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。

图 1.虚拟机定义的 xml 文件

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。

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。

图 4.router 所在网络命名空间的 iptables 规则

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。

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。

图 7.DHCP 服务器的 IP 配置

总结

Metadata 服务为成都笔记本维修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。