Openvswitch总体架构与代码结构

2020-06-01 00:00:00 发送 配置 内核 网卡 报文

一、Openvswitch的总体架构


Openvswitch的架构网上有如下的图表示：

 

 

 

每个模块都有不同的功能：


  • ovs-vswitchd 为主要模块，实现交换机的守护进程daemon

 

在Openvswitch所在的服务器进行ps aux可以看到以下的进程


root 1008 0.1 0.8 242948 31712 ? S<Ll Aug06 32:17 ovs-vswitchd unix:/var/run/openvswitch/db.sock -vconsole:emer -vsyslog:err -vfile:info --mlockall --no-chdir --log-file=/var/log/openvswitch/ovs-vswitchd.log --pidfile=/var/run/openvswitch/ovs-vswitchd.pid --detach --monitor


注意这里ovs-vswitchd监听了一个本机的db.sock文件

 

  • openvswitch.ko为Linux内核模块，支持数据流在内核的交换


我们使用lsmod列举加载到内核的模块：


~# lsmod | grep openvswitch

openvswitch 66901 0

gre 13808 1 openvswitch

vxlan 37619 1 openvswitch

libcrc32c 12644 2 btrfs,openvswitch


  • ovsdb-server 轻量级数据库服务器，保存配置信息，ovs-vswitchd通过这个数据库获取配置信息

 

通过ps aux可以看到如下进程


root 985 0.0 0.0 21172 2120 ? S< Aug06 1:20 ovsdb-server /etc/openvswitch/conf.db -vconsole:emer -vsyslog:err -vfile:info --remote=punix:/var/run/openvswitch/db.sock --private-key=db:Open_vSwitch,SSL,private_key --certificate=db:Open_vSwitch,SSL,certificate --bootstrap-ca-cert=db:Open_vSwitch,SSL,ca_cert --no-chdir --log-file=/var/log/openvswitch/ovsdb-server.log --pidfile=/var/run/openvswitch/ovsdb-server.pid --detach –monitor

 

可以看出，ovsdb-server将配置信息保存在conf.db中，并通过db.sock提供服务，ovs-vswitchd通过这个db.sock从这个进程读取配置信息。


/etc/openvswitch/conf.db是json格式的，可以通过命令ovsdb-client dump将数据库结构打印出来。

 

数据库结构包含如下的表格。

 

 

数据库结构如下：

 

 

通过ovs-vsctl创建的所有的网桥，网卡，都保存在数据库里面，ovs-vswitchd会根据数据库里面的配置创建真正的网桥，网卡。


ovs-dpctl 用来配置switch内核模块。


ovs-vsctl 查询和更新ovs-vswitchd的配置。


ovs-appctl 发送命令消息，运行相关daemon。


ovs-ofctl 查询和控制OpenFlow交换机和控制器。

 

二、Openvswitch的代码结构

 

Openvwitch进行数据流交换的主要逻辑都是在ovs-vswitchd和openvswitch.ko里面实现的。

 

 

ovs-vswitchd会从ovsdb-server读取配置，然后调用ofproto层进行虚拟网卡的创建或者流表的操作。

Ofproto是一个库，实现了软件的交换机和对流表的操作。

Netdev层抽象了连接到虚拟交换机上的网络设备。

Dpif层实现了对于流表的操作。

 

对于OVS来讲，有以下几种网卡类型：

  • 1). netdev: 通用网卡设备 eth0 veth

    • 接收: 一个nedev在L2收到报文后回直接通过ovs接收函数处理，不会再走传统内核协议栈.

    • 发送: ovs中的一条流指定从该netdev发出的时候就通过该网卡设备发送

  • 2). internal: 一种虚拟网卡设备

    • 接收: 当从系统发出的报文路由查找通过该设备发送的时候，就进入ovs接收处理函数

    • 发送: ovs中的一条流制定从该internal设备发出的时候，该报文被重新注入内核协议栈

  • 3). gre device: gre设备. 不管用户态创建多少个gre tunnel, 在内核态有且只有一个gre设备

    • 接收: 当系统收到gre报文后，传递给L4层解析gre header, 然后传递给ovs接收处理函数

    • 发送: ovs中的一条流制定从该gre设备发送, 报文会根据流表规则加上gre头以及外层包裹ip，查找路由发送

 

 

在如上的代码结构中，vswitchd中就是ovs-vswitchd的入口代码，ovsdb就是ovsdb-server的代码，ofproto即上述的中间抽象层，lib下面有netdev，dpif的实现，datapath里面就是内核模块openvswitch.ko的代码。

 

三、ovs-vswitchd和openvswitch.ko的交互方式netlink

 

datapath 运行在内核态，ovs-vswitchd 运行在用户态，两者通过netlink 通信。


netlink 是一种灵活和强大的进程间通信机制（socket），甚至可以沟通用户态和内核态。


netlink 是全双工的。作为socket，netlink 的地址族是AF_NETLINK（TCP/IP socket 的地址族是AF_INET）


目前有大量的通信场景应用了netlink，这些特定扩展和设计的netlink 通信bus，被定义为family。比如NETLINK_ROUTE、NETLINK_FIREWALL、NETLINK_ARPD 等。


因为大量的专用family 会占用了family id，而family id 数量自身有限（kernel 允许32个）；同时为了方便用户扩展使用，一个通用的netlink family 被定义出来，这就是generic netlink family。

 

要使用generic netlink，需要熟悉的数据结构包括genl_family、genl_ops 等。

 

 

下面写一个generic netlink的简单实例

定义family如下


  1. /* attributes */

  2. enum {

  3. DOC_EXMPL_A_UNSPEC,

  4. DOC_EXMPL_A_MSG,

  5. __DOC_EXMPL_A_MAX,

  6. };

  7. #define DOC_EXMPL_A_MAX (__DOC_EXMPL_A_MAX - 1)

  8. /* attribute policy */

  9. static struct nla_policy doc_exmpl_genl_policy[DOC_EXMPL_A_MAX + 1] = {

  10. [DOC_EXMPL_A_MSG] = { .type = NLA_NUL_STRING },

  11. };

  12. /* family definition */

  13. static struct genl_family doc_exmpl_gnl_family = {

  14. .id = GENL_ID_GENERATE,

  15. .hdrsize = 0,

  16. .name = "DOC_EXMPL",

  17. .version = 1,

  18. .maxattr = DOC_EXMPL_A_MAX,

  19. };

 

定义op如下


  1. /* handler */

  2. int doc_exmpl_echo(struct sk_buff *skb, struct genl_info *info)

  3. {

  4. /* message handling code goes here; return 0 on success, negative values on failure */

  5. }

  6. /* commands */

  7. enum {

  8. DOC_EXMPL_C_UNSPEC,

  9. DOC_EXMPL_C_ECHO,

  10. __DOC_EXMPL_C_MAX,

  11. };

  12. #define DOC_EXMPL_C_MAX (__DOC_EXMPL_C_MAX - 1)

  13. /* operation definition */

  14. struct genl_ops doc_exmpl_gnl_ops_echo = {

  15. .cmd = DOC_EXMPL_C_ECHO,

  16. .flags = 0,

  17. .policy = doc_exmpl_genl_policy,

  18. .doit = doc_exmpl_echo,

  19. .dumpit = NULL,

  20. };

 

注册family 到generic netlink 机制


  1. int rc;

  2. rc = genl_register_family(&doc_exmpl_gnl_family);

  3. if (rc != 0)

  4. goto failure;

 

将操作注册到family

  1. int rc;

  2. rc = genl_register_ops(&doc_exmpl_gnl_family, &doc_exmpl_gnl_ops_echo);

  3. if (rc != 0)

  4.     goto failure;

 

Datapath是如何使用netlink的呢？

 

在dp_init()函数（datapath.c）中，调用dp_register_genl()完成对四种类型的family 以及相应操作的注册，包括datapath、vport、flow 和packet。


前三种family，都对应四种操作都包括NEW、DEL、GET、SET，而packet 的操作仅为EXECUTE。

 

对于flow这个family的定义如下：


  1. static const struct nla_policy flow_policy[OVS_FLOW_ATTR_MAX + 1] = {

  2.     [OVS_FLOW_ATTR_KEY] = { .type = NLA_NESTED },

  3.     [OVS_FLOW_ATTR_ACTIONS] = { .type = NLA_NESTED },

  4.     [OVS_FLOW_ATTR_CLEAR] = { .type = NLA_FLAG },

  5. };

  6. static struct genl_family dp_flow_genl_family = {

  7.     .id = GENL_ID_GENERATE,

  8.     .hdrsize = sizeof(struct ovs_header),

  9.     .name = OVS_FLOW_FAMILY,

  10.     .version = OVS_FLOW_VERSION,

  11.     .maxattr = OVS_FLOW_ATTR_MAX,

  12.     SET_NETNSOK

  13. };

 

Flow相关的ops的定义如下：


  1. static struct genl_ops dp_flow_genl_ops[] = {

  2.     {

  3.         .cmd = OVS_FLOW_CMD_NEW,

  4.         .flags = GENL_ADMIN_PERM, /* Requires CAP_NET_ADMIN privilege. */

  5.         .policy = flow_policy,

  6.         .doit = ovs_flow_cmd_new_or_set

  7.     },

  8.     {

  9.         .cmd = OVS_FLOW_CMD_DEL,

  10.         .flags = GENL_ADMIN_PERM, /* Requires CAP_NET_ADMIN privilege. */

  11.         .policy = flow_policy,

  12.         .doit = ovs_flow_cmd_del

  13.     },

  14.     {

  15.         .cmd = OVS_FLOW_CMD_GET,

  16.         .flags = 0, /* OK for unprivileged users. */

  17.         .policy = flow_policy,

  18.         .doit = ovs_flow_cmd_get,

  19.         .dumpit = ovs_flow_cmd_dump

  20.     },

  21.     {

  22.         .cmd = OVS_FLOW_CMD_SET,

  23.         .flags = GENL_ADMIN_PERM, /* Requires CAP_NET_ADMIN privilege. */

  24.         .policy = flow_policy,

  25.         .doit = ovs_flow_cmd_new_or_set,

  26.     },

  27. };

 

Ovs-vswitchd作为客户端如何使用netlink

 

Ovs-vswitchd 对于netlink 的实现，主要在lib/netlink-socket.c 文件中。

lib\dpif-provider.h定义了struct dpif_class {，包含一系列函数指针，例如open，close等。


真正的dpif_class有两种


一个是dpif-netdev.c中定义的const struct dpif_class dpif_netdev_class = {


  1. const struct dpif_class dpif_netdev_class = {

  2.     "netdev",

  3.     dpif_netdev_init,

  4.     dpif_netdev_enumerate,

  5.     dpif_netdev_port_open_type,

  6.     dpif_netdev_open,

  7.     dpif_netdev_close,

  8.     dpif_netdev_destroy,

  9.     dpif_netdev_run,

  10.     dpif_netdev_wait,

  11.     dpif_netdev_get_stats,

  12.     dpif_netdev_port_add,

  13.     dpif_netdev_port_del,

  14.     dpif_netdev_port_query_by_number,

  15.     dpif_netdev_port_query_by_name,

  16.     NULL, /* port_get_pid */

  17.     dpif_netdev_port_dump_start,

  18.     dpif_netdev_port_dump_next,

  19.     dpif_netdev_port_dump_done,

  20.     dpif_netdev_port_poll,

  21.     dpif_netdev_port_poll_wait,

  22.     dpif_netdev_flow_flush,

  23.     dpif_netdev_flow_dump_create,

  24.     dpif_netdev_flow_dump_destroy,

  25.     dpif_netdev_flow_dump_thread_create,

  26.     dpif_netdev_flow_dump_thread_destroy,

  27.     dpif_netdev_flow_dump_next,

  28.     dpif_netdev_operate,

  29.     NULL, /* recv_set */

  30.     NULL, /* handlers_set */

  31.     dpif_netdev_pmd_set,

  32.     dpif_netdev_queue_to_priority,

  33.     NULL, /* recv */

  34.     NULL, /* recv_wait */

  35.     NULL, /* recv_purge */

  36.     dpif_netdev_register_dp_purge_cb,

  37.     dpif_netdev_register_upcall_cb,

  38.     dpif_netdev_enable_upcall,

  39.     dpif_netdev_disable_upcall,

  40.     dpif_netdev_get_datapath_version,

  41.     NULL, /* ct_dump_start */

  42.     NULL, /* ct_dump_next */

  43.     NULL, /* ct_dump_done */

  44.     NULL, /* ct_flush */

  45. };

 

一种是在dpif-netlink.c中，定义了const struct dpif_class dpif_netlink_class = {


  1. const struct dpif_class dpif_netlink_class = {

  2.     "system",

  3.     NULL, /* init */

  4.     dpif_netlink_enumerate,

  5.     NULL,

  6.     dpif_netlink_open,

  7.     dpif_netlink_close,

  8.     dpif_netlink_destroy,

  9.     dpif_netlink_run,

  10.     NULL, /* wait */

  11.     dpif_netlink_get_stats,

  12.     dpif_netlink_port_add,

  13.     dpif_netlink_port_del,

  14.     dpif_netlink_port_query_by_number,

  15.     dpif_netlink_port_query_by_name,

  16.     dpif_netlink_port_get_pid,

  17.     dpif_netlink_port_dump_start,

  18.     dpif_netlink_port_dump_next,

  19.     dpif_netlink_port_dump_done,

  20.     dpif_netlink_port_poll,

  21.     dpif_netlink_port_poll_wait,

  22.     dpif_netlink_flow_flush,

  23.     dpif_netlink_flow_dump_create,

  24.     dpif_netlink_flow_dump_destroy,

  25.     dpif_netlink_flow_dump_thread_create,

  26.     dpif_netlink_flow_dump_thread_destroy,

  27.     dpif_netlink_flow_dump_next,

  28.     dpif_netlink_operate,

  29.     dpif_netlink_recv_set,

  30.     dpif_netlink_handlers_set,

  31.     NULL, /* poll_thread_set */

  32.     dpif_netlink_queue_to_priority,

  33.     dpif_netlink_recv,

  34.     dpif_netlink_recv_wait,

  35.     dpif_netlink_recv_purge,

  36.     NULL, /* register_dp_purge_cb */

  37.     NULL, /* register_upcall_cb */

  38.     NULL, /* enable_upcall */

  39.     NULL, /* disable_upcall */

  40.     dpif_netlink_get_datapath_version, /* get_datapath_version */

  41. #ifdef __linux__

  42.     dpif_netlink_ct_dump_start,

  43.     dpif_netlink_ct_dump_next,

  44.     dpif_netlink_ct_dump_done,

  45.     dpif_netlink_ct_flush,

  46. #else

  47.     NULL, /* ct_dump_start */

  48.     NULL, /* ct_dump_next */

  49.     NULL, /* ct_dump_done */

  50.     NULL, /* ct_flush */

  51. #endif

  52. };

 

datapath 中对netlink family 类型进行了注册，ovs-vswitchd 在使用这些netlink family 之前需要获取它们的信息，这一过程主要在lib/dpif-netlink.c 文件（以dpif_netlink_class 为例），dpif_netlink_init ()函数。


  1. static int

  2. dpif_netlink_init(void)

  3. {

  4.     static struct ovsthread_once once = OVSTHREAD_ONCE_INITIALIZER;

  5.     static int error;

  6.  

  7.     if (ovsthread_once_start(&once)) {

  8.         error = nl_lookup_genl_family(OVS_DATAPATH_FAMILY,

  9.                                       &ovs_datapath_family);

  10.         if (error) {

  11.             VLOG_ERR("Generic Netlink family '%s' does not exist. "

  12.                      "The Open vSwitch kernel module is probably not loaded.",

  13.                      OVS_DATAPATH_FAMILY);

  14.         }

  15.         if (!error) {

  16.             error = nl_lookup_genl_family(OVS_VPORT_FAMILY, &ovs_vport_family);

  17.         }

  18.         if (!error) {

  19.             error = nl_lookup_genl_family(OVS_FLOW_FAMILY, &ovs_flow_family);

  20.         }

  21.         if (!error) {

  22.             error = nl_lookup_genl_family(OVS_PACKET_FAMILY,

  23.                                           &ovs_packet_family);

  24.         }

  25.         if (!error) {

  26.             error = nl_lookup_genl_mcgroup(OVS_VPORT_FAMILY, OVS_VPORT_MCGROUP,

  27.                                            &ovs_vport_mcgroup);

  28.         }

  29.  

  30.         ovsthread_once_done(&once);

  31.     }

  32.  

  33.     return error;

  34. }

 

完成这些查找后，ovs-vswitchd 即可利用dpif 中的api，通过发出这些netlink 消息给datapath，实现对datapath 的操作。


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