| 在云计算 IaaS(Infrastructure as a service)平台中，虚拟机启动时的自定义配置是非常重要的功能。作为目前主流 IaaS 产品 OpenStack，其使用 metadata 服务来实现虚拟机的用户自定义配置。本文详细剖析了 OpenStack 提供的两种 metadata 服务机制，描述了虚拟机获取 metadata 信息的流程，两种机制实现的具体方案、所用技术并分析了各自的使用场景。 |
Metadata 的概念
在创建虚拟机的时候，用户往往需要对虚拟机进行一些配置，比如：开启一些服务、安装某些包、添加 SSH 秘钥、配置 hostname 等等。在 OpenStack 中，这些配置信息被分成两类：metadata 和 user data。Metadata 主要包括虚拟机自身的一些常用属性，如 hostname、网络配置信息、SSH 登陆秘钥等，主要的形式为键值对。而 user data 主要包括一些命令、脚本等。User data 通过文件传递，并支持多种文件格式，包括 gzip 压缩文件、shell 脚本、cloud-init 配置文件等。虽然 metadata 和 user data 并不相同，但是 OpenStack 向虚拟机提供这两种信息的机制是一致的，只是虚拟机在获取到信息后，对两者的处理方式不同罢了。所以下文统一用 matadata 来描述。
本文详细阐述了 OpenStack 中 metadata 的服务机制，通过深入了解 metadata 的服务机制，用户可以在适当的应用场景中选择正确的 metadata 配置方式，从而对虚拟机进行配置。此外，了解 metadata 服务机制能够为用户在 OpenStack 的部署、排错、维护提供帮助，提高工作效率。
Metadata 的获取机制
在 OpenStack 中，虚拟机获取 Metadata 信息的方式有两种：Config drive 和 metadata RESTful 服务。下面我们分别对这两种机制进行介绍与分析
Config drive
Config drive 机制是指 OpenStack 将 metadata 信息写入虚拟机的一个特殊的配置设备中，然后在虚拟机启动时，自动挂载并读取 metadata 信息，从而达到获取 metadata 的目的。在客户端操作系统中，存储 metadata 的设备需要是 ISO9660 或者 VFAT 文件系统。具体的实现会根据 Hypervisor 的不同和配置有所差异，以 libvirt 为例：OpenStack 会将 metadata 写入 libvirt 的虚拟磁盘文件中，并指示 libvirt 将其虚拟为 cdrom 设备，如图 1 和图 2 所示。另一方面，虚拟机在启动时，客户操作系统中的 cloud-init 会去挂载并读取该设备，然后根据所读取出的内容对虚拟机进行配置。
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图 1.虚拟机定义的 xml 文件
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图 2.存储 metadata 的虚拟磁盘文件
当然，要实现上述功能，需要宿主机和虚拟机镜像两者协同完成，它们需要各自满足一些条件：
宿主机（OpenStack 的计算节点）
- 支持 config drive 机制的 Hypervisors 有：libvirt、hyper-v 和 VMware。当使用 libvirt 和 VMware 作为 Hypervisor 时，需要确保宿主机上安装有 genisoimage 程序，并且设置 mkisofs_cmd 标志为 genisoimage 的位置。当使用 hyper-v 作为 Hypervisor 时，需要设置 mkisofs_cmd 标志为 mkisofs.exe 的全路径，此外还需要在 hyper-v 的配置文件中设置 qume_img_cmd 为 qemu-img 命令的路径。
虚拟机镜像
- 虚拟机镜像需要确保安装了 cloud-init。如果没有安装 cloud-init，需要自行编写脚本，实现在虚拟机启动期间挂载配置磁盘、读取数据、解析数据并且根据数据内容执行相应动作。
OpenStack 提供了命令行参数--config-drive 用于配置是否在创建虚拟机时使用 config drive 机制。比如：
清单 1
#nova boot --config-drive=true --image image-name --key-name mykey --flavor 1 --user-data
./my-user-data.txt myinstance --file /etc/network/interfaces=/home/myuser/instance-interfaces
或者也可以如清单 2 所示，在/etc/nova/nova.conf 中配置，使得 OpenStack 计算服务在创建虚拟机时默认使用 config drive 机制。
清单 2
force_config_drive=true
用户可以在虚拟机中查看写入的 metadata 信息，如果客户操作系统支持通过标签访问磁盘的话，可以使用如下命令查看：
清单 3
#mkdir -p /mnt/config
#mount /dev/disk/by-label/config-2 /mnt/config
Metadata RESTful 服务
OpenStack 提供了 RESTful 接口，虚拟机可以通过 REST API 来获取 metadata 信息。提供该服务的组件为：nova-api-metadata。当然，要完成从虚拟机至网络节点的请求发送和相应，只有 nova-api-metadata 服务是不够的，此外共同完成这项任务的服务还有：Neutron-metadata-agent 和 Neutron-ns-metadata-proxy。下面我们将剖析它们是如何协同工作为虚拟机提供 metadata 服务的。
Nova-api-metadata
nova-api-metadata 启动了 RESTful 服务，负责处理虚拟机发送来的 REST API 请求。从请求的 HTTP 头部中取出相应的信息，获得虚拟机的 ID，继而从数据库中读取虚拟机的 metadata 信息，最后将结果返回。
Neutron-metadata-agent
Neutron-metadata-agent 运行在网络节点，负责将接收到的获取 metadata 的请求转发给 nova-api-metadata。Neutron-metadata-agent 会获取虚拟机和租户的 ID，添加到请求的 HTTP 头部中。nova-api-metadata 会根据这些信息获取 metadata。
Neutron-ns-metadata-proxy
Neutron-ns-metadata-proxy 也运行在网络节点。为了解决网络节点的网段和租户的虚拟网段重复的问题，OpenStack 引入了网络命名空间。Neutron 中的路由和 DHCP 服务器都在各自独立的命名空间中。由于虚拟机获取 metadata 的请求都是以路由和 DHCP 服务器作为网络出口，所以需要通过 neutron-ns-metadata-proxy 联通不同的网络命名空间，将请求在网络命名空间之间转发。Neutron-ns-metadata-proxy 利用在 unix domain socket 之上的 HTTP 技术，实现了不同网络命名空间之间的 HTTP 请求转发。并在请求头中添加’X-Neutron-Router-ID’和’X-Neutron-Network-ID’信息，以便 Neutron-metadata-agent 来辨别发送请求的虚拟机，获取虚拟机的 ID。
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图 3.Metadata 请求发送流程
如图 3 所示，虚拟机获取 metadata 的大致流程为：首先请求被发送至 neutron-ns-metadata-proxy，此时会在请求中添加 router-id 和 network-id，然后请求通过 unix domian socket 被转发给 neutron-metadata-agent，根据请求中的 router-id、network-id 和 IP，获取 port 信息，从而拿到 instance-id 和 tenant-id 加入请求中，最后请求被转发给 nova-api-metadata，其利用 instance-id 和 tenant-id 获取虚拟机的 metadata，返回相应。
上面我们分析了各个服务之间转发请求的流程，那么现在只存在一个问题，整个获取 metadata 的路线就通畅了：虚拟机如何将请求发送至 neutron-ns-metadata-proxy？
我们首先来分析虚拟机发送的请求。由于 metadata 最早是由亚马逊提出的，当时规定 metadata 服务的地址为 169.254.169.254:80，OpenStack 沿用了这一规定。所以虚拟机会向 169.254.169.254:80 发送 medtadata 请求。那么这一请求是如何从虚拟机中发送出来的呢？目前 Neutron 有两种方式来解决这个问题：通过 router 发送请求和通过 DHCP 发送请求。
通过 router 发送请求
如果虚拟机所在 subnet 连接在了 router 上，那么发向 169.254.169.254 的报文会被发至 router。如图 4 所示，Neutron 通过在 router 所在网络命名空间添加 iptables 规则，将该报文转发至 9697 端口，而 neutron-ns-metadata-proxy 监听着该端口，所以报文被 neutron-ns-metadata-proxy 获取，进入上述后续处理和转发流程。
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图 4.router 所在网络命名空间的 iptables 规则
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图 5.监听在 9697 端口上的 Neutron-ns-metadata-proxy 服务
通过 DHCP 发送请求
如果虚拟机所在 subnet 没有连接在任何 router 上，那么请求则无法通过 router 转发。此时 Neutron 通过 DHCP 服务器来转发 metadata 请求。DHCP 服务通过 DHCP 协议的选项 121 来为虚拟机设置静态路由。如图 6 所示，图中 10.0.0.3 为 DHCP 服务器的 IP 地址。通过查看虚拟机的静态路由表，我们可以发现发送至 169.254.169.254 的报文被发送到了 10.0.0.3，即 DHCP 服务器。
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图 6.虚拟机中的静态路由表
另外再查看 DHCP 服务器的 IP 配置信息，发现 DHCP 服务器配置了两个 IP，其中一个就是 169.254.169.254。与 router 类似的，Neutron 在 DHCP 网络命名空间中启动了监听 80 端口的 neutron-ns-metadata-proxy 服务，从而进入处理和转发请求的流程。
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图 7.DHCP 服务器的 IP 配置
总结
Metadata 服务为用户自定义配置虚拟机提供了有效的解决方案。本文剖析了 OpenStack 提供 metadata 服务的两种机制：config drive 和 RESTful 服务。Config drive 机制主要用于配置虚拟机的网络信息，包括 IP、子网掩码、网关等。当虚拟机无法通过 DHCP 正确获取网络信息时，config drive 是获取 metadata 信息的必要方式。如果虚拟机能够自动正确配置网络，那么可以通过 RESTful 服务的方式获取 metadata 信息。
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