基于DPU的OpenStack裸金屬服務(wù)快速部署及存儲解決方案

1 方案背景和挑戰(zhàn)

Openstack作為開源云計算領(lǐng)域的領(lǐng)軍項目，憑借其強大的功能、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算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速部署和靈活擴展，從而贏得市場競爭的先機。

Ironic作為Openstack的關(guān)鍵組件，提供了對裸金屬服務(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體硬件，實現(xiàn)裸金屬服務(wù)器的自動化部署、管理和監(jiān)控。

原生的Ironic 采用本地物理盤進行啟動，其首先將遠程鏡像下載并寫入到本地物理盤中，然后再從本地盤啟動進入系統(tǒng)。過程如下：

可以看到，其重點是通過方案具有以下問題和挑戰(zhàn)：

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

（1）兩次啟動：在部署裸金屬服務(wù)器時，首先會通過PXE啟動一個小的、臨時的系統(tǒng)環(huán)境，IPA會啟動并執(zhí)行部署任務(wù)。部署完成后，服務(wù)器會從已安裝的操作系統(tǒng)啟動。這兩次啟動過程增加了整體部署時間。

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

（3）鏡像寫入本地盤：下載完鏡像后，IPA還需要將這個鏡像寫入到服務(wù)器的本地磁盤上。這個過程也取決于磁盤的寫入速度和鏡像的大小，可能會進一步增加部署時間。

b. 消耗大量帶寬，影響整體網(wǎng)絡(luò)應用性能

全量下載系統(tǒng)鏡像會消耗大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬，尤其是在多節(jié)點部署或頻繁更新鏡像的場景下。這不僅增加了網(wǎng)絡(luò)負載，還可能影響其他網(wǎng)絡(luò)應用的性能。

c. 系統(tǒng)盤無法擴容，敏捷性和彈性低

在當前部署模型中，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，因為數(shù)據(jù)量增長或應用需求變化），可能需要重新部署整個服務(wù)器，這既耗時又復雜。

d. 依賴外部組件，增加系統(tǒng)復雜度和成本

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

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)和存儲資源虛擬化，使得物理服務(wù)器能夠像虛擬機一樣靈活配置，動態(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，同時保持了物理機級別的性能。另外，DPU能夠管理遠程存儲資源，如云盤，使得裸金屬服務(wù)器可以使用云存儲服務(wù)，同時通過DPU加速存儲I/O，提高讀寫性能，使得云盤接近本地存儲的體驗。

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

• Nova：對接ironic，為裸金屬提供和虛擬機一致的操作。
• Ironic-api：裸金屬rest api服務(wù)。
• Ironic-conductor：裸金屬實例的任務(wù)控制服務(wù)，負責裸金屬開關(guān)機、重啟、部署等任務(wù)。
• Ironic-dpu-agent：運行在DPU Soc上，與ironic-conductor通過RPC通信，負責管理本節(jié)點裸金屬實例的存儲、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。在裸金屬運行時，接收ironic-conductor下發(fā)的添加、刪除磁盤指令，為host動態(tài)添加、刪除磁盤。
• Volume-attacher：負責裸金屬磁盤的掛載、卸載操作。
• Neutron：OpenStack網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為裸金屬實例提供network、subnet、port管理功能。
• Cinder：OpenStack塊存儲服務(wù)，為裸金屬實例提供云盤創(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，實現(xiàn)了裸金屬的部署啟動、云盤熱插拔、cloudinit、冷遷移等常用功能，以下對主要部分做詳細描述，并和傳統(tǒng)ironic方案進行部分對比。

2.2.1 基于DPU的無盤啟動方案

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)建裸金屬實例請求，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所對應的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)掛載對應的系統(tǒng)盤。
• 系統(tǒng)盤掛載完成后，ironic-conductor通過BMC重啟裸金屬節(jié)點，此時BIOS能掃描到系統(tǒng)盤，啟動進入系統(tǒng)，裸金屬啟動完成。

和 Ironic 傳統(tǒng)方案相比，沒有PXE過程，也只需啟動一次。

2.2.2 存儲對接

Ironic 原生存儲對接方案：

ironic的存儲對接在host側(cè)，host網(wǎng)絡(luò)需和存儲網(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 ironic-agent，其調(diào)用 iscsi-initiator 或相應的存儲客戶端完成云盤的掛載/卸載操作。Ironic 的 StorageDriver 會配置好存儲服務(wù)端，并調(diào)用 ironic-agent 完成云盤的操作。

基于DPU的存儲對接方案：

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：

• 存儲網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一走DPU側(cè)，隱藏了存儲網(wǎng)絡(luò)的細節(jié)，并可利用 DPU 進行網(wǎng)絡(luò)加速;
• 兼容cinder后端存儲，存儲系統(tǒng)無需適配。云盤是通過cinder創(chuàng)建的，volume-attacher配置spdk連接云盤，模擬出對應的磁盤給到裸金屬。

2.2.3 硬盤熱插拔

如Ironic存儲對接方案中所示，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，通過動態(tài)調(diào)整 DPU 上的 spdk 配置，即可實現(xiàn)硬盤的熱插拔。

3 方案測試結(jié)果

3.1 創(chuàng)建裸金屬實例

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

可以看到bm01、bm02兩個裸金屬實例，均為active狀態(tài)。通過nova創(chuàng)建裸金屬實例，ironic node中會關(guān)聯(lián)instance uuid。

3.2 部署啟動時間

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

在聯(lián)創(chuàng)萬通 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 時測得的啟動時間：從創(chuàng)建到可 ping 通共耗時 161 秒（2min41s）。

基于 DPU 的裸金屬服務(wù)方案啟動時間在 2-3min 內(nèi)，具體耗時取決于服務(wù)器類型和鏡像版本。相比之下，我們測試傳統(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 iops 和吞吐

測試結(jié)果如下：

各測試項說明：

1. 測試項中的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NVMe物理盤進行測試

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

4 方案優(yōu)勢

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

a. 交付效率顯著提升，大幅改善最終用戶體驗

云盤啟動加速：傳統(tǒng)Ironic方案多采用本地盤啟動方式，這一過程涉及到鏡像的下載、安裝及配置，耗時較長，通常需要20分鐘左右。而基于DPU的方案采用云盤啟動，通過預先配置好的云盤鏡像，可以極大地縮短啟動時間至2-5分鐘。這種快速啟動能力對于需要快速部署和擴展的云環(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的方案實現(xiàn)了存儲與計算資源的分離，這種設(shè)計使得計算和存儲資源可以獨立擴展和優(yōu)化。當業(yè)務(wù)需求變化時，可以迅速調(diào)整計算或存儲資源，而無需對整個系統(tǒng)進行大規(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現(xiàn)資源的更高效利用，避免了資源瓶頸和浪費。這種特性對于需要快速響應市場變化和靈活調(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的負擔，還實現(xiàn)了對存儲網(wǎng)絡(luò)和后端存儲細節(jié)的隱藏。這種設(shè)計提升了系統(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行功能實現(xiàn)，避免了因鏡像更新或修改導致的兼容性問題，同時也簡化了用戶鏡像的管理和維護工作。

d. 架構(gòu)簡化，降低復雜度和維護成本

不依賴PXE等組件：傳統(tǒng)Ironic方案可能需要依賴PXE（預啟動執(zhí)行環(huán)境）等組件來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)啟動和鏡像部署。而基于DPU的方案則通過內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)和存儲功能，實現(xiàn)了更為簡潔的架構(gòu)設(shè)計，降低了系統(tǒng)的復雜度和維護成本。

e. 性能優(yōu)化，接近本地盤體驗

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。

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

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

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