探索 OpenStack 之（7）：Neutron 深入探索之 Open vSwitch (OVS) + GRE 之 Neutron节点篇

kidys

0. 测试环境
　　硬件环境：还是使用四节点OpenStack部署环境，参见 http://www.iyunv.com/sammyliu/p/4190843.html
　　OpenStack配置：

• tenant：三个tenant：demo，tenant-one，tenant-two
  
• network：三个tenanet公用public network，每个tenant拥有自己的subnet，都有一个router连接自己的subnet到public net
  
• 虚机：三个虚机，tenant-one一个，tenant-two两个，都在compute node上
  

1. Neutron节点上的网络组件
　　使用 http://www.iyunv.com/sammyliu/p/4201143.html 中相同的方法，画出Neutron节点上网络组件图：

　　可见：
　　(1). 关于Neutron上的三种Agent的作用：

• Neutron-OVS-Agent：从OVS-Plugin上接收tunnel和tunnel flow的配置，驱动OVS来建立GRE Tunnel
  
• Neutron-DHCP-Agent：为每一个配置了DHCP的网络/子网配置dnsmasq，也负责把Mac地址/IP地址 信息写入dnsmasq dhcp lease 文件
  
• Neturon-L3-Agent：设置iptables/routing/NAT表
  

　　（2）. Neutorn节点上同样有OVS Tunnel bridge br-tun和OVS Integration bridge br-int，多了br-ex来提供外部网络连接，br-ex和物理网卡eth0绑定。这里出现的一个问题是eth0的IP无法ping通，OVS提供的解决方法如下。究其原因，一块物理以太网卡如果作为 OpenvSwitch bridge 的一部分，则它不能拥有 IP 地址，如果有，也会完全不起作用。如果发生了上述情况，可以将 IP 地址绑定至某 OpenvSwitch “internal” 设备来恢复网络访问功能。



ifconfig eth0 0.0.0.0
ifconfig br-ex 192.168.1.19
　　（3）. Neutron使用Linux network namespace来实现tenant之间的网络隔离。本例中有三个network namespace，每个network namspace包括router，dhcp，interface，routing tables，iptable rules等。



root@network:/home/s1# ip netns
qdhcp-d24963da-5221-481e-adf5-fe033d6e0b4e
qrouter-e506f8fe-3260-4880-bd06-32246225aeae
qdhcp-d04a0a06-7206-4d05-9432-3443843bc199
qrouter-33e2b1bf-04cb-4811-9c58-7e03856022c1
qrouter-9ba04071-f32b-435e-8f44-e32936568102
qdhcp-0a4cd030-d951-401a-8202-937b788bea43
　　（4）. OpenStack中每个subnet都有一个不同的VLAN ID。H1/H2/H3端口上分布有不同的VLAN ID，对应不同的tenant的subnet。


（5）. 不知道为什么br-ex和br-int之间还需要有直接的path。网上看到一些说法，似乎不是所有的环境都需要使用这条路径，比如当前的环境，往外走的traffic都会经过router到br-ex，应该不会直接到从br-int到br-ex。也许是某些配置中需要用到。解释之一是eth0是虚机网络的物理网卡，这么说的话它就是必须要有的。

  (6). Neutron-OVS-Agent会从Neutron db的表ml2_gre_endpoints中读取GRE端口的信息。如果其中出现错误的IP地址，Neutron上会出现错误的GRE Tunnel。解决方法是先删除数据库中的错误记录，在重启neutron-plugin-openvswitch-agent service.


1.1 br-tun OpenFlow rules
　　插播Mac地址的基础知识：

• MAC地址是以太网二层使用的一个48bit（6字节十六进制数）的地址，用来标识设备位置。MAC地址分成两部分，前24位是组织唯一标识符（OUI, Organizationally unique identifier），后24位由厂商自行分配。48bit的MAC地址一般用6字节的十六进制来表示，如XX-XX-XX-XX-XX-XX。
  
• 广播地址：FF：FF：FF：FF：FF：FF
  
• 组播地址：MAC组播地址的特征是头8位的最低位是1。例如01：80：C2：00：00：00是一个组播地址，表示802.1d网桥多播组。网桥就是使用这个地址，相互之间交换配置信息，运行分布式生成树算法，消除网络拓扑结构中的环路。
  
• 单播地址：单播地址的特征是头8位的最低位为0。每个网卡出厂时被分配唯一一个单播地址，头24位是设备制造厂商的编号，由IEEE(电气与电子工程师协会)分配，后24位是设备厂商为网卡制定的唯一编号。例如8C-70-5A-29-3A-48 是单播地址的例子 （8C = 10001100）。
  

root@network:/home/s1# ovs-ofctl dump-flows br-tun
NXST_FLOW reply (xid=0x4):
cookie=0x0, duration=33.236s, table=0, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=33, priority=1,in_port=1 actions=resubmit(,2) //从H1进来的traffic，到table 2

cookie=0x0, duration=32.131s, table=0, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=32, priority=1,in_port=2 actions=resubmit(,3) //从GRE端口进来的traffic，到table 3
cookie=0x0, duration=33.178s, table=0, n_packets=6, n_bytes=480, idle_age=24, priority=0 actions=drop
cookie=0x0, duration=33.121s, table=2, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=33, priority=0,dl_dst=00:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=resubmit(,20) //目的地址为单播地址，到table 20
cookie=0x0, duration=33.066s, table=2, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=33, priority=0,dl_dst=01:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=resubmit(,22) //目的地址为组播地址，到table 22
cookie=0x0, duration=30.614s, table=3, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=30, priority=1,tun_id=0x1 actions=mod_vlan_vid:1,resubmit(,10) //Tunnel 1的traffic，修改VLAN ID 为 1， 再到 table 10
cookie=0x0, duration=29.291s, table=3, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=29, priority=1,tun_id=0x2 actions=mod_vlan_vid:3,resubmit(,10) //Tunnel 2的traffic，修改VLAN ID 为 2， 再到 table 10
cookie=0x0, duration=30.241s, table=3, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=30, priority=1,tun_id=0x3 actions=mod_vlan_vid:2,resubmit(,10) //Tunnel 3的traffic，修改VLAN ID 为 3， 再到 table 10
cookie=0x0, duration=33.001s, table=3, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=33, priority=0 actions=drop
cookie=0x0, duration=32.932s, table=4, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=32, priority=0 actions=drop
cookie=0x0, duration=32.874s, table=10, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=32, priority=1 actions=learn(table=20,hard_timeout=300,priority=1,NXM_OF_VLAN_TCI[0..11],NXM_OF_ETH_DST[]=NXM_OF_ETH_SRC[],load:0->NXM_OF_VLAN_TCI[],load:NXM_NX_TUN_ID[]->NXM_NX_TUN_ID[],output:NXM_OF_IN_PORT[]),output:1 //学习一条新的规则添加到table 20，发到端口1，进入br-int
cookie=0x0, duration=32.815s, table=20, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=32, priority=0 actions=resubmit(,22) //到table 22
cookie=0x0, duration=29.35s, table=22, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=29, dl_vlan=3 actions=strip_vlan,set_tunnel:0x2,output:2
cookie=0x0, duration=30.293s, table=22, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=30, dl_vlan=2 actions=strip_vlan,set_tunnel:0x3,output:2
cookie=0x0, duration=30.682s, table=22, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=30, dl_vlan=1 actions=strip_vlan,set_tunnel:0x1,output:2 //以上三条rule，根据目的VLAN ID，修改Tunnel ID，并去掉VLAN ID，发到GRE端口，经过GRE Tunnel到compute node
cookie=0x0, duration=32.752s, table=22, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=32, priority=0 actions=drop
　　总之，br-tun会：

• 把从GRE端口来的traffic设置相应的VLAN ID，发到br-int
  
• 把从br-int/patch-int来的traffic，去掉VLAN ID，设置相应的Trunne ID，经过GRE端口H1 发到Compute节点
  

2. Router Server

2.1 以tenant-one (有一个虚机)的router为例，先看看它的interface （略去lo）





root@network:/home/s1# ip netns exec qrouter-33e2b1bf-04cb-4811-9c58-7e03856022c1 ip addr
22: qr-d3d3e235-d4:  mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN group default
link/ether fa:16:3e:b3:06:e8 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 10.0.11.1/24 brd 10.0.11.255 scope global qr-d3d3e235-d4
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::f816:3eff:feb3:6e8/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever
26: qg-6c06581b-bd:  mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN group default
link/ether fa:16:3e:0b:ac:82 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 192.168.1.114/24 brd 192.168.1.255 scope global qg-6c06581b-bd
valid_lft forever preferred_lft forever
inet 192.168.1.115/32 brd 192.168.1.115 scope global qg-6c06581b-bd
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::f816:3eff:fe0b:ac82/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever
可见：

• qg-6c06581b-bd 连接 br-ex
  
• qr-d3d3e235-d4连接br-int
  

　　再看看它的route规则：



root@network:/home/s1# ip netns exec qrouter-33e2b1bf-04cb-4811-9c58-7e03856022c1 route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.1.1     0.0.0.0         UG    0      0        0 qg-6c06581b-bd

//默认路由，所有目的地址不在本网络中的traffic都要通过 qg-d3657c7f-28 interface 发到外网网关192.168.1.1
10.0.11.0       0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 qr-d3d3e235-d4

//目的为本子网内的traffic 经过 qr-d3d3e235-d4 发到子网网关 10.0.11.1
192.168.1.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 qg-6c06581b-bd

//目的为 192.168.1.0/24 的traffic通过 qg-6c06581b-bd 发到网关192.168.1.100
2.2 Neutorn Floating IP 实现原理
　　Router namespace中的 netfilter NAT 表负责 Neutron Floating IP 的实现。下面是tenant-two （有两个虚机）的router的NAT表：




root@network:/home/s1# ip netns exec qrouter-e506f8fe-3260-4880-bd06-32246225aeae  iptables -t nat -S
-P PREROUTING ACCEPT
-P INPUT ACCEPT
-P OUTPUT ACCEPT
-P POSTROUTING ACCEPT
-N neutron-l3-agent-OUTPUT
-N neutron-l3-agent-POSTROUTING
-N neutron-l3-agent-PREROUTING
-N neutron-l3-agent-float-snat
-N neutron-l3-agent-snat
-N neutron-postrouting-bottom
-A PREROUTING -j neutron-l3-agent-PREROUTING
-A OUTPUT -j neutron-l3-agent-OUTPUT
-A POSTROUTING -j neutron-l3-agent-POSTROUTING
-A POSTROUTING -j neutron-postrouting-bottom
-A neutron-l3-agent-OUTPUT -d 192.168.1.118/32 -j DNAT --to-destination 10.0.22.200
-A neutron-l3-agent-OUTPUT -d 192.168.1.117/32 -j DNAT --to-destination 10.0.22.202
-A neutron-l3-agent-POSTROUTING ! -i qg-cba7b139-04 ! -o qg-cba7b139-04 -m conntrack ! --ctstate DNAT -j ACCEPT
-A neutron-l3-agent-PREROUTING -d 169.254.169.254/32 -p tcp -m tcp --dport 80 -j REDIRECT --to-ports 9697
-A neutron-l3-agent-PREROUTING -d 192.168.1.118/32 -j DNAT --to-destination 10.0.22.200
-A neutron-l3-agent-PREROUTING -d 192.168.1.117/32 -j DNAT --to-destination 10.0.22.202
-A neutron-l3-agent-float-snat -s 10.0.22.200/32 -j SNAT --to-source 192.168.1.118
-A neutron-l3-agent-float-snat -s 10.0.22.202/32 -j SNAT --to-source 192.168.1.117
-A neutron-l3-agent-snat -j neutron-l3-agent-float-snat
-A neutron-l3-agent-snat -s 10.0.22.0/24 -j SNAT --to-source 192.168.1.116
-A neutron-postrouting-bottom -j neutron-l3-agent-snat

• SNAT （源地址转换） 负责把从虚机来的traffic的 IP源地址 即fixed ip 10.0.22.200/202 转化为 floating ip 192.168.1.118/117，然后该traffic被路由到 br-ex 再到外网
  
• DNAT （目的地址转换）负责把从外网来的traffic的 IP目的地址 即floating ip 192.168.1.118/117 转化为虚机所使用的 fixed ip 10.0.22.200/202，然后该traffic被路由到br-int 再到虚机
  

3. DHCP Server
　　每一个有DHCP的网络都在Neutron节点上有一个DHCP服务，每个DHCP Server都是一个运行在一个network namespace中的dnsmasq进程。 dnsmasq是一个用在Linux上的轻型DNS和DHCP服务，具体见 http://www.thekelleys.org.uk/dnsmasq/docs/dnsmasq-man.html.

3.1 每个DHCP在neutron host上都有一个process，其ID是qdhcp-:



nobody    2049     1  0 06:43 ?        00:00:00 dnsmasq --no-hosts --no-resolv --strict-order --bind-interfaces --interface=tap15865c29-9b --except-interface=lo --pid-file=/var/lib/neutron/dhcp/d24963da-5221-481e-adf5-fe033d6e0b4e/pid --dhcp-hostsfile=/var/lib/neutron/dhcp/d24963da-5221-481e-adf5-fe033d6e0b4e/host --addn-hosts=/var/lib/neutron/dhcp/d24963da-5221-481e-adf5-fe033d6e0b4e/addn_hosts --dhcp-optsfile=/var/lib/neutron/dhcp/d24963da-5221-481e-adf5-fe033d6e0b4e/opts --leasefile-ro --dhcp-range=set:tag0,10.0.22.0,static,86400s --dhcp-lease-max=256 --conf-file= --domain=openstacklocal
　　说明：
　　1.  --interface=tap15865c29-9b： 该process绑定/监听一个TAP设备，即上图中的 H3
　　2.  --dhcp-hostsfile=/var/lib/neutron/dhcp/d24963da-5221-481e-adf5-fe033d6e0b4e/host：
root@network:/home/s1# cat /var/lib/neutron/dhcp/d24963da-5221-481e-adf5-fe033d6e0b4e/host
fa:16:3e:4d:6b:44,host-10-0-22-201.openstacklocal,10.0.22.201 //本子网DHCP Server自己（M3）的Mac地址以及IP
fa:16:3e:79:07:5e,host-10-0-22-1.openstacklocal,10.0.22.1 //本子网Router Server （ N3） 的Mac地址，名字和 IP
fa:16:3e:bf:69:36,host-10-0-22-200.openstacklocal,10.0.22.200 //本子网虚机1的Mac地址，虚机的主机名字，虚机的fixed IP
fa:16:3e:19:65:62,host-10-0-22-202.openstacklocal,10.0.22.202 //本子网虚机2的Mac地址，虚机的主机名字，虚机的fixed IP
fa:16:3e:88:99:c1,host-10-0-0-116.openstacklocal,10.0.0.116 //子网1的DHCP Server （H1）的Mac地址，以及IP地址。那么这里为什么没H2的相应信息？
　　在虚机的创建过程中，Neutron会把这些信息（应该是从neutron db中拿到一个可用的IP地址）写到该文件中，这样，当虚机使用Mac地址向DHCP Server查询IP地址的时候，dnsmasq会读取该文件把IP地址返回给它。

3.2 DHCP的interface （省去lo）



root@network:/home/s1# ip netns exec qdhcp-0a4cd030-d951-401a-8202-937b788bea43 ip addr
18: tap6356d532-32:  mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN group default
    link/ether fa:16:3e:88:99:c1 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 10.0.0.116/24 brd 10.0.0.255 scope global tap6356d532-32
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::f816:3eff:fe88:99c1/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

root@network:/home/s1# ip netns exec qdhcp-d04a0a06-7206-4d05-9432-3443843bc199 ip addr
17: tap8dfd0bd8-45:  mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN group default
    link/ether fa:16:3e:82:fd:26 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 10.0.11.101/24 brd 10.0.11.255 scope global tap8dfd0bd8-45
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::f816:3eff:fe82:fd26/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever


root@network:/home/s1# ip netns exec qdhcp-d24963da-5221-481e-adf5-fe033d6e0b4e ip addr
19: tap15865c29-9b:  mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN group default
link/ether fa:16:3e:4d:6b:44 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 10.0.22.201/24 brd 10.0.22.255 scope global tap15865c29-9b
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::f816:3eff:fe4d:6b44/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever
　　DHCP使用fix ip range的第一个可用IP地址做为其IP地址。它的interface的MAC地址 fa:16:3e:4d:6b:44 会出现在br-tun的rules里面。

3.3 虚机向DHCP Server申请/查询Fixed IP
　　具体步骤在下一篇博文中详细描述。