基于DPU的OpenStack裸金屬服務(wù)快速部署及存儲(chǔ)解決方案

1 方案背景和挑戰(zhàn)

Openstack作為開源云計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)軍項(xiàng)目，憑借其強(qiáng)大的功能、靈活的架構(gòu)以及活躍的社區(qū)支持，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的采用。通過Openstack，企業(yè)和云服務(wù)提供商可以更加高效地管理和利用計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速部署和靈活擴(kuò)展，從而贏得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的先機(jī)。

Ironic作為Openstack的關(guān)鍵組件，提供了對(duì)裸金屬服務(wù)的全面管理。通過Ironic，用戶可以在云環(huán)境中直接控制和管理實(shí)體硬件，實(shí)現(xiàn)裸金屬服務(wù)器的自動(dòng)化部署、管理和監(jiān)控。

原生的Ironic 采用本地物理盤進(jìn)行啟動(dòng)，其首先將遠(yuǎn)程鏡像下載并寫入到本地物理盤中，然后再?gòu)谋镜乇P啟動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)。過程如下：

可以看到，其重點(diǎn)是通過方案具有以下問題和挑戰(zhàn)：

a. 部署啟動(dòng)周期長(zhǎng)（20分鐘左右），業(yè)務(wù)敏捷性低，用戶體驗(yàn)差

（1）兩次啟動(dòng)：在部署裸金屬服務(wù)器時(shí)，首先會(huì)通過PXE啟動(dòng)一個(gè)小的、臨時(shí)的系統(tǒng)環(huán)境，IPA會(huì)啟動(dòng)并執(zhí)行部署任務(wù)。部署完成后，服務(wù)器會(huì)從已安裝的操作系統(tǒng)啟動(dòng)。這兩次啟動(dòng)過程增加了整體部署時(shí)間。

（2）鏡像下載：IPA需要從Glance下載完整的用戶鏡像到內(nèi)存中或臨時(shí)存儲(chǔ)，這個(gè)下載過程取決于鏡像的大小和網(wǎng)絡(luò)條件，可能會(huì)非常耗時(shí)。對(duì)于大型鏡像或網(wǎng)絡(luò)條件不佳的環(huán)境，這個(gè)步驟可能成為瓶頸。

（3）鏡像寫入本地盤：下載完鏡像后，IPA還需要將這個(gè)鏡像寫入到服務(wù)器的本地磁盤上。這個(gè)過程也取決于磁盤的寫入速度和鏡像的大小，可能會(huì)進(jìn)一步增加部署時(shí)間。

b. 消耗大量帶寬，影響整體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能

全量下載系統(tǒng)鏡像會(huì)消耗大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬，尤其是在多節(jié)點(diǎn)部署或頻繁更新鏡像的場(chǎng)景下。這不僅增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，還可能影響其他網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的性能。

c. 系統(tǒng)盤無法擴(kuò)容，敏捷性和彈性低

在當(dāng)前部署模型中，用戶鏡像被直接寫入到服務(wù)器的本地磁盤上，并且通常是作為一個(gè)固定的分區(qū)或文件系統(tǒng)來配置的。這意味著如果后續(xù)需要增加系統(tǒng)盤的容量（例如，因?yàn)閿?shù)據(jù)量增長(zhǎng)或應(yīng)用需求變化），可能需要重新部署整個(gè)服務(wù)器，這既耗時(shí)又復(fù)雜。

d. 依賴外部組件，增加系統(tǒng)復(fù)雜度和成本

部署過程依賴于多個(gè)外部組件，如PXE、TFTP、DHCP等，這些組件需要正確配置和維護(hù)。任何一個(gè)組件的故障都可能導(dǎo)致部署失敗，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護(hù)成本。

2 方案介紹

2.1 整體架構(gòu)

為了解決OpenStack Ironic裸金屬服務(wù)方案的問題，中科馭數(shù)基于DPU開發(fā)了ironic裸金屬服務(wù)解決方案，整體架構(gòu)圖如下：

在本方案中，DPU支持裸金屬服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)資源虛擬化，使得物理服務(wù)器能夠像虛擬機(jī)一樣靈活配置，動(dòng)態(tài)添加或刪除網(wǎng)卡、硬盤等資源。這為裸金屬服務(wù)器提供了類似云服務(wù)的彈性，同時(shí)保持了物理機(jī)級(jí)別的性能。另外，DPU能夠管理遠(yuǎn)程存儲(chǔ)資源，如云盤，使得裸金屬服務(wù)器可以使用云存儲(chǔ)服務(wù)，同時(shí)通過DPU加速存儲(chǔ)I/O，提高讀寫性能，使得云盤接近本地存儲(chǔ)的體驗(yàn)。

本方案主要涉及glance、cinder、nova、neutron、ironic模塊。仍然使用ironic?node資源管理裸金屬實(shí)例。在開源ironic組件（ironic-api、ironic-conductor）之外，自研了ironic-dpu-agent組件，運(yùn)行在每個(gè)裸金屬節(jié)點(diǎn)的DPU Soc中，用于管理裸金屬實(shí)例的存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源。本方案主要包含以下系統(tǒng)組件：

• Nova：對(duì)接ironic，為裸金屬提供和虛擬機(jī)一致的操作。
• Ironic-api：裸金屬rest api服務(wù)。
• Ironic-conductor：裸金屬實(shí)例的任務(wù)控制服務(wù)，負(fù)責(zé)裸金屬開關(guān)機(jī)、重啟、部署等任務(wù)。
• Ironic-dpu-agent：運(yùn)行在DPU Soc上，與ironic-conductor通過RPC通信，負(fù)責(zé)管理本節(jié)點(diǎn)裸金屬實(shí)例的存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源。在裸金屬部署階段，接收ironic-conductor下發(fā)的部署指令，在DPU內(nèi)連接云盤并掛載到host。在裸金屬運(yùn)行時(shí)，接收ironic-conductor下發(fā)的添加、刪除磁盤指令，為host動(dòng)態(tài)添加、刪除磁盤。
• Volume-attacher：負(fù)責(zé)裸金屬磁盤的掛載、卸載操作。
• Neutron：OpenStack網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為裸金屬實(shí)例提供network、subnet、port管理功能。
• Cinder：OpenStack塊存儲(chǔ)服務(wù)，為裸金屬實(shí)例提供云盤創(chuàng)建、刪除等管理功能。
• Glance：OpenStack鏡像管理服務(wù)，為裸金屬實(shí)例提供鏡像上傳、下載功能。

2.2 方案描述

在基于DPU的OpenStack裸金屬服務(wù)方案下，實(shí)現(xiàn)了裸金屬的部署啟動(dòng)、云盤熱插拔、cloudinit、冷遷移等常用功能，以下對(duì)主要部分做詳細(xì)描述，并和傳統(tǒng)ironic方案進(jìn)行部分對(duì)比。

2.2.1 基于DPU的無盤啟動(dòng)方案

在基于 DPU 的方案中，我們采用直接掛載云盤系統(tǒng)的方式，不使用本地盤，過程如下：

• nova-api接收到創(chuàng)建裸金屬實(shí)例請(qǐng)求，調(diào)用nova-scheduler調(diào)度出ironic node。
• nova-scheduler調(diào)用nova-compute孵化裸金屬實(shí)例。
• nova-compute根據(jù)指定的鏡像，調(diào)用cinder創(chuàng)建出系統(tǒng)盤volume，cinder調(diào)用后端存儲(chǔ)以快照方式克隆鏡像卷，并不是完整拷貝，速度很快，一般在數(shù)秒內(nèi)完成。
• nova-compute的ironic virt driver根據(jù)指定的cinder volume在ironic中創(chuàng)建node的volume target，作為裸金屬實(shí)例的云盤。之后調(diào)用ironic-api部署node。
• ironic-conductor的dpu deploy driver調(diào)用node所對(duì)應(yīng)的ironic-dpu-agent執(zhí)行部署任務(wù)。
• ironic-dpu-agent根據(jù)volume target在dpu內(nèi)調(diào)用spdk映射云盤，給host側(cè)掛載對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)盤。
• 系統(tǒng)盤掛載完成后，ironic-conductor通過BMC重啟裸金屬節(jié)點(diǎn)，此時(shí)BIOS能掃描到系統(tǒng)盤，啟動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)，裸金屬啟動(dòng)完成。

和 Ironic 傳統(tǒng)方案相比，沒有PXE過程，也只需啟動(dòng)一次。

2.2.2 存儲(chǔ)對(duì)接

Ironic 原生存儲(chǔ)對(duì)接方案：

ironic的存儲(chǔ)對(duì)接在host側(cè)，host網(wǎng)絡(luò)需和存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連通，且host中需安裝相關(guān)組件，如下圖：

為了完成云盤的掛載/卸載，host 中需要安裝一個(gè) ironic-agent，其調(diào)用 iscsi-initiator 或相應(yīng)的存儲(chǔ)客戶端完成云盤的掛載/卸載操作。Ironic 的 StorageDriver 會(huì)配置好存儲(chǔ)服務(wù)端，并調(diào)用 ironic-agent 完成云盤的操作。

基于DPU的存儲(chǔ)對(duì)接方案：

在基于DPU 的方案中，系統(tǒng)盤和數(shù)據(jù)盤統(tǒng)一使用云盤，云盤由volume-attacher組件進(jìn)行分配掛載。裸金屬上看到的盤，是DPU 上的 spdk 通過 PCIE 模擬的設(shè)備。存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)也是由 ovs 連接的和配置的。如下圖所示：

相比于 Ironic 方案，DPU 方案有以下優(yōu)勢(shì)：

• 存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一走DPU側(cè)，隱藏了存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)，并可利用 DPU 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)加速;
• 兼容cinder后端存儲(chǔ)，存儲(chǔ)系統(tǒng)無需適配。云盤是通過cinder創(chuàng)建的，volume-attacher配置spdk連接云盤，模擬出對(duì)應(yīng)的磁盤給到裸金屬。

2.2.3 硬盤熱插拔

如Ironic存儲(chǔ)對(duì)接方案中所示，Ironic 中的 StorageDriver 調(diào)用 host 中的 ironic-agent 完成硬盤熱插拔，用戶鏡像需安裝相關(guān)依賴。

在基于?DPU 的方案中，由于裸金屬上的盤是 DPU 通過PCIE 模擬的，因此，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整 DPU 上的 spdk 配置，即可實(shí)現(xiàn)硬盤的熱插拔。

3 方案測(cè)試結(jié)果

3.1 創(chuàng)建裸金屬實(shí)例

與創(chuàng)建虛擬機(jī)流程類似，選擇裸金屬的flavor和鏡像進(jìn)行創(chuàng)建。

可以看到bm01、bm02兩個(gè)裸金屬實(shí)例，均為active狀態(tài)。通過nova創(chuàng)建裸金屬實(shí)例，ironic node中會(huì)關(guān)聯(lián)instance uuid。

3.2 部署啟動(dòng)時(shí)間

我們定義裸金屬的部署啟動(dòng)時(shí)間為：下發(fā)創(chuàng)建裸金屬實(shí)例的命令，到裸金屬實(shí)例網(wǎng)絡(luò)IP可以ping通的時(shí)間。

在聯(lián)創(chuàng)萬(wàn)通 LCWT R7220 服務(wù)器上，鏡像 OS 為 Ubuntu 22.04 Server，內(nèi)核版本為5.15.0-106-generic 時(shí)測(cè)得的啟動(dòng)時(shí)間：從創(chuàng)建到可 ping 通共耗時(shí) 161 秒（2min41s）。

基于 DPU 的裸金屬服務(wù)方案啟動(dòng)時(shí)間在 2-3min 內(nèi)，具體耗時(shí)取決于服務(wù)器類型和鏡像版本。相比之下，我們測(cè)試傳統(tǒng) Ironic 本地盤方式在 20min 以上。

3.3 添加磁盤

添加磁盤前，裸金屬系統(tǒng)內(nèi)看到的磁盤列表：

添加磁盤后，裸金屬系統(tǒng)內(nèi)看到的磁盤列表，nvme2n1是新添加的磁盤：

3.4 刪除磁盤

刪除磁盤前，裸金屬系統(tǒng)內(nèi)看到的磁盤列表：

刪除磁盤后，裸金屬系統(tǒng)內(nèi)看到的磁盤列表，nvme2n1被刪除：

3.5 存儲(chǔ) iops 和吞吐

測(cè)試結(jié)果如下：

各測(cè)試項(xiàng)說明：

1. 測(cè)試項(xiàng)中的NVMe-OF均指NVMe-OF over RDMA
2. NVMe-OF+DPU+NVMe盤：基于 DPU 通過NVMe-OF協(xié)議連接Target，Target 后端是 NVMe物理盤
3. NVMe物理盤：直接對(duì)NVMe物理盤進(jìn)行測(cè)試

可以看到，基于NVMe-OF的卸載方式下，DPU可以達(dá)到和NVMe本地盤近似的性能，幾乎沒有性能損耗。

4 方案優(yōu)勢(shì)

基于DPU的方案相較于傳統(tǒng)的Ironic裸金屬方案，在多個(gè)方面展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。以下是這些優(yōu)勢(shì)的詳細(xì)描述：

a. 交付效率顯著提升，大幅改善最終用戶體驗(yàn)

云盤啟動(dòng)加速：傳統(tǒng)Ironic方案多采用本地盤啟動(dòng)方式，這一過程涉及到鏡像的下載、安裝及配置，耗時(shí)較長(zhǎng)，通常需要20分鐘左右。而基于DPU的方案采用云盤啟動(dòng)，通過預(yù)先配置好的云盤鏡像，可以極大地縮短啟動(dòng)時(shí)間至2-5分鐘。這種快速啟動(dòng)能力對(duì)于需要快速部署和擴(kuò)展的云環(huán)境尤為重要，能夠顯著提升資源交付的效率和靈活性。

b. 存算分離，提升服務(wù)敏捷性和彈性

基于DPU的方案實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)與計(jì)算資源的分離，這種設(shè)計(jì)使得計(jì)算和存儲(chǔ)資源可以獨(dú)立擴(kuò)展和優(yōu)化。當(dāng)業(yè)務(wù)需求變化時(shí)，可以迅速調(diào)整計(jì)算或存儲(chǔ)資源，而無需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的調(diào)整，從而提升了服務(wù)的敏捷性和彈性。此外，存算分離還有助于實(shí)現(xiàn)資源的更高效利用，避免了資源瓶頸和浪費(fèi)。這種特性對(duì)于需要快速響應(yīng)市場(chǎng)變化和靈活調(diào)整業(yè)務(wù)規(guī)模的云環(huán)境尤為重要。

c. 控制面與數(shù)據(jù)面分離，提升安全性和資源利用率

控制面與數(shù)據(jù)面下沉至DPU：通過將控制面和數(shù)據(jù)面處理任務(wù)下沉到DPU，不僅減輕了Host CPU的負(fù)擔(dān)，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和后端存儲(chǔ)細(xì)節(jié)的隱藏。這種設(shè)計(jì)提升了系統(tǒng)的安全性，防止了潛在的安全威脅，還使得Host側(cè)的資源能夠完全專注于業(yè)務(wù)處理，從而提高了資源利用率。

不侵入用戶鏡像：基于DPU的方案不依賴于用戶鏡像進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)，避免了因鏡像更新或修改導(dǎo)致的兼容性問題，同時(shí)也簡(jiǎn)化了用戶鏡像的管理和維護(hù)工作。

d. 架構(gòu)簡(jiǎn)化，降低復(fù)雜度和維護(hù)成本

不依賴PXE等組件：傳統(tǒng)Ironic方案可能需要依賴PXE（預(yù)啟動(dòng)執(zhí)行環(huán)境）等組件來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)和鏡像部署。而基于DPU的方案則通過內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)了更為簡(jiǎn)潔的架構(gòu)設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和維護(hù)成本。

e. 性能優(yōu)化，接近本地盤體驗(yàn)

硬件加速利用：DPU內(nèi)置了多種硬件加速功能，能夠充分利用這些特性來提升云盤的性能表現(xiàn)。從測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看到，在基于DPU的方案中，云盤性能可以達(dá)到接近甚至等同于本地盤的性能水平，為用戶提供了更加流暢和高效的數(shù)據(jù)訪問體驗(yàn)。

綜上所述，基于DPU的方案在交付效率、存儲(chǔ)支持、安全性與資源利用率、架構(gòu)簡(jiǎn)化以及性能優(yōu)化等方面均展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)，為裸金屬云服務(wù)的發(fā)展提供了新的動(dòng)力和方向。

本方案來自于中科馭數(shù)軟件研發(fā)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)核心由一群在云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心架構(gòu)、高性能計(jì)算領(lǐng)域深耕多年的業(yè)界資深架構(gòu)師和技術(shù)專家組成，不僅擁有豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，還對(duì)行業(yè)趨勢(shì)具備敏銳的洞察力，該團(tuán)隊(duì)致力于探索、設(shè)計(jì)、開發(fā)、推廣可落地的高性能云計(jì)算解決方案，幫助最終客戶加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升業(yè)務(wù)效能，同時(shí)降低運(yùn)營(yíng)成本。

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