OpenStack 中的 Nova Cell

问题导读：

1.Nova Cell 模块是什么？

2.Nova Cell 模块有哪些主要组件？

3.怎样搭建与配置Nova Cell 环境？

Nova Cell 模块简介

Nova Cell 模块是 OpenStack 在 G Release 中提出的一个新的模块，允许用户在不影响现有 OpenStack 云环境的前提下，增强横向扩展、大规模部署能力。当 Nova Cell 模块启用后，OpenStack 云环境被分成多个子 Cell，并且是以在原 OpenStack 云环境中添加子 Cell 的方式，拓展云环境，以减少对原云环境的影响。 每个 Cell 都运行着 nova-cells 服务，用于与其他 Cell 通信。目前为止，Cells 之间的通信只支持 RPC 服务。Nova Cell 模块中 Cells 的调度与 Compute Host 节点的调度是相互分离的。nova-cells 负责为特定操作选取合适的 Cell，并将 request 发送至此 Cell 的 nova-cells 服务进行处理，Target Child Cell 会对请求进行处理，并发送至 Cell 的 Compute Host 调度进行处理。

Nova Cell 模块基础架构

Nova Cell 模块被设计成树型结构，基础架构如图 1 所示：

图 1.Nova Cell 模块基础架构

结构中主要分为 API Cell(Parent Cell)以及 Child Cell 两种形式，其中，API Cell 主要包含的服务如下：

AMQP Broker

Database

nova-cells

nova-api

Keystone

Child Cell 包含服务如下：

AMQP Broker

Database

nova-cells

nova-scheduler

nova-network

nova-compute

Keystone

每一个 Cell 包含独立的 Message Broker 以及 Database，其中 API Cell 主要包含 nova-api 服务，用于接收用户请求，并将用户请求通过 message 的形式发送至指定的 Cell；Child Cell 包含除 nova-api 之外的所有 nova-*服务，实现具体的 Nova Compute 节点服务;API Cell 与 Child Cell 共享 Glance 服务，且各 Cells 之间的通信均通过 nova cells 服务进行。

Cell 调度独立于与 host 调度，在创建新的实例时，首先由 nova-cells 选择一个 Cell。当 Cell 确定后，实例创建请求会被送达目标 Cell 的 nova-cells 服务，随后该请求会被交给本 Cell 的主机调度机制处理，此时主机调度机制会像未配置 Cell 的环境一样处理该请求。

Nova Cell 模块中主要组件介绍Nova Cell 数据库表结构

目前，Nova Cell 模块隶属于 Opnstack Nova 项目，默认配置下，Nova Cell 不被激活。在 OpenStack Compute 服务安装后，进行相应数据库创建的过程中，会在数据库"nova"中创建对应的表项"cells"，里面包含 Cell 模块需要存储在数据库中的信息，表结构如图 2 所示：

图 2.Nova Cell 模块数据库表结构

其中 transport_url 字段存储 Neighbor Cell 的 rabbitmq 的相关信息，用于 Cells 之间通信，"transport_url"字段的格式如下：

scheme://username:password@hostname:port/virtual_host

Cells 之间的通信主要通过传递 message 实现的，Parent Cell 会将用户的请求合成一个含有指定 Child Cell 的 message。含有请求的 message 会在 Children Cells 中间进行路由，直至指定的 Cell 节点进行处理。目前 Nova Cell 使用 RabbitMQ 作为 Message Broker，消息队列可以通过/etc/nova/nova.conf 中的字段 rpc_driver_queue_base 进行配置，默认为"cells.intercell"。

Message 主要包含三种类型：TargetedMessage、BroadcastMessage、ResponseMessage，分别用于对不同类型的 message 进行创建、转发及处理。

在 nova-cells 模块中，_BaseMessage 作为所有消息的基类，定义了 message 的基本数据结构，并包含处理消息所用到的基本方法。MessageRunner 主要完成消息创建以及消息处理的逻辑实现。

当 nova-cells 服务启动时，会启动三个 RPC Consumers，用于处理不同种类的 messages，每一个 message 中会含有一个 unique ID 以及此 message 的全部路由信息，Message 会根据路由信息以及 message 所包含的 topic 决定是否处理此 message 还是路由出去。Topic 的格式如下：

rpc_driver_queue_base.msg_type

Nova Cell 模块中各主要类的功能介绍

CellStateManager 类主要用于管理一个具体 Cell 的信息，用于获取或更新 Cell 的相关信息，每一个 Cell 均拥有一个 CellState 实例用于保存 Cell 的信息；

CellsManager 类主要定义了 RPC 的各类方法供本地 Cell 进行调用，本地 Cell 可以通过调用 CellsManager 中提供的方法，借助 MessageRunner 将请求送至其他 Cells；

BaseCellsDriver 类主要用于各 Cells 间的通信，合成并发送一个 message 到其他 Cell，以及启动 Consumers 线程，完成对不同 messages 的处理；

CellsScheduler 类主要用于将不同的用户请求调度至指定的 Cell；当用于需要创建一个 VM，CellsScheduler 会调用_schedule_build_to_cells()，选择一个合适的 cell 来运行创建命令；

Nova Cell 环境配置与搭建Nova Cell 模块配置

本文环境是基于 Ubuntu 12.04.4，通过 DevStack 完成 OpenStack 环境的搭建。

Nova Cell 模块的所有配置信息都包含在配置文件"nova.conf"中，可以通过更改"[cells]"部分下面的属性信息进行配置，默认情况下，Nova Cell 功能是被禁止的。

Cells 主要配置项如下：

[mw_shl_code=bash,true][cells]
        enable ：是否启用 nova cell 模块，默认是 False
        name : Cell 的名称，用于识别每个 Cell，必须保证此命名的唯一性
        driver : 用于 Cells 之间的通信，默认是 nova.cells.rpc_driver.CellsRPCDriver
        scheduler : Cells 的调度服务，默认是 nova.cells.scheduler.CellsScheduler
        topic : Cells 节点监听的 Topic，默认是 cells
        manager : Cells 节点的 Manager，默认是 nova.cells.manager.CellsManager         
        cell_type : 当前 Cell 的类型，分为 api 或者 compute
        rpc_driver_queue_base : Cells 默认的 Queue，默认是 cells.intercell
        capabilities : 用于定义 Cell 的 capabilities，以 Key/Value 的形式存储
        instance_update_num_instance : 每个同步周期能够同步的 instance 的数目
        instance_updated_at_threshold : 同步 Parent Cell 与 Child Cell 之间 instance 信息的周期时间
        max_hop_count : Message 在 Cells 之间路由的最大数目，默认是 10[/mw_shl_code]

Parent Cell 配置实例如下：

[mw_shl_code=bash,true][DEFAULT]
    compute_api_class = nova.compute.cells_api.ComputeCellsAPI
        
    [cells]
    enable = True
    name = $parent_cell_name
    driver=nova.cells.rpc_driver.CellsRPCDriver
    scheduler=nova.cells.scheduler.CellsScheduler
    topic=cells
    manager=nova.cells.manager.CellsManager
    cell_type = api
    rpc_driver_queue_base=cells.intercell
    scheduler_weight_classes=nova.cells.weights.all_weighers[/mw_shl_code]

Child Cell 配置实例如下：

[mw_shl_code=bash,true][DEFAULT]
        quota_driver = nova.quota.NoopQuotaDriver
        [cells]
        enable = True
        name = $child_test1_name
        driver=nova.cells.rpc_driver.CellsRPCDriver
        scheduler=nova.cells.scheduler.CellsScheduler
        topic=cells
        manager=nova.cells.manager.CellsManager
        cell_type = compute
        rpc_driver_queue_base=cells.intercell
        scheduler_weight_classes=nova.cells.weights.all_weighers[/mw_shl_code]

环境配置完成后，启动 Nova Cell 服务及 Nova 相关服务；Nova Cell 的启动命令如下：

[mw_shl_code=bash,true]python $bin_path/nova-cells --config-file /etc/nova/nova.conf
服务启动后，可通过命令"nova service-list"查看 Nova Cell 服务是否正常启动，正常状态下如图 3 所示：[/mw_shl_code]

图 3.启动 Nova Cell 模块成功

在 Nova Cell 服务启动后，需要对每个 Cell 进行配置，将父节点及子节点的信息注册到相应的 Cell 中，确保父节点可以知道自己的直接子节点，子节点可以知道自己的父节点，便于双方的通信。注册在数据库中的信息主要是 Message Broker（这里为 RabbitMQ）的相关链接信息，主要参数如下：

[mw_shl_code=bash,true]--name=<name>    注册 Cell 的名称  
        --cell_type=<parent|child>   注册 Cell 是 API Cell 还是 Child Cell
    --username=<username>    注册 Cell 的 RabbitMQ 的用户名
    --password=<password>    注册 Cell 的 RabbitMQ 的密码
    --hostname=<hostname>    注册 Cell 的 RabbitMQ 的 Host 地址
    --port=<number>    注册 Cell 的 RabbitMQ 的端口号码
        --virtual_host=<virtual_host>    注册 Cell 的 RabbitMQ 的 Virtual-Host 的路径[/mw_shl_code]

Parent Cell 中运行命令实例如下：

[mw_shl_code=bash,true]nova-manage cell create --name=$child_cell_name --cell_type=child --username=$child_cell_rabbitmq_user
--password=$child_cell_rabbitmq_pass --hostname=$child_cell_rabbitmq_host
--port=$child_cell_rabbitmq_port --virtual_host=$child_cell_rabbitmq_virtualhost
--woffset=1.0 --wscale=1.0[/mw_shl_code]

Child Cell 中运行命令实例如下：

[mw_shl_code=bash,true]nova-manage cell create --name=$parent_cell_name --cell_type=parent --username=$parent_cell_rabbitmq_user
--password=$parent_cell_rabbitmq_pass --hostname=$parent_cell_rabbitmq_host
--port=$parent_cell_rabbitmq_port --virtual_host=$parent_cell_rabbitmq_virtualhost
--woffset=1.0 --wscale=1.0[/mw_shl_code]

注册成功后，可以分别在 Cell 端运行命令，查看注册信息，运行命令如下：

[mw_shl_code=bash,true]nova-manage cell list[/mw_shl_code]

图 4.Parent Cell 中已注册的 Child Cell 节点信息

验证 Cell 组件是否正常启动，可以通过在 Parent Cell 中运行如下命令：

[mw_shl_code=bash,true]nova service-list[/mw_shl_code]

结果如图 5 所示：

图 5.Parent Cell 端所有服务信息

正常运行时，API Cell 端的服务列表中，会包含所有 Child Cell 的服务信息。当所有 Cell 服务正常运行后，便可以进行创建 instance 等一系列操作，API Cell 负责执行用户指令，并将指令路由到指定的 Child Cell 进行处理。

Nova 通信过程举例Parent Cell 更新 Child Cells 的信息

以更新 Child Cell 的 capability 为例，在 Parent Cell 启动时，会通过 CellManager 去更新 Child Cells 的 capability 信息，在 Parent Cell 运行期间，Parent Cell 会定期更新 Child Cells 的信息，具体间隔时间可以参照配置文件"/etc/nova/nova.conf"中的属性"instance_updated_at_threshold"。更新 Child Cells 的流程图如图 6 所示：

图 6.Parent Cell 更新 Child Cells 流程图

Parent Cell 在启动过程中会调用 CellDriver 启动不同类型 Message 的 Consumers，用于处理不同 Message 的信息，更新 capability 信息主要调用"ask_children_for_capabilites()"，通过"get_children_cells()"获取所有 Children Cells 的信息，调用 MessageRunner，针对每一个 Child Cell 合成一个 TargetedMessage 并发送 ，里面含有指定 Cell 的信息，指定 Cell 需要调用的方法名称；当 Cell 接收到 Message，并利用对应的 Consumer 进行处理，创建 Response Queue，并将 Response Queue 中一系列消息合成为一个 ResponseMessage，返回给 Parent Cell。

Parent Cell 关闭 Child Cell 上创建的 Instance

当用户希望关闭某一创建的 Instance 时，用户将请求发送个 Top Cell，Top Cell 中的 nova-api 服务接受请求，并通过 Message 将请求路由给指定的 Child Cell，调用 Child Cell 的 compute api 进行处理，如图 7 所示：

图 7.关闭 Instance 的流程图

API Cell 会根据指定的 Instance，方法名称，创建一个 TargetedMessage，并将 message 发送至指定的 Cell，Cell 的 TargetedMessage Consumer 接收消息后进行处理，根据 message 中的方法名称，调用 nova compute api，完成对 instance 的操作，并更新 Child Cell 与 Parent Cell 中此 Instance 的状态。

结束语

Nova Cell 提供了更加弹性化的云环境，方便用户横向扩展现有云环境能力，更好的支持大规模部署，并且提供一种管理 OpenStack 云环境的模式，通过 Nova Cells 模块能管理多个 OpenStack 云环境。

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