Open vSwitch 应用实践
基础配置以及要点：
1.交换机创建和端口的配置
1) 创建一个新的 OVS 交换机【格式：$ ovs-vsctl add-br [名称]】
$ovs-vsctl add-br ovs-switch
2) 创建一个端口 p0，设置端口 p0 的 OpenFlow 端口编号为 100（如果在创建端口的时候没有指定 OpenFlow 端口编号，OVS 会自动生成一个）。（端口p1的创建和设置同p0）
$ovs-vsctl add-port ovs-switch p0 -- set Interface p0 ofport_request=100
【如果报错，将上述命令替换为以下两条：
$sudo ovs-vsctl add-port ovs-switch p0 #可能会报错，但实际已经创建成功
$sudo ovs-vsctl set interface p0 ofport_request=100 】
3) 设置网络接口设备的类型为“internal”。对于 internal 类型的的网络接口，OVS 会同时在 Linux 系统中创建一个可以用来收发数据的模拟网络设备。我们可以为这个网络设备配置 IP 地址、进行数据监听等等。
$ sudo ovs-vsctl set Interface p0 type=internal
$ sudo ethtool -i p0
2.虚拟网络空间的配置
1) 为了避免网络接口上的地址和本机已有网络地址冲突，我们可以创建一个虚拟网络空间
ns0，把 p0 接口移入网络空间 ns0，并配置 IP 地址为 192.168.1.100。
$ sudo ip netns add ns0
$ sudo ip link set p0 netns ns0
$ sudo ip netns exec ns0 ip addr add 192.168.1.100/24 dev p0
$sudo ip netns exec ns0 ifconfig p0 promisc up
3.查看 OVS 交换机
1）通过 sudo ovs-vsctl show 命令查看 OVS 交换机的信息
4.使用 ovs-ofctl 创建并测试 OpenFlow 命令
1) 查看 Open vSwitch 中的端口信息。从输出结果中，可以获得交换机对应的 datapath ID
（dpid），以及每个端口的 OpenFlow 端口编号，端口名称，当前状态。
①查看交换机中的所有 Table： $ sudo ovs-ofctl dump-tables ovs-switch
②查看交换机中的所有流表项：$sudo ovs-ofctl dump-flows ovs-switch
③查看交换机上的端口信息：$ sudo ovs-ofctl show ovs-switch
④两个端口相互测试：$ sudo ip netns exec ns0 ping 192.168.1.101
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
【此处仅参考】（有p0,p1,p2三个端口，进行对数据包的操作）
1. 屏蔽数据包
1）屏蔽所有进入 OVS 的以太网广播数据包
$ ovs-ofctl add-flow ovs-switch "table=0, dl_src=01:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00, actions=drop"
2）屏蔽 STP 协议的广播数据包
$ ovs-ofctl add-flow ovs-switch "table=0, dl_dst=01:80:c2:00:00:00/ff:ff:ff:ff:ff:f0, actions=drop"
2. 修改数据包
1）添加新的 OpenFlow 条目，修改从端口 p0 收到的数据包的源地址为 9.181.137.1
$ ovs-ofctl add-flow ovs-switch "priority=1 idle_timeout=0,\in_port=100,actions=mod_nw_src:9.181.137.1,normal"
2）从端口 p0（192.168.1.100）发送测试数据到端口 p1（192.168.1.101）
$ ip netns exec ns0 ping 192.168.1.101
3）在接收端口 p1 监控数据，发现接收到的数据包的来源已经被修改为 9.181.137.1
$ ip netns exec ns1 tcpdump -i p1 icmp
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on p1, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 65535 bytes
15:59:16.885770 IP 9.181.137.1 > 192.168.1.101: ICMP echo request, id 23111, seq 457, length 64
15:59:17.893809 IP 9.181.137.1 > 192.168.1.101: ICMP echo request, id 23111, seq 458, length 64
3. 重定向数据包
1）添加新的 OpenFlow 条目，重定向所有的 ICMP 数据包到端口 p2
$ ovs-ofctl add-flow ovs-switch idle_timeout=0,dl_type=0x0800,nw_proto=1,actions=output:102
2）从端口 p0 （192.168.1.100）发送数据到端口 p1（192.168.1.101）
$ ip netns exec ns0 ping 192.168.1.101
3）在端口 p2 上监控数据，发现数据包已被转发到端口 p2
$ ip netns exec ns3 tcpdump -i p2 icmp
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on p2, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 65535 bytes
16:07:35.677770 IP 192.168.1.100 > 192.168.1.101: ICMP echo request, id 23147, seq 25, length 64
16:07:36.685824 IP 192.168.1.100 > 192.168.1.101: ICMP echo request, id 23147, seq 26, length 64
4. 修改数据包的 VLAN Tag
除了使用“ping”、“tcpdump”和“iperf” 等 Linux 命令以外，我们也可以使用 OVS 提供的 ovs-appctl ofproto/trace 工具来测试 OVS 对数据包的转发状况。ovs-appctl ofproto/trace 可以用来生成测试用的模拟数据包，并一步步的展示 OVS 对数据包的流处理过程。在以下的例子中，我们演示一下如何使用这个命令：
1）修改端口 p1 的 VLAN tag 为 101，使端口 p1 成为一个隶属于 VLAN 101 的端口
$ ovs-vsctl set Port p1 tag=101
现在由于端口 p0 和 p1 属于不同的 VLAN，它们之间无法进行数据交换。
2）使用 ovs-appctl ofproto/trace 生成一个从端口 p0 发送到端口 p1 的数据包，这个数据包不包含任何 VLAN tag，观察 OVS 的处理过程
$ ovs-appctl ofproto/trace ovs-switch in_port=100,dl_src=66:4e:cc:ae:4d:20,
dl_dst=46:54:8a:95:dd:f8 -generate
Flow:metadata=0,in_port=100,vlan_tci=0x0000,dl_src=66:4e:cc:ae:4d:20,
dl_dst=46:54:8a:95:dd:f8,dl_type=0x0000
Rule: table=0 cookie=0 priority=0
OpenFlow actions=NORMAL
no learned MAC for destination, flooding Final flow: unchanged
Relevant fields: skb_priority=0,in_port=100,vlan_tci=0x0000/0x1fff,\
dl_src=66:4e:cc:ae:4d:20,dl_dst=46:54:8a:95:dd:f8,dl_type=0x0000,nw_frag=no
Datapath actions: 4,1
在第一行输出中，“Flow:”之后的字段描述了输入的流的信息。由于我们没有指定太多信息，所以多数字段 （例如 dl_type 和 vlan_tci）被 OVS 设置为空值。
在第二行的输出中，“Rule:” 之后的字段描述了匹配成功的流表项。
在第三行的输出中，“OpenFlow actions”之后的字段描述了实际执行的操作。
最后一段以”Final flow”开始的字段是整个处理过程的总结，“Datapath actions: 4,1”代表数据包被发送到 datapath 的 4 和 1 号端口。
3）创建一条新的 Flow：对于从端口 p0 进入交换机的数据包，如果它不包含任何 VLAN tag，则自动为它添加 VLAN tag 101
$ ovs-ofctl add-flow ovs-switch "priority=3,in_port=100,dl_vlan=0xffff,\
actions=mod_vlan_vid:101,normal"
4）再次尝试从端口 p0 发送一个不包含任何 VLAN tag 的数据包，发现数据包进入端口 p0 之后, 会被加上 VLAN tag101, 同时转发到端口 p1 上
$ ovs-appctl ofproto/trace ovs-switch in_port=100,dl_src=66:4e:cc:ae:4d:20,
dl_dst=46:54:8a:95:dd:f8 –generate
Flow: metadata=0,in_port=100,vlan_tci=0x0000,dl_src=66:4e:cc:ae:4d:20,
dl_dst=46:54:8a:95:dd:f8,dl_type=0x0000
Rule: table=0 cookie=0 priority=3,in_port=100,vlan_tci=0x0000
OpenFlow actions=mod_vlan_vid:101,NORMAL
forwarding to learned port Final flow: metadata=0,in_port=100,dl_vlan=101,dl_vlan_pcp=0,dl_src=66:4e:cc:ae:4d:20,
dl_dst=46:54:8a:95:dd:f8,dl_type=0x0000
Relevant fields: skb_priority=0,in_port=100,vlan_tci=0x0000/0x1fff,dl_src=66:4e:cc:ae:4d:20,
dl_dst=46:54:8a:95:dd:f8,dl_type=0x0000,nw_frag=no
Datapath actions: 3
5）反过来从端口 p1 发送数据包，由于 p1 现在是带有 VLAN tag 101 的 Access 类型的端口，所以数据包进入端口 p1 之后，会被 OVS 添加 VLAN tag 101 并发送到端口 p0
$ ovs-appctl ofproto/trace ovs-switch in_port=101,dl_dst=66:4e:cc:ae:4d:20,
dl_src=46:54:8a:95:dd:f8 -generate
Flow: metadata=0,in_port=101,vlan_tci=0x0000,dl_src=46:54:8a:95:dd:f8,
dl_dst=66:4e:cc:ae:4d:20,dl_type=0x0000
Rule: table=0 cookie=0 priority=0
OpenFlow actions=NORMAL
forwarding to learned port Final flow: unchanged
Relevant fields: skb_priority=0,in_port=101,vlan_tci=0x0000,dl_src=46:54:8a:95:dd:f8,
dl_dst=66:4e:cc:ae:4d:20,dl_type=0x0000,nw_frag=no
Datapath actions: push_vlan(vid=101,pcp=0),2
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
附：
一、简介
OpenFlow 是用于管理交换机流表的协议，ovs-ofctl 则是 OVS 提供的命令行工具。在没有配置 OpenFlow 控制器的模式下，用户可以使用 ovs-ofctl 命令通过 OpenFlow 协议去连接 OVS，创建、修改或删除 OVS 中的流表项，并对 OVS 的运行状况进行动态监控。
图 1. OpenFlow 的匹配流程
Flow 语法说明
在 OpenFlow 的白皮书中，Flow 被定义为某个特定的网络流量。例如，一个 TCP 连接就是一个 Flow，或者从某个 IP 地址发出来的数据包，都可以被认为是一个 Flow。支持 OpenFlow 协议的交换机应该包括一个或者多个流表，流表中的条目包含：数据包头的信息、匹配成功后要执行的指令和统计信息。
当数据包进入 OVS 后，会将数据包和流表中的流表项进行匹配，如果发现了匹配的流表项，则执行该流表项中的指令集。相反，如果数据包在流表中没有发现任何匹配，OVS 会通过控制通道把数据包发到 OpenFlow 控制器中。
在 OVS 中，流表项作为 ovs-ofctl 的参数，采用如下的格式：字段=值。如果有多个字段，可以用逗号或者空格分开。一些常用的字段列举如下：
表 1. 流表常用字段
| 字段名称 | 说明 |
|---|---|
| in_port=port | 传递数据包的端口的 OpenFlow 端口编号 |
| dl_vlan=vlan | 数据包的 VLAN Tag 值，范围是 0-4095，0xffff 代表不包含 VLAN Tag 的数据包 |
| dl_src=<MAC> dl_dst=<MAC> |
匹配源或者目标的 MAC 地址 01:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 代表广播地址 00:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 代表单播地址 |
| dl_type=ethertype | 匹配以太网协议类型，其中： dl_type=0x0800 代表 IPv4 协议 dl_type=0x086dd 代表 IPv6 协议 dl_type=0x0806 代表 ARP 协议 完整的的类型列表可以参见以太网协议类型列表 |
| nw_src=ip[/netmask] nw_dst=ip[/netmask] |
当 dl_typ=0x0800 时，匹配源或者目标的 IPv4 地址，可以使 IP 地址或者域名 |
| nw_proto=proto | 和 dl_type 字段协同使用。 当 dl_type=0x0800 时，匹配 IP 协议编号 当 dl_type=0x086dd 代表 IPv6 协议编号 完整的 IP 协议编号可以参见IP 协议编号列表 |
| table=number | 指定要使用的流表的编号，范围是 0-254。在不指定的情况下，默认值为 0。通过使用流表编号，可以创建或者修改多个 Table 中的 Flow |
| reg<idx>=value[/mask] | 交换机中的寄存器的值。当一个数据包进入交换机时，所有的寄存器都被清零，用户可以通过 Action 的指令修改寄存器中的值 |
对于 add−flow，add−flows 和 mod−flows 这三个命令，还需要指定要执行的动作：actions=[target][,target...]
一个流规则中可能有多个动作，按照指定的先后顺序执行。
常见的操作有：
- output:port: 输出数据包到指定的端口。port 是指端口的 OpenFlow 端口编号
- mod_vlan_vid: 修改数据包中的 VLAN tag
- strip_vlan: 移除数据包中的 VLAN tag
- mod_dl_src/ mod_dl_dest: 修改源或者目标的 MAC 地址信息
- mod_nw_src/mod_nw_dst: 修改源或者目标的 IPv4 地址信息
- resubmit:port: 替换流表的 in_port 字段，并重新进行匹配
- load:value−>dst[start..end]: 写数据到指定的字段
二、详情
1. 知识背景
Open vSwitch（下面简称为 OVS）是由 Nicira Networks 主导的，运行在虚拟化平台（例如 KVM，Xen）上的虚拟交换机。在虚拟化平台上，OVS 可以为动态变化的端点提供 2 层交换功能，很好的控制虚拟网络中的访问策略、网络隔离、流量监控等等。
OVS 遵循 Apache 2.0 许可证, 能同时支持多种标准的管理接口和协议。OVS 也提供了对 OpenFlow 协议的支持，用户可以使用任何支持 OpenFlow 协议的控制器对 OVS 进行远程管理控制。
在 OVS 中, 有几个非常重要的概念：
① Bridge: Bridge 代表一个以太网交换机（Switch），一个主机中可以创建一个或者多个 Bridge 设备。
② Port: 端口与物理交换机的端口概念类似，每个 Port 都隶属于一个 Bridge。
③ Interface: 连接到 Port 的网络接口设备。在通常情况下，Port 和 Interface 是一对一的关系, 只有在配置 Port 为 bond 模式后，Port 和 Interface 是一对多的关系。
④ Controller: OpenFlow 控制器。OVS 可以同时接受一个或者多个 OpenFlow 控制器的管理。
⑤ Datapath: 在 OVS 中，datapath 负责执行数据交换，也就是把从接收端口收到的数据包在流表中进行匹配，并执行匹配到的动作。
⑥ Flow table: 每个 datapath 都和一个“flow table”关联，当 datapath 接收到数据之后， OVS 会在 flow table 中查找可以匹配的 flow，执行对应的操作, 例如转发数据到另外的端口。
2. OVS各模块简介
（1）主要模块： ovs-vswitchd：实现 switch 的 daemon，包括一个支持流交换的 Linux
（2）内核模块；
① ovsdb-server：轻量级数据库服务器，提供 ovs-vswitchd 获取配置信息；
② ovs-dpctl：用来配置 switch 内核模块；
（3）一些 Scripts and specs 辅助 OVS 安装在 Citrix XenServer 上，作为默认 switch；
① ovs-vsctl：查询和更新 ovs-vswitchd 的配置；
② ovs-appctl：发送命令消息，运行相关 daemon。
（4） OVS 提供了支持 OpenFlow 的特性实现，包括：
① ovs-ofctl：查询和控制 OpenFlow 交换机和控制器；
② ovs-pki：OpenFlow 交换机创建和管理公钥框架；
③ ovs-tcpundump：tcpdump 的补丁，解析 OpenFlow 的消息。
3. 基于 Open vSwitch 的 Open Flow 实践
OpenFlow 是用于管理交换机流表的协议，在 OpenFlow 的白皮书中，Flow 被定义为某个特定的网络流量。例如，一个 TCP 连接就是一个 Flow，或者从某个 IP 地址发出来的数据包，都可以被认为是一个 Flow。支持 OpenFlow 协议的交换机应该包括一个或者多个流表，流表中的条目包含：数据包头的信息、匹配成功后要执行的指令和统计信息。
当数据包进入 OVS 后，会将数据包和流表中的流表项进行匹配，如果发现了匹配的流表项，则执行该流表项中的指令集。相反，如果数据包在流表中没有发现任何匹配，OVS 会通过控制通道把数据包发到 OpenFlow 控制器中。
在 OVS 中，ovs-ofctl 则是 OVS 提供的命令行工具。在没有配置 OpenFlow 控制器的模式下，用户可以使用 ovs-ofctl 命令通过 OpenFlow 协议去连接 OVS，创建、修改或删除 OVS 中的流表项，并对 OVS 的运行状况进行动态监控。流表项作为 ovs-ofctl 的参数，采用如下的格式：字段=值。如果有多个字段，可以用逗号或者空格分开。一些常用的字段列举如表 1 所示。
表 1. 流表项匹配字段
|
字段名称 |
说明 |
|
in_port=port |
传递数据包的端口的 OpenFlow 端口编号 |
|
dl_vlan=vlan |
数据包的 VLAN Tag 值，范围是 0-4095，0xffff 代表不包含 VLAN Tag 的数据包 |
|
dl_src=<MAC> dl_dst=<MAC> |
匹配源或者目标的 MAC 地址 01:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 代表广播地址 00:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 代表单播地址 |
|
dl_type=ethertype |
匹配以太网协议类型，其中： dl_type=0x0800 代表 IPv4 协议 dl_type=0x086dd 代表 IPv6 协议 dl_type=0x0806 代表 ARP 协议 |
|
nw_src=ip[/netmask] nw_dst=ip[/netmask] |
当 dl_typ=0x0800 时，匹配源或者目标的 IPv4 地址，可以使 IP 地址或者域名 |
|
nw_proto=proto |
和 dl_type 字段协同使用。 当 dl_type=0x0800 时，匹配 IP 协议编号当 dl_type=0x086dd 代表 IPv6 协议编号 |
|
table=number |
指定要使用的流表的编号，范围是 0-254。在不指定的情况下， 默认值为 0。通过使用流表编号，可以创建或者修改多个 Table |
|
reg<idx>=value[/mask] |
交换机中的寄存器的值。当一个数据包进入交换机时，所有的寄存器都被清零，用户可以通过 Action 的指令修改寄存器中的值 |
对于 add−flow，add−flows 和 mod−flows 这三个命令，还需要指定要执行的动作：
actions=[target][,target...]
一个流规则中可能有多个动作，按照指定的先后顺序执行。常见的操作有：
- output:port: 输出数据包到指定的端口。port 是指端口的 OpenFlow 端口编号
- mod_vlan_vid: 修改数据包中的 VLAN tag
- strip_vlan: 移除数据包中的 VLAN tag
- mod_dl_src/ mod_dl_dest: 修改源或者目标的 MAC 地址信息
- mod_nw_src/mod_nw_dst: 修改源或者目标的 IPv4 地址信息
- resubmit:port: 替换流表的 in_port 字段，并重新进行匹配
- load:value−>dst[start..end]: 写数据到指定的字段
4. OVS 常用操作
1) 添加网桥：ovs-vsctl add-br 交换机名
2) 删除网桥：ovs-vsctl del-br 交换机名
3) 添加端口：ovs-vsctl add-port 交换机名 端口名（网卡名）
4) 删除端口：ovs-vsctl del-port 交换机名 端口名（网卡名）
5) 连接控制器：ovs-vsctl set-controller 交换机名 tcp:IP 地址:端口号
6) 断开控制器：ovs-vsctl del-controller 交换机名
7) 列出所有网桥：ovs-vsctl list-br
8) 列出网桥中的所有端口：ovs-vsctl list-ports 交换机名
9) 列出所有挂接到网卡的网桥：ovs-vsctl port-to-br 端口名（网卡名）
10) 查看 open vswitch 的网络状态：ovs-vsctl show
11) 查看 Open vSwitch 中的端口信息（交换机对应的 dpid，以及每个端口的OpenFlow 端口编号，端口名称，当前状态等等）：ovs-ofctl show 交换机名
12) 修改 dpid：ovs-vsctl set bridge 交换机名 other_config:datapath-id=新 DPID
13) 修改端口号：ovs-vsctl set Interface 端口名 ofport_request=新端口号
14) 查看交换机中的所有 Table：ovs-ofctl dump-tables ovs-switch
15) 查看交换机中的所有流表项：ovs−ofctl dump−flows ovs-switch
16) 删除编号为 100 的端口上的所有流表项：
ovs-ofctl del-flows ovs-switch “in_port=100”
17) 添加流表项（以“添加新的 OpenFlow 条目，匹配从端口 1 收到的数据包， 动作是向端口 2 转发为例）：
sh ovs-ofctl add-flow s1 in_port=1,actions= output:2”
18) 查看 OVS 的版本信息：ovs-appctl –version
19） 查看 OVS 支持的 OpenFlow 协议的版本：ovs-ofctl –version
5. 内容与任务
在该实验中, 我们会创建一个不连接到任何控制器的 OVS 交换机，创建 OVS 交换机的端口 p0，设置端口 p0 的 OpenFlow 端口编号，设置端口类型为“internal”。为了避免网络接口上的地址和本机已有网络地址冲突，我们需要创建一个虚拟网络空间 ns0，把 p0 端口移入网络空间 ns0，并配置 IP 地址。按照上述步骤再创建虚拟网络空间 ns1 和端口 p1， 测试其连通性。相应的任务分解见表 2.
表 2. “Open vSwitch 应用实践”的任务分解
|
任务分解 |
任务描述 |
|
OVS 交换机的创建 |
通过 ovs-octl 命令，创建一个 OVS 交换机 |
|
端口 p0 的配置 |
创建端口 p0,p1，设置端口 p0,p1 的 OpenFlow 配置端口编号， 并设置接口类型 |
|
虚拟网络空间的配置 |
创建一个虚拟网络空间 ns0，把 p0 端口移入网络空间 ns0，并配置 IP 地址；创建一个虚拟网络空间 ns1，把 p1 端口移入网 络空间 ns1，并配置 IP 地址。 |
|
查看 OVS 交换机 |
查看 OVS 交换机的端口信息 |
|
使用 ovs-ofctl 创建并测试 OpenFlow 命令 |
查看 Open vSwitch 端口信息，查看交换机中的所有 Table，查 看交换机中的所有流表项，端口互 ping 测试。 |
6. 规划与准备
表 3 “Open vSwitch 应用实践”的相关规划
|
任务分解 |
规划要点 |
参考建议 |
|
OVS 交换机的创建 |
OVS 交换机的名字设置 |
使用“ovs-octl“命令，创建一个名为 ovs-switch 的 OVS 交换机 |
|
端口 p0 的配置 |
确定网络接口设备的类型，设置端口编号 |
创建端口 p0,p1，设置端口 p0, p1 的 OpenFlow 端口编号分别为为 100、101， 并设置接口类型为“internal” |
|
虚拟网络空间的配置 |
将以创建的端口移入网络空间， |
创建一个虚拟网络空间 ns0，把 p0 端口移 |
|
设置配置 IP |
入网络空间 ns0，并配置 IP 地址为 |
|
|
192.168.1.100；创建一个虚拟网络空间 |
||
|
ns1，把 p1 端口移入网络空间 ns1，而 p1 |
||
|
的 IP 地址为 192.168.1.101 |
||
|
查看 OVS 交换机 |
查看所建的 OVS 交换机的配置 |
查看 OVS 交换机的端口信息，以便于之 后的测试 OpenFlow 命令 |
|
使用 ovs-ofctl 创建并测试 |
熟悉 OpenFlow 命令， |
从端口 p0（192.168.1.100）发送测试数据 |
|
OpenFlow 命令 |
到端口 p1（192.168.1.101），通过 ovs−ofctl |
|
|
命令对交换机的 Table、流表项、端口信息 |
||
|
进行查看 |
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