一、Openstack網(wǎng)絡基礎

下面對Openstack和Neutron的介紹，要從幾個關鍵詞入手。

1. 三代網(wǎng)絡

在網(wǎng)絡這一口，OpenStack經(jīng)歷了由nova-network到Quantum再到Neutron的演進過程。我們直觀地來看看三代網(wǎng)絡的對比分析：

1）Nova-network是隸屬于nova項目的網(wǎng)絡實現(xiàn)，它利用了linux-bridge（早期，目前也支持OVS）作為交換機，具備Flat、Flat DHCP、VLAN三種組網(wǎng)模式。優(yōu)點是性能出色，工作穩(wěn)定，支持multi-host部署以實現(xiàn)HA；缺點是網(wǎng)絡模塊不獨立，功能不夠靈活，組網(wǎng)模式也比較受限。

2）Quantum作為獨立的網(wǎng)絡管理項目出現(xiàn)在F版本，除了linux-bridge外還支持OVS，以及以及其他商業(yè)公司的插件，組網(wǎng)模式上增加了對GRE和VxLAN兩個Overlay技術的支持。優(yōu)點是功能靈活，支持大二層組網(wǎng)；缺點是集中式的網(wǎng)絡節(jié)點缺乏HA，而且各廠商插件無法同時在底層網(wǎng)絡中運行。

3）Neutron出現(xiàn)在H版本，由來是Quantum和一家公司的名稱沖突而改名。Neutron對Quantum的插件機制進行了優(yōu)化，將各個廠商L2插件中獨立的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)提取出來，作為公共的ML2插件存儲租戶的業(yè)務需求，使得廠商可以專注于L2設備驅動的實現(xiàn)，而ML2作為總控可以協(xié)調多廠商L2設備共同運行。Neutron繼承了Quantum對大二層的支持，還支持L2 PoP，DVR，VRRP，HA等關鍵功能，集成了很多L4-L7的網(wǎng)絡服務，一些blueprint也正在積極開發(fā)中，如SFC等。優(yōu)點是開始引入SDN思想，功能上更為豐富，網(wǎng)絡兼容性強；缺點是代碼結構復雜，工作不夠穩(wěn)定，HA機制仍缺乏大規(guī)模商用的檢驗。

從應用場景來看，Nova-network組網(wǎng)模式過于簡單，一些復雜的網(wǎng)絡需求無法實現(xiàn)（比如兩個公司合并，有大量IP重合的VM要遷移到一個平臺，而且要求遷移后都要用原來的IP）。不過由于其簡單穩(wěn)定的特點，仍適合于中小型企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境；Quantum的實際部署目前基本都跟進到了Neutron；Neutron的大二層組網(wǎng)，適合于云計算規(guī)模的生產(chǎn)環(huán)境，但是由于分布式和HA機制仍不夠成熟，因此目前多見于私有云和小規(guī)模共有云的部署，大規(guī)模的公有云仍然難以使用Neutron實現(xiàn)。

2. 四種組網(wǎng)模型

說完了基本特征與應用場景，下面開始對上述提到的一些網(wǎng)絡問題進行詳細的描述。我們拋開技術，結合圖例來抽象地看看不同的組網(wǎng)模型。當然，以下模型的實現(xiàn)不僅僅局限于三張圖中的方式。

1）Flat模型最為簡單，所有的虛擬機共用一個私有IP網(wǎng)段，IP地址在虛擬機啟動時完成注入，虛擬機間的通信直接通過HyperVisor中的網(wǎng)橋轉發(fā)，公網(wǎng)流量在該網(wǎng)段的網(wǎng)關上進行NAT（Nova-network實現(xiàn)為開啟nova-network主機內(nèi)核的iptables，Neutron實現(xiàn)為網(wǎng)絡節(jié)點上的l3-agent）。Flat DHCP模型與Flat區(qū)別在于網(wǎng)橋中開啟了DHCP進程，虛擬機通過DHCP消息獲得IP地址（Nova-network實現(xiàn)為nova-network主機中的dnsmaq，Neutron實現(xiàn)為網(wǎng)絡節(jié)點上的dhcp-agent）。

2）VLAN模型引入了多租戶機制，虛擬機可以使用不同的私有IP網(wǎng)段，一個租戶可以擁有多個IP網(wǎng)段。虛擬機IP通過DHCP消息獲取IP地址（Nova-network實現(xiàn)為nova-network主機中的dnsmaq，Neutron實現(xiàn)為網(wǎng)絡節(jié)點上的dhcp-agent）。網(wǎng)段內(nèi)部虛擬機間的通信直接通過HyperVisor中的網(wǎng)橋轉發(fā)，同一租戶跨網(wǎng)段通信通過網(wǎng)關路由，不同租戶通過網(wǎng)關上的ACL進行隔離，公網(wǎng)流量在該網(wǎng)段的網(wǎng)關上進行NAT（Nova-network實現(xiàn)為開啟nova-network主機內(nèi)核的iptables，Neutron實現(xiàn)為網(wǎng)絡節(jié)點上的l3-agent）。如果不同租戶邏輯上共用一個網(wǎng)關，則無法實現(xiàn)租戶間IP地址的復用。

3）Overlay模型（主要包括GRE和VxlAN隧道技術），相比于VLAN模型有以下改進。1）租戶數(shù)量從4K增加到16million；2）租戶內(nèi)部通信可以跨越任意IP網(wǎng)絡，支持虛擬機任意遷移；3）一般來說每個租戶邏輯上都有一個網(wǎng)關實例，IP地址可以在租戶間進行復用；4）能夠結合SDN技術對流量進行優(yōu)化。

3. 三類節(jié)點和三類網(wǎng)絡

看過抽象的組網(wǎng)模型，下面我們來介紹組網(wǎng)具體的實現(xiàn)技術。下面的介紹都是針對Neutron的，對nova-network和Quantum將不做討論。

1）3類節(jié)點——管理節(jié)點：實現(xiàn)鏡像、塊存儲、身份認證、前端等服務，運行nova-compute的調度模塊以及nova api-server；計算節(jié)點：實現(xiàn)nova-compute，以及neutron的各種agent（一般不包括l3-agent，DVR除外）；網(wǎng)絡節(jié)點，：實現(xiàn)neutron各種agent。注意，由于OpenStack為分布式架構實現(xiàn)，因此neutron-server既可以運行在控制節(jié)點，也可以運行在網(wǎng)絡節(jié)點。

2）3種網(wǎng)絡——OpenStack內(nèi)部模塊之間的交互發(fā)生在管理網(wǎng)絡，虛擬機之間的通信發(fā)生在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，而External Network/API Network網(wǎng)絡是連接外網(wǎng)的，無論是用戶調用Openstack API，還是虛擬機與外網(wǎng)間的互通都需要經(jīng)過這個網(wǎng)絡。

目前OpenStack通常采用out-of-bound方式進行部署，管理網(wǎng)絡與另外兩個網(wǎng)絡是獨立的，管理節(jié)點上一般也不會承載Openstack的業(yè)務流量，下面的分析中網(wǎng)絡只涉及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡與External Network/API Network網(wǎng)絡，節(jié)點只涉及計算節(jié)點和網(wǎng)絡節(jié)點。

4. 兩張圖例

有了以上知識作為基礎，就可以來分析Openstack中的網(wǎng)絡通信了。由于OpenStack中容器的通信機制目前尚不成熟，并且有專門的項目Kuryr去實現(xiàn)容器相關網(wǎng)絡技術，以下內(nèi)容將不涉及OpenStack中的容器通信。

以下將通過兩張圖來分析Neutron中的VLAN組網(wǎng)模型，HyperVisor中的網(wǎng)絡設備以OpenvSwitch為例。這三張圖中每一個信息都是有用的，把這些信息完全弄懂了，Neutron的組網(wǎng)也就能基本掌握了，Overlay模型與VLAN模型的區(qū)別只在于將圖中的br-eth1替換成br-tun即可，具體隧道如何進行封裝，稍后我們再詳細介紹。

第一張圖是計算節(jié)點上的網(wǎng)絡實現(xiàn)。以虛擬機發(fā)出流量方向為例，從虛擬機處開始分析：

1)流量經(jīng)由虛擬機IP內(nèi)核交給虛擬網(wǎng)卡處理，虛擬網(wǎng)卡由TAP軟件實現(xiàn)，TAP允許用戶態(tài)程序向內(nèi)核協(xié)議棧注入數(shù)據(jù)，它可以運行于虛擬機操作系統(tǒng)之上，能夠提供與硬件以太網(wǎng)卡完全相同的功能。

2)TAP設備并不是直接連接到OVS上的，而是通過linux bridge中繼到ovs br-int上，其原因在于ovs無法實現(xiàn)linux bridge中一些帶狀態(tài)的iptables規(guī)則，而這些規(guī)則往往用于以虛擬機為單位的安全組（security group）功能的實現(xiàn)。qbr是quantum bridge的縮寫，Neutron中沿用了Quantum的叫法。

3)linux bridge與ovs br int間的連接通過veth-pair技術實現(xiàn)，qvb代表quantum veth bridge，qvo代表quantum veth ovs。veth-pair用于連接兩個虛擬網(wǎng)絡設備，總是成對出現(xiàn)以模擬虛擬設備間的數(shù)據(jù)收發(fā)，其原理是反轉通訊數(shù)據(jù)的方向，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)會被轉換成需要收到的數(shù)據(jù)重新送入內(nèi)核網(wǎng)絡層進行處理。veth-pair與tap的區(qū)別可以簡單理解為veth-pair是軟件模擬的網(wǎng)線，而tap是軟件模擬的網(wǎng)卡。

4)ovs br-int是計算節(jié)點本地的虛擬交換設備，根據(jù)neutron-server中OVS Plugin的指導，完成流量在本地的處理：本地虛擬機送入的流量被標記本地VLAN tag，送到本地虛擬機的流量被去掉本地VLAN tag，本地虛擬機間的2層流量直接在本地轉發(fā)，本地虛擬機到遠端虛擬機、網(wǎng)關的流量由int-br-eth1送到ovs br-eth1上（在Overlay模型中送到ovs br-tun上）。注意，無論是VLAN模型還是Overlay模型，由于br-int上VLAN數(shù)量的限制，計算節(jié)點本地最多支持4K的租戶。

5)ovs br-int與ovs br-eth1間的連接通過veth-pair技術實現(xiàn)。

6)ovs br-eth1將該計算節(jié)點與其他計算節(jié)點、網(wǎng)絡節(jié)點連接起來，根據(jù)neutron-server中OVS Plugin的指導，完成流量送出、送入本地前的處理：根據(jù)底層物理網(wǎng)絡租戶VLAN與本地租戶VLAN間的映射關系進行VLAN ID的轉換（Overlay模型中此處進行隧道封裝，并進行VNI與本地租戶VLAN ID間的映射）。由于底層物理網(wǎng)絡中VLAN數(shù)量的限制，VLAN模型最多支持4K的租戶，而Overlay模型中，24位的VNI最多支持16million的租戶。

7)ovs br-eth1直接關聯(lián)物理宿主機的硬件網(wǎng)卡eth1，通過eth1將數(shù)據(jù)包送到物理網(wǎng)絡中。Overlay模型中ovs br-tun通過TUN設備對數(shù)據(jù)包進行外層隧道封裝并送到HyperVisor內(nèi)核中，內(nèi)核根據(jù)外層IP地址進行選路，從硬件網(wǎng)卡eth1將數(shù)據(jù)包送到物理網(wǎng)絡中。TUN與TAP的實現(xiàn)機制類似，區(qū)別在于TAP工作在二層，而TUN工作在三層。

第二張圖是網(wǎng)絡節(jié)點上的網(wǎng)絡實現(xiàn)，以流量流入網(wǎng)絡節(jié)點方向為例，從底層物理網(wǎng)絡流量通過eth1進入ovs br-eth1（Overlay模型中為ovs br-tun）開始分析：

1)ovs br-eth1將網(wǎng)絡節(jié)點與計算節(jié)點連接起來，根據(jù)neutron-server中OVS Plugin的指導，完成流量送入網(wǎng)絡節(jié)點前的處理：根據(jù)底層物理網(wǎng)絡租戶VLAN與本地租戶VLAN間的映射關系進行VLAN ID的轉換（Overlay模型中此處進行解封裝，并進行VNI與本地租戶VLAN ID間的映射）。注意，雖然同一租戶在底層物理網(wǎng)絡上的VLAN ID（Overlay模型中為VNI）唯一，但是在網(wǎng)絡節(jié)點與計算節(jié)點，不同計算節(jié)點中同一租戶對應的本地VLAN ID可能有所不同。另外由于網(wǎng)絡節(jié)點也要在ovs br-int上使用本地VLAN，而租戶跨網(wǎng)段流量與公網(wǎng)流量都要經(jīng)過網(wǎng)絡節(jié)點，因此使用單個網(wǎng)絡節(jié)點時，Neutron最多能支持4K租戶，可采用部署多個網(wǎng)絡節(jié)點的方式來解決這一問題。

2)送入網(wǎng)絡節(jié)點的流量，由ovs br-eth1（ovs br-tun）通過veth-pair送給ovs br-int，ovs br-int連接了本地不同的namespace，包括實現(xiàn)dhcp功能的dhcp-agent——dnsmasq，以及實現(xiàn)路由功能的l3-agent——router。Dnsmasq負責給對應租戶的虛擬機分配IP地址，而router負責處理租戶內(nèi)跨網(wǎng)段流量以及公網(wǎng)流量。不同的租戶有不同的dnsmasq和router實例，因此不同租戶間可以實現(xiàn)IP地址的復用。

3)Router namesapce通過qr接口（Quantum Router）接收到租戶內(nèi)跨網(wǎng)段流量以及公網(wǎng)流量，在ns的IP內(nèi)核中對跨網(wǎng)段流量進行路由，改寫MAC地址并通過相應的qr接口向ovs br-int送出數(shù)據(jù)包。在ns的IP內(nèi)核中對公網(wǎng)流量進行NAT，并通過qg接口（Quantum Gateway）發(fā)送給ovs br-ex。

4)Ovs br-ex通過關物理聯(lián)宿主機的硬件網(wǎng)卡eth1將流量送至Internet路由器。

5)上述兩幅圖中，ovs br-int與ovs br-ex間有直連，據(jù)說主要是防止l3-agent出現(xiàn)問題時能夠保證流量不中斷，但實際上看來很少出現(xiàn)此問題。

**5. Neutron網(wǎng)絡全家福

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上圖是在網(wǎng)上看過的更加細致，更為全面的一張圖（http://blog.csdn.net/canxinghen/article/details/46761591#comments），圖中清晰地展示了Neutron對多種L2技術（VLAN、VxLAN、GRE）共同運行的支持。圖中的mellonax是intel等硬件廠商搞出的具備轉發(fā)功能的網(wǎng)卡，能夠避免虛擬交換機帶來的資源消耗，并能夠加快轉發(fā)速率。一塊這樣的網(wǎng)卡能虛擬出63個VF，每個VF就好像一個獨立的物理網(wǎng)卡一樣，通過將VF直接掛到虛擬機上，能夠實現(xiàn)轉發(fā)性能的大幅度提高。

以上介紹了OpenStack中網(wǎng)絡組件的演進，以及Neutron組網(wǎng)的基本原理。下面我們將對Neutron的軟件實現(xiàn)進行簡單的介紹。

二、Nova虛擬機啟動時的網(wǎng)絡處理

設備啟動了，網(wǎng)絡有了，可是現(xiàn)在還沒有虛擬機。下面我們來看看nova虛擬機啟動時的網(wǎng)絡處理過程。

從頭開始講。虛擬機的啟動通常來自于控制節(jié)點命令行的nova boot，該命令被組裝成REST API送到nova-api。Nova-api與neutron-server干的是一樣的活：接收REST請求，調nova-scheduler跑一些調度機制，計算出虛擬機部署的位置，然后通過rpc與相應計算節(jié)點上的agent——nova-compute進行通信，而啟動虛擬機的實際工作由nova-compute完成。

當然，以上過程與網(wǎng)絡并沒有發(fā)生什么關系，這里不做深入分析，大家要是有興趣可參考http://www.linuxqq.net/archives/1277.html。

假定nova-compute已經(jīng)通過rpc收到了開始干活的命令，我們就從這里開始漫長的代碼分析。在此之前，先來看一看OpenStack組件層面的調用流程。這里借用OpenStack大神SammyLiu的一張圖吧，圖中1-6步驟依次做了這么幾件事：

1）Nova-compute向neutron-server請求虛擬機對應的Port資源。

2）Neutron-server根據(jù)neutron-database生成Port資源。

3）Neutron-server通知Dhcp agent虛擬機信息。

4）Dhcp agent將虛擬機信息通知給dhcp server。

5）虛擬機接入并啟動。

6）虛擬機從dhcp server處獲得IP地址。

最后一步就是傳統(tǒng)的dhcp的交互過程，這里就不講了，下面來看1-5的實現(xiàn)。時間有限，代碼不再一步步回溯了，詳見SDNLAB“網(wǎng)絡虛擬化”專題的后續(xù)文章，這里給出代碼的主體思路。

1）Nova-compute向neutron-server發(fā)送create_port的REST API請求，生成新的Port資源。

2）Neutron-server收到該REST請求，通過APIRouter路由到ML2的create_port方法。該方法中，獲得了neutron-database新生成的Port，并通知ML2 Mechanism Driver該Port的生成。

3）Nova-compute向neutron發(fā)送update_port的REST API請求，

4）Neutron-server收到該REST請求，通過APIRouter路由到ML2的update_port方法。該方法中，在neutron-database更新該Port的狀態(tài)，并根據(jù)ML2 Mechanism Driver的不同，決定后續(xù)的處理：若Mechanism Driver為hyperv/linuxbridge/ofagent/openvswitch，則需要通過ML2的update_port方法中執(zhí)行rpc遠程調用update_port；對于其余的Mechanism Driver，ML2的update_port方法調用其的update_port_postcommit方法進行處理，這些Mechanism Driver可能使用非rpc方式與自身的agent通信（如REST API、Netconf等）。

5）ML2執(zhí)行完update_port方法后，Port資源在wsgi中對應的Controller實例通過DhcpAgentNotifyAPI實例rpc通知給網(wǎng)絡節(jié)點上的dhcp agent（也可能通過一些調度機制通知給分布在計算節(jié)點上的dhcp agent）。

6）Dhcp agent收到該rpc通知，通過call_driver方法將虛擬機MAC與IP的綁定關系傳遞給本地的DHCP守護進程Dnsmaq。

7）Nova-compute通過libvirt driver的spawn方法將虛擬機接入網(wǎng)絡，然后啟動虛擬機。

到這里，虛擬機啟動過程中的網(wǎng)絡處理就都結束了，虛擬機間就可以開始通信了。下面開始介紹Neutron中OVS的流表邏輯，看看OVS是怎么支持虛擬機間的通信的。

三、Neutron的軟件實現(xiàn)

5. 5類Neutron組件

在架構設計上， Neutron沿用了OpenStack完全分布式的思想，各組件之間通過消息機制進行通信，使得Neutron中各個組件甚至各個進程都可以運行在任意的節(jié)點上，如下圖所示。這種微內(nèi)核的架構使得開發(fā)者可以集中精力在網(wǎng)絡業(yè)務的實現(xiàn)上。目前Neutron提供了眾多的插件與驅動，基本上可以滿足各種部署的需要，如果這些還難以支撐實際所需的環(huán)境，則可以方便地在Neutron的框架下擴展插件或驅動。

1）Neutron-server可以理解為一個專門用來接收Neutron REST API調用的服務器，然后負責將不同的rest api分發(fā)到不同的neutron-plugin上。

2）Neutron-plugin可以理解為不同網(wǎng)絡功能實現(xiàn)的入口，各個廠商可以開發(fā)自己的plugin。Neutron-plugin接收neutron-server分發(fā)過來的REST API，向neutron database完成一些信息的注冊，然后將具體要執(zhí)行的業(yè)務操作和參數(shù)通知給自身對應的neutron agent。

3）Neutron-agent可以直觀地理解為neutron-plugin在設備上的代理，接收相應的neutron-plugin通知的業(yè)務操作和參數(shù)，并轉換為具體的設備級操作，以指導設備的動作。當設備本地發(fā)生問題時，neutron-agent會將情況通知給neutron-plugin。

4）Neutron database，顧名思義就是Neutron的數(shù)據(jù)庫，一些業(yè)務相關的參數(shù)都存在這里。

5）Network provider，即為實際執(zhí)行功能的網(wǎng)絡設備，一般為虛擬交換機（OVS或者Linux Bridge）。

6 兩類Plugin

1）Core-plugin，Neutron中即為ML2（Modular Layer 2），負責管理L2的網(wǎng)絡連接。ML2中主要包括network、subnet、port三類核心資源，對三類資源進行操作的REST API被neutron-server看作Core API，由Neutron原生支持。其中：

2）Service-plugin，即為除core-plugin以外其它的plugin，包括l3 router、firewall、loadbalancer、VPN、metering等等，主要實現(xiàn)L3-L7的網(wǎng)絡服務。這些plugin要操作的資源比較豐富，對這些資源進行操作的REST API被neutron-server看作Extension API，需要廠家自行進行擴展。

最開始曾經(jīng)提到，“Neutron對Quantum的插件機制進行了優(yōu)化，將各個廠商L2插件中獨立的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)提取出來，作為公共的ML2插件存儲租戶的業(yè)務需求，使得廠商可以專注于L2設備驅動的實現(xiàn)，而ML2作為總控可以協(xié)調多廠商L2設備共同運行”。在Quantum中，廠家都是開發(fā)各自的Service-plugin，不能兼容而且開發(fā)重復度很高，于是在Neutron中就為設計了ML2機制，使得各廠家的L2插件完全變成了可插拔的，方便了L2中network資源擴展與使用。

ML2作為L2的總控，其實現(xiàn)包括Type和Mechanism兩部分，每部分又分為Manager和Driver。Type指的是L2網(wǎng)絡的類型（如Flat、VLAN、VxLAN等），與廠家實現(xiàn)無關。Mechanism則是各個廠家自己設備機制的實現(xiàn)，如下圖所示。當然有ML2，對應的就可以有ML3，不過在Neutron中L3的實現(xiàn)只負責路由的功能，傳統(tǒng)路由器中的其他功能（如Firewalls、LB、VPN）都被獨立出來實現(xiàn)了，因此暫時還沒有看到對ML3的實際需求。

===================== 代碼分析 =========================

一般而言，neutron-server和各neutron-plugin部署在控制節(jié)點或者網(wǎng)絡節(jié)點上，而neutron agent則部署在網(wǎng)絡節(jié)點上和計算節(jié)點上。我們先來簡單地分析控制端neutron-server和neutron-plugin的工作，然后再分析設備端neutron-agent的工作。

具體的代碼這次分享沒有時間講了，只能講個大致的輪廓和思路。有興趣深入研究的同志，可以關注SDNLAB上“網(wǎng)絡虛擬化”專題的后續(xù)更新。

（注意，以前廠商開發(fā)的L2 plugin跟ML2都存在于neutron/plugins目錄下，而可插拔的ML2設備驅動則存在于neutron/plugins/ml2/drivers目錄下）

**1. 控制端的實現(xiàn)

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從neutron-server的啟動開始說起。neutron-server的啟動入口在neutron.server.__init__中，主函數(shù)中主要就干了兩件事，第一是下圖l 48處啟動wsgi服務器監(jiān)聽Neutron REST API，第二是在l 52啟動rpc服務，用于core plugin與agent間的通信，兩類服務作為綠色線程并發(fā)運行。從SDN的角度來看，wsgi負責Neutron的北向接口，而Neutron的南向通信機制主要依賴于rpc來實現(xiàn)（當然，不同廠家的plugin可能有其它的南向通信機制）。

1）北向方面，Neutron的wsgi通過Paste工具進行模板化部署，它接收Neutron REST API的業(yè)務請求，然后通過APIRouter將其分發(fā)給對應的plugin。

2)Neutron內(nèi)部，plugin與數(shù)據(jù)庫交互，獲取業(yè)務的全局參數(shù)，然后通過rpc機制將操作與參數(shù)傳給設備上的Agent（某些plugin和ML2 Mechanism Driver通過別的方式與Agent通信，比如REST API、NETCONF等）。

3)RPC機制就可以理解為Neutron的南向通信機制，Neutron的RPC實現(xiàn)基于AMPQ模型，plugins和agents之間通常采用“發(fā)布——訂閱”模式傳遞消息，agents收到相應plugins的NotifyApi后，會回調設備本地的CallBack來操作設備，完成業(yè)務的底層部署。

2. 設備端的實現(xiàn)

控制端neutron-server通過wsgi接收北向REST API請求，neutron-plugin通過rpc與設備端進行南向通信。設備端agent則向上通過rpc與控制端進行通信，向下則直接在本地對網(wǎng)絡設備進行配置。Neutron-agent的實現(xiàn)很多，彼此之間也沒什么共性的地方，下面選取比較具有代表性的ovs-neutron-agent的實現(xiàn)進行簡單的介紹。

Ovs-neutron-agent的啟動入口為/neutron/plugins/openvswitch/agent/ovs-neutron-agent.py中的main方法，其中負責干活的兩行代碼在l 1471和l 1476。L 1471實例化了OVSNeutronAgent類，負責在本地配置OVS，而l 1476則啟動了與控制端的rpc通信。

OVSNeutronAgent的實例化過程中依次干了6個工作：啟動ovs br-int網(wǎng)橋；啟動rpc；啟動ovs br-eth1；啟動ovs br-tun；實例化OVSSecurityGroupAgent；開始rpc輪詢與監(jiān)聽。

rpc_loop做的工作主要就是輪詢一些狀態(tài)，根據(jù)這些狀態(tài)，進行相應的操作。比如一旦探測到本地的OVS重啟了（l 1295，l 1309），就重新創(chuàng)建本地的網(wǎng)橋（l 1294-1300），并重新添加port（l 1336）；再比如一旦rpc監(jiān)聽到update_port事件（l 1309），則在本地使能相應的port（l 1336）。

ovs-neutron-agent的啟動也就是這些工作了，啟動完畢后，便開始了與相應plugin（OVS Plugin或者OVS Mechanism Driver）的rpc通信。

================= 代碼分析 ====================

Neutron的軟件實現(xiàn)就簡單地介紹到這里了，下一節(jié)我們來具體看看Neutron中各個OVS上的流表邏輯是怎樣的。

**四、Neutron OVS上的流表分析

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在具體介紹OVS的工作機制之前，大家要先理解OVS并不是Neutron網(wǎng)絡實現(xiàn)的唯一選擇。

實際上，Neutron中底層網(wǎng)絡的實現(xiàn)千差萬別：有的agent本地是真正處理數(shù)據(jù)流的網(wǎng)絡設備（OVS，Router，LoadBalancer等），而有的agent本地是SDN控制器（如ODL、ONOS、OpenContrail、NSX等）。上述Neutron底層網(wǎng)絡的兩種模型示意如下。

第一種模型中Neutron相當于SDN控制器，plugin與agent間的通信機制（如rpc）就相當于簡單的南向協(xié)議。第二種模型中Neutron作為SDN應用，將業(yè)務需求告知SDN控制器，SDN控制器再通過五花八門的南向協(xié)議遠程控制網(wǎng)絡設備。當然，第二種模型中也可以把Neutron看做超級控制器或者網(wǎng)絡編排器，去完成OpenStack中網(wǎng)絡業(yè)務的集中分發(fā)。

以下我們講的是第一種模型中OVS處理數(shù)據(jù)流的工作機制。后一種模型中，SDN控制器也可以通過OpenFlow或者OVSDB來控制OVS處理數(shù)據(jù)流，對此本節(jié)暫時不進行討論，后續(xù)也會有文章會詳細介紹ODL和ONOS等SDN控制器對Openstack的支持。

================== 分隔線 ======================

以Overlay組網(wǎng)模型對OVS的工作機制進行介紹，具體分為兩個角度：OVS實現(xiàn)L2的基本連接，OVS對連接機制的優(yōu)化。

**（一）L2基本連接的實現(xiàn)

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復原一下通信場景，其中的網(wǎng)絡基礎請參考“OpenStack網(wǎng)絡基礎”一小節(jié)。圖中某租戶有兩個網(wǎng)段，分別用橙紅色和藍色表示，網(wǎng)段間的互通要經(jīng)過網(wǎng)絡節(jié)點中的Router，網(wǎng)段內(nèi)的通信不需要經(jīng)過網(wǎng)絡節(jié)點中的Router。網(wǎng)段間的互通可分為3步：橙紅色網(wǎng)段通過網(wǎng)段內(nèi)通信找到Router，Router進行路由，Router通過藍色網(wǎng)段的網(wǎng)段內(nèi)通信轉發(fā)給目的地。Router上的路由是linux內(nèi)核實現(xiàn)的，我們不去關心，因此可以說租戶內(nèi)部通信都是基于網(wǎng)段內(nèi)通信實現(xiàn)的。

Overlay模型中，網(wǎng)段內(nèi)通信涉及ovs br-int和ovs br-tun，計算節(jié)點和網(wǎng)絡節(jié)點中兩類網(wǎng)橋的實現(xiàn)沒有什么區(qū)別。概括地說，br-int負責在節(jié)點本地的網(wǎng)段內(nèi)通信，br-tun則負責節(jié)點間的網(wǎng)段內(nèi)通信。

在本節(jié)的場景內(nèi)br-int實現(xiàn)為普通的二層交換機，即完成VLAN標簽的增刪和正常的二層自學習與轉發(fā)，沒有必要進行過多的解釋，其代碼實現(xiàn)請參考“Neutron的軟件實現(xiàn)”中agent部分。

Br-tun采用多級流表實現(xiàn)節(jié)點間的網(wǎng)段內(nèi)通信，下面直接通過圖示來看br-tun中多級流表的設計。圖中流表的序號不是固定的，可在neutron.plugins.openvswitch.agent.common目錄下的constants.py文件中修改。

所有流經(jīng)br-tun的數(shù)據(jù)包首先進入Table 0進行處理。Table 0對數(shù)據(jù)包的來源進行判斷，從與br-int相連的patch-int進入的數(shù)據(jù)包交給Table 1處理，從GRE或者VxLAN端口（不同節(jié)點間的隧道有不同的Port_ID）進入的分別交給Table 2、Table 3處理。Table 1根據(jù)數(shù)據(jù)包目的MAC地址判斷是否為單播，是則送往Table 20，否則送往Table 21，Table 20根據(jù)（VLAN_ID，MAC）到（PORT_ID，TUNNEL_ID）的映射關系將單播包送到特定的隧道，Table 21將非單播包復制后送到所有隧道。進入Table 2或者Table 3的數(shù)據(jù)包，首先判斷TUNNE_ID是否合法，是則添加本地VLAN_ID并送往Table 10，否則丟棄。Table 10記錄數(shù)據(jù)包的VLAN_ID，MAC、入端口以及TUNNEL_ID，將（VLAN_ID，MAC）到（PORT_ID，TUNNEL_ID）的映射關系寫入Table 20，然后將數(shù)據(jù)包從與br-int相連的patch-int送出。

可見，上述過程就是標準MAC自學習在隧道中的擴展，無非就是將（VLAN_ID，MAC）到PORT_ID的映射變?yōu)榱耍╒LAN_ID，MAC）到（PORT_ID，TUNNEL_ID）的映射。這種自學習仍然要依賴于泛洪來完成，引入l2_population或者SDN控制器后可以避免掉泛洪。

（二）連接機制的優(yōu)化

OVS上，連接機制的優(yōu)化主要體現(xiàn)在l2_population機制，以及對DVR（Distributed Virtual Router，分布式L3-agent）的支持。

2.1 L2_population

虛擬機在通信前，會發(fā)送ARP請求去解析目的MAC與目的IP間的映射關系，這一過程需要發(fā)送二層的廣播包。由（一）中的介紹可知，這會導致隧道上的泛洪，這顯然是不能令人滿意的。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡中ARP依賴于廣播泛洪的原因在于沒有一個集中式的控制平面，而Neutron中的數(shù)據(jù)庫存有所有虛擬機MAC地址與IP地址間的映射，可以說是一個天然原生的控制平面。因此有人提出了將該映射關系注入到OVS本地，在本地處理ARP廣播，以避免隧道上的泛洪，這就是l2_population。

L2_population的實現(xiàn)并不復雜，就是在1介紹的流水線中增加一個ARP Table去處理ARP Request。ARP Table中會事先存好MAC與IP的映射關系，如果ARP Table中匹配ARP Request消息中的目的IP，則構造一個 ARP 響應包，從ARP Request的入端口返回給虛擬機。如果匹配失敗，則跳轉到 Table 21繼續(xù)泛洪。上述過程如下圖所示，之所以保留ARP Table到Table 21的跳轉，主要是為了防止l2_population出現(xiàn)問題。

L2_population的工作就是這么簡單，卻可以大大減少不合意的隧道泛洪。其實dhcp也存在類似的問題，如果只在網(wǎng)絡節(jié)點上放置dhcp-server，那么所有的DHCP DISCOVER消息都要靠隧道泛洪發(fā)送到網(wǎng)絡節(jié)點上。當然，dhcp消息的數(shù)量和產(chǎn)生頻率遠遠趕不上arp，問題也不會那么明顯。

解決dhcp存在的上述問題，一種思路是在Table 21上專門寫一條高優(yōu)先級的dhcp流表項去匹配dhcp廣播消息，并將所有的dhcp消息都封裝送到網(wǎng)絡節(jié)點的隧道。另外，也可以采用類似于l2_population的思路，從Table 1上專門寫一條高優(yōu)先級的dhcp流表項去匹配dhcp消息，這條流表項只需要將dhcp消息通過相應的端口轉交給dhcp namespace即可。之所以用namespace實現(xiàn)，是因為Dhcp消息封裝在應用層，OpenFlow流表無法直接支持dhcp消息的封裝，因此這個活得由分布在計算節(jié)點上的dhcp namespace來完成。

第一種思路優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，但是一旦網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)生單點故障，虛擬機便無法正常使用dhcp獲取IP，不過kilo版本中已經(jīng)有人在多個網(wǎng)絡節(jié)點中實現(xiàn)了dhcp_loadbalance（https://blueprints.launchpad.net/neutron/+spec/dhcpservice-loadbalancing）。第二種思路實現(xiàn)復雜一些，但能夠避免網(wǎng)絡節(jié)點單點故障帶來的問題，實現(xiàn)分布式dhcp。

2.2 DVR

上一小節(jié)簡略地提到了分布式的dhcp，這個工作社區(qū)有人提過但是反響并不是很大，而分布式的路由（Distributed Virtual Routing）卻很早就成為了社區(qū)的共識，并在Juno版本中給出了實現(xiàn)。

Neutron中Router用來實現(xiàn)同一租戶不同網(wǎng)段的虛擬機間的通信，這屬于東西向流量，具體可以分為兩種：1. 同一個物理節(jié)點上不同網(wǎng)段內(nèi)的虛機之間的通信；2. 不同物理節(jié)點上不同網(wǎng)段內(nèi)的虛機之間的通信。Router還用來實現(xiàn)虛擬機與Internet間的流量，這屬于南北向流量，具體也可分為兩種：1. 虛擬機訪問Internet的流量，通常需要經(jīng)過SNAT處理；2. Internet訪問虛擬機的流量，可能需要經(jīng)過DNAT處理。

在Neutron較早的版本中，上述流量都需要通過經(jīng)過網(wǎng)絡節(jié)點上的Router來處理，一旦網(wǎng)絡節(jié)點故障或者網(wǎng)絡節(jié)點上的Router掛掉了，上述類型的流量也就都丟掉了。解決這一問題也有很多種思路：

1）一種是通過部署多個網(wǎng)絡節(jié)點，在多個網(wǎng)絡節(jié)點間做調度的，不過這種很難實現(xiàn)各個Router本身狀態(tài)的一致性。

2）于是，就有了通過在Router間跑應用層面的VRRP來同步Router狀態(tài)，這種方式是很不錯的，VRRP協(xié)議也比較成熟。但是問題在于，大部分流量仍然需要“繞彎子”進行傳輸，如同一個物理節(jié)點上不同網(wǎng)段內(nèi)的虛機之間的通信可能需要到另一個物理節(jié)點的Router上處理。

3）再于是，DVR就出現(xiàn)了，通過把Router分布在各個計算節(jié)點中，各類流量都可以得到最優(yōu)的處理，也不會再有單點故障的問題了。

接下來對DVR的講解發(fā)生在下圖的場景中：某租戶有紅、綠兩個網(wǎng)段，兩臺虛擬機vm1、vm2分屬兩個網(wǎng)段，分別位于計算節(jié)點CN1、CN2，租戶擁有一個DVR路由器r1，分布在兩個計算節(jié)點之上。假定vm1已經(jīng)通過ARP獲得了CN 1中r1在紅色網(wǎng)段接口的MAC地址r1 red mac，現(xiàn)在vm1發(fā)起向vm2的ping request。

拋開流表的格式與下發(fā)的過程，先按照圖中序號來看一看DVR流表下發(fā)后通信各個階段的數(shù)據(jù)包特征。這里規(guī)定（源MAC，目的MAC，源IP，目的IP地址）為數(shù)據(jù)包的特征4元組。

1)vm1發(fā)出的ping包特征為(vm1 mac, r1 red mac, vm1 ip, vm2 ip)，該數(shù)據(jù)包送至br-int-cn1。

2)br-int-cn1在之前ARP過程中學到了r1 red mac所在端口，將ping包直接轉發(fā)給CN1中的r1。

3)r1進行路由，得知目的虛擬機連接在綠色網(wǎng)段上，而且r1中存有目的虛擬機的靜態(tài)ARP表項，不需要進行ARP解析。于是CN1中的r1通過其綠色網(wǎng)段接口將ping包重新送回br-int-cn1。此時ping包特征為(r1 grn mac, vm2 mac, vm1 ip, vm2 ip)，br-int-cn1還不知道vm2連在哪里，進行泛洪。

4)br-tun-cn1由br-int-cn1收到ping包，將源mac地址修改為全局唯一的dvr cn1 mac，并封裝好隧道，標記綠色網(wǎng)段的TUNNEL_ID，直接送往CN2。此時ping包被封裝在外層包頭內(nèi)，其特征為(dvr cn1 mac, vm2 mac, vm1 ip, vm2 ip)。

5)br-tun-cn2收到后去掉外層包頭，打上綠色網(wǎng)段的本地VLAN標簽，送給br-int-cn2，此時ping包特征仍為(dvr cn1 mac, vm2 mac, vm1 ip, vm2 ip)。

6)br-int-cn2識別出這是CN1經(jīng)過綠色網(wǎng)段送過來的流量，于是將源mac地址改回r1 grn mac并剝掉VLAN標簽。br-int-cn2還不知道vm2連在哪里，就將ping包泛洪。此時ping包特征為(r1 grn mac, vm2 mac, vm1 ip, vm2 ip)。

7)vm2收到ping request，回復ping echo，反向的通信過程和上述基本一致。

上述步驟給出了通信的外在特征，下面說明某些步驟內(nèi)在的實現(xiàn)原理。

1)“r1中存有目的虛擬機的靜態(tài)ARP表項”，是因為各個部署了DVR的計算節(jié)點中，l3-agent都事先從neutron數(shù)據(jù)庫中獲取了虛擬機的網(wǎng)絡信息，直接注入到了r1中。這是為了防止r1跨隧道泛洪獲取vm2的MAC地址（可以通過l2_population來實現(xiàn)）。

2)“將源mac地址修改為全局唯一的dvr cn1 mac”，是因為在所有計算節(jié)點上，r1位于相同網(wǎng)段的接口mac地址是一致的，即CN1上的r1 red/grn mac與CN2上的r1 red/grn mac一致。因此為了防止對端br-tun上的混亂， Neutron為每個部署了DVR的計算節(jié)點分配了全局唯一的dvr mac地址，br-tun在進行隧道傳輸前都需要進行源MAC地址的改寫。

“并封裝好隧道，標記綠色網(wǎng)段的TUNNEL_ID，直接送往CN2”，DVR要求開啟l2_population事先學習（VLAN_ID，MAC）到（PORT_ID，TUNNEL_ID）的映射，以避免隧道上的泛洪。

3)br-tun-cn2解封裝后，判斷流量由dvr cn1送過來，不進行自學習，直接將流量送給br-int-cn2。

4)br-int-cn2中實現(xiàn)存有所有部署了DVR的計算節(jié)點的全局唯一的MAC地址，因而可以識別dvr cn1送過來的流量，完成源MAC地址的回寫后進行轉發(fā)。

流表的邏輯跳轉圖如下所示（注意，某些Table的ID發(fā)生了變化，且未表示l2_population）。

Table 0對數(shù)據(jù)包的來源進行判斷，從與br-int相連的patch-int進入的數(shù)據(jù)包交給Table 1處理，從VxLAN端口（以VxLAN為例）進入的交給Table 4處理。Table 1判斷數(shù)據(jù)包是否為發(fā)向r1的ARP，或者其他發(fā)給r1的二層幀，如果是則丟棄（為了保證虛擬機送到r1的數(shù)據(jù)包只在本地轉發(fā)）。如果Table 1判斷數(shù)據(jù)包是由r1發(fā)出來的，則將源mac地址改為CN1的dvr mac地址（為了避免對端br-tun上的混亂），然后送往Table 2。Table 2根據(jù)數(shù)據(jù)包目的MAC地址判斷是否為單播，是則送往Table 20，否則送往Table 21。Table 20根據(jù)（VLAN_ID，MAC）到（PORT_ID，TUNNEL_ID）的映射關系將單播包送到特定的隧道，該映射關系可事先通過L2_populaiton學習到，也可以通過Table 10的觸發(fā)學習到。Table 21將非單播包復制后送到所有隧道。進入Table4的數(shù)據(jù)包，首先判斷TUNNE_ID是否合法，是則添加本地VLAN_ID并送往Table 9，否則丟棄。Table 9判斷數(shù)據(jù)包源mac地址是否屬于dvr mac地址（由于示例場景比較簡單，圖中示例流表只匹配了CN2的dvr-cn2-mac），如果是直接送給br-int-cn1處理，否則轉給Table 10進行學習。Table 10記錄數(shù)據(jù)包的VLAN_ID，MAC以及TUNNEL_ID，將（VLAN_ID，MAC）到（PORT_ID，TUNNEL_ID）的映射關系寫入Table 20，然后從與br-int相連的patch-int送出。下面給出各個流表項的標注，其中紅色的為新增的DVR表項。

DVR對于南北向流量的處理有兩種模型，第一種是SNAT在節(jié)點本地完成，第二種是SNAT仍需要到網(wǎng)絡節(jié)點進行，兩種模型分別示意如下。在節(jié)點本地進行SNAT則需要在計算節(jié)點的qr上為虛擬機分配浮動IP地址，而在網(wǎng)絡節(jié)點完成SNAT比較節(jié)省公網(wǎng)IP資源，具體選擇哪種模型，要視用戶實際的業(yè)務需求而定。

講到這里，對Neutron OVS上的流表分析就結束了。

審核編輯：郭婷