云架构师进阶攻略（2）-从操作系统到OpenStack
二、了解云计算的历史演进与基本原理
在一头扎进云计算的汪洋大海之前，我们应该先有一个全貌的了解，有人说了解一个知识的起点，就是了解他的历史，也就是知道他是如何一步一步到今天的，这样如此庞大的一个体系，其实是逐步加进来的，这样的知识体系对我们来说，就不是一个冷冰冰的知识网，而是一个有血有肉的人，我们只要沿着演进的线索，一步一步摸清楚他的脾气就可以了。
如何把云计算讲的通俗易懂，我本人思考了半天，最终写下了下面这篇文章。
在这里，我把核心的要点在这里写一下：
第一：云计算的本质是实现从资源到架构的全面弹性。所谓的弹性就是时间灵活性和空间灵活性，也即想什么时候要就什么时候要，想要多少就要多少。
资源层面的弹性也即实现计算、网络、存储资源的弹性。这个过程经历了从物理机，到虚拟化，到云计算的一个演进过程。
架构层面的弹性也即实现通用应用和自有应用的弹性扩展。对于通用的应用，多集成为PaaS平台。对于自己的应用，通过基于脚本的Puppet, Chef, Ansible到基于容器镜像的容器平台CaaS。
第二：大数据包含数据的收集，数据的传输，数据的存储，数据的处理和分析，数据的检索和挖掘等几个过程。
当数据量很小时，很少的几台机器就能解决。慢慢的，当数据量越来越大，最牛的服务器都解决不了问题时，怎么办呢？这时就要聚合多台机器的力量，大家齐心协力一起把这个事搞定，众人拾柴火焰高。
第三：人工智能经历了基于专家系统的计划经济，基于统计的宏观调控，基于神经网络的微观经济学三个阶段。
三、开源软件是进阶的利器
架构师除了要掌握大的架构和理论之外，指导落地也是必备的技能，所谓既要懂设计模式，也要懂代码。那从哪里去学习这些良好的，有借鉴意义的，可以落地的架构实践呢？
这个世界上还是有很多有情怀的大牛的，尤其是程序员里面，他们喜欢做一件什么事情呢？开源。很多软件都是有闭源就有开源，源就是源代码。当某个软件做的好，所有人都爱用，这个软件的代码呢，我封闭起来只有我公司知道，其他人不知道，如果其他人想用这个软件，就要付我钱，这就叫闭源。但是世界上总有一些大牛看不惯钱都让一家赚了去。大牛们觉得，这个技术你会我也会，你能开发出来，我也能，我开发出来就是不收钱，把代码拿出来分享给大家，全世界谁用都可以，所有的人都可以享受到好处，这个叫做开源。
非常建议大家了解，深入研究，甚至参与贡献开源软件，因为收益匪浅。
第一：通过开源软件，我们可以了解大牛们的架构原则，设计模式。
其实咱们平时的工作中，是很难碰到大牛的，他可能是你渴望而不可及的公司的员工，甚至在国外，你要想进这种公司，不刷个几年题目，面试个N轮是进不去的。即便进去了，他可能是公司的高层，每天很忙，不怎么见得到他，就算当面讨教，时间也不会很长，很难深入交流。也有的大牛会选择自主创业，或者是自由职业者，神龙见首不见尾，到了大公司都见不到。
但是感谢互联网和开源社区，将大牛们拉到了我们身边，你可以订阅邮件组，可以加入讨论群，可以看到大牛们的设计，看到很多人的评论，提问，还有大牛的回答，可以看到大牛的设计也不是一蹴而就完美的，看到逐渐演进的过程，等等。这些都是能够帮助我们快速提升水平的地方，有的时候，拿到一篇设计，都要查资料看半天，一开始都可能好多的术语都看不懂，没关系肯下他，当你看blueprints越来越顺畅的时候，你就进步了。
第二：通过开源软件，我们可以学习到代码级的落地实践。
有时候我们能看到很多大牛写的书和文章，也能看到很多理论的书籍，但是存在一个问题是，理论都懂，但是还是做不好架构。这是因为没有看到代码，所有的理论都是空中楼阁，当你到了具体的代码设计层面，那些学会的设计模式，无法转化为你自己的实践。
好在开源软件的代码都是公开的，凝结了大牛的心血，也能够看到大牛在具体落地时候的取舍，一切那么真实，看得见，摸得着。通过代码进行学习，配合理论知识，更容易获得第一手的经验，并且在自己做设计和写代码的时候，马上能够映射到可以参考的场景，让我们在做自己的系统的时候，少走弯路。
第三：通过开源软件，我们可以加入社区，和其他技术人员在同一背景下共同进步
大牛我们往往不容易接触到，正面讨论技术问题的时间更是难能可贵，但是没有关系，开源软件构建了一个社区，大家可以在一起讨论，你是怎么理解的，别人是怎么理解的，越讨论越交流，越明晰，有时候和比你经验稍微丰富一点的技术人员交流，可能比直接和大牛对话更加有直接作用。大牛的话可能让你消化半天，依然不知所云，大牛可能觉得很多普通人觉得的难点是显而易见的，不屑去解释。但是社区里面的技术人员，可能和你一样慢慢进步过来的，知道哪些点是当年自己困惑的，如果踩过这一个个的坑，他们一点拨，你就会豁然开朗。
而且每个人遇到的具体情况不同，从事的行业不同，客户的需求不同，因而软件设计的时候考虑的因素不同，大牛是牛，但是不一定能够遇到和你一样的场景，但是社区里面，有你的同行业的，背景相近的技术人员，你们可以讨论出符合你们特定场景的解决方案。
第四：通过开源软件，我们作为个人，比较容易找到工作
我们面试的时候，常常遇到的问题是，怎么能够把在原来工作中自己的贡献，理解，设计，技术能力。其实我发现很多程序员不能很好的做的这一点，所以造成很多人面试很吃亏。原因之一是背景信息不对称，例如原来面临的业务上很难的问题，面试官由于不理解背景，而且短时间解释不清楚，而轻视候选人的水平，我也遇到过很多面试官才听了几分钟，就会说，这不挺简单的，你这样这样不就行了，然后彻底否定你们一个团队忙了三年的事情。原因之二是很多有能力的程序员不会表达，导致真正写代码的说不明白，可能原来在公司里面一个绩效非常好，一个绩效非常差，但是到了面试官那里就拉平了。原因之三是新的公司不能确定你在上家公司做的工作，到这一家都能用的，例如你做的工作有30%是和具体业务场景相关的，70%是通用技术，可能下家公司只会为你的通用技术部分买单。
开源软件的好处就是，参与的人所掌握的技能都是通的，而且大家在同一个上下文里面对话，面试官和候选人之间的信息差比较少。掌握某个开源软件有多难，不用候选人自己说，大家心里都有数。
对于很多技术能力强，但是表达能力较弱的极少数人员来讲，talk is cheap, show me the code，代码呈上去，就能够表现出实力来了，而且面试官也不需要根据短短的半个小时了解一个人，可以做很多背景调查。
另外由于掌握的技术的通用的，你到下一家公司，马上就能够上手，几乎不需要预热时间，对于双方都有好处。
第五：通过开源软件，我们作为招聘方，比较容易招到相应人员。
如果在创业公司待过的朋友会了解到创业公司招人很难，人员流失很快，而且创业公司往往对于开发进度要求很快，因为大家都在抢时间。因而开源软件对于招聘方来讲，也是好消息。首先创业公司没办法像大公司一样，弄这么多的技术大牛，自己完全落地一套自己的体系，使用开源软件快速搭建一套平台先上线是最好的选择。其次使用开源软件，会使得招聘相对容易，市场上火的开源软件会有大批的从业者，参与各种论坛和社区，比较容易挖到人。最后，开源软件的使用使得新人来了之后没有预热时间，来了就上手，保证开发速度。
那如何快速上手一款开源软件呢？我写了一篇文章
在这篇文章中，我总结了九个步骤。
- 一、手动安装起来，一定要手动
- 二、使用一下，推荐XXX in Action系列
- 三、读文档，读所有的官方文档，记不住，看不懂也要读下来
- 四、了解核心的原理和算法，推荐XXX the definitive guide系列
- 五、看一本源码分析的书，会让你的源码阅读之旅事半功倍
- 六、开始阅读核心逻辑源代码
- 七、编译并Debug源代码
- 八、开发一个插件，或者对组件做少量的修改
- 九、大量的运维实践经验和面向真实场景的定制开发
所以做一个云架构师，一定不能脱离代码，反而要不断的拥抱开源软件。
四、了解Linux基础知识
作为一个云架构师，首要的一点，就是要熟悉Linux的基础知识，基本原理了。
说到操作系统，一般有三个维度，一个是桌面操作系统，一个是移动操作系统，一个是服务器操作系统。
Stack Overflow Developer Survey 2018有这样一个统计，对于开发人员来说，桌面操作系统的排名是Windows，MacOS，Linux，所以大部分人平时的办公系统都是windows。
当然因为办公的原因，平时使用windows的比较多，所以在学校里，很多同学接触到的操作系统基本上都是Windows，但是一旦从事计算机行业，就一定要跨过Linux这道坎。
根据今年W3Techs的统计，对于服务器端，Unix-Like OS占到的比例为近70%。所谓Unix-Like OS 包括下图的Linux，BSD等一系列。
从这个统计可以看出，随着云计算的发展，软件SaaS化，服务化，甚至微服务化，大部分的计算都是在服务端做的，因而要成为云架构师，就必须懂Linux。
随着移动互联网的发展，客户端基本上以Android和iOS为主，下图是Gartner的统计。Android是基于Linux内核的。因而客户端也进入了Linux阵营，很多智能终端，智能设备等开发职位，都需要懂Linux的人员。
学习Linux主要包含两部分，一个是怎么用，一个是怎么编程，背后原理是什么。
对于怎么用，上手的话，推荐《鸟哥的Linux私房菜》，按着这个手册，就能够学会基本的Linux的使用，如果再深入一点，推荐《Linux系统管理技术手册》，砖头厚的一本书，是Linux运维手边必备。
对于怎么编程，上手的话，推荐《UNIX环境高级编程》，有代码，有介绍，有原理，如果对内核的原理感兴趣，推荐《深入理解LINUX内核》。
Linux的架构如下图
我们知道，一台物理机上有很多的硬件，最重要的是CPU，内存，硬盘，网络，但是一个物理机上要跑很多的程序，这些资源应该给谁用呢？当然是大家轮着用，谁也别独占，谁也别饿死。为了完成这件事情，操作系统的内核就起到了大管家的作用，将硬件资源分配给不同的用户程序使用，并且在适当的时间将资源拿回来，再分配给其他的用户进程，这个过程称为调度。
操作系统的功能之一是系统调用
当用户程序想请求资源的时候，需要调用操作系统的系统调用接口，这是内核和用户态程序的分界线，就像你要打车，要通过打车软件的界面，下发打车指令一样，这样打车软件才会给你调度一辆车。
操作系统的功能之二是进程管理
当一个用户进程运行的时候，内核为他分配的资源，总要有一个数据结构保存，哪些资源分配给了这个进程。分配给这个进程的资源往往包括打开的文件，内存空间等。
操作系统的功能之三是内存管理
每个进程有独立的内存空间，内存空间是进程用来存放数据的，就像一间一间的仓库。为了进程使用方便，每个进程内存空间，在进程的角度来看都是独立的，也即都是从0号仓库，1号仓库，一直到N号仓库，都是独享的。但是从操作系统内核的角度来看，当然不可能独享，而是大家共享，M号仓库只有一个，你用他就不能用，这就需要一个仓库调度系统，将用户进程的仓库号和实际使用的仓库号对应起来，例如进程1的10号仓库，对应到真实的仓库是110号，进程2的20号仓库，对应到真实的仓库是120号。
操作系统功能之四是文件系统
对于Linux来讲，很多东西都是文件，例如进程号回对应一个文件，建立一个网络连接也对应一个文件。文件系统多种多样，为了能够统一适配，有一个虚拟文件系统的中间层VFS。
操作系统功能之五是设备管理
设备分两种，一种是块设备，一种是字符设备，例如硬盘就是块设备，可以格式化为文件系统，再如鼠标和键盘的输入输出是字符设备。
操作系统功能之六是网络管理
其实对于Linux来讲，网络也是基于设备和文件系统的，但是由于网络有自己的协议栈，要遵循TCP/IP协议栈标准。
对于Linux的基础知识方面，我写了几篇文章如下。
五、了解数据中心和网络基础知识
云平台当然会部署在数据中心里面，由于数据中心里面的硬件设备也是非常专业的，因而很多地方机房部门和云计算部门是两个部门，但是作为一个云架构师，需要和机房部门进行沟通，因而需要一定的数据中心知识，在数据中心里面，最难搞定的是网络，因而这里面网络知识是重中之重。
下面这个图是一个典型的数据中心图。
最外层是Internet Edge，也叫Edge Router，也叫Border Router，它提供数据中心与Internet的连接。
第一层core network，包含很多的core switches
- Available Zone同Edge router之间通信
- Available Zone之间的通信提供
- 提供高可用性连接HA
- 提供Intrusion Prevention Services
- 提供Distributed Denial of Service Attack Analysis and Mitigation
- 提供Tier 1 Load Balancer
第二层也即每个AZ的最上层，我们称为Aggregation layer。
第三层是access layer，就是一个个机架的服务器，用接入交换机连接在一起。
这是一个典型的三层网络结构，也即接入层、汇聚层、核心层三层。
对于数据中心，我写了几篇文章
除了数据中心以外，哪怕是做应用架构，对于网络的了解也是必须的。
云架构说到底是分布式架构，既然是分布式，就是去中心化的，因而就需要系统之间通过网络进行互通，因而网络是作为大规模系统架构绕不过去的一个坎。
对于网络的基本原理，推荐书籍《计算机网络-严伟与潘爱民译》，《计算机网络：自顶向下方法》。
对于TCP/IP协议栈的了解，推荐书籍《TCP/IP详解》，《The TCP/IP Guide》
对于
对于网络程序设计，推荐书籍《UNIX网络编程》
如果你想了解网络协议栈的实现，推荐书籍《深入理解LINUX网络内幕》
这里还自我推荐一下本人写的极客时间专栏《趣谈网络协议》。
其中有个综合场景，串起来所有的网络协议。
六、基于KVM了解计算虚拟化
当物理机搭建完毕之后，接下来就是基于物理机上面搭建虚拟机了。
没有了解虚拟机的同学，可以在自己的笔记本电脑上用VirtualBox或者Vmware创建虚拟机，你会发现，很容易就能在物理机的操作系统之内再安装多个操作系统，通过这种方式，你可以很方便的在windows办公系统之内安装一个Linux系统。从而保持LInux系统的持续学习。
前面讲linux操作系统的时候，说到操作系统，就是整个系统的管家。应用程序要申请资源，都需要通过操作系统的系统调用接口，向操作系统内核申请将CPU，内存，网络，硬盘等资源分配给他。
这时候你会发现，虚拟机也是物理机上的一个普通进程，当虚拟机内部的应用程序申请资源的时候，需要向虚拟机的操作系统请求。然而虚拟机的操作系统自己本身也没有权限操作资源，因而又需要像物理机的操作系统申请资源。这中间要多一次翻译的工作，完成这件事情的称为虚拟化软件。例如上面说的VirtualBox和Vmware都是虚拟化软件。
但是多一层翻译，就多一层性能损耗，如果虚拟机里面的每一个操作都要翻译，都不能直接操作硬件，性能就会差很多，简直没办法用，于是就出现了上图中的硬件辅助虚拟化，也即通过硬件的特殊配置，例如VT-x和VT-d等，让虚拟机里面的操作系统知道，他不是一个原生的操作系统了，是一个虚拟机的操作系统，不能按照原来的模式操作资源了，而是通过特殊的驱动以硬件辅助的方式抄近道操作物理资源。
刚才说的是桌面虚拟化，也就是在你的笔记本电脑上，在数据中心里面，也可以使用Vmware进行虚拟化，但是价格比较贵，如果规模比较大，会采取开源的虚拟化软件qemu-kvm。
对于qemu-kvm来说，和上面的原理是一样的，其中qemu的emu是emulator的意思，也即模拟器，就是翻译的意思。KVM是一个可以使用CPU的硬件辅助虚拟化的方式，而网络和存储的，需要通过特殊的virtio的方式，提供高性能的设备虚拟化功能。
要了解虚拟化的基本原理，推荐书籍《系统虚拟化——原理与实现》
要了解KVM，推荐两本书籍《KVM Virtualization Cookbook》和《Mastering KVM Virtualization》。
另外KVM和qemu的官方文档也是必须要看的，还有Redhat的官网很多文章非常值得学习。
对于虚拟化方面，我写了以下的文章。
裸用KVM创建虚拟机，体验virtualbox为你做的10件事情
KVM虚拟机镜像那点儿事，qcow2六大功能，内部快照和外部快照有啥区别？
七、基于Openvswitch了解网络虚拟化
当虚拟机创建出来了，最主要的诉求就是要能上网，他能访问到网上的资源，如果虚拟机里面部署一个网站，也希望别人能够访问到他。
这一方面依赖于qemu-KVM的网络虚拟化，将网络包从虚拟机里面传播到虚拟机外面，这需要物理机内核转换一把，形成虚拟机内部的网卡和虚拟机外部的虚拟网卡。
另外一方面就是虚拟机的网络如何能够连接到物理网络里面。物理网络常常称为underlay network，虚拟网络常常称为overlay network，从物理网络到虚拟网络称为网络虚拟化，能非常好的完成这件事情的是一个叫Openvswitch的虚拟交换机软件。
Openvswitch会有一个内核驱动，监听物理网卡，可以将物理网卡上收到的包拿进来。虚拟机创建出来的外部的虚拟网卡也可以添加到Openvswitch上，而Openvswitch可以设定各种的网络包处理策略，将网络包在虚拟机和物理机之间进行传递，从而实现了网络虚拟化。
对于Openvswitch，我主要是通过官方文档进行研究，写下了这个系列。
Openvswitch的入门篇
Openvswitch的操作篇
玩转Openvwitch第二站：Bridge和Controller
玩转Openvswitch第八站：Interface和Tunnel (下)
玩转Openvswitch第八站：Interface和Tunnel (上)
Openvswitch的代码分析篇
八、基于OpenStack了解云平台
当有了虚拟机，并且虚拟机能够上网了之后，接下来就是搭建云平台的时候了。
云是基于计算，网络，存储虚拟化技术的，云和虚拟化的主要区别在于，管理员的管理模式不同，用户的使用模式也不同。
虚拟化平台没有多层次的丰富的租户管理，没有灵活quota配额的限制，没有灵活的QoS的限制，多采用虚拟网络和物理网络打平的桥接模式，虚拟机直接使用机房网络，没有虚拟子网VPC的概念，虚拟网络的管理和隔离不能和租户隔离完全映射起来。对于存储也是，公司采购了统一的存储，也不能和租户的隔离完全映射起来。
使用虚拟化平台的特点是，对于这个平台的操作完全由运维部门统一管理，而不能将权限下放给业务部门自己进行操作。因为一旦允许不同的部门自己操作，大家都用机房网络，在没有统一管控的情况下，很容易网段冲突了。如果业务部门向申请虚拟机，需要通过工单向运维部门统一的申请。当然这个运维部门很适应这种方式，因为原来物理机就是这样管理的。
但是公有云，例如aws就没办法这样，租户千千万万，只能他们自己操作。在私有云里面，随着服务化甚至微服务化的进行，服务数目越来越多，迭代速度越来越快，业务部门需要更加频繁的创建和消耗虚拟机，如果还是由运维部统一审批，统一操作，会使得运维部门压力非常大，而且极大限制了迭代速度，因而要引入 租户管理，运维部灵活配置每个租户的配额quota和QoS，在这个配额里面，业务部门随时可以按照自己的需要，创建和删除虚拟机，无需知会运维部门。每个部门都可以创建自己的虚拟网络VPC，不同租户的VPC之前完全隔离，所以网段可以冲突，每个业务部门自己规划自己的网络架构，只有少数的机器需要被外网或者机房访问的时候，需要少数的机房IP，这个也是和租户映射起来的，可以分配给业务部门机房网IP的个数范围内，自由的使用。这样每个部门自主操作，迭代速度就能够加快了。
云平台中的开源软件的代表是OpenStack，建议大家研究OpenStack的设计机制，是在云里面通用的，了解了OpenStack，对于公有云，容器云，都能发现相似的概念和机制。
沿着OpenStack创建虚拟机的过程，我总结了100个知识点，写下了下面的文章。
用OpenStack界面轻松创建虚拟机的你，看得懂虚拟机启动的这24个参数么？
觉得OpenStack的网络复杂？其实你家里就有同样一个网络
当发现你的OpenStack虚拟机网络有问题，不妨先试一下这16个步骤
手动用KVM模拟OpenStack Cinder挂载iSCSI卷
不仅Docker会使用Control Group，KVM也会使用Cgroup来控制资源分配
通过我们研究OpenStack，我们会发现很多非常好的云平台设计模式。
第一：基于PKI Token的认证模式
如果我们要实现一个Restful API，希望有个统一的认证中心的话，Keystone的三角形工作模式是常用的。
当我们要访问一个资源，通过用户名密码或者AK/SK登录之后，如果认证通过，接下来对于资源的访问，不应该总带着用户名密码，而是登录的时候形成一个Token，然后访问资源的时候带着Token，服务端通过Token去认证中心进行验证即可。
如果每次验证都去认证中心，效率比较差，后来就有了PKI Token，也即Token解密出来是一个有详细租户信息的字符串，这样本地就可以进行认证和鉴权。
第二：基于Role Based Access Control的鉴权模式
对于权限控制，我们学会比较通用的Role Based Access Control的权限控制模式， 形成“用户-角色-权限”的授权模型。在这种模型中，用户与角色之间，角色与权限之间，一般者是多对多的关系，可以非常灵活的控制权限。
第三：基于Quota的配额管理
可以通过设置计算，网络，存储的quota，设置某个租户自己可以自主操作的资源量。
第四：基于预选和优选两阶段的Scheduler机制
当需要从一个资源池里面，选择一个节点，使用这个节点上的资源的时候，一个通用的Scheduler机制是：
- 首先进行预选，也即通过Filter，将不满足条件的过滤掉。
- 然后进行优选，也即对于过滤后，满足条件的候选人，通过计算权重，选择其中最优的。
第五：基于独立虚拟子网的网络模式
为了每个租户可以独立操作，因而虚拟网络应该是独立于物理网络的，这样不同的租户可以进行独立的网络规划而互不影响，也不影响物理网络，当需要跨租户访问，或者要访问物理网络的时候，需要通过路由器。
第六：基于Copy on Write的镜像机制
有时候我们在虚拟机里面做了一些操作以后，希望能够把这个时候的镜像保存下来，好随时恢复到这个时间点，一个最最简单的方法就是完全复制一份，但是由于镜像太大了，这样效率很差。因而采取Copy on write的机制，当打镜像的时刻，并没有新的存储消耗，而是当写入新的东西的时候，将原来的数据找一个地方复制保存下来，这就是Copy on Write。
对于Openstack，有一种镜像qcow2就是采取的这样的机制。
这样镜像就像分层一样，一层一层的罗上去。
第七：基于namespace和cgroup的隔离和Qos机制
在OpenStack里面，网络节点的路由器是由network namespace来隔离的。
KVM的占用的CPU和内存，使用Cgroup来隔离的。
网络的QoS使用TC来隔离的。
第八：基于iptables的安全机制
有时候，我们希望网络中的节点之间不能相互访问，作为最简单的防火墙，iptables起到了很重要的作用，以后实现ACL机制的，都可以考虑使用iptables。
