OpenStack容器服务Zun初探与原理分析-创新互联
01
Zun服务简介
Zun是OpenStack的容器服务（Containers as Service），类似于AWS的ECS服务，但实现原理不太一样，ECS是把容器启动在EC2虚拟机实例上，而Zun会把容器直接运行在compute节点上。
和OpenStack另一个容器相关的Magnum项目不一样的是：Magnum提供的是容器编排服务，能够提供弹性Kubernetes、Swarm、Mesos等容器基础设施服务，管理的单元是Kubernetes、Swarm、Mesos集群，而Zun提供的是原生容器服务，支持不同的runtime如Docker、Clear Container等，管理的单元是container。
Zun服务的架构如图：
Zun服务和Nova服务的功能和结构非常相似，只是前者提供容器服务，后者提供虚拟机服务，二者都是主流的计算服务交付模式。功能类似体现在如下几点：
通过Neutron提供网络服务。
通过Cinder实现数据的持久化存储。
都支持使用Glance存储镜像。
其他如quota、安全组等功能。
组件结构结构相似则表现在:
二者都是由API、调度、计算三大组件模块构成，Nova由nova-api、nova-scheduler、nova-compute三大核心组件构成，而Zun由zun-api、zun-compute两大核心组件构成，之所以没有zun-scheduler是因为scheduler集成到zun-api中了。
nova-compute调用compute driver创建虚拟机，如Libvirt。zun-compute调用container driver创建容器，如Docker。
Nova通过一系列的proxy代理实现VNC（nova-novncproxy)、Splice(nova-spiceproxy)等虚拟终端访问，Zun也是通过proxy代理容器的websocket实现远程attach容器功能。
02
Zun服务部署
Zun服务部署和Nova、Cinder部署模式类似，控制节点创建数据库、Keystone创建service以及注册endpoints等，最后安装相关包以及初始化配置。计算节点除了安装zun-compute服务，还需要安装要使用的容器，比如Docker。详细的安装过程可以参考官方文档，如果仅仅是想进行POC测试，可以通过DevStack自动化快速部署一个AllInOne环境，供参考的local.conf配置文件如下:
如上配置会自动通过DevStack安装Zun相关组件、Kuryr组件以及Docker。
03
Zun服务入门
3.1 Dashboard
安装Zun服务之后，可以通过zun命令行以及Dashboard创建和管理容器。
有一个非常赞的功能是如果安装了Zun，Dashboard能够支持Cloud Shell，用户能够在DashBoard中进行交互式输入OpenStack命令行。
原理的话就是通过Zun启动了一个gbraad/openstack-client:alpine容器。
通过Dashboard创建容器和创建虚拟机的过程非常相似，都是通过panel依次选择镜像(image)、选择规格(Spec)、选择或者创建卷(volume)、选择网络(network/port)、选择安全组(SecuiryGroup)以及scheduler hint，如图：
其中Miscellaneous杂项中则为针对容器的特殊配置，比如设置环境变量（Environment）、工作目录(Working Directory)等。
3.2 命令行操作
通过命令行创建容器也非常类似，使用过nova以及docker命令行的基本不会有困难，下面以创建一个mysql容器为例:
如上通过--mount参数指定了volume大小，由于没有指定volume_id，因此Zun会新创建一个volume。需要注意的是，Zun创建的volume在容器删除后，volume也会自动删除(auto remove)，如果需要持久化volume卷，则应该先通过Cinder创建一个volume，然后通过source选项指定volume_id，此时当容器删除时不会删除已有的volume卷。
和虚拟机不一样，虚拟机通过flavor配置规格，容器则直接指定cpu、memory、disk。
如上没有指定--image-driver参数，则默认从dockerhub下载镜像，如果指定glance，则会往glance下载镜像。
另外mysql容器初始化时数据卷必须为空目录，挂载的volume新卷格式化时会自动创建lost+found目录，因此需要手动删除，否则mysql容器会初始化失败:
创建完成后可以通过zun list命令查看容器列表:
可以看到mysql的容器fixed IP为192.168.233.80，和虚拟机一样，租户IP默认与外面不通，需要绑定一个浮动IP(floating ip)，
zun命令行目前还无法查看floating ip，只能通过neutron命令查看，获取到floatingip并且安全组入访允许3306端口后就可以远程连接mysql服务了:
当然在同一租户的虚拟机也可以直接通过fixed ip访问mysql服务:
可见，通过容器启动mysql服务和在虚拟机里面部署mysql服务，用户访问上没有什么区别，在同一个环境中，虚拟机和容器可共存，彼此可相互通信，在应用层上可以完全把虚拟机和容器透明化使用，底层通过应用场景选择虚拟机或者容器。
3.3 关于capsule
Zun除了管理容器container外，还引入了capsule的概念，capsule类似Kubernetes的pod，一个capsule可包含多个container，这些container共享network、ipc、pid namespace等。
通过capsule启动一个mysql服务，声明yaml文件如下:
创建mysql capsule:
可见capsule的init container用的就是kubernetes的pause镜像。
3.4 总结
OpenStack的容器服务本来是在Nova中实现的，实现了Nova ComputeDriver，因此Zun的其他的功能如容器生命周期管理、image管理、service管理、action管理等和Nova虚拟机非常类似，可以查看官方文档，这里不再赘述。
04
Zun实现原理
4.1 调用容器接口实现容器生命周期管理
前面提到过Zun主要由zun-api和zun-compute服务组成，zun-api主要负责接收用户请求、参数校验、资源准备等工作，而zun-compute则真正负责容器的管理，Nova的后端通过compute_driver配置，而Zun的后端则通过container_driver配置，目前只实现了DockerDriver。因此调用Zun创建容器，最终就是zun-compute调用docker创建容器。
下面以创建一个container为例，简述其过程。
4.1.1 zun-api
首先入口为zun-api，主要代码实现在zun/api/controllers/v1/containers.py以及zun/compute/api.py，创建容器的方法入口为post()方法，其调用过程如下:
zun/api/controllers/v1/containers.py
policy enforce: 检查policy，验证用户是否具有创建container权限的API调用。
check security group: 检查安全组是否存在，根据传递的名称返回安全组的ID。
check container quotas: 检查quota配额。
build requested network: 检查网络配置，比如port是否存在、network id是否合法，最后构建内部的network对象模型字典。注意，这一步只检查并没有创建port。
create container object：根据传递的参数，构造container对象模型。
build requeted volumes: 检查volume配置，如果传递的是volume id，则检查该volume是否存在，如果没有传递volume id只指定了size，则调用Cinder API创建新的volume。
zun/compute/api.py
schedule container: 使用FilterScheduler调度container，返回宿主机的host对象。这个和nova-scheduler非常类似，只是Zun集成到zun-api中了。目前支持的filters如CPUFilter、RamFilter、LabelFilter、ComputeFilter、RuntimeFilter等。
image validation: 检查镜像是否存在，这里会远程调用zun-compute的image_search方法，其实就是调用docker search。这里主要为了实现快速失败，避免到了compute节点才发现image不合法。
record action: 和Nova的record action一样，记录container的操作日志。
rpc cast container_create: 远程异步调用zun-compute的container_create()方法，zun-api任务结束。
4.1.2 zun-compute
zun-compute负责container创建，代码位于zun/compute/manager.py，过程如下:
wait for volumes avaiable: 等待volume创建完成，状态变为avaiable。
attach volumes：挂载volumes，挂载过程后面再介绍。
checksupportdisk_quota: 如果使用本地盘，检查本地的quota配额。
pull or load image: 调用Docker拉取或者加载镜像。
创建docker network、创建neutron port，这个步骤下面详细介绍。
create container: 调用Docker创建容器。
container start: 调用Docker启动容器。
以上调用Dokcer拉取镜像、创建容器、启动容器的代码位于zun/container/docker/driver.py，该模块基本就是对社区Docker SDK for Python的封装。
Zun的其他操作比如start、stop、kill等实现原理也类似，这里不再赘述。
4.2 通过websocket实现远程容器访问
我们知道虚拟机可以通过VNC远程登录，物理服务器可以通过SOL(IPMI Serial Over LAN)实现远程访问，容器则可以通过websocket接口实现远程交互访问。
Docker原生支持websocket连接，参考APIAttach to a container via a websocket，websocket地址为/containers/{id}/attach/ws，不过只能在计算节点访问，那如何通过API访问呢？
和Nova、Ironic实现完全一样，也是通过proxy代理转发实现的，负责container的websocket转发的进程为zun-wsproxy。
当调用zun-compute的container_attach()方法时，zun-compute会把container的websocket_url以及websocket_token保存到数据库中.
zun-wsproxy则可读取container的websocket_url作为目标端进行转发：
通过Dashboard可以远程访问container的shell:
当然通过命令行zun attach也可以attach container。
4.3 使用Cinder实现容器持久化存储
前面介绍过Zun通过Cinder实现container的持久化存储，之前我的另一篇文章介绍了Docker使用OpenStack Cinder持久化volume原理分析及实践，介绍了john griffith开发的docker-cinder-driver以及OpenStack Fuxi项目，这两个项目都实现了Cinder volume挂载到Docker容器中。另外cinderclient的扩展模块python-brick-cinderclient-ext实现了Cinder volume的local attach，即把Cinder volume挂载到物理机中。
Zun没有复用以上的代码模块，而是重新实现了volume attach的功能，不过实现原理和上面的方法完全一样，主要包含如下过程：
connect volume: connect volume就是把volume attach（映射）到container所在的宿主机上，建立连接的的协议通过initialize_connection信息获取，如果是LVM类型则一般通过iscsi，如果是Ceph rbd则直接使用rbd map。
ensure mountpoit tree: 检查挂载点路径是否存在，如果不存在则调用mkdir创建目录。
make filesystem：如果是新的volume，挂载时由于没有文件系统因此会失败，此时会创建文件系统。
do mount: 一切准备就绪，调用OS的mount接口挂载volume到指定的目录点上。
Cinder Driver的代码位于`zun/volume/driver.py的Cinder类中，方法如下:
其中cinder.attach_volume()实现如上的第1步，而_mount_device()实现了如上的2-4步。
4.4 集成Neutron网络实现容器网络多租户
4.4.1 关于容器网络
前面我们通过Zun创建容器，使用的就是Neutron网络，意味着容器和虚拟机完全等同的共享Neutron网络服务，虚拟机网络具有的功能，容器也能实现，比如多租户隔离、floating ip、安全组、防火墙等。
Docker如何与Neutron网络集成呢？根据官方Docker network plugin API介绍，插件位于如下目录:
/run/docker/plugins
/etc/docker/plugins
/usr/lib/docker/plugins
由此可见Docker使用的是kuryr网络插件。
Kuryr也是OpenStack中一个较新的项目，其目标是“Bridge between container framework networking and storage models to OpenStack networking and storage abstractions.”,即实现容器与OpenStack的网络与存储集成，当然目前只实现了网络部分的集成。
而我们知道目前容器网络主要有两个主流实现模型：
CNM：Docker公司提出，Docker原生使用的该方案，通过HTTP请求调用，模型设计可参考The Container Network Model Design，network插件可实现两个Driver，其中一个为IPAM Driver，用于实现IP地址管理，另一个为Docker Remote Drivers，实现网络相关的配置。
CNI：CoreOS公司提出，Kubernetes选择了该方案，通过本地方法或者命令行调用。
因此Kuryr也分成两个子项目，kuryr-network实现CNM接口，主要为支持原生的Docker，而kury-kubernetes则实现的是CNI接口，主要为支持Kubernetes，Kubernetes service还集成了Neutron LBaaS，下次再单独介绍这个项目。
由于Zun使用的是原生的Docker，因此使用的是kuryr-network项目，实现的是CNM接口，通过remote driver的形式注册到Docker libnetwork中，Docker会自动向插件指定的socket地址发送HTTP请求进行网络操作，我们的环境是http://127.0.0.1:23750，即kuryr-libnetwork.service监听的地址，Remote API接口可以参考Docker Remote Drivers。
4.4.2 kuryr实现原理
前面4.1节介绍到zun-compute会调用docker driver的create()方法创建容器，其实这个方法不仅仅是调用python docker sdk的create_container()方法，还做了很多工作，其中就包括网络相关的配置。
首先检查Docker的network是否存在，不存在就创建，network name为Neutron network的UUID，
然后会调用Neutron创建port，从这里可以得出结论，容器的port不是Docker libnetwork也不是Kuryr创建的，而是Zun创建的。
回到前面的Remote Driver，Docker libnetwork会首先POST调用kuryr的/IpamDriver.RequestAddressAPI请求分配IP，但显然前面Zun已经创建好了port，port已经分配好了IP，因此这个方法其实就是走走过场。如果直接调用docker命令指定kuryr网络创建容器，则会调用该方法从Neutron中创建一个port。
接下来会POST调用kuryr的/NetworkDriver.CreateEndpoint方法，这个方法最重要的步骤就是binding，即把port attach到宿主机中，binding操作单独分离出来为kuryr.lib库，这里我们使用的是veth driver，因此由kuryr/lib/binding/drivers/veth.py模块的port_bind()方法实现，该方法创建一个veth对，其中一个为tap-xxxx，xxxx为port ID前缀，放在宿主机的namespace，另一个为t_cxxxx放到容器的namespace，t_cxxxx会配置上IP，而tap-xxxx则调用shell脚本(脚本位于/usr/local/libexec/kuryr/）把tap设备添加到ovs br-int桥上，如果使用HYBRID_PLUG，即安全组通过Linux Bridge实现而不是OVS，则会创建qbr-xxx，并创建一个veth对关联到ovs br-int上。
从这里可以看出，Neutron port绑定到虚拟机和容器基本没有什么区别，如下所示:
唯一不同的就是虚拟机是把tap设备直接映射到虚拟机的虚拟设备中，而容器则通过veth对，把另一个tap放到容器的namespace中。
有人会说，br-int的流表在哪里更新了？这其实是和虚拟机是完全一样的，当调用port update操作时，neutron server会发送RPC到L2 agent中（如neutron-openvswitch-agent），agent会根据port的状态更新对应的tap设备以及流表。
因此其实kuryr只干了一件事，那就是把Zun申请的port绑定到容器中。
05
总结
OpenStack Zun项目非常完美地实现了容器与Neutron、Cinder的集成，加上Ironic裸机服务，OpenStack实现了容器、虚拟机、裸机共享网络与存储。未来我觉得很长一段时间内裸机、虚拟机和容器将在数据中心混合存在，OpenStack实现了容器和虚拟机、裸机的完全平等、资源共享以及功能对齐，应用可以根据自己的需求选择容器、虚拟机或者裸机，使用上没有什么区别，用户只需要关心业务针对性能的需求以及对硬件的特殊访问，对负载（workload）是完全透明的。
参考文献
docker python sdk: https://docker-py.readthedocs.io/en/stable/
Zun’s documentation: https://docs.openstack.org/zun/latest/
https://docs.docker.com/engine/api/v1.39/#operation/ContainerAttachWebsocket
http://int32bit.me/2017/10/04/Docker使用OpenStack-Cinder持久化volume原理分析及实践/
https://specs.openstack.org/openstack/cinder-specs/specs/mitaka/use-cinder-without-nova.html
https://docs.docker.com/engine/extend/plugin_api/
https://github.com/docker/libnetwork/blob/master/docs/design.md
https://github.com/docker/libnetwork/blob/master/docs/ipam.md
https://github.com/docker/libnetwork/blob/master/docs/remote.md
https://docs.openstack.org/kuryr-libnetwork/latest/
https://docs.openstack.org/magnum/latest/user/
https://github.com/docker/libnetwork
https://www.nuagenetworks.net/blog/container-networking-standards/
http://blog.kubernetes.io/2016/01/why-Kubernetes-doesnt-use-libnetwork.html
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