探索 OpenStack: 网络组件 Neutron

本文将介绍 OpenStack Networking (Neutron) 项目,解释它如何融入到整体架构中,并展示它的操作方式。文中在介绍 Neutron 的过程中了解了如何安装、配置和使用 Neutron 的各个组件。

John Rhoton, 云计算专家 , Recursive

/developerworks/i/p-jrhoton.jpgJohn Rhoton 是一名技术策略家,专门为跨国企业客户提供有关公共云、私有云和混合云计算的咨询。他定期在行业活动中发表有关新兴技术的演讲,这些技术包括移动、社交网络和虚拟化,John Rhoton 还是六本书的作者,其中包括 Cloud Computing Explained(2009)和 Cloud Computing Architected(2011)。



2014 年 4 月 08 日

本文将介绍 OpenStack Networking,它管理着其他 OpenStack 项目之间的连接性。

可以开发一个不包含任何特定于网络的功能的、可弹性扩展的工作负载管理系统。当然,计算节点需要在彼此之间建立连接,并能访问外部世界,但它也可以利用现有的网络基础架构来分配 IP 地址和在节点之间传输数据。在多租户环境中,这样一种方法的最大问题是,已有的网络管理系统无法高效、安全地在用户之间隔离流量 — 这同时也是构建公共和私有云的组织面临的一个巨大问题。

OpenStack 解决此问题的一种方式是,构建一个详尽的网络管理堆栈,用它来处理所有网络相关请求。此方法面临的挑战是,每个实现都可能拥有一组独特的需求,包括与其他各种各样的工具和软件的集成。

OpenStack 因此采取了创建抽象层的方法,这个抽象层被称为 OpenStack Networking,可容纳大量处理与其他网络服务的集成的插件。它为云租户提供了一个应用编程接口 (API),租户可使用它配置灵活的策略和构建复杂的网络拓扑结构 — 例如用它来支持多级 Web 应用程序。

OpenStack Networking 支持使用第三方编写插件来引入高级网络功能,比如 L2-in-L3 隧道和端到端服务质量支持。它们还可以创建网络服务,比如负载平衡、虚拟专用网或插入 OpenStack 租户网络中的防火墙。

在过去,OpenStack 的网络组件位于 OpenStack Nova (Compute) 项目中。其中大部分组件被拆分为一个包含 Folsom 版的单独项目。这个新项目最初称为 Quantum,但后来重命名为 Neutron,以避免与公司 Quantum Corporation 的任何商标混淆。所以,如果看到 OpenStack Networking 参考资料中同时出现了名称 Nova、Quantum 和 Neutron,不要感到奇怪。

模型

OpenStack Networking API 基于一个简单的模型(包含虚拟网络、子网和端口抽象)来描述网络资源。网络是一个隔离的 2 层网段,类似于物理网络世界中的虚拟 LAN (VLAN)。更具体来讲,它是为创建它的租户而保留的一个广播域,或者被显式配置为共享网段。网络也是 Neutron API 的主要目标。换句话说,端口和子网始终被分配给某个特定的网络。

子网是一组 IPv4 或 IPv6 地址以及与其有关联的配置。它是一个地址池,OpenStack 可从中向虚拟机 (VM) 分配 IP 地址。每个子网指定为一个无类别域间路由 (Classless Inter-Domain Routing) 范围,必须与一个网络相关联。除了子网之外,租户还可以指定一个网关、一个域名系统 (DNS) 名称服务器列表,以及一组主机路由。这个子网上的 VM 实例随后会自动继承该配置。

端口是一个虚拟交换机连接点。一个 VM 实例可通过此端口将它的网络适配器附加到一个虚拟网络。在创建之后,一个端口可从指定的子网收到一个固定 IP 地址。API 用户可从地址池请求一个特定的地址,或者 Neutron 可以分配一个可用的 IP 地址。OpenStack 还可以定义接口应使用的媒体访问控制地址。在取消分配该端口后,所有已分配的 IP 地址都会被释放并返回到地址池。


插件

最初的 OpenStack Compute 网络实现采用了一种基本模型,通过 Linux® VLAN 和 IP 表执行所有隔离操作。OpenStack Networking 引入了插件的概念,插件是 OpenStack Networking API 的一种后端实现。插件可使用各种不同的技术来实现逻辑 API 请求。

一些 OpenStack Networking 插件可能使用基本的 Linux VLAN 和 IP 表。这些插件对于小型和简单的网络通常已经足够,但更大型的客户可能拥有更复杂的需求,涉及到多级 Web 应用程序和多个私有网络之间的内部隔离。它们可能需要自己的 IP 地址模式(这可能与其他租户使用的地址重复)— 例如,用来允许应用程序在无需更改 IP 地址的情况下迁移到云中。在这些情况下,可能需要采用更高级的技术,比如 L2-in-L3 隧道或 OpenFlow。

插件架构使云管理员可以非常灵活地自定义网络的功能。第三方可通过 API 扩展提供额外的 API 功能,这些功能最终会成为核心 OpenStack Networking API 的一部分。

Neutron API 向用户和其他服务公开虚拟网络服务接口,但这些网络服务的实际实现位于一个插件中,插件向租户和地址管理等其他服务提供了隔离的虚拟网络。任何人都应该能够通过 Internet 访问 API 网络,而且该网络实际上可能是外部网络的一个子网。前面已经提到过,Neutron API 公开了一个网络连接模型,其中包含网络、子网和端口,但它并不实际执行工作。Neutron 插件负责与底层基础架构交互,以便依据逻辑模型而传送流量。

现在已有大量包含不同功能和性能参数的插件,而且插件数量仍在增长。目前包含以下插件:

  • Open vSwitch
  • Cisco UCS/Nexus
  • Linux Bridge
  • Nicira Network Virtualization Platform
  • Ryu OpenFlow Controller
  • NEC OpenFlow

云管理员可自行选择插件,他们可评估各个选项并根据具体的安装需求而调整它们。


架构

neutron-server 是 OpenStack Networking 服务器的主要流程。它是一个 Python 后台进程,将用户请求从 OpenStack Networking API 中继到配置的插件。OpenStack Networking 还包含 3 个代理,它们通过消息队列或标准 OpenStack Networking API 与主要 Neutron 进程交互:

  • neutron-dhcp-agent 向所有租户网络提供动态主机配置协议 (Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP) 服务。
  • neutron-l3-agent 执行 L3/网络地址转换 (Network Address Translation) 转发,以支持网络网络访问租户网络上的 VM。
  • 一个特定于插件的可选代理 (neutron-*-agent) 在每个虚拟机管理程序上执行本地虚拟交换机配置。

一定要知道 OpenStack Networking 与其他 OpenStack 组件之间的交互方式。与其他 OpenStack 项目一样,OpenStack Dashboard (Horizon) 提供了图形用户界面,以便管理员和租户用户能够访问功能 — 在这里,是访问用来创建和管理网络服务的功能。这些服务也依照 OpenStack Identity (Keystone) 对所有 API 请求执行身份验证和授权。

与 OpenStack Compute (Nova) 的集成更加特殊。Nova 启动了一个虚拟实例时,该服务会与 OpenStack Networking 通信,将每个虚拟网络接口插入到一个特定的端口中。


设置

实际安装指令在发行版与 OpenStack 版本之间有很大区别。一般而言,它们都包含在发行版中。但是,必须完成同样的基本任务。本节介绍了涉及到的一些信息。

系统要求

OpenStack 依赖于一种 64 位 x86 架构;另外,它是为商用硬件而设计的,所以具有极低的系统要求。它可以在配有包含 8GB RAM 的单个系统上运行整套 OpenStack 项目,但对于任何重大的工作,有必要拥有一个包含至少 8GB RAM、两个 2TB 磁盘和两个 Gbit 网络适配器的专用计算节点。常常会使用一个控制器主机来运行集中化的 OpenStack Compute 组件。在这种情况下,OpenStack Networking 服务器可在同一个主机上运行,但同样可以将它部署在一个独立的服务器上。

安装

安装指令取决于发行版本,更具体来讲,取决于您选择的包管理实用程序。在许多情况下,必须声明存储库。所以,举例而言,如果您使用的是 Zypper,那么您要用 zypper arlibzypp 公开:

点击查看代码清单

# zypper ar -f http://download.opensuse.org/repositories/Cloud:/OpenStack:/Grizzly/SLE_11_SP3/Cloud:OpenStack:Grizzly.repo

出于演示之目的,以下是 Ubuntu、Red Hat (Red Had Enterprise Linux、CentOS、Fedora)和 openSUSE 的主要命令:

  • Ubuntu:安装 neutron-server 和访问该 API 的客户端:
    $sudo apt-get install neutron-server python-neutronclient

    安装插件:

    $sudo apt-get install neutron-plugin-<plugin-name>

    例如:

    $sudo apt-get install neutron-plugin-openvswitch-agent
  • Red Hat:类似于 Ubuntu,您必须同时安装 Neutron 服务器和插件 — 例如:
    $sudo yum install openstack-neutron
    $sudo yum install openstack-neutron-openvswitch
  • openSUSE:使用以下命令:
    $sudo zypper install openstack-neutron
    $sudo zypper install openstack-neutron-openvswitch-agent

配置

大部分插件都需要一个数据库。OpenStack Networking 的 Fedora 包包含服务器设置实用程序脚本,负责数据库的完整安装和配置:

$sudo neutron-server-setup --plugin openvswitch

但也可以手动配置这些数据库。例如,在 Ubuntu 上,您可使用以下命令安装数据库:

$sudo apt-get install mysql-server python-mysqldb python-sqlalchemy

如果已经为其他 OpenStack 服务安装了一个数据库,那么您只需要创建一个 Neutron 数据库:

$mysql -u <user> -p <pass> -e "create database neutron"

必须在插件的配置文件中指定该数据库。为此,在 /etc/neutron/plugins/plugin-name 中找到插件配置文件(例如 /etc/neutron/plugins/openvswitch/ovs_neutron_plugin.ini),然后设置连接字符串:

sql_connection = mysql://<user>:<password>@localhost/neutron?charset=utf8

使用场景

一个典型的 OpenStack Networking 设置可能很复杂,包含多达 4 个不同的物理网络。使用一个管理网络在 OpenStack 组件之间执行内部通信。一个数据网络处理实例之间的数据通信。API 网络向租户公开了所有 OpenStack API。此外,通常需要一个外部网络来授予访问 VM 的 Internet 的权限。

在这些物理网络之上,可通过许多方式配置租户需要的虚拟网络。最简单的场景是单个平面网络。也可以有多个平面网络、每个租户的私有网络,并提供商和每租户路由器的组合来管理网络之间的流量。

为了了解如何在实际中使用 OpenStack Networking,我们来看一个简单的场景,其中一个租户创建了一个网络,定义了一个路由器来将从私有网络转发流量,分配该网络的一个子网,并启动一个要与该网络有关联的实例。

  1. 以具有 Member 角色的用户身份登录到 OpenStack Dashboard。在导航窗格中的 Manage Network 下方,单击 Networks,然后单击 Create Network
    图 1. 访问 Networks 窗口
    该图显示了在 Networks 窗口中创建一个网络的过程

    点击查看大图

    图 1. 访问 Networks 窗口

    该图显示了在 Networks 窗口中创建一个网络的过程
  2. 填入网络名称以及第一个子网。
    图 2. 创建一个网络
    该图显示了如何在 Create Networks 窗口中填入名称作为子网

    提到子网,我指的是网络地址范围(例如 10.2.0.0/16)和默认网关。

    图 3. 创建子网
    该图显示了 Create Networks 窗口中的网络地址范围
  3. 也可配置 DHCP 和 DNS。
    图 4. 子网细节
    该图显示了 Create Networks 窗口中的 DHCP 和 DNS 创建过程
  4. 作为一个可选步骤,请单击 Manage Network 下方的 Routers,然后单击 Create Router 来创建一个路由器。然后可连接到路由器的接口来定义流量应如何流动。
    图 5. 路由器细节
    该图显示了路由器细节
  5. IP 地址端口分配在启动一个镜像时执行。Nova 联系 Neutron 来创建一个端口(在子网上)。每个虚拟实例自动接收一个私有 IP 地址。您可以使用 OpenStack 的浮动 IP 地址概念像实例分配公共 IP 地址,此操作是可选的。
    图 6. 管理浮动 IP 关联
    该图显示了如何管理浮动 IP 关联
  6. 项目从池中请求一个浮动 IP 地址之后,它就拥有该地址,您可以自由地解除与该实例的关联,并将它附加到另一个实例。
    图 7. 访问和安全
    在 Access &amp; Security 窗口中管理浮动 IP 关联

结束语

希望这篇简短的介绍能让您大致了解 OpenStack 提供的针对网络的选项。请记住,OpenStack 实际上并未提供许多网络功能:举例而言,路由、交换和名称解析是由底层的网络基础架构处理的。OpenStack 的作用是将这些组件的管理捆绑在一起,并将它们连接到计算工作负载。

OpenStack 为它的大多数项目都使用了这种方法,包括存储(将在本系列的 下一篇文章 中介绍)。

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