, qemu-system, virt-install，virt-manager, bridge-utils vlan。之后启用 virt-manager，其界面类似于 Vmware Workstation，不过可以管理其他 Host 上的 VM，其本质是通过配置发送命令行：/etc/libvirt 的一些配置进行的，修改后重启 libvirt service 即可。也可以使用 virt-install 教程来从命令行进行安装，比如一个来自于 cirros-cloud.net 的很小的 Linux 发行版： virt-install --connect qemu:///system --ram 200 -n kvm1 --os-type=linux --disk path=/home/abc/project/cirros/cirros-0.3.4-x86_64-disk.img,device=disk,bus=virtio,format=qcow2 --vcpus=1 --nographics --noautoconsole --import

之后可使用 virsh list -all 来查看（sudo），virsh start xxx, virsh console xxx 开机并进入命令行，其在后台跑着一个 /usr/libexec/qemu-kvm 的进程，其中每个虚拟的 vCPU 都对应此进程中的一个线程。需要注意，vCPU 数量可多于物理 CPU 的数量（起码 KVM 允许），如果在同一时刻不是所有虚拟机都满负荷，那么可以更好的利用 Host CPU 资源（计算密集型不适用）。

而对于内存虚拟化，KVM 则需要进行 VirutalMemory -> PhysicalMemory -> MachineMemory 的转换，虚拟 OS 控制 VA -> PA，而 KVM 则负责 PA -> MA。注意，内存在 KVM 也是可以 overcommit 的，但需要注意可能导致性能影响。

而对于存储虚拟化，KVM 通过 Storage Pool 在宿主机分配一片储存空间（默认 /var/lib/libvirt/images），然后在 Pool 中分配 Volume 给 VM，其配置定义在 /etc/libvirt/storage 目录下，每个 xml 都对应一个 Pool，默认是 default.xml，比如 Storage Pool 类型是 dir，目录路径是 /var/lib/libvirt/images。基于文件的 Volume 的一大优点就是可远程访问，即其可以放在非本地文件系统中，比如 NFS etc 以实现共享和高可用。Volume 的格式有 raw - 移植性好，性能好，大小不定，qcow2 推荐格式，QEMU Copy on Write，可节省磁盘空间，支持 AES 加密，zlib 压缩，快照等。vmdk VMWare 虚拟机格式，其可以直接在 KVM 上运行。通过 virsh pool-list、pool-define 可以查看和创建存储。

对于网络虚拟化而言，可通过 brctl 添加网桥（网桥 IP 为其网卡 IP），然后将外部网卡与之绑定：brctl addif ens33 最后配置 virsh domiflist xxx 查看当前网络，在 virt-manager 中配置网络为这里的网桥即可访问。默认情况下，QEMU 会自动创建 virbr0 虚拟网桥和 virbr0-nic 虚拟网卡，然后设置了 iptables 规则以进行 SNAT 访问外网（外网不能访问）：

这里通过 ip a add 为 virbr0 分配了 192.168.122.1/24 的网段，之后允许 Linux 参考路由表(下图) ip_forward 并且用 iptables 允许此网段 FORWARD 到 virbr0，这里的 KVM Instance 访问外网通过 SNAT 网段伪装（MASQUERADE) 实现。

默认情况 VM 都会使用此 virbr0 网桥(应该是通过一个跨 namespace 的 veth pair，一端连接在 virbr0 的 vnet0 上，通过 ip l 可见，一端连接在 KVM 的 namespace 的 eth0 上)，如右图所示。这里之所以能访问外网，则是通过 peth0 和 peth1 的 Linux ip_forward 到 virbr0（通过 ip a add 配置）。

除此之外，还有一种桥接模式，其原理如下图所示，直接将一个可以和外部网络连接的网卡 - peth0 挂在 Linux Bridge virbr0 上，而 KVM Instance 还是通过 veth pair 跨 ns 连接到挂在 virbr0 的 vnet0 网络（只有 start KVM instance 后才有，关闭时没有）。

最后，此网桥使用了 dnsmasq 提供 DHCP 服务（可能这个 virbr0-nic 就是干这个用的），分配的地址参见 /var/lib/libvirt/dnsmasq 的 default.leases。

网格计算、容器和云时代

单主机多虚拟机的问题在于，现代应用峰值流量很多，VM 需要按照最高峰值来配置服务器吗？根据这个需求，引发了“云计算”的热潮：按使用量付费的服务。根据 NIST（美国家标准与技术研究院）定义，云计算是按使用量付费的模式，以提供可用、便捷、按需的网络访问、可配置的计算资源共享池（网络、服务器、存储、应用软件、服务等），而仅需很少的管理工作（或很少的与服务供应商交互）。

为云计算提供支持的云架构一般包含多种服务模式：

IaaS 基础设施即服务(给硬件和网络，比如 KVM 虚拟机，网络)
PaaS 平台即服务(给软件环境：JDK、PHP、Node.js)
SaaS 软件即服务(给数据：Office365 或者给代码：新浪云)。

而为服务模型提供支持的，则可以是共有、私有或者混合云模式，私有云有更好的控制、安全性和兼容性，但公有云有更好的容量、弹性和成本控制，混合云就是二者混合使用。

而所谓的云计算，依赖的基石有二：①分布式；②虚拟化，包括硬件的虚拟化，网络和存储的虚拟化（KVM，OpenvSwitch 等）。构建于之上的云计算，实现了计算能力的灵活伸缩，有效的降低了应用成本。Ps. 分布式和虚拟化定义了云计算，而不是云计算引发了分布式和虚拟化这两个概念，因为我们看到，云计算来自于 Linux 虚拟化 IO、网络（OVS、Linux Bridge）和 CPU（KVM、Container）技术的成熟，以及这个时代特有的 x86 小型机取代大型机，服务虚拟化和数据量急剧上升导致的分布式计算格局。二者合起来，就诞生了所谓的云计算。

OpenStack 概述

OpenStack 是为管理单一或众多小型机硬件资源，构建统一的 IaaS 平台以及其上的软件设施（PaaS）而生（甚至包括 SaaS 的后端部分）。OpenStack 之于数据中心，就好像 OS 之于服务器一样，它以牺牲性能获得了软件对资源的灵活控制（包括资源逻辑隔离），带来了较高的运行效率，这一优势体现在，OpenStack 对底层硬件进行了可伸缩的抽象支持（虚拟机、卷、块存储、网络、镜像等），使用一套通用 API 进行管理，使得最终用户请求可以高效自动化执行或用户自我供给资源。

在现实中，OpenStack 的主要用途之一，就是用来部署私有云（类似于 AWS、Azure）。相比较公有云而言，私有云更多的是资本支出，公有云则是运营支出（在中国，更多的是网络开销）。

OpenStack 的核心在于计算，但区别于 Virtual Machine Monitor（VMM，hypervisor），OpenStack 控制 Hypervisor 操作，比如 OpenStack 支持 Kernal-based VM（KVM）、QEMU、ESXi、Hyper-V 等多种虚拟机监控器。区别于 Linux Container，类似于 Docker 的操作系统实例隔离技术运行在系统级别，所有容器共享相同内核，其开销更小。除了虚拟机相关（当然最重要的就是计算）能力，OpenStack 还包含网络组件（比如 Arista Networks，Cisco Nexus，Linux bridging，Open vSwitch - OVS 等），支持 VLAN 和各种隧道等网络类型，可提供 DHCP、路由 L3 等多种服务，相比较直接面向硬件，OpenStack 的抽象层使得前后端解耦，后端厂商变更更加灵活。此外，OpenStack 还包含块存储（基于 Block）和对象存储（分布式对象存储），用于虚拟机快照、镜像仓库等用途。Ps. OpenStack 至于云计算，就好像 Spring(Boot) 至于后端服务一样，它们并不提供具体实现，而是提供一个框架和平台，允许自由插拔组合。

作为一个完整的云平台框架，OpenStack 围绕计算、网络、存储等云设施资源形成了松耦合的多个项目：支持多种 Hypervisor 的 OpenStack Computing - Nova，支持 FC，iSCSI 等块存储协议的块存储 Cinder，统一管理镜像的 Glance、提供 Overlay Network 的 OpenStack Networking - Neutron，支持 Swift、Ceph 等分布式存储技术的对象存储服务 Swift 等，如下所示：

它们彼此间通过 API 实现调用，通过 Keystone 进行权限认证，通过 OpenStack Dashboard - Horizon 进行展示。