从CL210 OpenStack考试看Neutron网络

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本文为笔者阅读大量文档和做实验的心得。本文不包含任何认证考试解密内容，如想系统性学习红帽OpenStack，请联系红帽公司培训部门。
　　CL210考试环境
　　笔者在今年参加了OpenStack CL210培训。但是对培训过程中实验环境的网络拓扑当时没有弄明白，后来看了一些资料，总算有了大概的了解。

　　书上实验的拓扑图见上图。乍一看，是不是有点复杂？
　　在实验中，每个人分配了一个台式机，台式机是一个RHEL操作系统。通过里面的KVM虚拟化，虚拟出了两个虚拟机Server-a和Server-b。Server-a有两个网卡：eth1和eth2。后来我们做的事情，是在Server-a上以All-in-one的方式安装OpenStack,第二个实验是将ServerB作为Nova-Compute加入到OpenStack中。
　　当server-a上的openstack安装好以后，创建的虚拟机实例就是基于servera RHEL中的KVM做的。也就是说，最终我们创建的openstack实例，实际上的三层嵌套虚拟化。
　　谈到OpenStack的网络，很多人不是很了解细节，但vSphere的网络大家都比较了解，下面我们先上一张熟悉的图：

• 一个标准的虚拟机交换机，可以有上行链路或者没有上行链路（Uplink）。这取决于这个VSS是否要对外通讯。而一个VSS实际是一个虚拟的二层桥接设备。
  
• 一个VSS可以接多个VM，通过不同的PortGroup可以区分vLAN。
  
• 在一个esxi上的VSS的通讯，是在VMKernel完成的。而在不同esxi上的VSS，是通过物理网络来通讯的。
  
• 在vSphere中，物理网卡叫Nic,虚拟网卡叫vNIC。
  

　　接下来，我们看下面这张图：

　　在上图中，最右边的Instance，也就是是三层嵌套下的OpenStack实例。这这个实例，要实现对完通讯，需要有几个步骤。
　　第一步：虚拟机发出网络包。虚拟机实例有一个虚拟网卡，叫eth0。数据包从eth0出来以后，首先连接到vnet0上。vnet0是一个tap设备。那么，什么是tap呢？
　　Tap实现连接作用，实现二层包通讯。在上图中，tap连接了qbr和实例中的eth0。我们可以理解成tap将虚拟机的虚拟网卡和qbr设备连接到了一起。
　　第二步：网络包到达qbr。
　　那么qbr是什么呢？
　　qbr是一个Linux网桥。这个网桥存在于server-a上。从qbr到br-ex经过了两个设备：qvo和qvb。这两个设备是成对出现的，用于连接linux bridge和OVS bridge。qvb位于bridge侧，qvo位于OVS bridge侧。
　　第三步：网络包到达br-int。
　　那么，什么是br-int呢？br-int是由OVS虚拟出来的网桥，它的作用和vSphere中的VSS是类似的。（实际上，OVS在作为网桥功能的时候，本身与Linux Bridge类似）。Br-int的作用，就是将本KVM Hypervisor上的所有虚拟机实例都连接到这个虚拟交换机上。
　　我们知道，在vSphere的VSS上，可以通过portgroup区分vLAN。同样，br-int的port也有这个功能。
　　Port的一个重要的方面就是VLANConfiguration，有两种模式：

• trunk port
  
• access port
  

　　第四步：网络包到达Router1
　　我们接着看，br-int向右连接到了qdhcp上，它的作用就是为虚拟网络提供dhcp功能的。
　　br-int向左连接到了router1上，而router1又连接到了br-ex上。Br-init与路由器的连接，经过了qr设备，qr提供的是从二层虚拟网络到三层虚拟网络的连接。
　　router1实现的是路由功能，它也是由OVS提供的。它里面包含的内容是一系列的路由表，作用是为不同子网提供路由功能。路由器中还有NAT的表，负责给实例分配浮动IP。
　　第五步：网络包通过br-ex发出去到物理网络：
　　br-ex也是一个OVS虚拟网桥，br-ex实际上是混杂模式加载在物理网卡上，实时接收着网络上的数据包。
　　那么有人会问，在OpenStack架构中，既然有OVS提供bridge，为何还要用Linux网桥？为什么不让虚拟机实例中的eth0(vnet0)直接连接到br-int上呢？
　　答案如下：
　　也就是说，理想情况下，本来虚拟机虚拟网卡连接设备tap0，直接连接br-ini应该是可以的。但由于Openstack的安全组使用的是iptables，而OVS不支持iptables，因此才在vnet0和br-int上放了一个linux bridge，用于存放iptables规则。这算是一个折中方案。
　　需要指出的是，目前Neutron支持的网络分为两大类型，Provider Network和Self Network。
　　Provider network：管理员创建的和物理网络有直接映射关系的虚拟网络。使用Provider Network，虚拟机对外通讯不需要走Neutron中的Router。


　　Tenant network：租户普通用户创建的网络，物理网络对创建者透明，其配置由 Neutron根据管理员在系统中的配置决定。这种网络下，虚拟机对完通讯需要经过Router。而Router也可以隔离租户。
　　
　　无论哪种方式，对于我们在分析内部虚拟网络的网络包走向，区别不是很大，那么，在下图中（Provider network），实例中的虚拟机如何将网络包传出到物理网络呢？

　　有两个虚拟机instance1、instance2位于同一个Hypervisor，它们的网卡在两个vLAN中。instance1的网络包发送的物理网络需要如下几个步骤：
　　第一步：网络包离开instance1
　　第二步：网络包到达qbr，也就是linux bridge
　　第三步：网络包到达qvo以后，qvo给网络包打上内部的vlan tag。（Provider network才需要内部和外部vLAN的转换）
　　第四部：网络包到达br-ex（br-eth1），内部的vlan tag被换成真实的vlan tag。
　　第五步：网络包通过eth1传送到物理网络。
　　上面的例子中，hypervisor都是一个，如果多个nova节点，显然用一个br-int已经无法连接两个服务器上的VM。怎么办呢？
　　在物理交换机上，可以通过级联线级联。在OVS bridge中则通过br-tun进行级联，让各个物理服务器上的br-int构成一个统一的通信层。

　　Openvswitch支持三类Tunnel

• gre
  
• vxlan
  

　　看到vxlan，可能很多同学眼睛一亮。是的，目前业内大多数大二层网络的实现，都是通过vxlan协议。而大二层又通常是“双活数据中心”这个高大上名词的基础。
　　在NSX中，VXLAN的封包和解包是通过ESXi上的VTEP(A Virtual Tunnel End Point)完成的：

　　我们看一下下面这个图：两个实例属于同一个子网，但是在不同的物理服务器上，那么就需要br-tun来进行通讯。

　　在Neutron中，可以实现对VXLAN的封包和解包的功能。但如果想提高性能，也可以与物理网络设备进行配合。
　　总结：通过本文，相信读者已经对Netron虚拟网络内部有了一定的了解，后续将会分享更多的文章。