19 November 2014

在云计算如火如荼的现今,云网络也一起得到了突飞猛进的发展。而Open Switch作为构建虚拟网的核心工具,也频频出现在各种云平台中。本文深入介绍一下Open vSwitch的内部实现。

概念

Open vSwitch中许多网络上的概念与平时接触到的不同,这里介绍一下Open vSwitch中用到的一些名词及概念。

Packet (数据包)

网络转发的最小数据单元,每个包都来自某个端口,最终会被发往一个或多个目标端口,转发数据包的过程就是网络的唯一功能。

Bridge (网桥)

Open vSwitch中的网桥对应物理交换机,其功能是根据一定流规则,把从端口收到的数据包转发到另一个或多个端口。

Port (端口)

端口是收发数据包的单元。Open vSwitch中,每个端口都属于一个特定的网桥。端口收到的数据包会经过流规则的处理,发往其他端口;也会把其他端口来的数据包发送出去。Open vSwitch支持的端口有以下几种:

  • Normal Port: 用户可以把操作系统中的网卡绑定到Open vSwitch上,Open vSwitch会生成一个普通端口处理这块网卡进出的数据包。

  • Internal Port: 当设置端口类型为internal,Open vSwitch会创建一快虚拟网卡,此端口收到的所有数据包都会交给这块网卡,网卡发出的包会通过这个端口交给Open vSwitch。

    Note当Open vSwitch创建一个新网桥时,默认会创建一个与网桥同名的Internal Port
  • Patch Port: 当机器中有多个Open vSwitch网桥时,可以使用Patch Port把两个网桥连起来。Patch Port总是成对出现,分别连接在两个网桥上,在两个网桥之间交换数据。

    TipPatch Port是机房术语,特指用于切换网线连接的接线卡。此卡上面网口成对出现,当需要把两台设备连接起来时,只需要把两台设备接入同一对网口即可。
  • Tunnel Port: 隧道端口是一种虚拟端口,支持使用gre或vxlan等隧道技术与位于网络上其他位置的远程端口通讯。

Interface (iface/接口)

接口是Open vSwitch与外部交换数据包的组件。一个接口就是操作系统的一块网卡,这块网卡可能是Open vSwitch生成的虚拟网卡,也可能是物理网卡挂载在Open vSwitch上,也可能是操作系统的虚拟网卡(TUN/TAP)挂载在Open vSwitch上。

Flow (流)

流定义了端口之间数据包的交换规则。每条流分为匹配和动作两部分,匹配部分选择哪些数据包需要可以通过这条流处理,动作决定这些匹配到的数据包如何转发。流描述了一个网桥上,端口到端口的转发规则。比如我可以定义这样一条流:

当数据包来自端口A,则发往端口B

来自端口A 就是匹配部分,发往端口B 就是动作部分。

流的定义可能非常复杂,比如:

当数据包来自端口A,并且其源MAC是aa:aa:aa:aa:aa:aa,并且其拥有vlan tag为a,并且其源IP是a.a.a.a,并且其协议是TCP,其TCP源端口号为a,则修改其源IP为b.b.b.b,发往端口B
Datapath

由于流可能非常复杂,对每个进来的数据包都去尝试匹配所有流,效率会非常低,所以有了datapath这个东西。Datapath是流的一个缓存,会把流的执行结果保存起来,当下次遇到匹配到同一条流的数据包,直接通过datapath处理。考虑到转发效率,datapath完全是在内核态实现的,并且默认的超时时间非常短,大概只有3秒左右。

实现

当Open vSwitch的一个接口收到数据包后,会由下图所描述的流程处理:

2014-11-19-openvswitch-internal__1.png

收到数据包后,会交给datapath内核模块处理,当匹配到对应的datapath会直接输出,如果没有匹配到,会交给用户态的ovs-vswitchd查询flow,用户态处理后,会把处理完的数据包输出到正确的端口,并且设置新的datapath规则,后续数据包可以通过新的datapath规则实现快速转发。

结论

抛开流的管理,Open vSwitch的工作原理非常简单,下次会介绍使用Open vSwitch提供的管理工具,搭建一个网络,并且调试其中的流与datapath。




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