Heat 深度解析：OpenStack 编排服务与基础设施即代码

Heat 深度解析：OpenStack 编排服务与基础设施即代码

定位与职责

Heat 是 OpenStack 的编排服务，实现”基础设施即代码（IaC）”：

  • 通过模板描述整套基础设施（VM、网络、存储、安全组）
  • 一键创建/更新/删除整个应用栈（Stack）
  • 支持自动扩缩容（Auto Scaling）
  • 支持条件判断、参数化、输出变量
  • 兼容 AWS CloudFormation 模板语法

架构总览

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heat-api（REST API）
    │ RPC
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heat-api-cfn（CloudFormation 兼容 API，可选）
    │
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heat-engine（核心引擎）
    ├── 模板解析
    ├── 依赖图构建（DAG）
    ├── 资源并行创建
    └── 调用各 OpenStack 服务 API

HOT 模板语法

HOT（Heat Orchestration Template）是 Heat 的原生模板格式：

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heat_template_version: 2021-04-16

description: 一个完整的 Web 应用栈示例

# 参数（部署时传入）
parameters:
  image_id:
    type: string
    description: 虚拟机镜像 ID
    default: ubuntu-22.04

  flavor:
    type: string
    description: 虚拟机规格
    default: m1.small
    constraints:
      - allowed_values: [m1.small, m1.medium, m1.large]

  key_name:
    type: string
    description: SSH 密钥对名称

  db_password:
    type: string
    description: 数据库密码
    hidden: true  # 不在输出中显示

# 条件
conditions:
  is_production:
    equals: [{get_param: flavor}, m1.large]

# 资源定义
resources:
  # 安全组
  web_security_group:
    type: OS::Neutron::SecurityGroup
    properties:
      name: web-sg
      rules:
        - protocol: tcp
          port_range_min: 80
          port_range_max: 80
          remote_ip_prefix: 0.0.0.0/0
        - protocol: tcp
          port_range_min: 443
          port_range_max: 443
          remote_ip_prefix: 0.0.0.0/0
        - protocol: tcp
          port_range_min: 22
          port_range_max: 22
          remote_ip_prefix: 0.0.0.0/0

  # 网络
  private_net:
    type: OS::Neutron::Net
    properties:
      name: private-net

  private_subnet:
    type: OS::Neutron::Subnet
    properties:
      network_id: {get_resource: private_net}
      cidr: 192.168.100.0/24
      dns_nameservers: [8.8.8.8]

  # 路由器
  router:
    type: OS::Neutron::Router
    properties:
      external_gateway_info:
        network: public

  router_interface:
    type: OS::Neutron::RouterInterface
    properties:
      router_id: {get_resource: router}
      subnet_id: {get_resource: private_subnet}

  # 虚拟机
  web_server:
    type: OS::Nova::Server
    properties:
      name: web-server
      image: {get_param: image_id}
      flavor: {get_param: flavor}
      key_name: {get_param: key_name}
      security_groups:
        - {get_resource: web_security_group}
      networks:
        - network: {get_resource: private_net}
      user_data_format: RAW
      user_data: |
        #!/bin/bash
        apt-get update
        apt-get install -y nginx
        systemctl start nginx

  # 浮动 IP
  floating_ip:
    type: OS::Neutron::FloatingIP
    properties:
      floating_network: public

  floating_ip_assoc:
    type: OS::Neutron::FloatingIPAssociation
    properties:
      floatingip_id: {get_resource: floating_ip}
      port_id: {get_attr: [web_server, addresses, private-net, 0, port]}

  # 云硬盘
  data_volume:
    type: OS::Cinder::Volume
    properties:
      size: 100
      volume_type: ssd

  volume_attachment:
    type: OS::Cinder::VolumeAttachment
    properties:
      volume_id: {get_resource: data_volume}
      instance_uuid: {get_resource: web_server}

# 输出
outputs:
  server_ip:
    description: 服务器公网 IP
    value: {get_attr: [floating_ip, floating_ip_address]}

  server_private_ip:
    description: 服务器内网 IP
    value: {get_attr: [web_server, first_address]}

内置函数

函数 用途 示例
get_param 获取参数值 {get_param: flavor}
get_resource 获取资源 ID {get_resource: my_server}
get_attr 获取资源属性 {get_attr: [server, first_address]}
str_replace 字符串替换 动态生成 user_data
list_join 列表拼接 {list_join: [',', [a, b, c]]}
if 条件判断 {if: [is_prod, large, small]}
repeat 循环生成资源 批量创建相同资源

自动扩缩容（Auto Scaling）

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resources:
  # 扩缩容组
  asg:
    type: OS::Heat::AutoScalingGroup
    properties:
      min_size: 2
      max_size: 10
      resource:
        type: OS::Nova::Server
        properties:
          image: {get_param: image_id}
          flavor: m1.small
          # ...

  # 扩容策略（每次增加 1 个）
  scale_up_policy:
    type: OS::Heat::ScalingPolicy
    properties:
      adjustment_type: change_in_capacity
      auto_scaling_group_id: {get_resource: asg}
      cooldown: 60
      scaling_adjustment: 1

  # 缩容策略（每次减少 1 个）
  scale_down_policy:
    type: OS::Heat::ScalingPolicy
    properties:
      adjustment_type: change_in_capacity
      auto_scaling_group_id: {get_resource: asg}
      cooldown: 60
      scaling_adjustment: -1

  # CPU 告警触发扩容（配合 Ceilometer/Aodh）
  cpu_alarm_high:
    type: OS::Aodh::GnocchiAggregationByResourcesAlarm
    properties:
      metric: cpu_util
      aggregation_method: mean
      threshold: 80
      comparison_operator: gt
      evaluation_periods: 3
      alarm_actions:
        - {get_attr: [scale_up_policy, signal_url]}

  cpu_alarm_low:
    type: OS::Aodh::GnocchiAggregationByResourcesAlarm
    properties:
      metric: cpu_util
      aggregation_method: mean
      threshold: 20
      comparison_operator: lt
      evaluation_periods: 5
      alarm_actions:
        - {get_attr: [scale_down_policy, signal_url]}

依赖图与并行执行

Heat 引擎会分析资源间的依赖关系，构建 DAG（有向无环图），并行创建无依赖关系的资源：

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private_net ──────────────────────────────► web_server
private_subnet ──► router_interface ──────► web_server
router ──────────► router_interface        │
web_security_group ────────────────────────┘
                                           │
                                           ▼
                                    floating_ip_assoc
                                           ▲
                                    floating_ip ──────────────
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# heat/engine/scheduler.py

class DependencyTaskGroup:
    def __call__(self):
        # 找到所有没有未完成依赖的任务
        ready = [t for t in self.tasks if self._is_ready(t)]
        # 并行执行
        with ThreadPoolExecutor() as executor:
            futures = [executor.submit(task) for task in ready]

Stack 生命周期

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CREATE_IN_PROGRESS → CREATE_COMPLETE
                   → CREATE_FAILED

UPDATE_IN_PROGRESS → UPDATE_COMPLETE
                   → UPDATE_FAILED（自动回滚）

DELETE_IN_PROGRESS → DELETE_COMPLETE
                   → DELETE_FAILED

更新策略

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# 预览更新（不实际执行）
openstack stack update --dry-run -t template.yaml mystack

# 更新 Stack（Heat 自动计算差异，只更新变化的资源）
openstack stack update -t template.yaml mystack

# 回滚到上一个版本
openstack stack cancel mystack  # 触发回滚

源码关键路径

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heat/
├── api/
│   └── openstack/v1/   # REST API
├── engine/
│   ├── service.py      # heat-engine 主服务
│   ├── stack.py        # Stack 对象（核心）
│   ├── resource.py     # Resource 基类
│   ├── scheduler.py    # 并行调度器
│   └── resources/      # 各类资源实现
│       ├── openstack/
│       │   ├── nova/server.py      # OS::Nova::Server
│       │   ├── neutron/net.py      # OS::Neutron::Net
│       │   └── cinder/volume.py    # OS::Cinder::Volume
│       └── aws/                    # CloudFormation 兼容资源
└── common/
    └── template.py     # 模板解析

生产使用技巧

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# 创建 Stack
openstack stack create -t webapp.yaml \
  --parameter image_id=ubuntu-22.04 \
  --parameter key_name=mykey \
  mystack

# 查看 Stack 事件（排查失败原因）
openstack stack event list mystack --nested-depth 3

# 查看资源状态
openstack stack resource list mystack

# 输出变量
openstack stack output show mystack server_ip

# 模板验证
openstack orchestration template validate -t template.yaml