OpenStack: cos’è, come funziona, tutorial

OpenStack è un sistema operativo cloud, modulare, in grado di offrire servizi di gestione di processi e storage secondo il modello IaaS (Infrastructure as a Service).

È un progetto nato nel 2010 da una collaborazione tra NASA e Rackspace Cloud, che deve la sua rapida crescita a contributi provenienti da fronti diversi. Da un lato vi è la sua natura totalmente open source: OpenStack è scritto in Python ed utilizza diversi altri software liberi; ciò ha contribuito a garantirgli il supporto di un’ampia comunità. D’altro canto, una spinta determinante al suo sviluppo si deve al forte interesse di grandi realtà industriali come HP, Cisco, Dell, AT&T e moltissimi altri.

I progressi di OpenStack sono stati scanditi dal susseguirsi di numerose release, una descrizione delle quali è consultabile sulla pagina di Wikipedia. L’ultima versione stabile è denominata Juno.

In questo articolo è presentata una panoramica di questo progetto. Affronteremo pertanto una descrizione dei moduli che lo compongono, della sua architettura e delle funzionalità, sperimentando queste ultime grazie ad alcune piattaforme di test presenti in rete.

I moduli di OpenStack

L’immagine seguente, tratta dal sito ufficiale del progetto, è particolarmente indicativa delle finalità di OpenStack.

Essa mostra come l’ossatura della piattaforma sia costituita da tre grosse funzionalità – compute, network e storage – gestite complessivamente da un data center e pronte per interagire con l’utente mediante dashboard (un pannello accessibile tramite browser) o opportune API di programmazione.

I moduli più importanti di Openstack sono:

• Nova (Compute): è il modulo più importante, e controlla l’intera piattaforma. Serve a gestire istanze di macchine virtuali e sistemi di comunicazione interna. I suoi compiti vengono espletati attraverso diversi servizi specializzati, coordinati per collaborare. Tra questi spiccano per importanza nova-schedule, che si occupa di allocare le istanze sulle macchine fisiche e, nova-compute, che dialoga con l’hypervisor installato sulla macchina fisica per gestire le varie fasi di un’istanza, dall’avvio allo spegnimento;
• Neutron (Network): è il modulo specializzato nella comunicazione di rete. È nato recentemente, con il nome di Quantum, a partire dalla versione OpenStack Folsom. In precedenza, le sue mansioni venivano svolte da nova-network, servizio di Nova, ma ciò comportava dei limiti, specialmente per configurazioni avanzate. Pertanto il servizio di rete è stato isolato in un modulo a sé stante che si occupa della infrastruttura di comunicazione in toto, sia tra componenti interni che verso l’esterno;
• Swift (Object Storage): è un sistema distribuito di storage pensato per l’alta affidabilità e la scalabilità. L’ideale per gestire spazi di archiviazione molto ampi da dedicare a storage online o backup;
• Keystone (Identity): accentra in sé tutte la problematiche di autenticazione e autorizzazione per i vari moduli OpenStack;
• Glance (Image Service): è il servizio di gestione delle immagini virtuali. È un progetto a sé stante ben integrato in OpenStack. Si compone di tre parti principali: un database (tipicamente MySQL), un servizio di catalogazione delle immagini virtuali (spesso conservate tramite Swift, ma ciò non è obbligatorio) e un set nutrito di API per l’interazione;
• Horizon (Dashboard): è l’interfaccia Web con cui dialoga l’utente. È realizzata mediante Django ed è il pannello di default di OpenStack. Tecnicamente potrebbe essere sostituita con un’altra di produzione propria, dal momento che un qualunque progetto web che sfrutti le API di OpenStack per interagire con la piattaforma può sostituirlo. In effetti, questo tipo di scelta è spesso intrapresa dai fornitori di servizi Cloud, essendo la dashboard una parte del progetto molto evidente per l’utilizzatore finale;
• Cinder (Block Storage): è il modulo che gestisce volumi a blocchi per il salvataggio dei dati. Anch’esso come Neutron un tempo era un servizio di Nova, denominato nova-volume.

Architettura di OpenStack

L’elenco dei moduli fornito nel paragrafo precedente rende l’idea degli scopi e delle funzionalità delle singole parti costituenti OpenStack, ma ancora non ci fornisce una visione d’insieme.

L’immagine seguente mostra uno schema architetturale del progetto:

Sebbene possa sembrare uno schema un po’ confusionario, cerchiamo di fare chiarezza ponendo l’attenzione sugli aspetti salienti:

• due moduli sono collegati a tutti gli altri: si tratta della Dashboard (in alto) e del servizio Identity (in basso). La prima rappresenta l’interfaccia utente, e pertanto scambia dati con tutti gli altri moduli per poterli utilizzare e visualizzare. Il secondo offre funzionalità di autenticazione e autorizzazione per tutti gli altri componenti dello schema;
• la porzione destra del grafo è relativa alla gestione delle immagini virtuali. Tutti i dati relativi sono collocati in Image il quale sfrutta i servizi di Object Storage offerti da Swift per la vera memorizzazione dei file;
• Compute è il cervello dell’infrastuttura. Gestisce e coordina il lavoro delle immagini virtuali;
• Network è specializzato nella gestione della rete virtuale, tramite la quale le immagini collaboreranno tra loro e dialogheranno con il “mondo esterno”. Network come Block Storage lavorano per lo più a contatto con Compute.

L’immagine successiva mostra uno schema architetturale più approfondito.

Questo schema ricalca l’organizzazione del precedente, ma è ribaltato orizzontalmente; di conseguenza il servizio di Object Storage (Swift) che nella precedente immagine è all’estrema destra, adesso si trova dalla parte opposta.

Quest’ultimo schema si rivela interessante perché mostra le sotto-componenti di ogni modulo e le direzioni del dialogo tra esse. Se si vorranno approfondire meglio le singole porzioni di OpenStack, si potrà utilizzare questa immagine per orientarsi tra le numerose funzionalità di cui questo sistema dispone, come se fosse una sorta di mappa.

Iniziare con OpenStack

Acquisiti i primi concetti su OpenStack, è il momento di iniziare ad usarlo. L’installazione di un sistema così ampio rischia necessariamente di non essere troppo agevole. Spesso, nell’esperienza professionale, un’architettura simile non viene sempre approntata da zero, ma spesso vi si accede tramite servizi offerti da provider.

Per questi motivi e per il grande valore professionale che ha la conoscenza di OpenStack, prima di imbattersi in un’installazione in proprio è il caso di approfondire l’utilizzo pratico di questo sistema.

Esistono risorse che consentono di iniziare lo studio di OpenStack senza averlo direttamente a disposizione nella sua totalità. Abbiamo a disposizione almeno due opzioni: utilizzando DevStack, un’installazione di sperimentazione cui si accennerà a breve, o con piattaforme online, già pronte e offerte come esperienza formativa, il cui uso verrà descritto in maggiore dettaglio nel prossimo paragrafo.

DevStack (documentato nella documentazione di OpenStack) può essere installato in maniera relativamente semplice.

L’installazione e la configurazione consistono sommariamente nei seguenti passaggi:

• installazione di una distribuzione Linux minimale a piacimento (Ubuntu, RedHat, Centos o altro);
• installazione di git all’interno del sistema, per accedere ai sorgenti disponibili in Internet;
• download del codice tramite il comando seguente:

  
  git clone https://git.openstack.org/openstack-dev/devstack
  

• configurazione di alcuni parametri e avvio dello script stack.sh, che esegue l’installazione vera e propria.

Si noti che DevStack è uno strumento validissimo per lo studio e la sperimentazione, ma non è una buona soluzione da utilizzare in produzione.

Utilizzare OpenStack

In questo paragrafo utilizzeremo OpenStack sperimentando i concetti fin qui appresi. Lo faremo tramite TryStack, una piattaforma online già pronta.

Le indicazioni fornite nella homepage spiegano che TryStack è un’opportunità offerta gratuitamente a chi vuole sperimentare OpenStack e anch’essa, come DevStack, non rappresenta una soluzione per la produzione.

L’accesso alla piattaforma è praticamente immediato, e richiede soltanto di fornire le credenziali del proprio account Facebook.

L’esperimento che stiamo per compiere ci permetterà di creare una macchina virtuale e collegarla in Internet. Lavoreremo al suo interno da remoto tramite il protocollo SSH e vi installeremo il server web Apache. Le operazioni appena descritte non appaiono particolarmente innovative, ma saranno tutte svolte all’interno dell’infrastruttura cloud offerta da OpenStack.

Effettuato il login su trystack.org, quella che si apre di fronte a noi è la dashboard, il pannello di amministrazione. Sulla sinistra è invece situato il menu principale.

Passaggio 1: creazione di una rete interna

Selezioniamo la voce Networks nel menu Network. La finestra di dialogo che appare richiede la configurazione di rete.

I parametri minimi da inserire sono Network name, nella prima scheda, e Network Address nella seconda, denominata Subnet. Il Network Address va espresso come famiglia di indirizzi IP, ad esempio 192.168.100.0/24. Dopo la creazione, la Rete sarà visibile nel pannello.

Selezionando la voce di menu Network –> Network Topology, potremo visualizzare una mappa della rete. Come si vede nella figura che segue, sarà mostrato un bus azzurro sulla sinistra che indica la rete esterna (in pratica Internet), mentre quello arancione rappresenta proprio la rete interna che stiamo componendo. Via via che creeremo elementi, essi verranno tutti collegati a questa; perciò, dopo ogni operazione, sarà utile tornare a controllare la topologia di rete.

Passaggio 2: creazione di una macchina virtuale

Spostiamoci ora nel menu Compute e, selezionando Instances. Verrà visualizzato l’elenco delle istanze già disponibili. Nel nostro caso, ovviamente, sarà ancora vuoto.

Cliccando sul pulsante Launch instance (in alto a sinistra) lanceremo una nuova finestra di dialogo per la configurazione della nuova macchina virtuale.

I dati da fornire sono piuttosto intuitivi. In questo caso, creiamo una macchina per Ubuntu 14.10. Forniamo il nome della nuova instance (campoInstance Name), selezioniamo Boot from Image (campo Instance Boot Source) e la versione del sistema operativo (campo Image Name, che appare solo dopo avere impostato il valore del precedente).

Visto che dovremo fare accesso da remoto con SSH, possiamo predisporre nella pagina Access & Security il nome di una coppia di chiavi ed una chiave pubblica.

Ricordiamo che per produrre una nuova coppia di chiavi, dobbiamo usare il seguente comando nel terminale del nostro sistema operativo:

ssh-keygen -t rsa -f nome_chiave

Se, ad esempio, come nome della chiave abbiamo scelto openstack.key, il precedente comando produrrà due file, openstack.key e openstack.key.pub. Il contenuto di quest’ultimo è la chiave pubblica che dobbiamo fornire ad OpenStack.

Creata l’istanza, essa sarà già in esecuzione (running).

Passaggio 3: creazione di un Router

Per collegare la nostra macchina alla Rete abbiamo bisogno di un router. Tramite menu, selezioniamo Network –> Routers e clicchiamo sul pulsante Create Router. Per collegarlo alla rete esterna, una volta visibile nel pannello, selezioniamo Set gateway, e nella finestra di dialogo che si apre impostiamolo come rete external.

Da un lato il router è quindi ora connesso alla rete esterna, dall’altro dobbiamo legarlo a quella interna da noi creata. Per questo clicchiamo sul nome del router e cerchiamo il pulsante Add interface. Nella finestra che si apre potremo selezionare per il campo Subnet la rete interna da noi creata.

Osserviamo nuovamente la topologia di Rete (Network –> Network Topology) e vedremo apparire il nostro router e la nostra istanza virtuale con i collegamenti alle reti interna ed esterna che abbiamo realizzato.

Passaggio 4: assegnare un indirizzo IP pubblico

Rechiamoci nuovamente sul pannello delle istanze (Compute –> Instances) e alla riga corrispondente all’istanza creata, sulla destra, troviamo un menu a tendina di Actions. Una di esse è denominata Associate Floating IP. Nella finestra di dialogo che si apre possiamo selezionare un indirizzo IP pubblico già definito o richiederne uno nuovo con il pulsante etichettato con il simbolo +, visibile in figura. Una volta scelto quale indirizzo IP associare, clicchiamo sul pulsante Associate IP.

Passaggio 5: accesso alla macchina virtuale

Fatto ciò, con la macchina virtuale avviata, possiamo accedere ad essa tramite SSH. Grazie alla chiave pubblica fornita non avremo neanche bisogno di usare una password.

Se la nostra chiave si chiama openstack.key, possiamo eseguire il seguente comando:

ssh -i openstack.key ubuntu@indirizzo IP pubblico

Avremo così accesso immediato alla macchina. Per provarla, possiamo installare un server web Apache con i normali comandi di Ubuntu:

sudo apt-get update
sudo apt-get install apache2

Aprendo il browser ed inserendo l’indirizzo IP pubblico assegnato, vedremo apparire la pagina di benvenuto di Apache, che riporta il classico messaggio “It works!”. Ciò dimostra che la nostra macchina creata in OpenStack è funzionante e disponibile in Rete.

Quello visto, ovviamente, è solo un primo esperimento; ma TryStack si presta ad ogni tipo di attività.

Conclusioni su OpenStack: installazione completa ed API

L’installazione vera e propria di OpenStack è un procedimento lungo, ben discusso sulla documentazione ufficiale.

Il processo consta di più fasi, tra cui quelle di progettazione dell’architettura su cui vogliamo predisporre OpenStack, preparazione delle macchine con sistema operativo installato e studio degli strumenti da utilizzare. Quando tutto sarà pronto si potrà procedere all’installazione dei singoli moduli, previo soddisfacimento dei prerequisiti. Si consideri comunque che buona parte dei moduli OpenStack sono disponibili come pacchetti precompilati nei repository delle maggiori distribuzioni Linux.

Altro aspetto di valore di questo progetto è il grande numero di API disponibili, sfruttabili tramite riga di comando o invocazioni REST. Anch’esse possono essere sperimentate mediante TryStack.