OpenStack DVR 原理深入分析

一、DVR實驗環境

一套vlan模式的openstack環境，interface_driver使用openvswitch，并在計算節點添加br-ex，用于計算節點虛擬機出外網。

二、DVR配置

1、控制節點

a、編輯/etc/neutron/neutron.conf
[DEFAULT]
router_distributed = True

b、重啟neutron-server服務

2、網絡節點

a、編輯/etc/neutron/l3_agent.ini
[DEFAULT]
agent_mode = dvr_snat

b、編輯
/etc/neutron/plugins/ml2/openvswitch_agent.ini
[agent]
enable_distributed_routing = True

c、重啟neutron-l3-agent和neutron-openvswitch-agent服務

3、計算節點

a、編輯/etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward=1
net.ipv4.conf.all.rp_filter = 0
net.ipv4.conf.default.rp_filter = 0

b、執行命令sysctl –p

c、編輯/etc/neutron/l3_agent.ini
[DEFAULT]
interface_driver=neutron.agent.linux.interface.OVSInterfaceDriver
external_network_bridge =
agent_mode = dvr

d、編輯
/etc/neutron/plugins/ml2/openvswitch_agent.ini
[agent]
enable_distributed_routing = True

e、重啟neutron-l3-agent和neutron-openvswitch-agent服務

三、啟用dhcp實現metadata功能

1、默認情況下，metadata功能通過l3實現，在dvr模式下，如果使用l3實現的話，需要額外配置metadata agent，為了簡化，該實驗啟用dhcp agent來實現metadata功能。

a、在網絡節點上編輯/etc/neutron/dhcp_agent.ini
[DEFAULT]
force_metadata = True

b、重啟neutron-dhcp-agent服務。

四、DVR到網關流表分析

1、創建router，關聯到test1網絡（網關192.168.1.1），并在test1網絡內創建instance（192.168.1.9），網絡模型如下：

執行上述操作之后，neutron會在網絡節點和計算節點（有instance運行）上都創建一個router的namespace，且配置完全一樣。

也就是說，平臺中會出現多個相同的router namespace，那么neutron如何實現虛擬機到網關的流量只到本地的router namespace呢？答案是flow table

2、舉個例子：

a、在test1內ping網關（192.168.1.1），虛擬機會先發送arp請求去學習網關的mac地址，arp報文會從qvo-xxx端口進入br-int的table0，匹配arp和in_port，根據流表項，resubmit到table24。

b、在table24中匹配arp、in_port和arp_spa，命中之后，resubmit到table25。

c、在table25中匹配in_port和dl_src，命中之后，resubmit到table60。

d、在table60中，命中table-miss flow entry，根據action執行NORMAL。

e、網關地址是配置在router namespace中的qr-xxx上，而qr-xxx是br-int上的。

端口，所以qr-xxx會收到arp請求，并進行相應，arp相應報文會從qr-xxx端口再次進入br-int table0，命中table-miss flow entry，從而進行NORMAL轉發，將報文轉發給虛擬機的qvo-xxx。

f、虛擬機學到網關的mac地址之后，將icmp報文通過流表，轉發給網關，ping流程完成。

3、現在分析neutron如何通過flow table 實現虛擬機到網關的流量只到本地的router namespace。

在上述的d步驟中，命中table-miss flow entry，根據action執行NORMAL，報文可能通過正常轉發，到達br-vlan。

a、報文到達br-vlan后，會進入table=0，匹配in_port，命中后，resubmit到table1

b、在table1中，匹配dl_vlan、arp_tpa(arp報文)或者dl_dst，從而把到網關的報文，全部drop。

c、通過上述流表，保證到達網關的報文全部終結在宿主機本地。

五、虛擬機內網通信分析

DVR模式下，虛擬機的內網通信一般有四種場景：同網絡同宿主機，同網絡不同宿主機，不同網絡同宿主機，不同網絡不同宿主機，下面將對這四種場景逐一進行分析：

1、同網絡同宿主機，不需要通過router，實驗模型如下：

test1和test2運行在同一臺宿主上，執行test1 ping test2。

a、test1通過arp學習到test2的mac地址，流表匹配過程和步驟4（DVR到網關流表分析）中arp學習相同，然后封裝icmp報文，從qvo-xxx port進入br-int的table0，匹配in_port，命中后，resubmit到table25。

b、在table25中，匹配in_port和dl_src，命中后，resubmit到table60。

c、在table60，命中table-miss，執行NORMAL轉發。

d、test2的qvo-yyy port也在br-int上，報文通過qvo-yyy發送到test2，test2回包給test流程和test1到test2相同。ping流程結束。

2、同網絡不同宿主機，不需要router，實驗模型如下：

test1和test2運行在不同宿主上，執行test1 ping test2。

此場景下，步驟a，b，c和同網絡同宿主機場景步驟完全相同，報文會在br-int的table60執行NORMAL，此處不再贅述。

d、執行NORMAL后，報文會從phy-br-vlan port進入br-vlan的table0，匹配in_port，命中后，resubmit到table1。

e、在table1中，命中table-miss，resubmit table2。

f、在table2中，匹配in_port和dl_vlan，命中后，修改local vlan 1為全局vlan 196，然后執行NORMAL，此時報文會離開宿主機，從業務口發出去。

g、報文會被送到運行test2的宿主機業務口，然后進入br-vlan的table0，命中后，resubmit到table3。

h、在table3中，命中后，執行NORMAL，報文被送到br-int。

i、在br-int的table0中，匹配in_port和dl_vlan，命中后，修改全局vlan 196 為local vlan 1，然后執行NORMAL，報文會從qvo-yyy進入虛擬機test2。

j、test2回包和test1發包過程相同，至此，ping操作完成。

3、不同網絡同宿主機，需要router，實驗模型如下：

創建router分別連接兩個網絡，每個網絡上個各創建一臺instance，執行上述操作之后，neutron會在網絡節點和計算節點（有instance運行）上都創建一個router的namespace，且配置完全一樣，qr-設備會被配置上對應網關ip地址。

test1和test2運行在同宿主上，執行test1 ping test2。

a、test1 通過計算知道要到達test2需要走三層，它會先發arp請求，學習網關的mac地址，然后封裝icmp報文（目的ip是test2的ip，目的mac是網關的mac地址），通過默認路由，將報文送到本地的router namespace。
（學習網關過程中匹配流表的過程請參考 <4、DVR到網關流表分析>章節）。

b、報文從qr-test1進入router的PREROUTING鏈，然后查找到test2的路由，命中之后，進入POSTROUTING鏈，并從qr-test2重新進入br-int的table0。

c、在table0中，命中table-miss，resubmit到table60。

d、在table60中，命中后，執行NORMAL，將報文從qvo-xxx送到test2。

e、test2回包的過程和test1發包過程相同，至此，ping操作完成。

4、不同網絡不同宿主機，需要router，實驗模型如下：

test1和test2運行在不同宿主上，執行test1 ping test2。

此場景下，步驟a，b，c和不同網絡同宿主機場景步驟完全相同，
報文從qr-test2出來之后，在br-int的table60執行NORMAL，此處不再贅述。

d、在c中執行NORMAL之后，報文通過int-br-vlan port進入br-vlan的table0。

e、在table0中，匹配in_port，命中之后，resubmit到table1。

f、在table1中，匹配dl_vlan和dl_src，命中之后，修改源mac地址為neutron分配給宿主機mac，resubmit到table2。

注：開啟DVR之后，neutron會給每個compute節點分配一個唯一的mac地址，避免物理交換機出現mac地址沖突的問題。

g、在table2中，匹配in_port和dl_vlan，命中之后，修改local vlan 2為全局
vlan 148，執行NORMAL，此時報文會從業務口eth2離開宿主機。

h、報文會進入運行test2的宿主機的業務口eth2進入br-vlan的table0。

i、在table0中，命中之后，resubmit到table3。

j、在table3中，匹配dl_src（neutron分配給宿主機的mac），將報文從phy-br-vlan送出給br-int table0。

k、在br-int的table0中，匹配in_port和dl_src（neturon分配給宿主機的mac），resubmit給table2。

l、在table2中，匹配dl_vlan和dl_dst，修改源mac為test2網關的mac，resubmit到table60。

m、在table60中，匹配dl_vlan和dl_dst ，剝去vlan，通過output將報文直接送到test2。

n、test2回包的過程和test1發包過程相同，至此，ping操作完成。

六、虛擬機出外網原理分析

1、創建一個router，并綁定內部網絡test1，設置路由器的網關外網為external，在內網，外網上各創建一臺虛擬機，用于測試，實驗模型如下：

執行上述操作之后，neutron會在網絡節點創建三個namespace：qrouter-xxx、fip-yyy、snat-xxx。

計算節點（instance運行）創建qrouter-xxx、fip-yyy。

ps：各節點的namespace會在接下來的分析中說明其作用。

2、虛擬機test1的報文被送到本宿主機router namespace的qr-xxx設備上（上述已經說明，此處不再贅述），進入PREROUTING鏈（未命中，不做任何修改），查看策略路由，使用默認路由準備進行轉發，然后進入POSTROUTING鏈（未命中），報文從qr-xxx發出，送往192.168.1.11進行處理（流表全部命中NORMAL）。

3、可能有人會有疑問，這里的192.168.1.11是啥？

事實上這個ip地址是neutron分配給snap-yyy namespace的一個ip，被配置在sg-zzz上，snap-yyy namespace在網絡節點上，neutron通過策略路由和sg-zzz port將計算節點router namespace中的報文，轉發到網絡節點的snat-yyy中。

4、此時報文到達網絡節點的snat-yyy namespace中的sg-zzz port上，在路由之前報文會進入PREROUTING鏈（未命中），然后查找路由。

隨后進入POSTROUTING鏈，進行snat，并做連接跟蹤，之后報文進行轉發。

5、經過上述操作，虛擬機通過snat-yyy中的qg-設備出外網，通過連接跟蹤返回(流表命中NORMAL)。

七、Floating ip原理分析

1、在章節6的基礎上，從外網分配一個floating ip（10.100.0.7），并關聯到虛擬機test1（192.168.1.9）上，并需要自行配置br-ex，用于虛擬機出外網，實驗模型如下：

執行上述操作之后，neutron會在對應的namespace里面添加若干策略，下面的分析中會逐一說明：

1、虛擬機test1的報文被送到本宿主機router namespace的qr-xxx設備上（上述已經說明，此處不再贅述），進入PREROUTING鏈（未命中，不做任何修改），查看策略路由。

通過策略路由，將報文通過rfp-6347c62b-2轉發給169.254.109.47處理，隨后進入POSTROUTING鏈，做snat修改。

2、到這里，大家可能會有一個疑問，這個rfp-6347c62b-2設備是啥？
事實上這個是veth pair的一端，它的另一端在fip-xxx namespace里面

neutron 使用這對veth pair，將報文從router的namespace里面，通過策略路由，轉發到fip-yyy的namespace里。

3、至此，報文到達fip-yyy namespace，進入PREROUTING鏈（未命中），查看路由。

再進入POSTROUTING鏈（未命中），從而將報文從fg-7ec56cee-b5設備轉發到外網。

4、至此，報文順利從fg port發送到外網（流表命中NORMAL）。

5、現在開始分析外網設備通過floating ip進入虛擬機的情況。

假設存在一臺外網設備external（10.100.0.14）去ping floating ip（10.100.0.7），外網設備首先會通過arp學習10.100.0.7的mac地址，而上述描述中，neutron并沒有配置10.100.0.7的ip地址在任何設備上，也就是說，10.100.0.7并不存在，那報文是如何準確的送到fg口的呢？

事實上，neutron在fg port上開啟了arp_haproxy功能，相當于進行了arp欺騙，這樣，外網設備就將fg的mac地址學習成10.100.0.7的mac，并更新到自己的mac表中。

6、外網報文到達fg口之后，進入PREROUTING鏈（未命中），查看route表，準備將目的ip為floating ip的報文從fpr-6347c62b-2發送169.254.109.46。

隨后進入POSTROUTING鏈（未命中），報文轉發到router的namespace中。

7、報文到達router的namespace中的rfp-6347c62b-2設備，進入PREROUTING鏈，進行dnat操作。將目的ip從floating ip轉換成內部fix ip（192.168.1.9）

隨后查看route，準備將報文從qr-xxx port轉發。

然后進入POSTROUTING鏈（未命中），將報文從qr- port轉發到虛擬機test1。

8、至此，實現外網設備到內部ip的轉發完成。