OpenvSwitch概念和原理

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1 什么是OpenvSwitch

OpenvSwitch,简称OVS是一个虚拟交换软件,主要用于虚拟机VM环境,作为一个虚拟交换机,支持Xen/XenServer, KVM, and VirtualBox多种虚拟化技术。


在这种某一台机器的虚拟化的环境中,一个虚拟交换机(vswitch)主要有两个作用:传递虚拟机VM之间的流量,以及实现VM和外界网络的通信。


整个OVS代码用C写的。目前有以下功能:

Standard 802.1Q VLAN model with trunk and access ports
NIC bonding with or without LACP on upstream switch
NetFlow, sFlow(R), and mirroring for increased visibility
QoS (Quality of Service) configuration, plus policing
GRE, GRE over IPSEC, VXLAN, and LISP tunneling
802.1ag connectivity fault management
OpenFlow 1.0 plus numerous extensions
Transactional configuration database with C and Python bindings
High-performance forwarding using a Linux kernel module
2 OpenvSwitch的组成ovs-vswitchd:守护程序,实现交换功能,和Linux内核兼容模块一起,实现基于流的交换flow-based switching。
ovsdb-server:轻量级的数据库服务,主要保存了整个OVS的配置信息,包括接口啊,交换内容,VLAN啊等等。ovs-vswitchd会根据数据库中的配置信息工作。
ovs-dpctl:一个工具,用来配置交换机内核模块,可以控制转发规则。
ovs-vsctl:主要是获取或者更改ovs-vswitchd的配置信息,此工具操作的时候会更新ovsdb-server中的数据库。
ovs-appctl:主要是向OVS守护进程发送命令的,一般用不上。
ovsdbmonitor:GUI工具来显示ovsdb-server中数据信息。
ovs-controller:一个简单的OpenFlow控制器
ovs-ofctl:用来控制OVS作为OpenFlow交换机工作时候的流表内容。 3 OpenvSwitch和其他vswitch

这里其他的vswitch,包括VMware vNetwork distributed switch以及思科的Cisco Nexus 1000V。


VMware vNetwork distributed switch以及思科的Cisco Nexus 1000V这种虚拟交换机提供的是一个集中式的控制方式,。而OVS则是一个独立的vswitch,他运行在每个实现虚拟化的物理机器上,并提供远程管 理。OVS提供了两种在虚拟化环境中远程管理的协议:一个是OpenFlow,通过流表来管理交换机的行为,一个是OVSDB management protocol,用来暴露sietch的port状态。


(二)-概念及工作流程1



1 vswitch、Bridge、Datapath

在网络中,交换机和桥都是同一个概念,OVS实现了一个虚拟机的以太交换机,换句话说,OVS也就是实现了一个以太桥。那么,在OVS中,给一个交换机,或者说一个桥,用了一个专业的名词,叫做DataPath!


要了解,OVS如何工作,首先需要知道桥的概念。


网桥也叫做桥接器,连接两个局域网的设备,网桥工作在数据链路层,将两个LAN连接,根据MAC地址来转发帧,可以看成一个“低层的路由器”(路由器工作在网络层,根据IP地质进行转发)。

1.1 网桥的工作原理

网桥处理包遵循以下几条规则:

在一个接口上接收到的包不会再往那个接口上发送此包。
每个接收到的包都要学习其源MAC地址。
如果数据包是多播或者广播包(通过2层MAC地址确定)则要向接收端口以外的所有端口转发,如果上层协议感兴趣,则还会递交上层处理。
如果数据包的地址不能再CAM表中找到,则向接收端口以外的其他端口转发。
如果CAM表中能找到,则转发给相应端口,如果发送和接收都是统一端口,则不发送。

注意,网桥是以混杂模式工作的。关于网桥更多,请查阅相关资料。


2 OVS中的bridge

上面,说到,一个桥就是一个交换机。在OVS中,


ovs-vsctl add-br brname(br-int)
[email protected]:~# ifconfig
br-intLink encap:EthernetHWaddr 1a:09:56:ea:0b:49
inet6 addr: fe80::1809:56ff:feea:b49/64 Scope:Link
UP BROADCAST RUNNING MULTICASTMTU:1500Metric:1
RX packets:1584 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:6 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:0
RX bytes:316502 (316.5 KB)TX bytes:468 (468.0 B)

当我们创建了一个交换机(网桥)以后,此时网络功能不受影响,但是会产生一个虚拟网卡,名字就是brname,之所以会产生一个虚拟网卡,是为了实现接下 来的网桥(交换机)功能。有了这个交换机以后,我还需要为这个交换机增加端口(port),一个端口,就是一个物理网卡,当网卡加入到这个交换机之后,其 工作方式就和普通交换机的一个端口的工作方式类似了。


ovs-vsctl add-port brname port

这里要特别注意,网卡加入网桥以后,要按照网桥的工作标准工作,那么加入的一个端口就必须是以混杂模式工作,工作在链路层,处理2层的帧,所以这个port就不需要配置IP了。(你没见过哪个交换的端口有IP的吧)


那么接下来你可能会问,通常的交换机不都是有一个管理接口,可以telnet到交换机上进行配置吧,那么在OVS中创建的虚拟交换机有木有这种呢,有的! 上面既然创建交换机brname的时候产生了一个虚拟网口brname,那么,你给这个虚拟网卡配置了IP以后,就相当于给交换机的管理接口配置了IP, 此时一个正常的虚拟交换机就搞定了。


ip address add 192.168.1.1/24 dev brname

最后,我们来看看一个br的具体信息:


[email protected]:~# ovs-vsctl show
bc12c8d2-6900-42dd-9c1c-30e8ecb99a1b
Bridge "br0"
Port "eth0"
Interface "eth0"
Port "br0"
Interface "br0"
type: internal
ovs_version: "1.4.0+build0"

首先,这里显示了一个名为br0的桥(交换机),这个交换机有两个接口,一个是eth0,一个是br0,上面说到,创建桥的时候会创建一个和桥名字一样的 接口,并自动作为该桥的一个端口,那么这个虚拟接口的作用,一方面是可以作为交换机的管理端口,另一方面也是基于这个虚拟接口,实现了桥的功能。


概念及工作流程2


这一部分我以一个简单的例子,说明在虚拟化环境中OpenvSwitch的典型工作流程。



前面已经说到,OVS主要是用来在虚拟化环境中。虚拟机之间一个虚拟机和外网之间的通信所用,如下是一个典型的结构图:


那么,通常情况下的工作流程如下:


1 VM实例instance产生一个数据包并发送至实例内的虚拟网络接口VNIC,图中就是instance中的eth0.
2 这个数据包会传送到物理节点上的VNIC接口,如图就是vnet接口。
3 数据包从vnet NIC出来,到达桥(虚拟交换机)br100上.
4 数据包经过交换机的处理,从物理节点上的物理接口发出,如图中物理节点上的eth0.
5 数据包从eth0出去的时候,是按照物理节点上的路由以及默认网关操作的,这个时候该数据包其实已经不受你的控制了。

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