OpenStack 网络总结之：理解GRE隧道的工作流程

rwedewe

文章背景

Openstack的网络配置复杂多样，本文讲述的流程只符合以下场景:

    网络类型为GRE隧道

    单独的网络控制节点;


流程介绍



下面是各个部分包含的PORT




下面章节的名称中会包含图中关键点的编号
计算节点:实例网络 (A,B,C)

所有发出的数据包都是从实例的eth0开始的，它连接到tap设备，tap设备连接到Linux的网桥设备qbr。从图中可以看出tap设备没有直接连接到集成网桥br-int,而是通过qbr中转了一下，这时为什么了？主要是因为OVS的网桥br-int没有设置iptables规则的功能，但OpenStack又想要(或必须)提供安全组服务，那么就借助了Linux Bridge的功能。虽说OVS的br-int网桥和LinuxBridge都是二层桥，但是为了功能相互弥补，就同时出现了。



通过在计算节点上查看防火墙的规则，可以发现很多规则都是和tap设备相关的



    # iptables -S | greptap7c7ae61e-05  
    -A quantum-openvswi-FORWARD -m physdev --physdev-out tap7c7ae61e-05--physdev-is-bridged -j quantum-openvswi-sg-chain  
    -A quantum-openvswi-FORWARD -m physdev --physdev-in tap7c7ae61e-05--physdev-is-bridged -j quantum-openvswi-sg-chain  
    -A quantum-openvswi-INPUT -m physdev --physdev-in tap7c7ae61e-05--physdev-is-bridged -j quantum-openvswi-o7c7ae61e-0  
    -A quantum-openvswi-sg-chain -m physdev --physdev-out tap7c7ae61e-05--physdev-is-bridged -j quantum-openvswi-i7c7ae61e-0  
    -A quantum-openvswi-sg-chain -m physdev --physdev-in tap7c7ae61e-05--physdev-is-bridged -j quantum-openvswi-o7c7ae61e-0   

quantum-openvswi-sg-chain是由neutron-managed security groups产生的，quantum-openvswi-o7c7ae61e-0主要用来控制实例发出的outbound消息规则

，quantum-openvswi-i7c7ae61e-0chain 主要用来控制从外部到实例的inbound消息 规则
计算节点: 集成网桥br-int (D,E)



集成网桥(br-int)负责执行从实例接受或发出的流量中vlan 标示的拆封工作，此时结算节点上br-int的情况应该类似于



    #ovs-vsctl show  
    Bridge br-int  
        Port"qvo7c7ae61e-05"  
            tag: 1  
            Interface "qvo7c7ae61e-05"  
        Port patch-tun  
            Interface patch-tun  
                type: patch  
                options:{peer=patch-int}  
        Port br-int  
            Interface br-int  
                type: internal  

接口qvo7c7ae61e-05与qvb7c7ae61e-05是一对接口，它们负责将Linux网桥的流量传输到br-int上，qvo上的tag:1是一个接入端口，这个端口被挂到了VLAN1上，从实例发出的流量会被赋上VLAN ID 1的标示，发往该实例的流量也先被拆掉VLAN 1的标示,每个不同的网络会被赋予不同的VLAN ID.

接口 patch-tun把br-int连接到隧道桥( br-tun)上.
计算节点: 隧道桥 br-tun(F,G)



隧道桥主要负责把br-int中带有vlan标示的流量转换到GRE隧道中，实际的转换工作主要是由br-tun中OpenFlow规则来完成的，在创建实例之前openflow的规则大概如下：



    #ovs-ofctl dump-flows br-tun  
    NXST_FLOW reply (xid=0x4):  
     cookie=0x0, duration=871.283s, table=0,n_packets=4, n_bytes=300, idle_age=862, priority=1 actions=drop  

目前只有一条规则，这条规则会让br-tun丢掉所有的流量，当你在计算节点上启动一个实例后，openflow的规则会被修改成下面的样子：



    #ovs-ofctl dump-flows br-run  
    NXST_FLOW reply (xid=0x4):  
     cookie=0x0, duration=422.158s, table=0,n_packets=2, n_bytes=120, idle_age=55,priority=3,tun_id=0x2,dl_dst=01:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=mod_vlan_vid:1,output:1  
      
     cookie=0x0, duration=421.948s, table=0,n_packets=64, n_bytes=8337, idle_age=31,priority=3,tun_id=0x2,dl_dst=fa:16:3e:dd:c1:62 actions=mod_vlan_vid:1,NORMAL  
      
     cookie=0x0, duration=422.357s, table=0,n_packets=82, n_bytes=10443, idle_age=31, priority=4,in_port=1,dl_vlan=1actions=set_tunnel:0x2,NORMAL  
      
     cookie=0x0, duration=1502.657s, table=0,n_packets=8, n_bytes=596, idle_age=423, priority=1 actions=drop  

通常，这些规则负责映射br-int使用的VLAN ID 1，以及GRE 隧道使用的tunnel id2



第一条规则



    cookie=0x0, duration=422.158s, table=0,n_packets=2, n_bytes=120, idle_age=55,priority=3,tun_id=0x2,dl_dst=01:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00actions=mod_vlan_vid:1,output:1  


匹配的条件为tunnel id2 (tun_id=0x2), VLAN ID 1 (actions=mod_vlan_vid:1),以及从端口1发出的流量

通过使用ovs-ofctlshow br-tun 可以看出端口1是patch-int



    #ovs-ofctl show br-tun  
    OFPT_FEATURES_REPLY (xid=0x2): dpid:0000068df4e44a49  
    n_tables:254, n_buffers:256  
    capabilities: FLOW_STATS TABLE_STATS PORT_STATS QUEUE_STATSARP_MATCH_IP  
    actions: OUTPUT SET_VLAN_VID SET_VLAN_PCP STRIP_VLAN SET_DL_SRC SET_DL_DSTSET_NW_SRC SET_NW_DST SET_NW_TOS SET_TP_SRC SET_TP_DST ENQUEUE  
     1(patch-int):addr:46:3d:59:17:df:62  
         config:     0  
         state:      0  
         speed: 0 Mbps now, 0 Mbps max  
     2(gre-2):addr:a2:5f:a1:92:29:02  
         config:     0  
         state:      0  
         speed: 0 Mbps now, 0 Mbpsmax  
     LOCAL(br-tun):addr:06:8d:f4:e4:4a:49  
         config:     0  
         state:      0  
         speed: 0 Mbps now, 0 Mbpsmax  
    OFPT_GET_CONFIG_REPLY (xid=0x4): frags=normal miss_send_len=0  

有一条规则是



    cookie=0x0, duration=422.357s, table=0,n_packets=82, n_bytes=10443, idle_age=31, priority=4,in_port=1,dl_vlan=1actions=set_tunnel:0x2,NORMAL  



匹配的条件是(in_port=1) ， VLAN ID 1 (dl_vlan=1) ，如果匹配就在发出GRE隧道之前，设置 tunnel id 为 2 (actions=set_tunnel:0x2) .
网络节点:隧道桥(br-tun) (H,I)



当流量通过连接到br-tun的GRE隧道到达网络节点,该节点上隧道桥的flowtable与计算节点上的非常相似


    # ovs-ofctl dump-flowsbr-tun  
    NXST_FLOW reply (xid=0x4):  
     cookie=0x0, duration=1239.229s, table=0,n_packets=23, n_bytes=4246, idle_age=15,priority=3,tun_id=0x2,dl_dst=01:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=mod_vlan_vid:1,output:1  
      
     cookie=0x0, duration=524.477s, table=0,n_packets=15, n_bytes=3498, idle_age=10,priority=3,tun_id=0x2,dl_dst=fa:16:3e:83:69:cc actions=mod_vlan_vid:1,NORMAL  
      
     cookie=0x0, duration=1239.157s, table=0,n_packets=50, n_bytes=4565, idle_age=148,priority=3,tun_id=0x2,dl_dst=fa:16:3e:aa:99:3c actions=mod_vlan_vid:1,NORMAL  
      
     cookie=0x0, duration=1239.304s, table=0,n_packets=76, n_bytes=9419, idle_age=10, priority=4,in_port=1,dl_vlan=1actions=set_tunnel:0x2,NORMAL  
      
     cookie=0x0, duration=1527.016s, table=0,n_packets=12, n_bytes=880, idle_age=527, priority=1 actions=drop  



和在计算节点上一样，第一条规则映射tunnel ID 2 上的多路广播流量到VLAN 1

As on thecompute host, the first rule maps multicast traffic on tunnel ID 2 to VLAN 1.



第二条规则



    cookie=0x0, duration=524.477s, table=0,n_packets=15, n_bytes=3498, idle_age=10,priority=3,tun_id=0x2,dl_dst=fa:16:3e:83:69:cc actions=mod_vlan_vid:1,NORMAL  


流量在隧道上转向fa:16:3e:83:69:cc，这是一个运行在网络命令空间的dnsmasq 进程



...matchestraffic on the tunnel destined for the DHCP server at fa:16:3e:83:69:cc. Thisis a dnsmasq process running inside a network namespace, the details of whichwe will examine shortly.



下一条规则



    cookie=0x0, duration=1239.157s, table=0,n_packets=50, n_bytes=4565, idle_age=148,priority=3,tun_id=0x2,dl_dst=fa:16:3e:aa:99:3c actions=mod_vlan_vid:1,NORMAL  



匹配的流量在tunnel ID2，转向fa:16:3e:aa:99:3c上的router,这个router在另外一个网络命名空间

...matchestraffic on tunnel ID 2 destined for the router at fa:16:3e:aa:99:3c, which isan interface in another network namespace.

下一条规则



    cookie=0x0, duration=1239.304s, table=0,n_packets=76, n_bytes=9419, idle_age=10, priority=4,in_port=1,dl_vlan=1actions=set_tunnel:0x2,NORMAL  

将tunnel id 设置为2
网络节点:整合桥br-int(IJ)



该桥负责将实例连接到网络服务上，例如路由或者是DHCP服务



    # ovs-vsctl show  
    Bridge br-int  
        Port patch-tun  
            Interface patch-tun  
                type: patch  
                options:{peer=patch-int}  
        Port"tapf14c598d-98"  
            tag: 1  
            Interface"tapf14c598d-98"  
        Port br-int  
            Interface br-int  
                type: internal  
        Port"tapc2d7dd02-56"  
            tag: 1  
            Interface"tapc2d7dd02-56"  



Br-int通过使用patch接口patch-tun连接到br-tun

Network host: DHCP server (O,P)



每一个启动DHCP的网络都会有一个DHCP服务运行在网络节点上，DHCP服务是一个运行在网络命名空间的dnsmasq实例(网络命名空间（network namespace）是一个Linux kernel设备，该设备允许创建一个独立于宿主机的网络栈（栈中可以包含接口，路由表，防火墙规则等）)



可以通过ip netns的命令查看网络命名空间



    # ipnetns  
    qdhcp-88b1609c-68e0-49ca-a658-f1edff54a264  
    qrouter-2d214fde-293c-4d64-8062-797f80ae2d8f  

以qdhcp开头的记录是私有网络的命名空间，可以通过执行neutron net-list查到与之对应的网络记录

以qrouter开头的记录是路由的命名空间，可以通过执行neutron router-list 查到对应的路由记录



可以通过使用ip netnsexec command 的方式在一个命名空间内执行一些命令,例如想要查看DHCP命名空间的接口配置



    # ip netns execqdhcp-88b1609c-68e0-49ca-a658-f1edff54a264 ip addr  
    71: ns-f14c598d-98: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdiscpfifo_fast state UP qlen 1000  
        link/ether fa:16:3e:10:2f:03 brdff:ff:ff:ff:ff:ff  
        inet 10.1.0.3/24 brd 10.1.0.255 scopeglobal ns-f14c598d-98  
        inet6 fe80::f816:3eff:fe10:2f03/64scope link  
           valid_lft forever preferred_lftforever  

接口ns-f14c598d-98的MAC地址是匹配隧道桥中flowrule中的MAC地址，这个接口通过tap设备连接到bt-int



    Port "tapf14c598d-98"  
         tag: 1  
         Interface"tapf14c598d-98"  

可以通过 ps - ef 输出的结果中查到与dnsmasq 关联的命名空间


    # ps -fe | grep88b1609c-68e0-49ca-a658-f1edff54a264  
    nobody   23195     1  0Oct26 ?        00:00:00 dnsmasq--no-hosts --no-resolv --strict-order --bind-interfaces--interface=ns-f14c598d-98 --except-interface=lo--pid-file=/var/lib/quantum/dhcp/88b1609c-68e0-49ca-a658-f1edff54a264/pid--dhcp-hostsfile=/var/lib/quantum/dhcp/88b1609c-68e0-49ca-a658-f1edff54a264/host--dhcp-optsfile=/var/lib/quantum/dhcp/88b1609c-68e0-49ca-a658-f1edff54a264/opts--dhcp-script=/usr/bin/quantum-dhcp-agent-dnsmasq-lease-update --leasefile-ro--dhcp-range=tag0,10.1.0.0,static,120s --conf-file= --domain=openstacklocal  
    root     23196 23195  0 Oct26 ?        00:00:00 dnsmasq --no-hosts --no-resolv--strict-order --bind-interfaces --interface=ns-f14c598d-98--except-interface=lo--pid-file=/var/lib/quantum/dhcp/88b1609c-68e0-49ca-a658-f1edff54a264/pid--dhcp-hostsfile=/var/lib/quantum/dhcp/88b1609c-68e0-49ca-a658-f1edff54a264/host--dhcp-optsfile=/var/lib/quantum/dhcp/88b1609c-68e0-49ca-a658-f1edff54a264/opts--dhcp-script=/usr/bin/quantum-dhcp-agent-dnsmasq-lease-update --leasefile-ro--dhcp-range=tag0,10.1.0.0,static,120s --conf-file= --domain=openstacklocal  


网络节点:路由 (M,N)



Neutron的路由是一个包含路由表以及iptables规则的网络的命名空间，主要负责不同子网间的路由。回到ip netns 的执行结果



    # ipnetns  
    qdhcp-88b1609c-68e0-49ca-a658-f1edff54a264  
    qrouter-2d214fde-293c-4d64-8062-797f80ae2d8f   

通过执行ip netnsexec 命令可以发现与路由命名空间绑定的接口



    # ip netns execqrouter-2d214fde-293c-4d64-8062-797f80ae2d8f ip addr  
    66: qg-d48b49e0-aa: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdiscpfifo_fast state UP qlen 1000  
        link/ether fa:16:3e:5c:a2:ac brdff:ff:ff:ff:ff:ff  
        inet 172.24.4.227/28 brd 172.24.4.239scope global qg-d48b49e0-aa  
        inet 172.24.4.228/32 brd 172.24.4.228scope global qg-d48b49e0-aa  
        inet6 fe80::f816:3eff:fe5c:a2ac/64scope link  
           valid_lft forever preferred_lftforever  
    68: qr-c2d7dd02-56: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdiscpfifo_fast state UP qlen 1000  
        link/ether fa:16:3e:ea:64:6e brdff:ff:ff:ff:ff:ff  
        inet 10.1.0.1/24 brd 10.1.0.255 scopeglobal qr-c2d7dd02-56  
        inet6 fe80::f816:3eff:feea:646e/64scope link  
           valid_lft forever preferred_lftforever  

从图中可以看出qg-d48b49e0-aa,以及 qr-c2d7dd02-56主要是用来连接br-int以及br-ex的

通过观察这个路由的路由表，可以看到有一个外部网络的默认gateway指向qg-d48b49e0-aa



    # ip netns execqrouter-2d214fde-293c-4d64-8062-797f80ae2d8f ip route  
    172.24.4.224/28 dev qg-d48b49e0-aa  protokernel  scope link  src 172.24.4.227  
    10.1.0.0/24 dev qr-c2d7dd02-56  protokernel  scope link  src 10.1.0.1  
    default via 172.24.4.225 dev qg-d48b49e0-aa   

在路由命名空间中的nat表格主要负责关联实例以及浮动IP,例如当把浮动IP172.24.4.228绑定到实例上后，NAT表看起来应该是下面的样子：



    # ip netns execqrouter-2d214fde-293c-4d64-8062-797f80ae2d8f iptables -t nat -S  
    -P PREROUTING ACCEPT  
    -P POSTROUTING ACCEPT  
    -P OUTPUT ACCEPT  
    -N quantum-l3-agent-OUTPUT  
    -N quantum-l3-agent-POSTROUTING  
    -N quantum-l3-agent-PREROUTING  
    -N quantum-l3-agent-float-snat  
    -N quantum-l3-agent-snat  
    -N quantum-postrouting-bottom  
    -A PREROUTING -j quantum-l3-agent-PREROUTING  
    -A POSTROUTING -j quantum-l3-agent-POSTROUTING  
    -A POSTROUTING -j quantum-postrouting-bottom  
    -A OUTPUT -j quantum-l3-agent-OUTPUT  
    -Aquantum-l3-agent-OUTPUT -d 172.24.4.228/32 -j DNAT --to-destination 10.1.0.2  
    -A quantum-l3-agent-POSTROUTING ! -i qg-d48b49e0-aa ! -oqg-d48b49e0-aa -m conntrack ! --ctstate DNAT -j ACCEPT  
    -A quantum-l3-agent-PREROUTING -d 169.254.169.254/32 -p tcp -m tcp --dport 80-j REDIRECT --to-ports 9697  
    -Aquantum-l3-agent-PREROUTING -d 172.24.4.228/32 -j DNAT --to-destination10.1.0.2  
    -A quantum-l3-agent-float-snat -s 10.1.0.2/32 -j SNAT--to-source 172.24.4.228  
    -A quantum-l3-agent-snat -j quantum-l3-agent-float-snat  
    -A quantum-l3-agent-snat -s 10.1.0.0/24 -j SNAT --to-source 172.24.4.227  
    -A quantum-postrouting-bottom -j quantum-l3-agent-snat   

主要使用SNAT以及DNAT的规则来映射浮动IP以及固定IP



    -Aquantum-l3-agent-OUTPUT -d 172.24.4.228/32 -j DNAT --to-destination 10.1.0.2  
    -A quantum-l3-agent-PREROUTING -d 172.24.4.228/32 -j DNAT --to-destination10.1.0.2  
    -A quantum-l3-agent-float-snat -s 10.1.0.2/32 -j SNAT--to-source 172.24.4.228   

下面的这条规则主要表示所有outbound的流量都会被NAT从私有网络转换成172.24.4.227，这条规则允许即使实例没有浮动Ip也可以有outbound的连接性



    -Aquantum-l3-agent-snat -s 10.1.0.0/24 -j SNAT --to-source 172.24.4.227   

网络节点:外部流量 (K,L)

br-int通过qr设备借助Linux网络命名空间qrouter连通br-ex上的qg设备，将数据包交付到OVS网桥br-ex上.

接下来流量的走向主要依赖于本地的配置
NAT to host address

如果将public网络的gateway赋到br-ex上：



    # ip addr add 172.24.4.225/28 devbr-ex  


然后你可以创建forwarding以及NAT的规则，这些规则会引起外部流量从实例重新写到网络控制器的IP地址，然后发出去



    #iptables -A FORWARD -d 172.24.4.224/28 -j ACCEPT  
    # iptables -A FORWARD -s 172.24.4.224/28 -j ACCEPT  
    # iptables -t nat -I POSTROUTING 1 -s 172.24.4.224/28 -j MASQUERADE  

Direct network connection

如果你有一个对于公共网络而言作为gateway的外部路由，你可以在br-ex上添加一个接口。例如eth2是在同一个网络中，地址是172.24.4.225



    #ovs-vsctl add-port br-ex eth2