一文理解OpenStack网络

摘要：如果你能理解OpenStack的网络，那么对于其他云平台的网络，应该也可以通过分析后理解掌握了。

本文分享自华为云社区《《跟唐老师学习云网络》 - OpenStack网络实现》，作者： tsjsdbd 。

整体设计

首先，OpenStack是用来管理大量的VM的“上帝”。他的目的是要像掌控物理世界一样，去管理大量的VM。即：可以给VM分组，同一个组里面的VM，在同一个网络内，可以互通通信。不同组的VM，则相当于在不同的网络中，互相不能通信。

至于为什么要分组，

1、是跟物理服务器一样，那么多机器，按照不同机房的服务器，连到不同的网络。

2、是我可以把不同组的VM，卖给不同的“用户”，这样，组1的VM属于张三，组2的VM属于李四，这样他们俩互相隔离，互不感知。于是我就可以化身成为云厂商，对外提供云平台服务了。

当然你作为云厂商，也肯定要允许一个用户，可以拥有2个网络嘛。万一该客户人傻钱多，就是买了一堆VM，分着玩呢，是吧。

逻辑视图

现实中，2个机房的服务器，网络要想连通，是要靠路由器来帮忙的。在虚拟世界中也是类似的。

所以，逻辑上，VM世界的网络就是长这个样。

张三的VM的网络，要想和李四VM的网络互通，或者张三自己的2个独立网络互通。就得通过一个叫做 Router 的“虚拟路由器”来完成。

物理视图

上面的逻辑视图，在物理上，则是这个样子的：

至于如何在一根网线上面，同时跑多个虚拟网络的报文。这个就是在一根网线上的报文，有不同门派的意思。具体的可以回去看VLAN/VxLAN章节。

另外，这里你可以看到，虚拟网络里面的一个“Router”，其实不是什么具体的虚拟路由器设备，而仅仅是一个“网络namespace+转发规则”就达成了，下面会细讲。

简单模型

假设现在你来设计OpenStack的网络实现。

那从我们之前学到的OVS章节，可以知道，为了达成上面提到的OpenStack的网络虚拟化目的。最简单的实现是给每个物理服务器上增加一个OVS虚拟交换机；然后每个VM都连到OVS端口上，每个端口则按照分组，打上对应的VLAN标签。就可以达成基本要求。

但是，这个初始1.0版本的实现，有个不牛批的地方，就是没法给VM设置安全组。你作为想成为云平台伟大目标，平台怎么能没有安全组这个能力呢（虽然，在VM里面，可以设置firewell或者iptables规则，但是VM里面，那是已经卖给用户的了，你跑人家房间里面，去设置规则并不合适，可能和用户自己的业务规则冲突）。

所以第2个版本，改进之。我们要在VM的外面设置安全组：

于是，我们在每个VM大门口，增加一个Bridge网桥，任何VM的流量，都会经过这个Bridge。这样，通过在Bridge上面，增加iptables规则，就可以达到给VM设置安全组的目的了。（注意，这个时候，VM的报文还没有到OVS，所以报文还是没有打VLAN标签的原始报文，所以iptables规则也好实现）。

这就是咱们的OpenStack网络2.0版本。

但是，在实践中，你发现这个独苗OVS，要设置端口转发规则有2部分：

上半部分。即：给VM设置Tag标签。

每增加一台VM时，就给这个端口打标签，插拔虚拟网线等配置动作。这一部分逻辑比较固定，不怎么变化。

下半部分。即：通过物理网线，怎么给报文打“门派”标记。

这一部分变化很大，有时候物理网络，咱得走GRE，有时候要走VLAN，有时候又得VxLAN。还有时候，得走专用的网络设备。平台得根据部署的机房网线，定制不同的规则。

这样这2类OVS的规则不好管（都放openflow的转发表里面），本着程序员的“分库分表”（或者咱们写代码时的，“抽取函数”的逻辑）的思路，咱们把1个独苗OVS，分成多个VOS。分别做不同的事情。

于是，咱们到了3.0版本，这个版本就比较通用了。基本可以和实际OpenStack的网络比较接近了。不过在网络节点部分，还得再增强一下。就是咱们的VM，除了互访之外（流量还在几台物理服务器之间转悠），还得访问外网呀（流量跑机房外部去）。所以，还得继续增强一下VM访问外部网络的能力：

这么一来，就到了差不多4.0版本了。后面咱们介绍的OpenStack网络，就是照着这个版本来的。在OpenStack网络里面，对各种ovs，bridge，接口的命名，有一套自己的规范。不像上面这么随意的取名。

控制节点

有了上面这些给VM设置虚拟网络用的模型，那么要搞成自动化（即：每创建一个VM，给它设置好配套的虚拟网线连接）。你得写个主控程序，用来控制这些计算节点上面的行为吧。如下：

所以，按照OpenStack官方的架构，它需要有3种节点：管节点，计算节点，网络节点。

每个节点上面，部署了一堆agent，用来接收老大的控制命令。老大就是Master管理节点了。

注：之前章节也提过，分布式系统，可靠的控制都需要有个“代理商”，比如RabbitMQ（OpenStack选了这个），ETCD（Kubernetes选了这个），ZooKeeper（Hadoop选了这个）这种。

（1）首先是最上面红色的线，就是“主控逻辑”用来控制Agent干活的，简称管理面网络。

（2）然后是中间绿色的线，那就是VM们在这根网线上面，发送大量的“自己门派”的报文，即VM间互相通信，都要走的网络，数据量很大。简称数据面。

为了确保管理面和数据面隔离，互不影响（即：VM疯狂发包，别把管理命令的报文给冲没了）。每台物理服务器上面，得有2块网卡，一块用来走管理网线，一块用来走数据网线。

（3）接着就是左下角的墨绿色线，这个是VM们访问机房外部网络用的。只需要网络节点，有一个额外的网卡就行了。

（4）最后是紫色的线。你的主控逻辑，要不要包装成API接口，对外部暴露访问通道？要的话，可以加上。不要的话，那就每次都登陆到主控节点里面，手动敲命令控制也行。

计算节点

这里咱们打开一个OpenStack的计算节点，看看它的网络构造，遥记当年（2013年，OpenStack版本Havana）我学OS网络的时候，看到一个资料，对我帮助很大，这里直接贴上来：

照着前文的“设计思路”，你应该可以看懂上图的网络逻辑了吧。命名上，一般内部的ovs叫 br-int。隧道的叫 br-tun。如果你有环境的话，在节点上面查询，使用各种网络命令（ip，ovs-vsctl，brctl等），你可以证实一下。

网络节点

同样，网络节点，网络组成如下：

其中，上部的红色虚线，表示一个网络namespace。dnsmasq是一个DHCP服务器（自动分配IP的程序，用来给VM分配IP地址）。

这个节点也使用各种网络命令来查询查看确认。

ps，由于该网络节点上有很多网络namespace，所以记得使用 ip netns exec命令来进入到对应的ns查询这个虚拟空间里面的详情。

floating IP（EIP）

VM除了有自己的虚拟网络内的IP，还可以拥有一个floating IP（注：对应云厂商，一般把这个叫做 EIP）。咱们来看下这个“浮动IP”是个什么实现逻辑。

逻辑概念

首先，浮动IP，是物理网络世界的，即OpenStack的外部网络的。它是一个真实存在的IP地址（不跟VM一样，那是你虚拟出来的IP）。

如上图，对floating IP，我总结的一句话概况就是：VM对外的名号。

当你从外部网络，访问这个“浮动IP”，就等于访问这一台VM。至于为什么要叫“浮动”这个词，是因为这个名号，会漂移。

举个例子：“护国大法师”这个名号很响亮，当你一报你要找“护国大法师”这个人时，大家都知道你要找具体的谁。但是这个“护国大法师”名号，是可以从一个人身上转移到另一个人身上的。

直接对应云厂商的EIP，是不是就好理解了。

具体实现

我们关注点，直接聚焦到网络节点的一个namespace里面。（本例的浮动IP是 192.168.101.3）。如下图：

在网络节点，查询ns。

root@netnode:/# ip netns

qdhcp-a7e512cf-1ca0-4ec7-be75-46a8998cf9ca

qrouter-4cdb0354-7732-4d8f-a3d0-9fbc4b93a62d

找到对应的 router 那个ns（上图五角星处），然后查询这个里面的网卡信息：

root@netnode:/# ip netns exec qrouter-4cdb0354-7732-4d8f-a3d0-9fbc4b93a62d ip address

11: qg-1423ba35-7c: <BROADCAST,MULTICAST,PROMISC,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN

    inet 192.168.101.2/24 brd 192.168.101.255 scope global qg-1423ba35-7c

    inet 192.168.101.3/32 brd 192.168.101.3 scope global qg-1423ba35-7c

12: qr-9f1fa61e-1e: <BROADCAST,MULTICAST,PROMISC,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN

    inet 172.17.17.1/24 brd 172.17.17.255 scope global qr-9f1fa61e-1e

可以看到，有个叫qg-xx的网卡，拥有了这个 floating IP地址。

然后我们查询一下这个ns里面的iptables规则：

root@netnode:/# ip netns exec qrouter-4cdb0354-7732-4d8f-a3d0-9fbc4b93a62d iptables -t nat -S

你会发现有这么2条规则：

-A quantum-l3-agent-float-snat -s 172.17.17.2/32 -j SNAT --to-source 192.168.101.3

-A quantum-l3-agent-PREROUTING -d 192.168.101.3/32 -j DNAT --to-destination 172.17.17.2

第1条是SNAT规则，就是把源IP地址换掉的意思。具体内容是：如果源IP是 172.17.17.2 的（VM的），那么把源IP换成192.168.101.3（floatingIP的）。

第2条是DNAT规则，就是把目的IP地址换掉。具体内容是：如果目的IP的192.168.101.3（floatingIP的），就把目的IP换成172.17.17.2 的（VM的）。

这样一来，报文不就统统转给了这个VM嘛。

于是，一个VM一旦拥有了floatingIP（也叫EIP），它就可以被外网访问，也可以直接访问外网。

不过，真正的外部IP，可能是有限的，得省着点用，这就有了下面的SNAT和DNAT功能。

SNAT功能

如果一台VM，想访问外部网络，但是又不给它分配floatingIP。这时候就可以使用SNAT。

还是上一节的这个ns，查询这个ns里面的网卡信息，可以看到，还有一个 101.2 的IP。

root@netnode:/# ip netns exec qrouter-4cdb0354-7732-4d8f-a3d0-9fbc4b93a62d ip address

11: qg-1423ba35-7c: <BROADCAST,MULTICAST,PROMISC,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN

    inet 192.168.101.2/24 brd 192.168.101.255 scope global qg-1423ba35-7c

    inet 192.168.101.3/32 brd 192.168.101.3 scope global qg-1423ba35-7c

12: qr-9f1fa61e-1e: <BROADCAST,MULTICAST,PROMISC,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN

    inet 172.17.17.1/24 brd 172.17.17.255 scope global qr-9f1fa61e-1e

还是查询一下这个ns里面的iptables规则：

root@netnode:/# ip netns exec qrouter-4cdb0354-7732-4d8f-a3d0-9fbc4b93a62d iptables -t nat -S

你会发现有这么1条规则：

-A quantum-l3-agent-snat -s 172.17.17.0/24 -j SNAT --to-source 192.168.101.2

该规则是，所有源IP是 172.17.17.0/24 这个网段的报文（就是该网络内的所有VM），都把源IP地址换掉的意思。

所以，一旦给一个虚拟网络设置了SNAT功能，那么这个网络里面的所有VM，都可以访问外网了。只是大家共用一个外部出口IP地址（本质还是EIP），这个就是省着点用的意思。

缺点是：只能从内部（虚拟网络）访问外部（外部网络），外部不能访问内部（毕竟，这个IP是大家共用的，不是某一台VM的）。

DNAT功能

在本着省着点用的原则下（即好多VM共享一个外部IP）。如果希望外部访问内部VM，还可以使用DNAT功能。

原理上，你应该想到了，就是在ns里面增加一条，根据不同的端口，转发不同目的IP地址的DNAT规则。

这一种省钱的办法，缺点是：只能指定对应的目的端口。比如，外部端口80，分配给VM1占用了。那么VM2就不能用80了，它只能委屈下，使用外部端口号81（或其他）了。

省钱总得要失去点什么，要不然，给每台VM都买个EIP不就完了。

Router

OpenStack里面的Router，是用来将“一个网络”，连接到“另一个网络”的。可以是2个虚拟网络，也可以是1个虚拟网络+1个实际外部网络。

一个Router本质是一个网络namespace，同上一个章节描述浮动ip一样，这个ns是一个虚拟的“中转站”。所有的网络连接，需要先到这个中转站“休息打扮一下”，然后再前往目的网络。

注意，在同一个用户的2个网络互联，和2个不同用户的网络互联，在底层实现的技术上是一样的。不同点是不同用户的话，需要控制好权限，不然张三不就可以随便去连李四的网络了。

Router概念，对应到云厂商，一般叫 “VPC互联”。产品各式各样，比如以前的“vpc peering”，现在的“云企业网络”“企业路由”“云连接”等。

Metadata服务

metadata服务，就是允许每个VM去问上帝（OpenStack平台）：“你创建我的档案上面，都写了些什么？”。这是一个非常有意思的特性。

功能介绍

你（VM）去问上帝，你总得知道上帝在哪里把？所以在OpenStack上，将上帝的地址，写死了一个特殊的IP：169.254.169.254，挺好记的。

询问上帝的方法：

$ curl http://169.254.169.254

1.0

2007-01-19

2007-03-01

2007-08-29

2007-10-10

2007-12-15

2008-02-01

2008-09-01

2009-04-04

latest

你可以去试一下，如果发现这个IP可以访问，说明你可以证明自己的机子是一台被虚拟出来的VM，而不是一台物理机了。

举个例子，VM问：我被生出来后的启动脚本是什么？

即问自己的 “userdata信息”

$ curl http://169.254.169.254/openstack/latest/user_data

#!/bin/bash

echo 'Extra user data here'

这个功能，还是比较有用的，特别是在做VM自动化的时候（ps，可以去查一下一个称作 cloud-init 的东西）。

metadata特性应该是来自AWS。OpenStack为了兼容AWS的这个“询问上帝”的功能（当然，肯定也是认可这个功能还是有用的）。也支持了这个 metadata服务。

具体实现

我们知道创造&管理VM的组件，是叫Nova。也就是metadata特性，要从虚拟世界（VM里面）去访问物理世界（Nova的API），经过上面的介绍，这种情况下，肯定要经过一个“中转站”的。

我们先看下VM内部，访问169.254.169.254的时候，报文去哪里了：

在VM里面敲：

ip route

default via 172.17.17.1 dev eth0

172.17.17.0/24 dev eth0 src 172.17.17.5

169.254.169.254 via 172.17.17.1 dev eth0

可以看到访问“上帝”时，报文去了 VM网络的网关IP（172.17.17.1）那了。

那么网关IP在哪里？在网络节点的namespace里面：

root@netnode:/# ip netns exec qrouter-4cdb0354-7732-4d8f-a3d0-9fbc4b93a62d ip address

里面有个网卡叫做：

12: qr-9f1fa61e-1e: <BROADCAST,MULTICAST,PROMISC,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN

    inet 172.17.17.1/24 brd 172.17.17.255 scope global qr-9f1fa61e-1e

我们再来看下，访问169.254的报文，到这个“中转站”后，被如何“拿捏”的。

root@netnode:/# ip netns exec qrouter-7a44de32-3ac0-4f3e-92cc-1a37d8211db8 iptables -S

可以看到，目的地址是169.254的报文，会转给本地的 9697端口。

-A quantum-l3-agent-PREROUTING -d 169.254.169.254/32 -p tcp -m tcp --dport 80 -j REDIRECT --to-ports 9697

-A quantum-l3-agent-INPUT -d 127.0.0.1/32 -p tcp -m tcp --dport 9697 -j ACCEPT

那么，谁在本地（这个namespace内）监听 9697端口呢？答案是上帝的代理，一个agent在这里偷听呢。

root@netnode:/# ip netns exec qrouter-7a44de32-3ac0-4f3e-92cc-1a37d8211db8 netstat -anpt

tcp        0      0 0.0.0.0:9697            0.0.0.0:*               LISTEN      11937/python

看下这个进程号，具体的命令：。

root@netnode:/# ps -ef | grep 11937

root     11937     1  0 08:43 ?        00:00:00 python

/usr/bin/neutron-ns-metadata-proxy -metadata_proxy_socket=/var/lib/neutron/metadata_proxy

可以看到，有一个proxy进程监听者9697端口，并将“访问上帝的请求”，转给了本地 unix domain socket 的监听者（即agent）。

使用

root@netnode:/# netstat -lxp | grep metadata

或者

root@netnode:/# lsof /var/lib/neutron/metadata_proxy

查询到在监听本地unix domain socket的进程ID

然后看下这个进程ID，是不是上帝的agent：

root@netnode:/# ps -ef | grep “具体进程ID”

逻辑上，整体过程如下：

具体可参考该图：

所以，关键其实还是那个 namespace中转站。

附，本段参考链接：

http://niusmallnan.com/_build/html/_templates/openstack/metadata_server.html

http://techbackground.blogspot.com/2013/06/metadata-via-quantum-router.html

DVR（Distributed Virtual Routing）

在上面的介绍中可以看到，所有的VM虚机，要访问外网，都要经过网络节点。这样也有不好地方，1是网络节点的网络流量压力非常大；2是一旦网络节点异常，大量的VM都要受影响。所以，这里能不能把网络节点的“中转站”功能，复制一份到各个计算节点上去。然后在计算节点上面，增加判断逻辑：

if （本地有“中转站”） && （符合使用条件）  {使用本地“中转站”}；

else  {继续使用原来的网络节点的“中转站”}。

答案就是DVR了。为了降低网络节点的负载，同时提高可扩展性，OpenStack在Juno版本引入了DVR特性，DVR部署在计算节点上。计算节点上的VM使用floatingIP访问Internet，不必经过网络节点，直接从计算节点的DVR就可以访问。

这样网络节点只需要处理占到整体流量一部分的 SNAT （无 floating IP 的 vm 跟外面的通信）流量，大大降低了负载和整个系统对网络节点的依赖。

具体计算节点的if条件判断，就是通过openflow规则，来控制的。这个有点太细节了，没有细研究。可以去看看相应的文章：

https://www.cnblogs.com/sammyliu/p/4713562.html

https://docs.openstack.org/ocata/networking-guide/deploy-ovs-ha-dvr.html

所以你可以看到，原来网络节点的路由器，现在分散到各个计算节点上面了。原来一个人（网络节点的Router）要干的活，现在分散给很多人（各计算节点的Router）干。确实分布式路由器了。

总结

基本上，OpenStack的网络实现，是集成了目前所有的“网络虚拟化零件”，包括：ovs交换机，bridge网桥，veth网线，tap网线，patch网线，namespace空间，iptables规则等。也是唐老师我接触过最复杂的网络实现（所以本文一直拖到最后）。如果你能理解OpenStack的网络，那么对于其他云平台的网络，应该也可以通过分析后理解掌握了。

最后，基础的云网络相关的课程，唐老师就只能教到此了。毕竟咱可以是一个入门导师，也不是专门负责网络开发的。所以在入门后，如果还要继续深入研究云网络，甚至开始设计网络虚拟化方案的，还得靠你自己继续修行。骚年，加油~

注：由于作者现阶段主要专注于云原生相关的业务（Kubernetes集群），所以OpenStack网络信息不就是最新的了。不过这个关系应该不大，因为其网络设计原理是继承的。并且，咱们的课程，主要目的就是能看懂。要设计的话，还得自己再深入学习。So，本着能看懂OpenStack网络的原则，本文还是够用的。

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