云操作系统架构与关键技术

倪光南院士、邬贺铨院士作序推荐，周孝信院士在成书过程中提供了指导意见。
《云操作系统设计与应用教程》是业内首部“立足垂直行业实践，面向专业技术领域”的云计算书籍。它的出版将使关注云计算发展的读者全面深入解读云操作系统的架构及关键技术，将使广大企业云平台从业人员能够进一步了解云操作系统在发挥资源共享、提高生产效率方面的重要作用，从而促进企业在云操作系统方面的人才培养和储备，并推动企业在云操作系统的研发进展和部署能力等方面的提升。

容涵盖云操作系统的基本概念、技术架构、部署、应用及优化等五个方面，既有云操作系统的基本概念与理论，又从资源的抽象与封装、资源的调度、资源的编排三个层面讲解云操作系统设计的核心，剖析了云操作系统的具体部署方法，以国网云操作系统为例，充分融合国网电网公司在发展建设一体化“国网云”平台的过程中，对于云操作系统的一些考虑和设计。

王继业，教授级高工，华北电力大学客座教授，现任国家电网公司信息通信部主任，中国电机工程学会常务理事、电力信息化专委会副主任委员、学术委员会委员，电力行业信息标准化委员会主任委员、中国地理信息产业协会副会长，中国计算机用户协会副理事长，卫生部信息化专家委成员。曾获中国数据标准化及治理杰出领导力奖、下一代互联网优选IPv6世界奖、中国信息安全保障突出贡献奖、国家信息技术标准化技术委员优选个人。

目  录


第0章  绪 论  1
0.1  云计算及云操作系统的概念  1
0.2  云操作系统的主要特点  2
0.3  云操作系统的发展概况  2

第  一部分 基础篇
第  1章 操作系统发展历程  4
1.1  操作系统的基本类型  4
1.1.1  批处理操作系统  4
1.1.2  分时操作系统  6
1.1.3  实时操作系统  8
1.2  通用操作系统的演进  10
1.3  单机操作系统  10
1.3.1  单用户单任务操作系统  10
1.3.2  单用户多任务操作系统  11
1.4  网络操作系统  12
1.4.1  网络操作系统的特征  12
1.4.2  常用网络操作系统  12
1.5  分布式操作系统  15
第  2章 云操作系统概述  17
2.1  云操作系统概述  17
2.2  云操作系统发展历程  18
2.2.1  阶段一：分区虚拟化  18
2.2.2  阶段二：虚拟化+资源池管理  21
2.3  云操作系统主流产品  24
2.3.1  亚马逊云操作系统  24
2.3.2  阿里云操作系统  26
2.3.3  微软云操作系统  27
2.3.4  华为云操作系统  28
第二部分  设计篇
第3章  云操作系统技术架构  30
3.1  一个最简单的云操作系统  30
3.2  云操作系统的主要功能  31
3.3  云操作系统的逻辑架构  33
3.4  典型服务的设计思想  35
3.4.1  “管理者-生产者”模型  36
3.4.2  关键组件实现模型  37
第4章  硬件抽象与封装  40
4.1  计算资源  40
4.1.1  计算类的硬件设备  40
4.1.2  计算资源的抽象  41
4.1.3  计算资源的封装  47
4.2  存储资源  50
4.2.1  存储类硬件设备  51
4.2.2  存储资源的抽象  53
4.2.3  存储资源的封装  58
4.3  网络资源  62
4.3.1  网络类硬件设备  62
4.3.2  网络资源的抽象  64
4.3.3  网络资源的封装  65
第5章  资源调度  71
5.1  计算资源的调度  71
5.2  存储资源的调度  73
5.2.1  块存储  73
5.2.2  文件存储  74
5.2.3  对象存储  74
5.3  网络资源的调度  75
5.3.1  路由算法  75
5.3.2  负载均衡的算法  76
第6章  资源编排  77
6.1  通用化的编排方式  77
6.2  虚拟机的编排  77
6.3  容器的编排  79
6.3.1  Swarm  79
6.3.2  Kubernetes  81
6.3.3  Mesos&Marathon  82
第7章  管理类基础服务  84
7.1  用户界面  84
7.1.1  概览  84
7.1.2  组件介绍  84
7.1.3  使用示例  85
7.2  用户认证服务  85
7.2.1  概览  85
7.2.2  组件介绍  85
7.2.3  使用示例  87
7.3  数据库服务  88
7.3.1  概览  88
7.3.2  组件介绍  88
7.3.3  使用示例  89
7.4  镜像服务  90
7.4.1  概览  90
7.4.2  组件介绍  90
7.4.3  使用示例  90
7.5  通信服务  91
7.5.1  概览  91
7.5.2  组件介绍  91
7.5.3  使用示例  94
第8章  云操作系统的接口  96
8.1  HTTP协议  96
8.2  用户管理  98
8.2.1  用户管理  98
8.2.2  租户管理  98
8.3  权限管理  98
8.3.1  角色管理  98
8.4  运行管理  99
8.4.1  监控日志  99
8.4.2  计量监控-资源  101
8.5  云主机管理  101
8.5.1  云主机管理  101
8.5.2  云主机操作  102
8.6  存储管理  102
8.6.1  云硬盘管理  102
8.6.2  云硬盘操作  102
8.6.3  云硬盘备份  103
8.6.4  云硬盘转移  103
8.6.5  云硬盘快照  103
8.6.6  对象存储目录管理  104
8.6.7  对象存储对象管理  104
8.6.8  共享文件系统管理  104
8.6.9  共享文件系统操作  105
8.7  网络管理  105
8.7.1  网络管理  105
8.7.2  网络端口管理  105
8.7.3  子网管理  106
8.7.4  路由器管理  106
8.7.5  浮动IP管理  106
8.8  镜像管理  107
8.8.1  镜像管理  107
8.8.2  镜像数据管理  107
8.9  编排管理  107
8.9.1  栈资源管理  107
8.9.2  栈管理  108
8.9.3  栈操作管理  108
8.10  容器管理  108
8.10.1  容器集群管理  109
8.10.2  容器集群模板管理  109
8.10.3  容器Pods管理-K8S  109
8.10.4  容器RC控制器管理-K8S  109
8.10.5  容器应用管理-MESOS  110
8.10.6  容器应用操作-MESOS  110
8.10.7  容器镜像管理  110
8.11  主机虚拟化驱动接口  111
8.12  网络虚拟化驱动接口  115
8.13  分布式存储驱动接口  117
第三部分  部署篇
第9章  典型云操作系统的部署  121
9.1  系统部署介绍  121
9.1.1  按规模部署  121
9.1.2  主流的自动化部署工具  122
9.2  部署架构设计  122
9.3  部署资源准备  123
9.4  网络规划与连线  124
9.5  部署准备  125
9.5.1  配置服务器  125
9.5.2  部署服务器  125
9.6  手动部署云操作系统  133
9.6.1  加载物理机  133
9.6.2  配置网络环境  134
9.6.3  配置物理磁盘  136
9.6.4  测试验证网络  138
9.6.5  部署云操作系统  138
9.7  自动部署云操作系统  155
9.7.1  加载物理机  155
9.7.2  配置网络环境  157
9.7.3  配置物理磁盘  160
9.7.4  测试验证网络  161
9.7.5  创建部署环境  162
9.7.6  部署实施云操  162
第  10章 云操作系统的高可用  165
10.1  HA(high availability)介绍  165
10.1.1  冗余和故障切换  165
10.1.2  无状态服务和有状态服务  165
10.1.3  主从集群和主主集群  166
10.2  基本环境的配置  166
10.2.1  硬件要求  166
10.2.2  Memcached  166
10.3  配置共享服务  167
10.3.1  数据库  167
10.3.2  消息队列  167
10.4  配置控制器  167
10.4.1  Pacemaker架构  167
10.4.2  Pacemaker 集群  167
10.4.3  配置VIP  169
10.4.4  HAProxy  169
10.4.5  Memcached  169
10.4.6  keystone  170
10.4.7  Telemetry  170
10.5  配置网络服务  171
10.5.1  网络的DHCP agent  171
10.5.2  网络的L3 agent  171
10.6  配置存储  172
10.6.1  glance api  172
10.6.2  cinder api  173
10.6.3  共享文件系统  175
10.6.4  存储后端  176
10.7  配置计算节点  176
第  11章 大规模集群设计与优化  178
11.1  私有云待优化问题  178
11.2  资源监控系统  180
11.2.2  监控系统简介  180
11.2.2  监控系统效率  182
11.3  通信性能优化  185
11.4  键函数优化  186
11.5  模块依赖性能优化  187
11.6  任务调配优化  188
11.6.1  队列资源调度算法  188
11.6.2  作业结构设计  189
第四部分  应用篇
第  12章 云操作系统的应用场景  191
12.1  应用场景综述  191
12.1.1  公有云  191
12.1.2  私有云  194
12.1.3  混合云  197
12.2  典型场景一：异构资源的统一封装  198
12.2.1  场景描述  198
12.2.2  实现流程  198
12.2.3  应用案例  206
12.3  典型场景二：基础资源弹性伸缩  208
12.3.1  场景描述  208
12.3.2  实现流程  209
12.3.3  应用案例  212
12.4  典型场景三：多租户隔离  215
12.4.1  场景描述  215
12.4.2  实现流程  216
12.4.3  应用案例  219
12.5  典型场景四：一键部署  223
12.5.1  场景描述  223
12.5.2  实现流程  225
12.5.3  应用案例  228
12.6  典型场景五：故障自愈  234
12.6.1  场景描述  234
12.6.2  实现流程  236
12.6.3  应用案例  236
12.7  典型场景六：持续集成  244
12.7.1  场景描述  244
12.7.2  实现流程  245
12.7.3  应用案例  246
12.8  典型场景七：灰度发布  254
12.8.1  场景描述  254
12.8.2  实现流程  255
12.8.3  应用案例  256
第  13章 一个典型的云操作系统应用  261
13.1  “国网云”操作系统SG-COS综述  261
13.1.1  系统架构  261
13.1.2  部署情况  263
13.2  “国网云”大数据平台概述  264
13.3  “国网云”云操与大数据平台的融合  266
13.3.1  融合方案概述  266
13.3.2  物理机纳管方案  267
13.3.3  半虚半实融合方案  268
13.3.4  全虚拟化融合方案  271
13.4  “国网云”企业级应用迁移上云的典型方式  273
第  14章 总结与展望  275
附  录  277
术语定义  277