觉得OpenStack的网络复杂？其实你家里就有同样一个网络

刘超刘超的通俗云计算 2019-03-29

当你想了解OpenStack的Neutron网络，打开下面这张图的时候，心里一定是崩溃的，看起来这些模块连在一起很复杂，但其实和你家里的网络很像，看不出来？看我来慢慢解析。

其实这个网络的样子更像是我上大学的时候的寝室里面的网络。

作为一个已到中年的80后，在两千年初上大学的时候，当时家用路由器的价格还很高，所以我们寝室买不起家用路由器，只好买一个hub，将整个寝室的四台电脑连接起来，整个寝室只有一个对外网口，于是寝室长的电脑需要买两张网卡(当时买另外一张网卡是需要整个寝室分摊钱的)，一张连接外网网口，一张连接Hub，其实是充当路由器的作用，其他的室友的网线都插到Hub上，任何一个人要上外网，必须把寝室长的电脑打开才可以。

整个寝室的网络拓扑结构如下：

如果是现在家里有路由器的，拓扑架构如下：

家里的路由器一般都会有DHCP功能，家里的设备只要连接到路由器，就会自动被分配一个IP地址，家里的路由器会有一个内网IP地址192.168.1.1，

家里的电脑的网关一般就设置为这个地址，当家里的电脑上网的时候，也是通过路由器，从公网口出去到互联网上访问。

接下来，我们将整个寝室放在一台物理机里面，虚拟机是你的电脑，路由器和DHCP Server相当于家用路由器或者寝室长的电脑，外网网口访问互联网，所有的电脑都通过内网网口连接到一个Hub上，名为br-int，虚拟机要想访问互联网，需要通过Hub br-int连到路由器上，然后通过路由器将请求转发到公网。

接下来的事情就惨了，你和你的寝室长闹矛盾了，你们要分开宿舍住，分成两个宿舍，对应上面的图，路由器和VM分在两台物理机上，这下把一个完整的br-int一刀两断，一半放在寝室长宿舍，一半放在你的宿舍。

可是只有你的寝室长有公网口可以上网，于是你偷偷的在两个宿舍中间打了一个隧道，用网线通过隧道将两个宿舍的两个br-int连接起来，让你的电脑和你寝室长的电脑感觉上，还是连到同一个br-int上，其实中间通过你的隧道中的网线做了转发。

为什么要多一个br-tun这个虚拟交换机呢？主要通过br-int这一层将虚拟机之间的互联和主机之间的互联分成两层来设计，tun的意思就是tunnel，就是隧道，隧道可以各种挖法，GRE，VXLAN都可以。

如果两个寝室之间的互联是通过VLAN，则结构如下：

这两个加起来，是不是最上面的那张图了。

接下来我们详细解读各个部分：

一、tap/tun设备

将guest system的网络和host system的网络连在一起

Tun/tap驱动程序中包含两个部分，一部分是字符设备驱动，还有一部分是网卡驱动部分

二、Openvswitch的基本概念

br-int & br-tun由Openvswitch实现

Openvswitch是一个virutal switch，支持Open Flow协议，当然也有一些硬件Switch也支持Open Flow协议，他们都可以被统一的Controller管理，从而实现物理机和虚拟机的网络联通。

Openvswitch创建出来的虚拟交换机会保存很多Flow Table包含许多entry，每个entry是对packet进行处理的规则

Match Field涵盖TCP/IP协议各层：

Layer 1 – Tunnel ID, In Port, QoS priority, skb mark
Layer 2 – MAC address, VLAN ID, Ethernet type
Layer 3 – IPv4/IPv6 fields, ARP
Layer 4 – TCP/UDP, ICMP, ND

Action也主要包含下面的操作：

Output to port (port range, flood, mirror)
Discard, Resubmit to table x
Packet Mangling (Push/Pop VLAN header, TOS, ...)
Send to controller, Learn

这些Flow Table可以通过OpenFlow协议进行增删查改。

这些FlowTable里面的规则执行顺序安装Table的优先级来，高优先级的先执行，低优先级的后执行，执行过程中可任意修改网络包的内容，修改完毕后，可以扔给另一个Table，也可以直接output从一个虚拟口将包发出来。

三、解析br-int

br-int主要使用openvswitch中port的vlan功能

Port的一个重要的方面就是VLAN Configuration，有两种模式：

模式一：trunk port

这个port不配置tag，配置trunks
如果trunks为空，则所有的VLAN都trunk，也就意味着对于所有的VLAN的包，本身带什么VLAN ID，就是携带者什么VLAN ID，如果没有设置VLAN，就属于VLAN 0，全部允许通过。
如果trunks不为空，则仅仅带着这些VLAN ID的包通过。

模式二：access port

这个port配置tag，从这个port进来的包会被打上这个tag
如果从其他的trunk port中进来的本身就带有VLAN ID的包，如果VLAN ID等于tag，则会从这个port发出
从其他的access port上来的包，如果tag相同，也会被forward到这个port
从access port发出的包不带VLAN ID
如果一个本身带VLAN ID的包到达access port，即便VLAN ID等于tag，也会被抛弃。

例如要创建如下的虚拟网络和虚拟交换机

执行以下的命令

ovs-vsctl add-br ubuntu_br

ip link add first_br type veth peer name first_if

ip link add second_br type veth peer name second_if

ip link add third_br type veth peer name third_if

ovs-vsctl add-port ubuntu_br first_br

ovs-vsctl add-port ubuntu_br second_br

ovs-vsctl add-port ubuntu_br third_br

ovs-vsctl set Port vnet0 tag=101

ovs-vsctl set Port vnet1 tag=102

ovs-vsctl set Port vnet2 tag=103

ovs-vsctl set Port first_br tag=103

ovs-vsctl clear Port second_br tag

ovs-vsctl set Port third_br trunks=101,102

需要监听ARP，所以禁止MAC地址学习

ovs-vsctl set bridge ubuntu_br flood-vlans=101,102,103

实验结果如下：

从192.168.100.102来ping 192.168.100.103，应该first_if和second_if能够收到包

从192.168.100.100在ping 192.168.100.105, 则second_if和third_if可以收到包

从192.168.100.101来ping 192.168.100.104, 则second_if和third_if可以收到包

四、解析br-tun

br-tun主要使用openvswitch的tunnel功能和Flow功能。

Openvswitch支持三类Tunnel：gre，vxlan，ipsec_gre。

命令分别如下：

ovs-vsctl add-br testbr

ovs-vsctl add-port testbr gre0 -- set Interface gre0 type=gre options:local_ip=192.168.100.100 options:remote_ip=192.168.100.101

ovs-vsctl add-port testbr vxlan0 -- set Interface vxlan0 type=vxlan options:local_ip=192.168.100.100 options:remote_ip=192.168.100.102

ovs-vsctl add-port testbr ipsec0 -- set Interface ipsec0 type=ipsec_gre options:local_ip=192.168.100.101 options:remote_ip=192.168.100.102 options:psk=password

对于Flow Table的管理，由ovs-ofctl来控制

add−flow switch flow
mod−flows switch flow
del−flows switch [flow]

主要控制两类

Match Field
Actions

对于Match Field，不同网络层的表示方式不同，如下：

Actions有以下几类：

output:port 和 output:NXM_NX_REG0[16..31]
enqueue:port:queue
mod_vlan_vid:vlan_vid
strip_vlan
mod_dl_src:mac 和 mod_dl_dst:mac
mod_nw_src:ip 和 mod_nw_dst:ip
mod_tp_src:port 和 mod_tp_dst:port
set_tunnel:id
resubmit([port],[table])
move:src[start..end]−>dst[start..end]
load:value−>dst[start..end]
learn(argument[,argument]...)

我们模拟创建一个如下的网络拓扑结构，模拟OpenStack里面的行为

Flow Table的设计如下：

下面详细描述FlowTable的添加过程，OpenStack也是这样一个个规则添加进去的。

(1) 删除所有的Flow

ovs-ofctl del-flows br-tun

(2) Table 0

从port 1进来的，由table 1处理

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=1 in_port=1 actions=resubmit(,1)"

从port 2/3进来的，由Table 3处理

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=1 in_port=2 actions=resubmit(,3)"

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=1 in_port=3 actions=resubmit(,3)"

默认丢弃

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=0 actions=drop"

(3) Table 1

对于单播，由table 20处理

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=1 table=1 dl_dst=00:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=resubmit(,20)"

对于多播，由table 21处理

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=1 table=1 dl_dst=01:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=resubmit(,21)"

(4) Table 2

默认丢弃

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=0 table=2 actions=drop"

(5) Table 3

默认丢弃

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=0 table=3 actions=drop"

Tunnel ID -> VLAN ID

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=1 table=3 tun_id=0x1 actions=mod_vlan_vid:1,resubmit(,10)"

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=1 table=3 tun_id=0x2 actions=mod_vlan_vid:2,resubmit(,10)"

(6) Table 10

MAC地址学习

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=1 table=10 actions=learn(table=20,priority=1,hard_timeout=300,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是用来学习MAC地址的，学习的结果放在Table 20里面，Table20被称为MAC learning table
NXM_OF_VLAN_TCI这个是VLAN Tag，在MAC Learning table中，每一个entry都是仅仅对某一个VLAN来说的，不同VLAN的learning table是分开的。在学习的结果的entry中，会标出这个entry是对于哪个VLAN的。
NXM_OF_ETH_DST[]=NXM_OF_ETH_SRC[]这个的意思是当前包里面的MAC Source Address会被放在学习结果的entry里面的dl_dst里面。这是因为每个switch都是通过Ingress包来学习，某个MAC从某个port进来，switch就应该记住以后发往这个MAC的包要从这个port出去，因而MAC source address就被放在了Mac destination address里面，因为这是为发送用的。
load:0->NXM_OF_VLAN_TCI[]意思是发送出去的时候，vlan tag设为0，所以结果中有actions=strip_vlan
load:NXM_NX_TUN_ID[]->NXM_NX_TUN_ID[]意思是发出去的时候，设置tunnel id，进来的时候是多少，发送的时候就是多少，所以结果中有set_tunnel:0x3e9
output:NXM_OF_IN_PORT[]意思是发送给哪个port，由于是从port2进来的，因而结果中有output:2

(7) Table 20

这个是MAC Address Learning Table，如果不空就按照规则处理

如果为空，就使用默认规则，交给Table 21处理

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=0 table=20 actions=resubmit(,21)"

(8) Table 21

默认丢弃

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=0 table=21 actions=drop"

VLAN ID -> Tunnel ID

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=1table=21dl_vlan=1 actions=strip_vlan,set_tunnel:0x1,output:2,output:3"

ovs-ofctl add-flow br-tun "hard_timeout=0 idle_timeout=0 priority=1table=21dl_vlan=2 actions=strip_vlan,set_tunnel:0x2,output:2,output:3"

五、解析Router

使用namespace中的routing table

ip netns exec qrouter-5a74908c-712c-485c-aa9f-6c1e8b57e3e1 route -n

Kernel IP routing table

Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface

0.0.0.0 16.158.164.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 qg-52de6441-db

10.0.0.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 0 0 0 qr-e0967604-78

16.158.164.0 0.0.0.0 255.255.252.0 U 0 0 0 qg-52de6441-db

Floating IP使用namespace中的iptables的nat

ip netns exec qrouter-5a74908c-712c-485c-aa9f-6c1e8b57e3e1 iptables -t nat -nvL

六、解析br-ex

将namespace中的网络和namespace外的网络连接起来

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