0.引言
要谈HPC，就不得不谈裸金属机器（裸机），况且现阶段天翼云的hpc产品都是基于裸机在做的；但是裸机的安装部署实际上是一个比较复杂的过程，即使是有了一些可视化的管理方法，但时间上的复杂度一直都在；
基于此，我今天简单的介绍一下一项能让裸机的安装过程从几个小时缩短到十几分钟的专利方法：多架构多操作系统自适应物理机自动化安装方法及系统
1.解决了什么问题
现有的物理服务器的管理系统分散, 商业环境使用成熟度不够, 对不同架构(x86_64/aarch64/mips64)物理服务器缺乏通用的解决方案, 缺乏对超大集群物理服务器的解决方案, 物理服务器作为IT设施的基础, 随着 IDC （Internet Data Center）管理的物理服务器数量的增长, 对自动化管理水平, 资源管理质量/效率, 动态交付方案都对物理服务器的自动化管理系统有强烈需求。
翻译一下：现在IDC管理的机子（物理机）非常非常多，那么不同架构、不同搭载需求、不同操作系统的物理机需要用一套东西来实现统一的、高效的、自动化的管理和交付，就是一个非常有用的需求了
说明：
1.x86_64：即x86架构的64位拓展，又叫AMD64架构，可在同一时间内处理64位的整数运算，并兼容于X86-32架构；就是我们常用的台式机的体系架构，是基于冯诺依曼体系架构的
2.aarch64：一种ARMv8架构（支持aarch64和aarch32两种模式），又叫arm64
3.mips64：是一种简洁、优化、具有高度扩展性的RISC架构。它的基本特点是：包含大量的寄存器、指令数和字符、可视的管道延时时隙，这些特性使MIPS架构能够提供最高的每平方毫米性能和当今SoC设计中最低的能耗。
4.IDC：随着电子商务的兴起，企业用户会把越来越多的业务通过Internet或者Intranet来进行处理，这使得企业可以更好地节约成本、提高效率。但是，如果企业自己构建这样一个平台，就需要自己建机房、建系统、聘请很多的开发及维护人员，不仅需要大量的资金投入，而且也很难达到专业级的服务品质。IDC就可以为企业提供这一系列的支持，免去了企业的后顾之忧；即一种拥有完善的设备（包括高速互联网接入带宽、高性能局域网络、安全可靠的机房环境等）、专业化的管理、完善的应用服务平台。在这个平台基础上，IDC服务商为客户提供互联网基础平台服务（服务器托管、虚拟主机、邮件缓存、虚拟邮件等）以及各种增值服务（场地的租用服务、域名系统服务、负载均衡系统、数据库系统、数据备份服务等）。
2.跟现有方案比改进了哪
随着IDC中管理的物理设备数量的快速增长，目前对于IDC物理设备的自动化管理需求，尤其是针对于云化的按需动态管理的需求亟待实现。当前业界的标杆产品基本都是基于Openstack社区的Ironic作为物理服务器管理的基础设施，然而，由于Ironic在诸多方面的不足，如对用户需求的定制能力（如动态Raid配置需求、网络动态配置需求等）的欠缺、对硬件设备的层次抽象不够完善、集群管理方案尚有欠缺等，使得Ironic实现硬件设备的动态管理能力有限。同时，裸机PXE流程相对而言较为复杂，可编程、可定制的空间较小，可集成能力低。另外，OpenStack Ironic IPA 带内管理Agent通信交互方式复杂，不易于定制和管理，内核定制也不有便，因采用Tiny Core Linux对多架构支持也不够完善。
业界云计算主流厂商基本上都有自研版本的裸金属管理平台，虽然技术方面实现方案不一，但是都有独立完整自主可控的技术体系，其各自的技术方案在PXE环节有所区别， 可支持的集群规模，以及产品侧对需求的满足情况也不同。基于上述问题，在调研和梳理开源以及国内头部云厂商的技术方案后设计并实现了电信云平台的自研裸金属管理方案，目前已满足当前公有云以及集团IT上云需求支持的各项功能，同时还有很多能力需要逐步满足，如裸机支持云盘挂载、支持智能网卡设备接入、支持自定义镜像等。
现有开源技术组件对集群规模化、硬件抽象层次、多架构支持、可编程可持续集成等方面表现不够完善。通过广泛的调研和充分的多方沟通讨论，设计了天翼云平台裸机产品技术实现方案，该方案可提供超大规模的集群管理能力、多架构完善的支持、完善的硬件抽象层次以及可编程、可持续集成
翻译一下：现阶段管理大型IDC基本都是基于Openstack的Ironic，但这东西有四个主要的缺点：
1.集群管理方案不行，尤其对硬件设备的动态管理能力差（比如你要配置动态的ip、动态的raid、动态的计算能力），用户如果要定制一些需求，是比较麻烦的
2.如果用到裸金属服务器，它的PXE流程就很复杂，可定制和集成的能力就更弱了
3.集群内的通信（Ironic IPA 带内管理Agent）方法很麻烦，不利于管理
4. Ironic采用Tiny Core Linux对物理机多架构支持，这个方案不完善
所以说，业内云计算的很多厂商，为了让现在很流行的裸金属服务器能够很好地被管理，基本都已一套自己的管理平台和技术体系；我们这个专利就是要设计并实现天翼云自研裸金属管理方案，尤其要支持一系列常用的功能的一键部署，重点要提供超大规模的集群管理能力、多架构完善的支持、完善的硬件抽象层次以及可编程、可持续集成能力
说明：
1.OpenStack是一个开源的云计算管理平台项目，是一系列软件开源项目的组合，当前OpenStack支持VM（虚拟机）和BM（Bare-Metal 裸金属服务器，即物理机）两种上线方式。
2.Ironic：https://blog.csdn.net/nb_zsy/article/details/110374080
3.裸金属服务器正常工作需要的组件
4.物理机、虚机、裸机、裸金属
物理机（BMS）：传统开发/运维部署的服务器需要自己购买硬件机器、安装系统、搭建软件的运行环境、配置公网ip与硬件防火墙等等，有时候为保证高可用，具备容灾的能力等，又要构建集群环境。这就是我们所说的搭建物理机，贵、管理不方便、部署很艰辛、监控很麻烦、不支持弹性伸缩；优点就是不存在性能损失与资源争抢
虚拟专用服务器：即VPS，用虚拟技术把物理机划分成若干个独立空间，每一个独立的空间都是一个VPS；没有物理服务器稳定，运算速度也要慢一些，性能不高，但很便宜；主要缺点是缺点是在扩容、存储、稳定性方面都不及云服务器
云服务器：云服务器区别于VPS，它是在一组集群服务器上虚拟出多个类似独立服务器的部分。服务器不是单独的物理机，它其实是由多个租户共享物理资源。如下图所示，虚拟机所在的位置是很上层的，不属于物理上实实在在的资源；云服务器具有安全可靠性高、易部署、扩展性高(即时扩展，按需扩展)、性价比高等特点。相比物理服务器更灵活，弹性伸缩管理，价格可按需实时制定，避免造成网络资源的浪费，降低了运营成本
缺点是，因为是是共享的资源，所以租户同在一个屋檐下，肯定多多少少的会有一起搞事情。比如虽然承诺了这么多资源，但是其它租户突发高负荷的，自身的体验也是会受到明显的影响，这对性能和稳定要求性很高的应用是绝对无法容忍的。再者，从安全角度上说，多租户共享硬件资源，虽然存在软隔离，但是这对于像银行这种隐私性很高的业务来说，是绝对无法放心大胆使用的。
裸金属服务器（EBM/BM）：也称为单租户环境物理服务器，是物理服务器和云服务的结合，从本质上讲裸金属服务器就是物理服务器，只不过进行了一些升级。其使用的方式依然是租用。但云服务提供商租给你的是一个专属的物理服务器，你是唯一的租户；服务提供商可以根据你的需要在这个机器上部署比如私有云、虚机等等；换而言之它叫做：虚拟机的外形+物理机的心脏
5.Raid磁盘阵列：磁盘阵列是由很多块独立的磁盘，组合成一个容量巨大的磁盘组，利用个别磁盘提供数据所产生加成效果提升整个磁盘系统效能。利用这项技术，将数据切割成许多区段，分别存放在各个硬盘上。来提升数据存储的安全性，同时用多个便宜的小磁盘来代替一个昂贵的大磁盘https://blog.csdn.net/top0828/article/details/111600277
6.动态Raid配置需求：动态磁盘没有分区的概念，统称卷（动态卷），它和分区概念类似，但一块动态磁盘上可以容纳大量的卷（大约 2000 个）。在 Windows 中，卷又分为简单卷、跨区卷、带区卷、镜像卷、RAID5卷，其中简单卷和跨区卷可以改变大小（格式化后只有NTFS支持调整卷大小），跨区卷、带区卷、镜像卷、RAID5卷都可以包含多个物理磁盘，带区卷可以拆分和共享数据，镜像卷可以备份数据，RAID5卷可以拆分和共享数据以及一定的容错能力，这些物理磁盘可以有不同分区格式（MBR和GPT），也就是说动态磁盘对基本磁盘的进一步抽象。动态磁盘出现后，出现了卷的概念，因此基本磁盘上的主分区和逻辑分区称为也被叫做基本卷
7.网络动态配置需求：动态网络配置的IP在重新启动虚拟机时容易发生改变，对后续的操作会有一定的影响，即动态ip——每次需要上网的时候才由dhcp给你动态分配一个ip
8.PXE：预启动执行环境。 预启动执行环境（Preboot eXecution Environment，PXE）也被称为预执行环境，提供了一种使用网络接口（Network Interface）启动计算机的机制。这种机制让计算机的启动可以不依赖本地数据存储设备（如硬盘）或本地已安装的操作系统
9.Tiny Core Linux：最低限度Linux桌面
3.解决该问题的技术方案
本方案使用 Debian 发行版，按照不同架构定制内存根文件系统, 将根文件系统压缩进 squashfs文件系统, 完全定制 initrd.gz 文件。其中， init 文件使用 overlay 文件系统在只读 squashfs 文件系统之上叠加内存文件系统，以便内存 Debian RamOS 可以支持读写操作。 Debian Ram OS 中集成有不同版本的文件系统工具, 比如 e2fsprogs/btrfs-progs/xfsprogs等，并在其中集成了 storcli/ssacli/sas3ircu/megacli64等raid工具, 以及 fcsan/网卡等管理工具，同时将 Python Agent 集成到 RAM OS 中。Python Agent实现完整的通信方案以及指令集, 指令集包括硬件信息采集、raid卡控制、分区布局、文件系统构建、镜像写入、网卡配置、路由配置、密码设置、hostname设置等等指令集，上层业务平台通过给 RAM OS Agent 下发对应指令到RabbitMQ完成对应业务逻辑的控制。
1.Debian 发行版：一种linux
2.squashfs 文件系统：Squashfs是一套基于Linux内核使用的压缩只读文件系统。该文件系统能够压缩系统内的文档,inode以及目录，文件最大支持2^64字节https://blog.csdn.net/GCQ19961204/article/details/126679813
3.initrd.gz 文件：initrd的全称是initial ramdisk(初始RAM磁盘系统,临时的根分区），后缀.gz表明它是一个gunzip文件(类似与WIn下面的winrar），即一个压缩文件
initrd.gz 所起的作用就是在刚启动的时候，真正的文件系统（根分区）还不可用之前，在RAM（RAM可以理解为内存）中模拟一个根分区。这个根文件系统中包含了实现启动所必要程序。如将内核模块加载到内核中的工具“insmod”。这点有点像是Windows启动盘中所含的Fdisk，scandisk等工具。它的生存周期很短，当根分区被加载时它就彻底没用了。
当然如果没有所谓的磁盘上的根分区。比如智能Linux手机中，没有所谓PC磁盘文件系统，可以把需要用到的程序和必要的程序压缩在initrd文件，直接通过加载initrd.gz文件，就可以实现一个在RAM中运行的系统了。又如，光盘上运行的Linux操作系统，也是通过把操作系统打包到 Initrd.gz中，然后直接放到内存，模拟的根分区运行。这样，即使你没有安装linux，照样可以通过光驱来体验一把，而不会对现有磁盘系统造成任何改变。
4.overlayfs文件系统：OverlayFS是linux下的一个文件系统，顾名思义是一种堆叠文件系统，可以将多个目录的内容叠加到另一个目录上。OverlayFS并不直接涉及磁盘空间结构，看起来像是将多个目录的文件按照规则合并到同一个目录。且对多个源目录具体使用文件系统类型没有要求，即使各个源目录的文件系统类型不同也不影响使用。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/436450556
5.init 文件：简单的说就是linux开机需要加载的一个配置文件
https://www.lmlphp.com/user/14628/article/item/441797/
6.Python Agent：Ironic Python Agent（简称IPA或者agent）是一个基于python的代理，用于处理ironic中裸机节点的一系列动作，比如检查、配置、清除和部署镜像。运行在ramdisk中，暴露出REST API给conductor。Ironic-Python-Agent可以在deploy模块直接访问硬件，提供一些功能
7.带内管理与带外管理：带内管理是管理控制信息与数据信息使用统一物理通道进行传送。当网络出现故障中断时数据传输和管理都无法正常进行；带外管理在于通过不同的物理通道传送管理控制信息和数据信息，两者完全独立，互不影响
