Openvswitch总体架构与代码结构

一、Openvswitch的总体架构

Openvswitch的架构网上有如下的图表示：

每个模块都有不同的功能：

• ovs-vswitchd 为主要模块，实现交换机的守护进程daemon

在Openvswitch所在的服务器进行ps aux可以看到以下的进程

root 1008 0.1 0.8 242948 31712 ? S<Ll Aug06 32:17 ovs-vswitchd unix:/var/run/openvswitch/db.sock -vconsole:emer -vsyslog:err -vfile:info --mlockall --no-chdir --log-file=/var/log/openvswitch/ovs-vswitchd.log --pidfile=/var/run/openvswitch/ovs-vswitchd.pid --detach --monitor

注意这里ovs-vswitchd监听了一个本机的db.sock文件

• openvswitch.ko为Linux内核模块，支持数据流在内核的交换

我们使用lsmod列举加载到内核的模块：

~# lsmod | grep openvswitch

openvswitch 66901 0

gre 13808 1 openvswitch

vxlan 37619 1 openvswitch

libcrc32c 12644 2 btrfs,openvswitch

• ovsdb-server 轻量级数据库服务器，保存配置信息，ovs-vswitchd通过这个数据库获取配置信息

通过ps aux可以看到如下进程

root 985 0.0 0.0 21172 2120 ? S< Aug06 1:20 ovsdb-server /etc/openvswitch/conf.db -vconsole:emer -vsyslog:err -vfile:info --remote=punix:/var/run/openvswitch/db.sock --private-key=db:Open_vSwitch,SSL,private_key --certificate=db:Open_vSwitch,SSL,certificate --bootstrap-ca-cert=db:Open_vSwitch,SSL,ca_cert --no-chdir --log-file=/var/log/openvswitch/ovsdb-server.log --pidfile=/var/run/openvswitch/ovsdb-server.pid --detach –monitor

可以看出，ovsdb-server将配置信息保存在conf.db中，并通过db.sock提供服务，ovs-vswitchd通过这个db.sock从这个进程读取配置信息。

/etc/openvswitch/conf.db是json格式的，可以通过命令ovsdb-client dump将数据库结构打印出来。

数据库结构包含如下的表格。

数据库结构如下：

通过ovs-vsctl创建的所有的网桥，网卡，都保存在数据库里面，ovs-vswitchd会根据数据库里面的配置创建真正的网桥，网卡。

ovs-dpctl 用来配置switch内核模块。

ovs-vsctl 查询和更新ovs-vswitchd的配置。

ovs-appctl 发送命令消息，运行相关daemon。

ovs-ofctl 查询和控制OpenFlow交换机和控制器。

二、Openvswitch的代码结构

Openvwitch进行数据流交换的主要逻辑都是在ovs-vswitchd和openvswitch.ko里面实现的。

ovs-vswitchd会从ovsdb-server读取配置，然后调用ofproto层进行虚拟网卡的创建或者流表的操作。

Ofproto是一个库，实现了软件的交换机和对流表的操作。

Netdev层抽象了连接到虚拟交换机上的网络设备。

Dpif层实现了对于流表的操作。

对于OVS来讲，有以下几种网卡类型：

• 1). netdev: 通用网卡设备 eth0 veth

• 接收: 一个nedev在L2收到报文后回直接通过ovs接收函数处理，不会再走传统内核协议栈.

• 发送: ovs中的一条流指定从该netdev发出的时候就通过该网卡设备发送

• 2). internal: 一种虚拟网卡设备

• 接收: 当从系统发出的报文路由查找通过该设备发送的时候，就进入ovs接收处理函数

• 发送: ovs中的一条流制定从该internal设备发出的时候，该报文被重新注入内核协议栈

• 3). gre device: gre设备. 不管用户态创建多少个gre tunnel, 在内核态有且只有一个gre设备

• 接收: 当系统收到gre报文后，传递给L4层解析gre header, 然后传递给ovs接收处理函数

• 发送: ovs中的一条流制定从该gre设备发送, 报文会根据流表规则加上gre头以及外层包裹ip，查找路由发送

在如上的代码结构中，vswitchd中就是ovs-vswitchd的入口代码，ovsdb就是ovsdb-server的代码，ofproto即上述的中间抽象层，lib下面有netdev，dpif的实现，datapath里面就是内核模块openvswitch.ko的代码。

三、ovs-vswitchd和openvswitch.ko的交互方式netlink

datapath 运行在内核态，ovs-vswitchd 运行在用户态，两者通过netlink 通信。

netlink 是一种灵活和强大的进程间通信机制（socket），甚至可以沟通用户态和内核态。

netlink 是全双工的。作为socket，netlink 的地址族是AF_NETLINK（TCP/IP socket 的地址族是AF_INET）

目前有大量的通信场景应用了netlink，这些特定扩展和设计的netlink 通信bus，被定义为family。比如NETLINK_ROUTE、NETLINK_FIREWALL、NETLINK_ARPD 等。

因为大量的专用family 会占用了family id，而family id 数量自身有限（kernel 允许32个）；同时为了方便用户扩展使用，一个通用的netlink family 被定义出来，这就是generic netlink family。

要使用generic netlink，需要熟悉的数据结构包括genl_family、genl_ops 等。

下面写一个generic netlink的简单实例

定义family如下

1. /* attributes */

2. enum {

3. DOC_EXMPL_A_UNSPEC,

4. DOC_EXMPL_A_MSG,

5. __DOC_EXMPL_A_MAX,

6. };

7. #define DOC_EXMPL_A_MAX (__DOC_EXMPL_A_MAX - 1)

8. /* attribute policy */

9. static struct nla_policy doc_exmpl_genl_policy[DOC_EXMPL_A_MAX + 1] = {

10. [DOC_EXMPL_A_MSG] = { .type = NLA_NUL_STRING },

11. };

12. /* family definition */

13. static struct genl_family doc_exmpl_gnl_family = {

14. .id = GENL_ID_GENERATE,

15. .hdrsize = 0,

16. .name = "DOC_EXMPL",

17. .version = 1,

18. .maxattr = DOC_EXMPL_A_MAX,

19. };

定义op如下

1. /* handler */

2. int doc_exmpl_echo(struct sk_buff *skb, struct genl_info *info)

3. {

4. /* message handling code goes here; return 0 on success, negative values on failure */

5. }

6. /* commands */

7. enum {

8. DOC_EXMPL_C_UNSPEC,

9. DOC_EXMPL_C_ECHO,

10. __DOC_EXMPL_C_MAX,

11. };

12. #define DOC_EXMPL_C_MAX (__DOC_EXMPL_C_MAX - 1)

13. /* operation definition */

14. struct genl_ops doc_exmpl_gnl_ops_echo = {

15. .cmd = DOC_EXMPL_C_ECHO,

16. .flags = 0,

17. .policy = doc_exmpl_genl_policy,

18. .doit = doc_exmpl_echo,

19. .dumpit = NULL,

20. };

注册family 到generic netlink 机制

1. int rc;

2. rc = genl_register_family(&doc_exmpl_gnl_family);

3. if (rc != 0)

4. goto failure;

将操作注册到family

1. int rc;

2. rc = genl_register_ops(&doc_exmpl_gnl_family, &doc_exmpl_gnl_ops_echo);

3. if (rc != 0)

4.     goto failure;

Datapath是如何使用netlink的呢？

在dp_init()函数（datapath.c）中，调用dp_register_genl()完成对四种类型的family 以及相应操作的注册，包括datapath、vport、flow 和packet。

前三种family，都对应四种操作都包括NEW、DEL、GET、SET，而packet 的操作仅为EXECUTE。

对于flow这个family的定义如下：

1. static const struct nla_policy flow_policy[OVS_FLOW_ATTR_MAX + 1] = {

2.     [OVS_FLOW_ATTR_KEY] = { .type = NLA_NESTED },

3.     [OVS_FLOW_ATTR_ACTIONS] = { .type = NLA_NESTED },

4.     [OVS_FLOW_ATTR_CLEAR] = { .type = NLA_FLAG },

5. };

6. static struct genl_family dp_flow_genl_family = {

7.     .id = GENL_ID_GENERATE,

8.     .hdrsize = sizeof(struct ovs_header),

9.     .name = OVS_FLOW_FAMILY,

10.     .version = OVS_FLOW_VERSION,

11.     .maxattr = OVS_FLOW_ATTR_MAX,

12.     SET_NETNSOK

13. };

Flow相关的ops的定义如下：

1. static struct genl_ops dp_flow_genl_ops[] = {

2.     {

3.         .cmd = OVS_FLOW_CMD_NEW,

4.         .flags = GENL_ADMIN_PERM, /* Requires CAP_NET_ADMIN privilege. */

5.         .policy = flow_policy,

6.         .doit = ovs_flow_cmd_new_or_set

7.     },

8.     {

9.         .cmd = OVS_FLOW_CMD_DEL,

10.         .flags = GENL_ADMIN_PERM, /* Requires CAP_NET_ADMIN privilege. */

11.         .policy = flow_policy,

12.         .doit = ovs_flow_cmd_del

13.     },

14.     {

15.         .cmd = OVS_FLOW_CMD_GET,

16.         .flags = 0, /* OK for unprivileged users. */

17.         .policy = flow_policy,

18.         .doit = ovs_flow_cmd_get,

19.         .dumpit = ovs_flow_cmd_dump

20.     },

21.     {

22.         .cmd = OVS_FLOW_CMD_SET,

23.         .flags = GENL_ADMIN_PERM, /* Requires CAP_NET_ADMIN privilege. */

24.         .policy = flow_policy,

25.         .doit = ovs_flow_cmd_new_or_set,

26.     },

27. };

Ovs-vswitchd作为客户端如何使用netlink

Ovs-vswitchd 对于netlink 的实现，主要在lib/netlink-socket.c 文件中。

lib\dpif-provider.h定义了struct dpif_class {，包含一系列函数指针，例如open，close等。

真正的dpif_class有两种

一个是dpif-netdev.c中定义的const struct dpif_class dpif_netdev_class = {

1. const struct dpif_class dpif_netdev_class = {

2.     "netdev",

3.     dpif_netdev_init,

4.     dpif_netdev_enumerate,

5.     dpif_netdev_port_open_type,

6.     dpif_netdev_open,

7.     dpif_netdev_close,

8.     dpif_netdev_destroy,

9.     dpif_netdev_run,

10.     dpif_netdev_wait,

11.     dpif_netdev_get_stats,

12.     dpif_netdev_port_add,

13.     dpif_netdev_port_del,

14.     dpif_netdev_port_query_by_number,

15.     dpif_netdev_port_query_by_name,

16.     NULL, /* port_get_pid */

17.     dpif_netdev_port_dump_start,

18.     dpif_netdev_port_dump_next,

19.     dpif_netdev_port_dump_done,

20.     dpif_netdev_port_poll,

21.     dpif_netdev_port_poll_wait,

22.     dpif_netdev_flow_flush,

23.     dpif_netdev_flow_dump_create,

24.     dpif_netdev_flow_dump_destroy,

25.     dpif_netdev_flow_dump_thread_create,

26.     dpif_netdev_flow_dump_thread_destroy,

27.     dpif_netdev_flow_dump_next,

28.     dpif_netdev_operate,

29.     NULL, /* recv_set */

30.     NULL, /* handlers_set */

31.     dpif_netdev_pmd_set,

32.     dpif_netdev_queue_to_priority,

33.     NULL, /* recv */

34.     NULL, /* recv_wait */

35.     NULL, /* recv_purge */

36.     dpif_netdev_register_dp_purge_cb,

37.     dpif_netdev_register_upcall_cb,

38.     dpif_netdev_enable_upcall,

39.     dpif_netdev_disable_upcall,

40.     dpif_netdev_get_datapath_version,

41.     NULL, /* ct_dump_start */

42.     NULL, /* ct_dump_next */

43.     NULL, /* ct_dump_done */

44.     NULL, /* ct_flush */

45. };

一种是在dpif-netlink.c中，定义了const struct dpif_class dpif_netlink_class = {

1. const struct dpif_class dpif_netlink_class = {

2.     "system",

3.     NULL, /* init */

4.     dpif_netlink_enumerate,

5.     NULL,

6.     dpif_netlink_open,

7.     dpif_netlink_close,

8.     dpif_netlink_destroy,

9.     dpif_netlink_run,

10.     NULL, /* wait */

11.     dpif_netlink_get_stats,

12.     dpif_netlink_port_add,

13.     dpif_netlink_port_del,

14.     dpif_netlink_port_query_by_number,

15.     dpif_netlink_port_query_by_name,

16.     dpif_netlink_port_get_pid,

17.     dpif_netlink_port_dump_start,

18.     dpif_netlink_port_dump_next,

19.     dpif_netlink_port_dump_done,

20.     dpif_netlink_port_poll,

21.     dpif_netlink_port_poll_wait,

22.     dpif_netlink_flow_flush,

23.     dpif_netlink_flow_dump_create,

24.     dpif_netlink_flow_dump_destroy,

25.     dpif_netlink_flow_dump_thread_create,

26.     dpif_netlink_flow_dump_thread_destroy,

27.     dpif_netlink_flow_dump_next,

28.     dpif_netlink_operate,

29.     dpif_netlink_recv_set,

30.     dpif_netlink_handlers_set,

31.     NULL, /* poll_thread_set */

32.     dpif_netlink_queue_to_priority,

33.     dpif_netlink_recv,

34.     dpif_netlink_recv_wait,

35.     dpif_netlink_recv_purge,

36.     NULL, /* register_dp_purge_cb */

37.     NULL, /* register_upcall_cb */

38.     NULL, /* enable_upcall */

39.     NULL, /* disable_upcall */

40.     dpif_netlink_get_datapath_version, /* get_datapath_version */

41. #ifdef __linux__

42.     dpif_netlink_ct_dump_start,

43.     dpif_netlink_ct_dump_next,

44.     dpif_netlink_ct_dump_done,

45.     dpif_netlink_ct_flush,

46. #else

47.     NULL, /* ct_dump_start */

48.     NULL, /* ct_dump_next */

49.     NULL, /* ct_dump_done */

50.     NULL, /* ct_flush */

51. #endif

52. };

datapath 中对netlink family 类型进行了注册，ovs-vswitchd 在使用这些netlink family 之前需要获取它们的信息，这一过程主要在lib/dpif-netlink.c 文件（以dpif_netlink_class 为例），dpif_netlink_init ()函数。

1. static int

2. dpif_netlink_init(void)

3. {

4.     static struct ovsthread_once once = OVSTHREAD_ONCE_INITIALIZER;

5.     static int error;

6.     if (ovsthread_once_start(&once)) {

7.         error = nl_lookup_genl_family(OVS_DATAPATH_FAMILY,

8.                                       &ovs_datapath_family);

9.         if (error) {

10.             VLOG_ERR("Generic Netlink family '%s' does not exist. "

11.                      "The Open vSwitch kernel module is probably not loaded.",

12.                      OVS_DATAPATH_FAMILY);

13.         }

14.         if (!error) {

15.             error = nl_lookup_genl_family(OVS_VPORT_FAMILY, &ovs_vport_family);

16.         }

17.         if (!error) {

18.             error = nl_lookup_genl_family(OVS_FLOW_FAMILY, &ovs_flow_family);

19.         }

20.         if (!error) {

21.             error = nl_lookup_genl_family(OVS_PACKET_FAMILY,

22.                                           &ovs_packet_family);

23.         }

24.         if (!error) {

25.             error = nl_lookup_genl_mcgroup(OVS_VPORT_FAMILY, OVS_VPORT_MCGROUP,

26.                                            &ovs_vport_mcgroup);

27.         }

28.         ovsthread_once_done(&once);

29.     }

30.     return error;

31. }

完成这些查找后，ovs-vswitchd 即可利用dpif 中的api，通过发出这些netlink 消息给datapath，实现对datapath 的操作。