详解ZStack高级功能-裸金属服务部署实践

1. 前言

今天我们来了解一下ZStack的裸金属,提到裸金属服务,很多人从字面上可能对其不是很了解,其实早在之前的私有云OpenStack平台,就已经推行了Ironic裸金属服务,而且在去年的最新Rocky版本中,更是对裸金属服务进行了加强。于此同时的ZStack在2.6.0版本,也推出裸金属纳管服务。那么这令人注目的裸金属服务究竟是什么呢?

首先让我们来了解一下裸金属服务的由来,近年来由于国内外云计算市场的快速发展,许多企业纷纷将自身业务迁至云端。不再将业务部署在自己自身的机房环境中,这样带来的好处就是省去了一部分的人工维护成本,转而由第三方云供应商来提供基础环境。

而且一般来说硬件资源在很多情况下是没有被充分利用的,比如我们日常在使用自己的电脑时,实质上就是在使用它的CPU、内存、以及在硬盘上运行的操作系统等。当我们查看这些资源的使用率时,通常会发现,CPU和内存大部分是闲置的。特别是CPU,其利用率通常不到10%。那么,有没有可能不让一个操作系统单独控制一台机器,而是在一台机器上安装多个操作系统,并且让它们同时地运行,把被闲置的资源利用起来呢?答案是有,相信很多人都曾经在自己的Windows电脑上安装VMware workstation,并且安装了多个虚拟机,每个虚拟机都拥有自己的操作系统,它们可以同时运行,并且不互相干扰,就实现了自己硬件电脑的虚拟化,可以把一台物理服务器虚拟化为多台虚拟服务器。所以说,这种通过管理程序(VMware workstation等)把硬件的机器、同操作系统分开的过程,就是虚拟化。当我们将业务运行在云端时,可以做到按需求选取最合适的规模,将资源的利用率使用到最大。这些资源不仅仅包括CPU、内存、操作系统,还包括网络,ip,安全组等。

但是,并不是所有业务都适合在云端虚拟机上运行的,比如一些高性能的计算任务,如果运行在虚拟机上,就达不到在物理机上的效果。于是就需要裸金属服务,简单来说,裸金属服务就是为应用提供专属的物理服务器,保障核心应用的高性能和稳定性。ZStack早在2.6.0版本,在高级功能中以单独的功能模块形式,推出了裸金属服务。支持自定义安装操作系统,并提供裸金属主机的全生命周期管理。裸金属服务在以下几个方面拥有巨大优势:

1、高性能计算;

2、无法使用虚拟化的计算任务;

3、数据库主机;

4、单租户、专用硬件、安全性、可靠性以及其它需求。

2.ZStack裸金属服务概述

ZStack作为一套产品化创新开源云计算IaaS平台,它可以为企业用户提供私有云和混合云服务,当我们在ZStack中部署裸机,用到的就是ZStack的高级功能-裸金属服务,即直接控制物理机进行硬件部署操作,我们一般熟知的虚拟机(宿主型)是通过Hypervisor来部署的。如下图,Hypervisor是一种运行在物理服务器和操作系统之间的中间软件层,可允许多个操作系统和应用共享一套基础物理硬件,因此也可以看作是虚拟环境中的"元"操作系统,它可以协调访问服务器上的所有物理设备和虚拟机,也叫虚拟机监视器VMM(Virtual Machine Monitor)。当服务器启动并执行Hypervisor时,它会给每一台虚拟机分配适量的内存、CPU、网络和磁盘,并加载所有虚拟机的客户操作系统。

相比之下,裸金属服务就是传统形式,直接将OS部署在Hardware上,没有VMM这一层的损耗,性能更加优秀。

裸金属服务的优势不言而喻,现在的各大公有云厂商也纷纷推出了自己的裸金属服务,作为私有云的ZStack也不甘示弱。现在我们暂时不考虑之后裸金属部署后的性能优势,单从部署方面来说,如何像部署虚拟机一样去部署物理机呢?

ZStack可为应用提供专属的物理服务器,保障核心应用的高性能和稳定性。它可以直接对物理机执行节点级别管理,进行物理机节点的添加、删除,进行电源管理,部署系统等操作。在完成基本的服务器上架以及相关准备工作后,(注意这里的相关准备工作,是我们是否能顺利控制裸金属设备的关键前提,后面会详细介绍),管理员可在UI界面批量部署裸金属设备,部署完成后可使用裸金属设备创建裸金属主机,支持自定义安装操作系统,并对裸金属主机进行全生命周期管理。

简单来说,我们在这里可以认为裸金属服务,就是为服务器裸机安装相应的操作系统,并且获取其配置信息,最后实现对裸金属主机的生命周期控制,比如:开关机重启等操作。而且对于整个操作过程而言,前提只需要服务器主机有网络并且通电就可以。

3. ZStack裸金属服务基本原理

裸金属管理服务的基本原理是:PXE服务器提供DHCP服务和TFTP服务,指示多台裸金属设备由PXE网卡启动并分配动态IP,裸金属设备从PXE服务器中下载相关软件包,用于裸金属主机的系统安装。

裸金属管理网络拓扑所示:(官方)

1. 管理节点与管理网络(Management Node):需提前规划管理网络,要求镜像仓库、PXE服务器均与管理节点连通。管理节点作为安装系统的物理主机,提供ZStack的UI管理、云平台部署功能。一般是安装ZStackiso镜像的主机,通过前端的dashboard界面,进行图形化管理。

2. 镜像仓库:也位于管理网络网段之下,为裸机(可认为没有安装操作系统的新机器)提供多种操作系统镜像文件。在ZStack中,镜像支持本地与URL导入。

3. PXE(preboot execute environment,预启动执行环境),支持通过网络从远端服务器下载映像,并由此支持通过网络启动操作系统,在启动过程中,终端要求服务器分配IP地址,再用TFTP服务协议下载一个启动软件包到本机内存中执行,由这个启动软件包完成终端(客户端)基本软件设置,从而引导预先安装在服务器中的终端操作系统。PXE可以引导多种操作系统。

可以概括认为ZStack的PXE服务器包含二大功能:其一就是DHCP服务(指示多台裸金属设备由PXE网卡启动并分配动态IP),其二就是TFTP服务(裸金属设备从PXE服务器中下载相关软件包,用于裸金属主机的系统安装)。

4. 部署网络,确保裸金属设备的PXE网卡与PXE服务器的DHCP监听网卡通过部署网络连通。可以说就是安装操作系统用的,它的独立性适用于生产环境(优先独立配置),也可以以管理网络作为部署网络。

5. IPMI网络,确保管理节点与裸金属设备的BMC接口通过IPMI网络连通。IPMI的核心是BMC,即基板管理控制器,其并不依赖于服务器的处理器、BIOS或操作系统来工作,是一个单独运行的无代理管理子系统,只要有BMC与IPMI固件(运行在ROM里的只读程序)其便可开始工作,BMC通常是一个安装在服务器主板上的独立板卡。在工作时,所有的IPMI功能都是向BMC发送命令来完成的。

所以需要配置裸金属设备IPMI并规划IPMI网络:

实现裸金属设备的带外控制(通过不同的物理通道传送管理控制信息和数据信息,两者完全独立,互不影响。),要求裸金属设备配备BMC接口(现在一般都有),并提前为每台裸金属设备配置好IPMI地址、端口、用户名和密码。

正因为IPMI的独立性,我们在进行裸机操作时,可以对其进行控制。当裸机安装完成,操作系统正常使用时才进行数据信息处理。正如上面所说的,通过不同的物理通道传送管理控制信息和数据信息。如下图(来自网络):IPMI接口与服务器一般网络接口在不同位置。

规划IPMI网络后,管理节点与裸金属设备的BMC接口可以通过IPMI网络连通,并且admin用户可在之后的UI界面完成所有裸金属设备的批量部署。

6. 其它网络。

支持扁平网络场景,同一个二层网络上的裸金属主机和云主机之间可互相访问,无需通过网关进行路由,需提前将裸金属设备所在的裸金属集群挂载到相应的二层网络。

4.ZStack裸金属服务操作流程详解

此次操作流程,将管理节控制节点与PXE服务器部署在同一个节点,并且管理网络与部署网络为同一个网络。如果有条件,建议在生产环境中依照官方拓扑图部署。

4.1 准备工作

为保证批量部署裸金属设备的顺利进行,需提前做好以下准备工作:

1. 手动安装管理节点,并安装相应许可证;即需要先安装好ZStack环境,并保证在ZStack环境中可以使用裸金属服务。

2. 在镜像仓库中准备若干ISO镜像,用于裸金属主机的系统安装。(此处的镜像服务器单独部署,镜像BIOS模式为legacy)

3. 进入裸金属设备BIOS启用PXE(可以自己进入裸金属设备BIOS开启)

提前进入每台裸金属设备的BIOS,确认其连接部署网络的网卡开启PXE功能。对于部分机型,还需确保该PXE网卡为首张启动网卡,或确保(启动顺位)在PXE网卡之前的所有网卡均关闭PXE功能,同时需确保裸金属设备的启动模式为Legacy。

4. 规划部署网络

要求PXE服务器的DHCP监听网卡是一个独立的、有IP地址的网卡,对外提供稳定的DHCP服务。

5. 配置裸金属设备IPMI并规划IPMI网络

提前规划IPMI网络,确保管理节点与裸金属设备的BMC接口通过IPMI网络连通。

这样通过IPMI网络,admin就可在UI界面完成所有裸金属设备的批量部署;并且管理节点可远程控制裸金属设备的开关机、网络启动、磁盘启动等行为。

6. 其它网络(可选)

如果裸金属主机需要与云虚拟主机进行交互的话。可以在一个扁平网络下,设置二类主机互通。

准备工作完成后,admin可登录管理节点界面(ZStack的dashboard界面),进行接下来的操作。

4.2 创建裸金属集群,为裸金属设备提供单独的集群管理(和云主机区分开来)。

裸金属集群可以为裸金属设备提供单独的集群管理。注意:一个裸金属集群只允许挂载一个部署服务器。

创建界面如下图,创建完成后,默认启动。

创建完成如下图:

4.3 创建部署服务器,为裸金属设备提供PXE服务和控制台代理服务。

本次与管理节点合并,但独立部署PXE服务器,可以满足多管理节点物理机高可用场景需求,且避免单点故障,大幅提升部署效率。然后将部署服务器挂载到裸金属集群中。

如下图所示:DHCP服务(为裸金属设备由PXE网卡启动并分配动态IP),TFTP服务(裸金属设备从PXE服务器中下载相关软件包,用于裸金属主机的操作系统安装)。

创建完成后如下图所示:

同时,点击部署服务器可看到属性信息:

4.4 添加裸金属设备

裸金属设备:就是待安装操作系统的裸金属服务器,通过BMC接口以及IPMI配置进行唯一识别。

需要填写IPMI网络,这样管理节点可远程控制裸金属设备的开关机、网络启动、磁盘启动等行为。创建如下图:

创建完成后,如下图所示,可以看到已经获取到了硬件信息。

此时这里可以打开控制台,直接跳转至该裸金属设备的IPMI管理界面(登录界面),输入之前已配置好的IPMI用户名和IPMI密码,即可从ZStack界面跳转登录。

4.5 创建裸金属主机,进行自定义安装操作系统。

裸金属主机:即已安装操作系统的裸金属服务器,裸金属设备部署完成后可用于创建裸金属主机。创建界面如下,需要注意的是裸金属主机创建完成后会自动重启,然后根据所选镜像开始安装操作系统;

创建过程中,裸金属主机的状态会暂时显示为部署中。

这时我们需要打开控制台,进入系统安装界面,手动进行相关配置。如下图:

部署完成后,裸金属主机自动重启,就绪状态显示为已部署。

需要注意的是,自动重启时,主机已经安装好操作系统,此时的启动应该从硬盘启动,而不是之前的网卡启动,可以登录裸金属设备的控制台,设置第一个引导设备为磁盘驱动器,确保主机从正确的地方启动,否则有可能导致主机无限重启。

重启完成后,如下图所示,主机处于正常运行状态。

在部署服务器上,可以看到镜像的缓存位置以及此过程中DHCP服务与TFTP服务。这里的部署服务器就相当于一个PxeServer。裸金属主机会发送DHCP广播请求,然后DHCP服务器向主机提供可用的IP地址并告知主机TFTP服务器的地址,之后TFTP向客户机提供内核,驱动及引导文件,最后通过TFTP获得安装文件,而安装时的参数由cfg文件来提供。

安装完成时,登录裸金属主机,可以看到cfg配置参数文件:

4.6 对裸金属主机进行全生命周期管理。

5. 总结

由上分析,ZStack裸金属管理服务具有以下功能优势:

首先可以为应用提供专属的物理服务器,保障核心应用的高性能和稳定性;

其次在操作过程中的各个服务可以进行独立部署,比如:PXE服务器,可满足多管理节点物理机高可用场景需求,彻底避免DHCP冲突,由于每个裸金属集群均可挂载独立的PXE服务器,避免单点故障,大幅提升部署效率,以及镜像仓库的独立部署。同时管理员可在UI界面上批量添加裸金属设备,包括:手动添加和模板文件导入两种方式,支持批量添加IPMI地址,高效部署裸金属集群,提升运维效率,而且支持自定义安装操作系统;

最后裸金属主机并不是独立的,它还支持扁平网络场景,同一个二层网络上的裸金属主机和云主机之间可互相访问,不需要通过网关进行路由,可以与企业自身业务紧密联合,发挥裸金属主机的优势。

借用ZStack官网上看到的一句话来说一下私有云裸金属的未来:

随着虚拟机技术的日趋成熟,虚拟机所带来的性能损耗会越来越少,一些基于性能考虑而选择裸金属的需要未来可能会越来越少。但在一些特殊场合,针对一些特殊设备如龙芯或其他不能虚拟化的设备中,云平台以裸金属形式纳管这些设备一定时间内还会长期存在。针对这种形式的裸金属设备,提供通用的管控接口,智能调度和状态监控也许是未来私有云裸金属管理方面发展的重点。

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