OpenStack Nova计算服务概念
Nova计算服务概念
Nova 是 OpenStack 中的核心计算服务（Compute Service）☁️，负责管理虚拟机（VM）实例的完整生命周期——创建、启动、停止、删除、迁移、快照等。它采用分布式、无状态、消息驱动的架构设计，各组件通过消息队列（RabbitMQ）异步通信，通过共享数据库协调状态。状态保存在数据库中，不在服务进程中。
一、四大核心组件架构
nova-api — 前端入口 🚪
角色：REST API 端点 / 请求编排器
- 接收所有用户/运维操作请求（如
POST /servers创建VM） - 通过 Keystone 进行身份认证 🔐
- 校验请求参数并执行策略（Policy）
- 将实例初始状态写入数据库（
vm_state=BUILDING） - 将任务派发至消息队列，由其他服务处理
- 无状态，可水平扩展
nova-scheduler — 调度决策引擎 🧠
角色：确定哪台物理计算节点运行新创建的虚拟机
采用两阶段算法：
阶段 1：Filtering（过滤）——运行可配置过滤链，剔除不合格主机
| 过滤器 | 作用 |
|---|---|
RetryFilter |
跳过之前调度失败的节点 |
AvailabilityZoneFilter |
遵循可用域（AZ）约束 |
RamFilter / CoreFilter / DiskFilter |
检查资源容量（支持超分比 ram_allocation_ratio、cpu_allocation_ratio） |
ComputeFilter |
仅选择 nova-compute 健康的节点 |
ImagePropertiesFilter |
镜像属性与 Hypervisor 类型匹配 |
ServerGroupAntiAffinityFilter |
实例分散到不同主机（高可用） |
ServerGroupAffinityFilter |
实例集中到相同主机 |
PciPassthroughFilter |
仅选择支持 PCI 透传的节点 |
阶段 2：Weighting（权重打分）——对候选主机打分，最高分胜出（默认按剩余内存最多优先）
自 Newton 版本起，资源清单追踪由独立的 Placement API 服务负责。调度器向 Placement 查询分配候选节点，再应用自身的过滤器和权重。
nova-conductor — 安全代理与编排器 🛡️
角色：数据库访问代理 + 复杂工作流协调器
引入目的：解决安全隔离问题——计算节点永远不能直接访问中央数据库，防止计算节点被攻破时数据泄露。
| 职责 | 说明 |
|---|---|
| 数据库代理 | nova-compute 的所有数据库读写通过 RPC 路由到 conductor；计算节点强制 DISABLE_DB_ACCESS = True |
| 任务编排 | 管理多步骤复杂操作：实例创建、冷迁移、在线迁移、Resize、Rebuild（通过内部 ComputeTaskManager） |
同样无状态，可水平扩展。⚠️ 禁止部署在 nova-compute 所在节点。
nova-compute — 实际执行者 ⚙️
角色：真正的 Hypervisor 管理器——唯一直接操作虚拟机的组件
- 运行在每个计算节点（物理服务器）上
- 监听消息队列获取工作指令
- 调用 Hypervisor 驱动（如
libvirt.LibvirtDriverfor KVM/QEMU） - 管理实例全生命周期：创建、销毁、暂停、挂起、Resize、迁移、快照
- 定期向 Placement API 报告资源使用情况
- 不能直接访问数据库——所有 DB 操作经 nova-conductor
二、完整工作流：创建一台虚拟机 🔄
用户 → nova-api 发送 POST /servers（含 flavor、image、network）
nova-api → Keystone 认证 Token
nova-api → 数据库 创建实例记录（vm_state=BUILDING）
nova-api → 消息队列 发送 boot RPC 消息
nova-scheduler ← 队列 拾取 boot 任务
nova-scheduler → Placement 查询 /allocation_candidates（找合适主机）
Placement → nova-scheduler 返回候选主机列表及资源信息
nova-scheduler → 数据库 过滤 + 权重打分，选出最佳主机
nova-scheduler → 消息队列 发送 build_and_run_instance 到目标主机
nova-compute ← 队列 拾取构建任务
nova-compute → conductor RPC 请求完整实例详情
conductor → 数据库 读取实例数据
conductor → nova-compute 返回实例对象
nova-compute → Placement 提交 /allocations（锁定资源）
nova-compute → Libvirt 调用 spawn()——创建磁盘、启动虚拟机
nova-compute → 数据库 更新 vm_state=ACTIVE（经 conductor）
关键特性：这是异步、最终一致性架构。API 立即返回
202 Accepted，实际 VM 创建在后台进行。
三、虚拟化技术支持 💻
| Hypervisor | 驱动方式 | 说明 |
|---|---|---|
| KVM | libvirt | 最常用，基于内核的虚拟化，将 Linux 转变为 Hypervisor |
| QEMU | libvirt | 机器模拟器，与 KVM 配合提供设备模拟和 I/O 操作 |
| Xen | libvirt / XenAPI | Type-1 Hypervisor，支持 libvirt 驱动或 XenAPI |
| VMware vCenter | VMwareAPI | 集成 vSphere 虚拟化环境 |
| Hyper-V | HyperVDriver | Windows Server 虚拟化平台 |
| Ironic | IronicDriver | 裸金属管理（非虚拟化，直接管理物理机） |
| LXC/LXD | LXDDriver | Linux 容器虚拟化 |
关键虚拟化机制
- KVM/QEMU 模式: nova-compute 通过
libvirt库调用 KVM/QEMU，libvirt 提供统一 API 屏蔽底层差异 - Emulator Threads 策略（Pike+ 版本）:
hw:cpu_emulator_threads规格标签可设置：share（默认） — 模拟器线程与 vCPU 共享物理 CPUisolate— 模拟器线程固定在专用物理 CPU（适合实时性要求高的场景）
- Xen 特殊处理: 重启 Xen 虚拟机时会先后发射
STOPPED和STARTED事件，Nova 延迟处理STOPPED事件避免误停 VM
四、调度策略详解 🎯
过滤阶段核心过滤器
| 过滤器 | 作用场景 |
|---|---|
RetryFilter |
防止失败节点被重新选中 |
AvailabilityZoneFilter |
将实例调度到指定可用域 |
RamFilter |
检查内存是否充足（含超分比） |
DiskFilter |
检查磁盘空间 |
CoreFilter |
检查 vCPU 是否充足 |
ComputeCapabilitiesFilter |
根据计算节点额外特性过滤 |
ImagePropertiesFilter |
确保镜像与 Hypervisor 兼容 |
ServerGroupAntiAffinityFilter |
实现实例反亲和性分散 |
ServerGroupAffinityFilter |
实现实例亲和性集中 |
NumInstancesFilter |
限制单节点最大实例数 |
IoOpsFilter |
避免 I/O 繁忙节点 |
PciPassthroughFilter |
仅选择支持 PCI 透传节点 |
权重打分
过滤后的候选主机进入权重阶段，默认策略：
ram_weight_multiplier（默认 1.0）— 剩余内存越多权重越高- 可自定义：
cpu_weight_multiplier、disk_weight_multiplier
五、Cells v2 架构（生产部署） 🏗️
对于大规模部署（数百上千计算节点），Nova 使用 Cells v2 横向分区：
| 层级 | 组件 |
|---|---|
| 全局（Global） | nova-api、Placement API、全局数据库（记录 Cell 映射） |
| 每个 Cell | Cell 数据库（实例元数据）、Cell 消息队列、scheduler、conductor、compute |
- Cell0 — 特殊 Cell，存放调度失败实例记录，避免污染主数据库
- 每个 Cell 拥有独立的消息队列和数据库，避免单点瓶颈
- 实现真正水平扩展能力
六、组件特性对比
| 服务 | 主要职责 | 有状态？ | 可扩展？ | 数据库访问 |
|---|---|---|---|---|
| nova-api | REST 端点、请求校验 | 否 | 水平扩展 | 是（读写） |
| nova-scheduler | 主机选择（过滤+权重） | 否 | 水平扩展 | 是（只读） |
| nova-conductor | 数据库代理、任务编排 | 否 | 水平扩展 | 是（读写） |
| nova-compute | VM 生命周期、Hypervisor 调用 | 是（本地） | 增加计算节点 | 经 conductor |
七、使用场景
- 虚拟机全生命周期管理 🖥️：从创建、运行、迁移到销毁
- 多 Hypervisor 统一管理 🔧：同一 Nova 集群可混用 KVM、VMware、Xen 等
- 弹性伸缩 📈：水平扩展计算节点，结合调度策略优化资源利用率
- 高可用部署 🛡️：Cells v2 + Anti-Affinity 策略实现跨物理机/跨可用域部署
一句话概括
nova-api 是入口，nova-scheduler 决定在哪运行，nova-conductor 安全代理数据库，nova-compute 是真正干活的。四者通过消息队列 + Placement API 协作，支撑起 OpenStack 的计算服务能力。
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