基于 Linux Bridge 的 Neutron 多平面网络实现原理

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• 前言
• 前文列表
• 多平面网络
• Local（本地网络）
• Flat（扁平网络）
• 配置 Flat 网络
• VLAN
• 配置 VLAN 网络
• VxLAN
• 配置 VxLAN 网络
• GRE

前言

本文是在 CloudMan 的《每天五分钟学习 OpenStack》系列博文的基础之上进行学习记录和总结的，感谢 CloudMan 的整理付出，特此说明。

前文列表

《Networking 基本术语/概念》

多平面网络

Neutron 作为一个成熟的 SDN 项目，实现了「多平面混合的租户私有网络模型」。在 Neutron 中，Network（网络）的定义是一个隔离的二层广播域。Neutron 支持多种类型的 Network，也就是常说的 “多平面网络”。

• Local
• Flat
• VLAN
• VxLAN
• GRE
  
  

Local（本地网络）

Local 类型网络的特点是与其他网络和节点隔离。Local 网络中的 instance 只能与位于同一节点上的同一网络中的 instance 通信。Local 网络主要用于单机测试，在生产环境中基本不会看见。

Local Network 是不会与宿主机的任何物理网卡相连的，对于每个 Local Netwrok，ML2 linux-bridge 都会为其创建一个 bridge（虚拟网桥）设备，Instance 的 tap（虚拟网卡）设备会连接到 bridge。位于同一个 Local Network 的 Instance 会连接到相同的 bridge。这样就相当于有多台 Hosts 接入了同一台交换机上，Hosts 之间只要处于同于 IP 逻辑网络，就可以互相通信。

但因为物理网卡并没有 Attached 到 bridge 上，所以 Instances 也就无法与宿主机之外的网络通信了。同时又因为每个 Local Network 有自己的 bridge，且 bridge 之间没有连通，所以两个 Local Network 之间也不能通信，即使它们位于同一宿主机上。

Local Network 的网络模型：

Flat（扁平网络）

Flat 类型网络的特点是无 VLAN Tagging。Flat 网络中的 Instance 能与位于不同节点上的同一网络的 Instance 通信。Flat 网络常见于 All-In-One 开发环境，在生产环境中也基本不会看见。

Flat Network 要求宿主机的物理网卡 Attached 到 Linux Bridge 上，这意味着每个 Flat Network 都会独占一个物理网卡，也意味着 Flat Network 是可以连通外网的。

Flat Network 的网络模型：



NOTE：物理网卡接口设备（e.g. eth1、eth2）Attached 到 Bridge 之后其 IP 地址会无效（NO IP ADDR），所以一般的会将原来 eth1 的 IP 地址配置到 brqXXXX 上，并且开启 eth1 的混杂模式。

可见 Flat 与 Local 的主要区别在于 “是否能够连通外部网络（是否 Attached 物理网卡设备）”。如果 Instances 希望访问外部网络，那么就要求 Instances、Bridge、外部网络处于同一个 IP 逻辑网络。很明显的，这一限制使得 Flat 只能应用在简单的实验环境中，而且就算是在实验环境中也只有 ext-net 会创建为 Flat 类型。ten-net 不会直接采用 Flat，而是通过 Router 和 Floating IP 进行外网访问。

配置 Flat 网络

vim /etc/neutron/plugins/ml2/ml2_conf.ini

[ml2]
tennat_network_type=local
type_drivers=local,flat,
mechanism_drivers=linuxbridge
...
[ml2_type_flat]
flat_networks=default
[linux_bridge]
physical_interface_mappings=default:eth1

• 在 [ml2_type_flat] 中通过 flat_networks 定义了一个 flat 网络，label 为 default。
• 在 [linux_bridge] 中通过 physical_interface_mappings 指明 default label 对应的物理网卡为 eth1。

label 是 Flat Network 的唯一标识，可以是任意字符串，在创建 Flat Network 时需要指定 label，通过指定 label 来分配 Flat Network 占用的物理网卡接口设备。Flat Network 是可以跨节点的，只要确保各节点间 ml2_conf.ini 配置文件中的 label 命名一致就可以了。需要注意的是，各节点中同一 label（Flat Network）与物理网卡的对应关系可能并不相同，因为各个节点可以被分配的物理网卡也不尽相同。

NOTE：支持多个 Flat Network 的配置方式

[ml2_type_flat]
flat_networks = flat1,flat2
[linux_bridge]
physical_interface_mappings = flat1:eth1,flat2:eth2

VLAN

VLAN 网络是具有 802.1q Tagging（基于 802.1.q VLAN 协议） 的网络。每个 VLAN 都是一个二层的广播域，同一 VLAN 中的 instance 可以通信，不同 VLAN 间的 instances 需要通过 Router 通信。VLAN 网络是应用最广泛的网络类型，适合中小型网络拓扑。

VLAN Network 的网络模型：

• eth1.100 和 eth1.101 俗称为物理网卡 eth1 的子网卡设备，又称为 Linux VLAN 设备。
• 同一张物理网卡可以通过创建多个不同子设备来划分多个不同的 VLAN。
• Instances 通过 eth1.100 发送到 eth1 的数据包就会打上 vlan100 的 tag。
• 具有相同 VLAN ID 的数据包才能通过对应的 VLAN 设备。
• 每个 VLAN Network 有自己专属的 Bridge，以此实现了基于 VLAN 的隔离。

NOTE：VLAN 实现了隔离，Bridge 实现了转发，VLAN + Bridge == vSwitch（隔离&转发）

配置 VLAN 网络

vim /etc/neutron/plugins/ml2/ml2_conf.ini

[ml2]
tennat_network_type=vlan
type_drivers=local,flat,vlan,
mechanism_drivers=linuxbridge
...
[ml2_type_vlan]
network_vlan_ranges=default:3001:4000
[linux_bridge]
physical_interface_mappings=default:eth1

• 定义了 label 为 default 的 VLAN Network，VLAN ID 的范围是 3001~4000。这个范围是针对普通用户创建 VLAN 类型租户网络时的范围。普通用户创建 VLAN 类型网络时并不能指定 VLAN ID，Neutron 会按顺序自动从这个范围中取值。
• 对于 admin 用户则没有 VLAN ID 的限制，admin 可以创建 1~4094 范围（全范围）内的 VLAN 网络。
• 同样需要指明 VLAN Network 与物理网卡的对应关系

VxLAN

VxLAN 是基于隧道（Tunnel）技术的 Overlay 覆盖网络。VxLAN 网络通过唯一的 Segmentation ID（VNI）来进行划分，VxLAN 中的数据包会通过 VNI 封装成 UDP 包进行传输。所谓 Overlay 就是覆盖在三层网络之上的自定义网络，从用户的角度来看，它屏蔽了底层网络的复杂性。VxLAN 将二层的数据帧封装在三层数据包进行传输，从而克服 VLAN 和物理网络基础设施的限制。

NOTE：VxLAN 的实现原理请查阅 https://blog.csdn.net/Jmilk/article/details/85169871#VxLAN_Tunnel_Endpoint_579，这里不再赘述。

配置 VxLAN 网络

vim /etc/neutron/plugins/ml2/ml2_conf.ini

[ml2]
tennat_network_type=vxlan
type_drivers=local,flat,vlan,vxlan
mechanism_drivers=linuxbridge,l2population
...
[ml2_type_vxlan]
vni_ranges=1001:2000

NOTE：VxLAN 的运行原理是不需要特别指定 “物理网络（网卡）” 的，因为 VxLAN 依赖于 VTEP 端点的 IP，只要这两端的 IP 能通就可以了。

控制节点的 VxLAN Section：

[VXLAN]
enable_vxlan=True
l2_population=True
local_ip=<control_ip>

计算节点的 VxLAN Section：

[VXLAN]
enable_vxlan=True
l2_population=True
local_ip=<compute_ip>

• vni_ranges 的意义与 VLAN 网络的 network_vlan_ranges 配置项目的意义类似，是针对普通租户的配置。admin 同样没有 vni 范围的限制，admin 可以创建 1~16777216 的 VxLAN Network。
• l2population 是 Neutron 实现了 “大二层控制平面”，直接通过数据库记录生成 IP 与 MAC 的映射关系，以此来完成 ARP 协议的工作内容，避免广播风暴的问题。在大型的网络中作用巨大。

GRE

CRE 与 VxLAN 类似，也是一种 Overlay 网络，主要区别在于使用的隧道技术不同，GRE 是通过 gre key 进行划分的，并且使用了 IP 包而非 UDP 来进行封装。这里不再赘述。