00 · OpenStack 总纲——从云计算到 OpenStack 全景

00 · OpenStack 总纲——从云计算到 OpenStack 全景

本篇是整个系列的"地图"。读完本篇，你应当能回答：OpenStack 是什么、由哪些组件构成、它们如何协作、一台虚拟机是怎样被创建出来的。
本篇重"广"（建立整体认知），各分篇重"深"（原理与实操）。建议先通读本篇，再带着全局视角进入各分篇。

本篇导读 / 学习目标

学完本篇，你将能够：

一、先理解云计算：OpenStack 所处的位置

1.1 什么是云计算

云计算（Cloud Computing）：一种按网络、按需、可计量地访问共享计算资源池（网络、服务器、存储、应用、服务）的模式，资源可以被快速供给和释放，而无需大量人工管理。

五个本质特征（记忆口诀：“按需自助、广泛接入、资源池化、快速弹性、可计量服务”）：

1.2 服务模型：SPI 三层（IaaS / PaaS / SaaS）

SPI 模型：按"云厂商管到哪一层、用户管到哪一层"，把云服务分为三层，越往上用户越省心、灵活性越低。

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SaaS：管到应用（开箱即用）

用户管：使用

厂商管：应用及以下全部

PaaS：管到平台

用户管：应用 / 数据

厂商管：运行时 / 中间件 / OS / 基础设施

IaaS：管到基础设施

用户管：OS / 中间件 / 应用 / 数据

厂商管：虚拟化 / 服务器 / 存储 / 网络

传统自建 On-Premise

用户管：应用到硬件全部

记忆要点：OpenStack 是一个开源的 IaaS 平台——它把"数据中心的计算、存储、网络资源"池化，通过 API 对外提供虚拟机等基础设施服务。

1.3 部署模型：四类云

1.4 虚拟化：云计算的地基

虚拟化（Virtualization）：在一台物理机上抽象出多个相互隔离的虚拟计算机（虚拟机 VM），每台 VM 拥有独立的虚拟 CPU、内存、磁盘、网卡，运行各自的操作系统。

• Hypervisor（虚拟机监控器/VMM）：负责虚拟化的软件层，分为：
  • Type-1（裸金属型）：直接装在硬件上，如 KVM、ESXi、Xen；
  • Type-2（宿主型）：作为应用装在普通 OS 上，如 VMware Workstation、VirtualBox。
• KVM（Kernel-based Virtual Machine）：Linux 内核内置的开源虚拟化模块，把 Linux 变成 Type-1 Hypervisor；配合用户态的 QEMU 完成设备模拟。OpenStack Nova 默认使用 KVM/QEMU 作为底层虚拟化驱动。
• 除了计算虚拟化，还有存储虚拟化（如 LVM、Ceph）和网络虚拟化（如 Linux Bridge、OVS、SDN）——它们共同构成 OpenStack 的地基。

关系链：物理资源 → 虚拟化（KVM/LVM/OVS）→ 资源池化 → OpenStack 编排管理 → 以 API 对外提供云服务。

二、OpenStack 是什么

2.1 一句话定义

OpenStack 是一个开源的云计算管理平台（IaaS），通过一组相互协作的服务（组件），对数据中心的计算、存储、网络资源进行统一的池化、编排与自动化管理，并通过 REST API 与 Web 界面对外提供服务。

可以把它理解为：“云数据中心的操作系统”——它不直接生产资源，而是把底层虚拟化/存储/网络资源管理起来，让用户像用电一样自助申请虚拟机、网络、存储。

2.2 发展简史

• 2010 年 7 月，由 Rackspace（托管服务商）和 NASA（美国宇航局） 联合发起、开源：
  • NASA 贡献了计算组件 Nova（前身 Nebula）；
  • Rackspace 贡献了对象存储组件 Swift。
• 此后由社区驱动，约每 6 个月发布一个正式版本，版本按字母顺序用城市/地区命名（A→B→C…）。
• 2012 年成立独立的 OpenStack 基金会；2020 年更名为 OpenInfra 基金会，统筹 OpenStack 及 Kata Containers、Zuul 等基础设施项目。
• 如今 OpenStack 是全球部署最广的开源私有云/混合云平台之一，与 Kubernetes 共同构成现代云基础设施的两大支柱。

2.3 版本规则（重要：本实验环境是 Victoria）

• 早期版本按字母顺序命名，每年两个版本（约 4 月、10 月）。部分关键版本：

记忆要点：本实验 = CentOS-Stream-8 + OpenStack Victoria（第 22 个版本），用 Packstack 部署。

2.4 OpenStack 的设计哲学

三、OpenStack 总体架构

3.1 逻辑架构：三个平面 + 一条总线 + 一个数据库

OpenStack 在逻辑上可以看作：大量服务进程（API/调度/执行）+ 一条消息总线（RabbitMQ）+ 一个数据库（MariaDB）+ 各类后端（Hypervisor/存储/网络设备）。

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数据平面（计算/存储/网络节点）

消息与数据

控制平面（控制节点）

接入层

HTTP

用户/管理员

Horizon（Web 界面）

OpenStack CLI / SDK

Keystone 认证

glance-api

nova-api / placement

nova-scheduler / conductor

neutron-server

cinder-api / scheduler

heat-api / engine

RabbitMQ 消息队列

MariaDB 数据库

Memcached 缓存

nova-compute + KVM

cinder-volume（LVM 等）

Swift 存储

Neutron Agent / OVN

• 控制平面（Control Plane）：接收请求、做认证/调度/编排，决定"做什么、在哪做"，但不直接承载业务负载。
• 数据平面（Data Plane）：真正运行虚拟机、存放数据、转发流量的地方。
• 消息总线：服务内部进程通过 RabbitMQ 做 RPC（rpc.call 同步等待、rpc.cast 单向通知）。
• 数据库：所有服务的状态、元数据统一存放在 MariaDB（MySQL），每个服务有自己的库（nova、glance、cinder、neutron、keystone…）。

3.2 四类节点（物理部署视角）

节点（Node）：运行 OpenStack 一组服务的物理机（或虚拟机）。生产环境通常按职责拆分，实验环境为节省资源会合并。

说明：

• All-in-One（一体化）：把所有服务装在一台机器上，适合学习/测试（DevStack 常用）。
• 本课程实验环境：两节点——controller = 192.168.108.10、compute = 192.168.108.11。
  • 控制节点同时承担了存储（Cinder 用 LVM、Swift 用 loopback）与网络管理功能；
  • 网络后端为 OVN，租户网络用 Geneve 封装，传统独立网络节点的 L3/DHCP 功能由 OVN 集中式组件承担。

3.3 实验环境拓扑（贯穿全套笔记）

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VMware Workstation（NAT 网络 192.168.108.0/24，网关 192.168.108.2）

NAT

NAT

controller192.168.108.10控制/存储/网络管理

compute192.168.108.11nova-compute + KVM

外部网络 / 互联网

四、核心组件全景（OpenStack 服务地图）

4.1 七大核心服务 + 一个控制台

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所有服务都向 Keystone 认证

OpenStack 业务服务（按调用方向自上而下分层）

HorizonWeb 控制台（用户入口）

Heat编排（自动化）

Nova计算（生命周期核心）

Neutron网络

Cinder块存储

Glance镜像

Swift对象存储

Keystone认证 + 服务目录（横切）

4.2 更多常见服务（了解即可，按需学习）

4.3 基础设施（支撑组件）

五、组件协作关系

5.1 服务间的依赖与认证

• Keystone 是所有服务的"门卫"：任何服务收到请求，都会先向 Keystone 校验请求携带的 Token 是否有效、角色是否足够；各服务内部再用 policy（policy.json / policy.yaml） 做基于角色的细粒度授权。
• 各服务启动时，会用自己的服务账号（nova、glance、cinder、neutron 等）向 Keystone 认证，并在**服务目录（Service Catalog）**中注册自己的 Endpoint（端点 URL）。
• 用户拿到 Token 后，也就从 Keystone 拿到了"所有服务的地址簿"。

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1. 认证（用户名/密码）

2. 返回 Token + 服务目录 Endpoints

3. 携带 Token 请求

4. 校验 Token / 查角色

5. 相互调用（HTTP）

用户

Keystone

Nova / Glance / Neutron / Cinder …

Glance 取镜像 / Neutron 配网络 / Cinder 挂卷

5.2 资源之间的关系（记忆模型）

• 镜像 Image：装好了操作系统的"模板"；规格 Flavor：CPU/内存/磁盘的"尺码"；实例 Instance：用镜像 + 规格创建出来、正在运行的"虚拟机"。
• Project（租户） 拥有：若干实例、网络、卷、镜像……
• Neutron：Project 1 : m Network（网络）1 : m Subnet（子网）1 : m Port（端口）1 : 1 VIF（虚拟网卡），多个 VIF 属于 1 个 Instance。
• Cinder：卷（Volume）可挂载到实例，可由快照创建；Swift：账户 → 容器 → 对象三级。

六、一台虚拟机是如何诞生的（端到端流程概览）

这是 OpenStack 最核心的"主线剧情"，务必建立整体印象。

6.1 简单流程（6 步）

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1. 请求创建 VM

2. 发消息

3. 取消息、调度选主机

4. 发消息：在节点 A 建机

5. 取消息

6. 经 KVM Driver 创建 VM

查询/更新 DB

用户

nova-api

RabbitMQ

nova-scheduler

nova-compute（节点 A）

Instance

nova-conductor

6.2 详细流程（认证 + 资源准备 + 建机，概览）

CinderNeutronGlancenova-computenova-conductornova-schedulernova-apiKeystone用户CinderNeutronGlancenova-computenova-conductornova-schedulernova-apiKeystone用户#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm{font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm svg{font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm p{margin:0;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .actor{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm text.actor>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .actor-line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .innerArc{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .messageLine0{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;stroke:#333;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .messageLine1{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:2,2;stroke:#333;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm #arrowhead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .sequenceNumber{fill:white;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm #sequencenumber{fill:#333;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm #crosshead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .messageText{fill:#333;stroke:none;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .labelBox{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .labelText,#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .labelText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .loopText,#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .loopText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .loopLine{stroke-width:2px;stroke-dasharray:2,2;stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .note{stroke:#aaaa33;fill:#fff5ad;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .noteText,#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .noteText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .activation0{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .activation1{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .activation2{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .actorPopupMenu{position:absolute;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .actorPopupMenuPanel{position:absolute;fill:#ECECFF;box-shadow:0px 8px 16px 0px rgba(0,0,0,0.2);filter:drop-shadow(3px 5px 2px rgb(0 0 0 / 0.4));}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .actor-man line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm .actor-man circle,#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;stroke-width:2px;}#mermaid-svg-7XufTwJkwFS00xSm :root{–mermaid-font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;}1. 提交认证信息2. 返回 Token3. 携带 Token 请求 boot4-5. 校验 Token / 角色6-7. 初始化 VM 数据库记录8. rpc.call 请求选主机9-11. 查资源、过滤+权重、选定主机12-13. rpc.cast 下发建机14-19. 经 conductor 取 VM 信息20-22. 认证并获取镜像23-25. 认证并获取网络信息26-28. 认证并获取存储信息29. 调用 KVM 驱动创建虚拟机

四阶段记忆法：

七、OpenStack 怎么部署

生产高可用（HA）要点：控制节点服务多实例部署，前端用 HAProxy + Keepalived（VIP） 做负载均衡与故障切换；数据库用 MariaDB Galera 集群；消息队列做 RabbitMQ 集群；计算节点故障时由 Nova 触发 evacuate 在其他节点重建实例。

八、版本生态与云原生

• OpenStack 与 Kubernetes 的关系：
  • OpenStack 解决"虚拟机/基础设施（IaaS）"的管理，擅长资源虚拟化、多租户、网络与存储；
  • Kubernetes 解决"容器（PaaS/CaaS）"的编排，擅长应用的弹性、调度与微服务；
  • 二者互补而非替代：常见架构是"OpenStack 提供 VM/网络/存储底座，K8s 跑在 VM 或裸金属上"；OpenStack 也通过 Magnum、Kuryr、Zun、Kata Containers 等项目与容器生态融合。
• 云原生（Cloud Native）：以容器、微服务、不可变基础设施、声明式 API 为核心的应用构建与运行方式；代表技术 CNCF 生态（K8s、容器、服务网格、DevOps）。
• 常见搭配：OpenStack + Ceph（统一的块/对象/文件存储）、OpenStack + OVN（SDN 网络）、OpenStack + K8s。

九、学习路线与分篇导航

9.1 建议学习顺序

十、本篇小结

• 云计算是按需、池化、弹性、可计量的资源服务模式；SPI 三层（IaaS/PaaS/SaaS）中，OpenStack 属于开源 IaaS 平台。
• OpenStack 由 Rackspace + NASA 于 2010 年发起，微服务、API 驱动、消息队列、可插拔是其核心设计哲学；本实验为 CentOS-Stream-8 + Victoria，Packstack 部署。
• 总体架构 = 控制平面 + 数据平面 + RabbitMQ + MariaDB；物理上分为控制、计算、存储、网络四类节点。
• 七大核心服务：Keystone（认证）、Glance（镜像）、Nova（计算）、Neutron（网络）、Cinder（块存储）、Swift（对象存储）、Heat（编排），加上 Horizon（界面）。
• 创建 VM 的主线：认证 → 调度（过滤+权重）→ 取镜像/网络/存储 → KVM 建机。

十一、重点速记（考前/复习必看）

十二、自测题（先自己答，再回看正文）

1. 名词解释：云计算、IaaS、Hypervisor、OpenStack、节点、Endpoint。

2. 选择题

(1) OpenStack 属于哪一类云服务模型？（　）
A. SaaS　B. PaaS　C. IaaS　D. DaaS

(2) OpenStack 由哪两家机构于 2010 年联合发起？（　）
A. Google + Amazon　B. Rackspace + NASA　C. IBM + 微软　D. Red Hat + Intel

(3) 本课程实验环境使用的 OpenStack 版本是？（　）
A. Newton　B. Train　C. Victoria　D. Wallaby

(4) 真正运行虚拟机、安装 KVM 的是哪类节点？（　）
A. 控制节点　B. 计算节点　C. 网络节点　D. 存储节点

(5) Nova 服务内部 nova-api 与 nova-scheduler 之间主要通过什么通信？（　）
A. 直接共享内存　B. 消息队列 RabbitMQ　C. 写文件　D. 串口

3. 简答题

参考答案（自测题）
2(1) C；(2) B；(3) C；(4) B；(5) B。
简答题见正文对应章节：SPI 模型见 1.2；架构与节点见第三部分；建机流程见第六部分；设计哲学见 2.4。