Python 領域運用：自動化運維

1. 自動化運維簡介

1.1 什么是運維

運維是指對硬件和軟件進行運營和維護，保障業務能夠長期穩定運行。運維，通常屬于技術部門，運維、研發與測試同為互聯網產品技術支撐的 3 大部門。運維的職責包括：

• 保障業務長期穩定運行，例如，保障網站服務器 7 x 24 小時不間斷的運行
• 負責服務器的網絡設置、網絡管理與系統性能優化
• 保障數據安全可靠，如用戶名密碼、游戲數據、交易數據等
• 對軟件和硬件進行日常監控與維護，隨時解決報警故障
• 業務程序更新

1.2 自動化運維

系統管理員日常會進行大量的重復性操作，例如安裝軟件、修改配置文件、創建用戶、批量執行命令等等。如果主機數量龐大，單靠人工維護實在讓人難以忍受?？紤]如下需求：

需求 1: 某大型企業的生產網絡里有 100 臺思科交換機，最近公司更換了 TACACS (終端訪問控制器訪問控制系統) 服務器，需要在這 100 臺交換機上進行重新配置。

需求 2: 公司的網絡安全部門提醒這 100 臺思科交換機現有的 IOS 版本有很多安全漏洞，需要盡快升級它們的 IOS 版本。

有兩種方式實現這樣的需求：

• 手工的方式，使用 ssh 依次登錄到這 100 臺思科交換機上，輸入命令進行配置和升級系統。
• 自動的方式，編寫 Python 腳本，用程序自動登錄到 100 臺思科交換機上并執行相應的命令。在登錄交換機的過程中，腳本會自動的輸入用戶名和密碼。

自動化運維就是把那些傳統上需要手工操作進行維護自動化。在上面的例子中，編寫程序對 100 臺交換機進行配置和升級，就是典型的自動化運維。在計算機專業的招聘網站，能搜索到大量的運維崗位招聘，如下所示：

Shell 腳本是實現 Linux 系統自動管理以及自動化運維所必備的工具，除了 Shell，能夠用于 Linux 運維的腳本語言還有 Python。

現在越來越多的公司要求運維人員會 Python 自動化開發，在計算機專業的招聘網站中，查詢 baidu 發布的運維的招聘要求：

工作職責
- 負責百度運維基礎設施(監控 部署 名字服務 容器托管)的穩定高效運行

任職資格
- 熟練掌握 Python/Go/Perl/Shell 至少一門語言

從招聘可以看到，Python 成了運維人員必備的技能，每一個運維人員在熟悉了 Shell 之后，都應該再學習 Python 語言。

2. 運維的基礎知識

運維人員需要掌握掌握互聯網常用的中間件維護、管理，例如 nginx、docker、mysql、redis 和 mongodb等。

2.1 nginx 簡介

Nginx 是一款輕量級的 Web 服務器/反向代理服務器及電子郵件（IMAP/POP3）代理服務器，由于它的內存占用少、啟動快、高并發能力強，在互聯網項目中廣泛應用。中國大陸使用nginx網站用戶有：百度、京東、新浪、網易、騰訊、淘寶等。

Nginx 服務器的反向代理服務是其最常用的重要功能，當下流行的技術架構如下所示：

• 整個系統由兩部分構成：
  • nginx 反向代理服務器
  • 多個應用服務器
• 客戶端將請求發送到 nginx 反向代理服務器
• ngnix 根據請求的參數和配置將請求轉發給應用服務器
• nginx 從應用服務器獲取數據后，在返回給客戶端

通常 ngnix 作為整個應用的入口，運維人員需要熟練掌握 nginx 的配置和優化。

2.2 docker 簡介

Docker 是一個開源的應用容器引擎，讓開發者可以打包他們的應用以及依賴包到一個可移植的鏡像中，然后發布到其它 Linux 系統上。

把一個應用部署到生產環境中，需要進行各種安裝和配置:

• 安裝各種依賴包
• 安裝相關的應用程序并進行配置，例如 nginx、mysql 等

配置非常繁瑣、容易出錯，使用 docker 可以有效的解決問題：

• 開發者可以打包他們的應用以及依賴包到一個可移植的鏡像
• 在生產環境下拉取一份鏡像(已經配置好各種依賴包)，直接運行鏡像

Docker 對于顯著的降低了應用部署的工作量，是運維人員必須掌握的技術。

2.3 mysql 簡介

mysql 是一個關系型數據庫管理系統。目前 mysql 被廣泛地應用在 Internet 上的中小型網站中。由于其體積小、速度快、總體擁有成本低，尤其是開放源碼這一特點，許多中小型網站為了降低網站總體擁有成本而選擇了 mysql 作為網站數據庫。

mysql 的重要特性包括：

• 使用 C 和 C++ 編寫，源代碼的可移植，支持Linux、BSD 和 Windows 等多種操作系統。
• 為多種編程語言提供了 API。這些編程語言包括C、C++、Java、PHP、Python等。
• 支持多線程，充分利用CPU資源，支持多用戶。
• 優化的SQL查詢算法，有效地提高查詢速度。
• 提供多語言支持，常見的編碼如中文的GB

運維人員需要熟練掌握管理、檢查、優化 mysql 數據庫操作的管理工具。

2.4 redis 簡介

redis 是一個高性能的 key-value 數據庫。redis 是非關系型數據庫，將數據存儲在內存中，訪問的速度很快，能夠顯著的提高運行效率；與之相比，mysql 是關系型數據庫，主要用于存放持久化數據，將數據存儲在硬盤中，訪問速度較慢。

redis 的配置文件位于 redis 安裝目錄下，文件名為 redis.conf，通過修改 redis.conf 文件或使用 CONFIG set 命令來修改配置。

redis 提供了大量的配置選項，例如：

• maxmemory bytes
  • 指定 Redis 最大內存限制，Redis 在啟動時會把數據加載到內存中，達到最大內存后，Redis 會先嘗試清除已到期或即將到期的 Key
• vm-enabled no
  • 指定是否啟用虛擬內存機制，VM 機制將訪問量較少的頁即冷數據 swap 到磁盤上，將訪問多的頁面由磁盤 swap 到內存中

3. 為什么用 Python 進行運維

現階段，掌握 Python 開發語言已經成為高級運維工程師的必備技能，其原因如下：

3.1 復雜的系統管理

在大型的互聯網公司中，網絡包含有成千上萬臺服務器，shell 腳本語言適合簡單的系統管理工作，遇到復雜的自動化任務需要用專門的開發語言。Python 由于語法簡單、擁有強大的第三方庫，是完成復雜自動化任務的首選編程語言。

3.2 方便定制需求

存在有大量的自動化運維工具，但是現有的運維軟件如 puppet、saltstack、zabbix 和 nagio 多為通用的軟件，不可能完全適用公司的所有需求，當需要做定制、做二次開發的時候，如果掌握 Python 編程語言即可輕松完成需求，實現一個定制的運維工具:

• 利用 Python 的第三方庫，可以滿足絕大部分自動化運維的需求
• 利用 Python 強大的 WEB 框架，能夠快速開發出一個運維管理的 WEB 界面，

3.3 幫助調試優化程序

在開發環境中，可能沒有充分測試程序的性能；而在生產環境中，一個業務上線了，通過監控發現： CPU 使用過高、內存占用過大。

如果運維人員完全不懂開發，只能定位到進程級別，即找到占用資源過多的進程，然后將問題交給開發人員處理。如果運維人員掌握一門編程語言、懂開發，能夠深入到業務代碼，幫助調試、優化開發人開發的程序。

4. 常用的自動化運維模塊

Python 的第三方模塊提供了自動化運維所需的功能，如：監控系統資源、網絡配置等，常用的模塊如下：

1. psutil

psutil 是一個跨平臺庫能夠實現獲取系統運行的進程和系統利用率（內存，CPU,磁盤，網絡等），主要用于系統監控，分析和系統資源及進程的管理。

2. dnspython

dnspython 是一個 DNS 工具包，可以用于查詢、傳輸并動態更新 DNS 區域信息，在系統管理方面，可以利用查詢功能來實現 DNS 服務監控以及解析結果的校驗。

3. smtplib

smtplib 是一個發送電子郵件的工具包，它對 smtp 協議進行了簡單的封裝。當監控系統發現問題時，通過調用 smtplib 發送報警郵件。

4. IPy

IPy 提供了對地址進行處理的功能，主要提供了包括網段、網絡掩碼、廣播地址、子網數、IP類型的處理等功能。

5. pycurl

cURL 是一個利用 URL 語法在命令行下工作的文件傳輸工具，cURL支持的通信協議有FTP、FTPS、HTTP、HTTPS、TFTP、SFTP、Gopher、SCP、Telnet、DICT、FILE、LDAP、LDAPS、IMAP、POP3、SMTP和RTSP。

pycurl 是一個用 C 語言寫的 libcurl Python實現，可以理解為 linux 下 curl 命令功能的 Python 封裝。

6. scapy

scapy 是一個由 Python 編寫的數據包處理程序，它能夠對數據包進行偽造或解包，提供發送數據包、包嗅探、應答和反饋等功能，目前很多優秀的網絡掃描攻擊工具都使用了這個模塊。

7. ansible

ansible 是一個綜合的自動化運維工具，基于 Python 開發，集合了眾多運維工具的優點，實現了批量系統配置、批量程序部署、批量運行命令等功能。

ansible 提供了二次開發的接口，可以編寫 python 腳本請求 ansible 的 接口，開發自己的運維工具。

8. saltstack

saltstack 是一種基于 C/S 架構的集中化管理平臺，管理端稱為 Master，客戶端稱為 Minion。saltstack 具備配置管理、遠程執行、監控等功能，saltstack 本身是基于 Python 語言開發實現，結合了輕量級的消息隊列軟件 ZeroMQ 與 Python 第三方模塊構建。

通過部署 SaltStack 環境，運維人員可以在成千上萬臺服務器上做到批量執行命令，根據不同的業務特性進行配置集中化管理、分發文件、采集系統數據及軟件包的安裝與管理等。

saltstack 提供了二次開發的接口，可以編寫 python 腳本請求 saltstack 的 接口，開發自己的運維工具。