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3.1 Open vSwitch

3.1.1 Open vSwitch配置

3.1.2 OVS中的网络设备类型

3.1.3 Local Network

3.1.4 Flat Network

3.1.5 Vlan Network

3.1.5 Routing

3.1.6 Vxlan

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3.1 Open vSwitch

3.1.1 Open vSwitch配置

      相对linux-bridge，首先需要安装openstack-neutron-openvswitch。然后对应将ML2 的配置文件 /etc/neutron/plugins/ml2/ml2_conf.ini中的mechanism driver设置为openvswitch。组网方式其实与linux-bridge相差无几，可以通过 neutron agent-list 命令查看到 neutron-openvswitch-agent在节点上的运行情况。

3.1.2 OVS中的网络设备类型

Neutron默认在网络节点（此处网络节点与控制节点合一）上创建三个网桥：br-ex，br-int 和 br-tun。计算节点上也有 br-int 和 br-tun（没有br-ex网桥）。

• br-ex：连接外部（external）网络的网桥。
• br-int：集成（integration）网桥，所有 instance 的虚拟网卡和其他虚拟网络设备都将连接到该网桥。
• br-tun：隧道（tunnel）网桥，基于隧道技术的 VxLAN 和 GRE 网络将使用该网桥进行通信。

这些网桥需要用 Open vSwitch 的命令 ovs-vsctl show进行查看，如下所示：

在 Open vSwitch 环境中，一个数据包从 instance 发送到物理网卡大致会经过下面几个类型的设备：

1、tap interface：命名为 tapXXXX；2、linux bridge：命名为qbrXXXX；3、veth pair：命名为 qvbXXXX, qvoXXXX；4、OVS integration bridge：命名为 br-int；5、OVS patch ports：命名为 int-br-ethX 和 phy-br-ethX（X 为 interface 的序号）；6、OVS provider bridge：命名为 br-ethX（X 为 interface 的序号）；7、物理 interface：命名为 ethX（X 为 interface 的序号）；8、OVS tunnel bridge：命名为 br-tun。

其中，OVS provider bridge 会在 flat 和 vlan 网络中使用；OVS tunnel bridge 则会在 vxlan 和 gre 网络中使用；

3.1.3 Local Network

      对于一个local类型的网络，其DHCP的TAP设备是直接关联到br-int网桥的，通过veth连接到dhcp的namesapce，在namespace里查看网卡名称也是tapXX的描述。这点在linux-bridge既有相同之处，也有不同之处，两者的实现方式还是不同的。区别在于，对于linux-bridge实现方式，一端连接的tap设备，另一端是连接的对应namespace的ns设备。

       值得注意的是，brctl show主要是对于linux-bridge环境下查看网桥的配置信息，对于Open vSwitch则是用ovs-vsctl show 查看 bridge 的配置。当新建一个VM实例时，通过ovs-vsctl show查看网桥下br-int下增加一个qvoxxx类型的设备，而通过brctl show查看会发现新建了一个qbrxx网桥，关联tapxx设备与qvb设备。其中qvb设备与qvo设备之间组成了一对veth pair（可以通过ethtool -S查看设备veth pair的对应索引关系statistics），相当于实例VM首先与新建的qbrxx网桥上的tapxx设备互联，qbrxx再通过veth pair与br-int网桥互联，总体结构如下图。从而，VM实例的tapxx设备（虚拟网卡）则间接连接到了br-int网桥。这点相对之前linux-bridge实现方式----直接通过tap设备与新建的网桥关联，结构上要相对复杂。

       增加qbrxx这个网桥的原因主要是： Open vSwitch 目前还不支持将 iptables 规则放在与它直接相连的 tap 设备上。如果做不到这一点，就无法实现 Security Group 功能。对于不同的local network网络，所有的VM实例间接都连接到同一个br-int网桥，Open vSwitch是怎么进行不同local网络的隔离呢？-----答案就是：通过vlan进行隔离。先看下面一张图：

        其中qvo设备可以看成不同实例VM连接网桥br-int的接口，tap设备为不同local 网络的dhcp设备，tag其实就是vlan tag（与物理交换机上的vlan无关，虚拟交换机的vlan区分），不同local网络的VM之间的隔离就是靠tag进行区分和隔离。结构如下：

3.1.4 Flat Network

       由Open vSwitch实现的Flat网络与linux-bridge的实现方式很类似，都是每个flat网络都会占用一块物理网卡，linux-bridge中直接是通过flat物理标签与宿主机物理网卡一一对应，而Open vSwitch中则是通过网络标签与创建的网桥进行对应，网桥与宿主机的物理网卡进行一一对应。基本配置与linux-bridge类似，如下：

修改租户网络类型：

设置网络标签：

设置ovs mapping中标签与网桥对应关系，注意此处对应的网桥是后续需要创建的

       网桥创建命令：ovs-ovctl，ovs-ovctl add-br [网桥名称] 表示创建网桥，ovs-ovctl add-port [网桥名称] [网卡]。当创建多个标签时，之间用逗号隔开，同时在映射关系上也对应多个网桥，每个网桥对应不同网卡。ovs-vsctl show可以看到：

      对于 ovs bridge “br-eth1” 和其上桥接的 port “eth1” 我们应该不会感到意外，这是前面配置的结果。然而除此之外，br-int 和 br-eth1 分别多了一个 port “int-br-eth1” 和 “phy-br-eth1”，而且这两个 port 都是 “patch” 类型，同时通过 “peer” 指向对方。这表明：br-int 与 br-eth1 这两个网桥通过 int-br-eth1 和 phy-br-eth1 连接在一起了。其网络结构如下图所示：

       这里可以看到网桥br-int 与 br-eth1之间是通过patch port 连接在一起，而不是veth pair。总的看来，patch port 是 ovs bridge 自己特有的 port 类型，只能在 ovs 中使用。如果是连接两个 ovs bridge，优先使用 patch port，因为性能更好。对于ovs网桥之间可以使用patch port，性能更好，除外其他情况一般只能使用veth pair进行网桥连接。

       通过对比flat网络类型与local网络类型可以发现，flat网络类型相对而言只是多了一个自己创建的网桥（对应某块物理网卡），DHCP的TAP设备都是挂在br-int这个默认集成网桥上，OVS网桥通过patch port与br-int网桥进行连接，br-int网桥再通过veth pair与关联实例tap设备的qbr网桥连接。从而完成了VM实例间接连接到了br-xxx网桥（创建的对应物理网卡的网桥）。其网络结构图如下所示：

3.1.5 Vlan Network

       在 Open vSwitch 实现方式下，不同 vlan instance 的虚拟网卡都接到 br-int （集成网桥）上。这一点与 linux bridge 非常不同，linux bridge 是不同 vlan （类似网卡子接口如eth1.100等）接到不同的网桥上。配置方式上，Open vSwitch方式是对应网桥（如下），而linux-bridge是对应物理网卡，另外OVS还需要通过ovs-ovctl创建网桥，并在网桥关联相应网卡。其他配置基本都一样，就不再展开说了。

      通过创建网络、实例VM，通过ovs-ovctl查看可以发现这种网络其实和local网络也比较类似，创建的DHCP的TAP设备与VM的port都带有tag，每创建一个VM都会对应创建一个linux-bridge网桥，VM通过网桥间的veth-pair间接连接到br-int。这点很相似。

网络结构如下：

针对不同的vlan网络，vlan网络之间是怎么进行隔离的呢？其实实现原理主要是通过Open vSwitch的flow rule（流规则）进行控制。不同vlan网络的网络架构如下图所示：

        相对于Linux Bridge driver用eth1.xx的vlan接口实现vlan网络隔离。open vswitch则是用flow rule来对进出br-int的集成网桥、br-ethxx网桥等进行流量控制，可以对相应进出端口的流量进行加vlan标签、修改vlan标签、剥vlan标签，从而完成vlan网络的隔离。查看 flow rule 的命令是 ovs-ofctl dump-flow <bridge>，首先查看计算节点 br-eth1 的 flow rule:

可以看到，每条 rule 有不少属性，其中比较重要的属性有：

• priority：rule 的优先级，值越大优先级越高。Open vSwitch 会按照优先级从高到低应用规则；
• in_port：inbound 端口编号，每个 port 在 Open vSwitch 中会有一个内部的编号。可以通过命令 ovs-ofctl show <bridge> 查看 port 编号。比如 br-eth1：

• dl_vlan：数据包原始的 VLAN ID；
• actions：对数据包进行的操作；

首先分析一下br-eth1的flow rule的关键信息，ovs-ofctl show br-eth1查看：

priority=4,in_port=2,dl_vlan=1 actions=mod_vlan_vid:100,NORMAL
priority=4,in_port=2,dl_vlan=5 actions=mod_vlan_vid:101,NORMAL

第一条的含义是：从 br-eth1 的端口 phy-br-eth1（in_port=2）接收进来的包（其实就是VM的数量包由br-int的int-br-eth1端口发送给的phy-br-eth1端口的包），如果 VLAN ID 是 1（dl_vlan=1），那么需要将 VLAN ID 改为 100（actions=mod_vlan_vid:100）

怎么理解将 VLAN ID 1 改为 VLAN ID 100 呢？

通过ovs-vsctl show命令查看节点的open vswitch网桥配置：

        可以看到，br-int网桥下不同的port的带有不同的tag标签，这个tag可以看作是节点内部的vlan标签，通过这种内部的vlan标签来隔离port，内部的vlan tag对应不同的vlan网络，该对应关系由neutron进行维护，并将转换规则配置在 flow rule 中。该内部vlan tag只在br-int有效，与外部网络的vlan无关，不同于物理网络的vlan。总的来看，进入br-ethxx网桥phy-br-ethxx端口的报文，flow rule是将原来的内部vlan转换成对应配置的vlan tag；而进入br-int网桥的int-br-ethxx则是将物理vlan替换回int-br的内部vlan。从而完成了vlan网络的隔离。

3.1.5 Routing

       Routing主要是由L3 agent提供服务，L3 agent需要正确配置才能工作，配置文件为 /etc/neutron/l3_agent.ini。大部分情况下默认配置已经帮我们配置好了，不需要再单独配置。需要注意：

如果 mechanism driver 是 open vswitch，则：

interface_driver = neutron.agent.linux.interface.OVSInterfaceDriver

。。。。。

如果选用 linux bridge，则： 

interface_driver = neutron.agent.linux.interface.BridgeInterfaceDriver

L3 agent运行在网络节点或者控制节点（如果网络节点与控制节点合一）

        对于routing的底层实现，可以进一步分析来看。创建两个vlan网络vlan 100、vlan 101。底层上在br-int对应增加了两个port（分别对应两个vlan）。与 linux bridge 实现方式一样， router_100_101 运行在自己的 namespace 中。与linux-bridge不同的地方在于，router的qrxx端口在ovs中是直接作为br-int网桥上的Port存在的，没有linux-bridge的veth pair线路将qrxxx设备与网桥上的tap设备互联。此外，可以看到br-int网桥上的router的port也是带tag的，对应vlan在br-int网桥上的内部vlan。

整体的网络结构参加下图：

        以上讲解了neutron网络内跨vlan网络的互访情况，那么对于外部外部网络的访问，是如何实现呢？首先 需要设置外部网络的标签，例如标签label命名为 “external”，网桥为 br-ex。

如果类型为 flat，控制节点 /etc/neutron/plugins/ml2/ml2_conf.ini 配置如下：

如果类型为 vlan，配置如下：

       此外，我们还需要在节点上通过ovs-vsctl add-br br-ex命令创建网桥，然后由ovs-vsctl add-port br-ex xxx命令将xxx网卡关联到br-ex网桥。总的来说，当外部网络为flat网络时，每个flat网络对应一块物理网卡，如果有多个外部网络则需要多块物理网卡与之对应；当外部网络为vlan网络时，多个不同vlan的flat网络可以对应一块网卡。创建完成外部网络，可以查看到底层网桥上br-int与br-ex之间通过int-br-ex与phy-br-ex的patch port连接起来。

     创建完成外部网络的子网后，neutron会自动在br-ex网桥上分配一个port（qgxxx）。router interface 的命名规则如下： 1. 如果 interface 用于连接租户网络，命名格式为 qr-xxx（关联br-int网桥）；2. 如果 interface 用于连接外部网络，命名格式为 qg-xxx（关联br-ex网桥）。br-int与br-ex之间也是由一对patch port连接起来，主要用来承载VM进出外部网络的流量。网络架构整体描述如下：

       通过图上可以看出，一台VM想要访问外部网络，经过的路径为：qvbxxx（接口，存在vm自身tap设备关联的网桥上qbrxxx）→qvoxxx（接口，br-int网桥上）→qrxx接口（router接口）→int-br-ex（br-int网桥上）→phy-br-ex（br-ex网桥上）→qgxxx（br-ex网桥）→外部网络。qrxx与qgxx接口之间并不是直接通过router过来的，而是需要通过int-br-ex与phy-br-ex这对patch port间通过。其出网过程中，与linux-bridge实现方式一样，会进行SNAT转换，入网则用float ip模式进行DNAT转换。

3.1.6 Vxlan Network

配置准备：在/etc/neutron/plugins/ml2/ml2_conf.ini配置文件中使能vxlan、l2population，指定租户vxlan网络的配置范围。

设置租户创建网络类型为vxlan：

设置vxlan的范围：

设置agent的类型为vxlan。使能l2_population（目的是减少vxlan内隧道里的arp泛洪报文）

ovs中配置local_ip地址和对应网桥，没有指定网卡对应关系，通过对应的ip查找路由选择对应从哪块网卡出去（这点与linux-bridge的方法比较类似）：

其网络架构的网桥桥接模式与vlan网络比较类似，br-int网桥与br-tun网桥之间通过patch port互联（patch-tun~patch int）（如下）：

通过比较其底层的网络结构，与vlan网络大部分都比较类似，相对而言vxlan网络在br-tun网桥下会多创建一个port vxlanxxx（上面记录了本端与对端的VTEP IP），用来在控制节点与计算节点之间建立vxlan隧道。控制节点上：

计算节点上：

其网络结构如下所示：

      隧道建立起来了，VM之间的数据流量在整个过程是怎么转发呢？------这主要是依靠flow rule来指导进行转发，该部分也是很复杂的一部分内容，按照之前的例子分别查看br-int、br-tun的流表。

br-int的flow rule：

br-int 的 rule 看上去虽然多，其实逻辑很简单，br-int 被当作一个二层交换机，其重要的 rule 是下面这条：

cookie=0xaaa0e760a7848ec3, duration=52798.625s, table=0, n_packets=143, n_bytes=14594, idle_age=9415, priority=0 actions=NORMAL

此规则的含义是：根据 vlan 和 mac 进行转发。

br-tun 的 flow rule：（主要）

这些才是真正处理 VXLAN 数据包的 rule，其流程如下：

上图各方块中的数字对应 rule 中 table 的序号，下面分析各个table的功能与作用。

table 0：

cookie=0xaaa0e760a7848ec3, duration=76707.867s, table=0, n_packets=70, n_bytes=6600, idle_age=33324, hard_age=65534, priority=1,in_port=1 actions=resubmit(,2)

cookie=0xaaa0e760a7848ec3, duration=76543.287s, table=0, n_packets=56, n_bytes=4948, idle_age=33324, hard_age=65534, priority=1,in_port=2 actions=resubmit(,4)

cookie=0xaaa0e760a7848ec3, duration=76707.867s, table=0, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=65534, hard_age=65534, priority=0 actions=drop

结合如下port编号：

     table 0 flow rule 的含义为：（即第一条 rule 处理来自内部 br-int（这上面挂载着所有的网络服务，包括路由、DHCP 等）的数据；第二条 rule 处理来自外部 VXLAN 隧道的数据。）

1. 从 port 1（patch-int）进来的包，扔给 table 2 处理：actions=resubmit(,2)
2. 从 port 2（vxlan-a642100b）进来的包，扔给 table 4 处理：actions=resubmit(,4)

table 4：

cookie=0xaaa0e760a7848ec3, duration=76647.039s, table=4, n_packets=56, n_bytes=4948, idle_age=33324, hard_age=65534, priority=1,tun_id=0x64 actions=mod_vlan_vid:1,resubmit(,10)

table 4 flow rule 的含义为： 如果数据包的 VXLAN tunnel ID 为 100（tun_id=0x64），action 是添加内部 VLAN ID 1（tag=1），然后扔给 table 10 去学习。

table 10：

cookie=0xaaa0e760a7848ec3, duration=76707.865s, table=10, n_packets=56, n_bytes=4948, idle_age=33324, hard_age=65534, priority=1 actions=learn(table=20,hard_timeout=300,priority=1,cookie=0xaaa0e760a7848ec3,NXM_OF_VLAN_TCI[0..11],NXM_OF_ETH_DST[]=NXM_OF_ETH_SRC[],load:0->NXM_OF_VLAN_TCI[],load:NXM_NX_TUN_ID[]->NXM_NX_TUN_ID[],output:NXM_OF_IN_PORT[]),output:1

table 10 flow rule 的含义为： 学习外部（从 tunnel）进来的包，往 table 20 中添加对返程包的正常转发规则，然后从 port 1（patch-int）扔给 br-int。

rule 中下面的内容为学习规则，这里就不详细讨论了。

NXM_OF_VLAN_TCI[0..11],NXM_OF_ETH_DST[]=NXM_OF_ETH_SRC[],load:0->NXM_OF_VLAN_TCI[],load:NXM_NX_TUN_ID[]->NXM_NX_TUN_ID[],output:NXM_OF_IN_PORT[]

table 2：

cookie=0xaaa0e760a7848ec3, duration=76707.866s, table=2, n_packets=28, n_bytes=3180, idle_age=33324, hard_age=65534, priority=0,dl_dst=00:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=resubmit(,20)
cookie=0xaaa0e760a7848ec3, duration=76707.866s, table=2, n_packets=42, n_bytes=3420, idle_age=33379, hard_age=65534, priority=0,dl_dst=01:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=resubmit(,22)

table 2 flow rule 的含义为：

1. br-int 发过来数据如果是单播包，扔给 table 20 处理：resubmit(,20)
2. br-int 发过来数据如果是多播或广播包，扔 table 22 处理：resubmit(,22)

table 20：

cookie=0xaaa0e760a7848ec3, duration=76543.287s, table=20, n_packets=28, n_bytes=3180, idle_age=33324, hard_age=65534, priority=2,dl_vlan=1,dl_dst=fa:16:3e:fd:8a:ed actions=strip_vlan,set_tunnel:0x64,output:2

cookie=0xaaa0e760a7848ec3, duration=76707.865s, table=20, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=65534, hard_age=65534, priority=0 actions=resubmit(,22)

table 20 flow rule 的含义为：

1. 第一条规则就是 table 10 学习来的结果。内部 VLAN 号为 1（tag=1），目标 MAC 是 fa:16:3e:fd:8a:ed（virros-vm2）的数据包，即发送给 virros-vm2 的包，action 是去掉 VLAN 号，添加 VXLAN tunnel ID 100(十六进制 0x64)，并从 port 2 (tunnel 端口 vxlan-a642100b) 发出。
2. 对于没学习到规则的数据包，则扔给 table 22 处理。

table 22：

cookie=0xaaa0e760a7848ec3, duration=76543.282s, table=22, n_packets=2, n_bytes=84, idle_age=33379, hard_age=65534, dl_vlan=1 actions=strip_vlan,set_tunnel:0x64,output:2

cookie=0xaaa0e760a7848ec3, duration=76707.82s, table=22, n_packets=40, n_bytes=3336, idle_age=65534, hard_age=65534, priority=0 actions=drop

      table 22 flow rule 的含义为： 如果数据包的内部 VLAN 号为 1（tag=1），action 是去掉 VLAN 号，添加 VXLAN tunnel ID 100(十六进制 0x64)，并从 port 2 (tunnel 端口 vxlan-a642100b) 发出。匹配不上就丢弃。

      以上简单对流表进行了分析，可以看出是很复杂的，也是neutron学习过程中很烧脑的部分。此外，vxlan的float ip和routing和vlan网络类似，不再讲解。