openstack之Neutron网络模式vlan，gre，vxlan详解

第一：neutron openvswitch + vlan虚拟网络

一：基础知识

vlan基础知识

　　1.vlan介绍

　　　　1.1:首先说下lan，LAN 表示 Local Area Network，本地局域网，通常使用 Hub 和 Switch 来连接LAN 中的计算机。（一个 LAN 表示一个广播域）

　　　　　　vlan：(Virutal LAN) 将同一个LAN上的用户在逻辑上分成多个虚拟局域网，换句话说,一个带有 VLAN 功能的switch 能够同时处于多个 LAN 中,每个vlan中的主机连接交换机的端口是access口，从而保证了交换机只在同一个vlan中转发包

　　　　1.2:IEEE 802.1Q 标准定义了 VLAN Header 的格式。它在普通以太网帧结构的 SA （src addr）之后加入了 4bytes 的 VLAN Tag/Header 数据，其中包括 12-bits 的 VLAN ID。VLAN ID 最大值为4096，但是有效值范围是 1 - 4094。　　

　　　　vlan数据帧格式介绍：

　　　　　　　　　　

　　　　

　　　　　　TPID(Tag Protocol Identifier，标签协议标识)值规定为0x8100。设备缺省采用协议规定的TPID值，交换机通过TPID来确定数据帧是否附加基于IEEE802.1Q的VLAN信息。

　　　　TCI(Tag Control Information，标签控制信息)字段分为Pri、CFI和VLAN三部分。Pri表示报文优先级(也称1p优先级、COS或1q优先级)，CFI(Canonical Format Indicator)标识MAC地址在不同传输介质中是否以标准格式进行封装，通常为0(标准格式)。Vlan ID标识该报文所属的VLAN编号，取值范围为 0～4095，一般0和4095保留(中兴设备Vid=0表示priority-tagged帧)。

　　　　1.3  带vlan的交换机端口划分：

　　　　　　Access port：这些端口被打上了 VLAN Tag。离开交换机的 Access port 进入计算机的以太帧中没有 VLAN Tag，这意味着连接到 access ports 的机器不会觉察到 VLAN 的存在。离开计算机进入这些端口的数据帧被打上了 VLAN Tag。

　　　　　　Trunk port： 两台或者多台交换机通过一个根线连接，线的两头都是trunk口，可以转发多个vlan信息。

2.vlan类型

　　　基于port的vlan（数据帧中不包含vlan tag，vlan信息从交换机的端口pvid上得知，交换机转发包也基于此）

　　   基于tagged vlan（数据帧中包含vlan tag，vlan信息从数据帧内包含的vlan信息，交换机需要有对该数据帧拆包/封包的能力，即连接到这种端口的网络设备必须是8021.Q）

　　3.vlan的不足

　　　VLAN 使用 12-bit 的 VLAN ID，所以 VLAN 的第一个不足之处就是它最多只支持 4096 个 VLAN 网络（当然这还要除去几个预留的），对于大型数据中心的来说，这个数量是远远不够的。

　　　VLAN 是基于 L2 的，所以很难跨越 L2 的边界，在很大程度上限制了网络的灵活性。

　　　VLAN 操作需手工介入较多，这对于管理成千上万台机器的管理员来说是难以接受的。

　　　以上上中在小公司，用在小规模的云平台服务完全是可以的，但是每一个小公司都有一颗做大的心嘛，所以还是不提倡的

　交换机基础知识

　　1.交换机工作原理：

　　　　交换机在接收到数据帧以后，首先、会记录数据帧中的源MAC地址和对应的接口到MAC表中，接着、会检查自己的MAC表中是否有数据帧中目标MAC地址的信息，如果有则会根据MAC表中记录的对应接口将数据帧发送出去(也就是单播)，如果没有，则会将该数据帧从非接收接口发送出去(也就是广播)。

　　1.mac地址：

　　　　mac地址表：在交换机中有一张记录着局域网主机MAC地址与交换机接口的对应关系的表，交换机就是根据这张表负责将数据帧传输到指定的主机上的。

　　　　mac地址学习：

　　　　　　

　　1)主机A将一个源MAC地址为自己，目标MAC地址主机C的数据帧发送给交换机

　　2)交换机1收到此数据帧后，会学习源MAC地址，并检查MAC地址表，发现没有目标MAC地址的记录，则会将数据帧广播出去，主机B和交换机2都会收到此数据帧。

　　3)交换机2收到此数据帧后也会将数据帧中的源MAC地址和对应的接口记录到MAC地址表中，并检查自己的MAC地址表，发现没有目标MAC地址的记录，则会广播此数据帧。

　　4)主机C收到数据帧后，会响应这个数据帧，并回复一个源MAC地址为自己的数据帧，这时交换机1和交换机2都会将主机C的MAC地址记录到自己的MAC地址表中，并且以单播的形式将此数据帧发送给主机A。

　　5)这时，主机A和主机C通信就是一单播的形式传输数据帧了，主机B和主机C通信如上述过程一样，因此交换机2的MAC地址表中记录着主机A和主机B的MAC地址都对应接口f 0/1。

　　总结:交换机具有动态学习源MAC地址的功能，并且交换机的一个接口可以对应多个MAC地址，但是一个MAC地址只能对应一个接口　　　　

　　2.arp原理:

　　　　　　

　　主机A与主机B在同一网段

　　1)如果主机A想发送数据给主机B，主机A首先会检查自己的ARP缓存表，查看是否有主机B的IP地址和MAC地址的对应关系，如果有，则会将主机B的MAC地址作为源MAC地址封装到数据帧中。如果没有，主机A则会发送一个ARP请求信息，请求的目标IP地址是主机B的IP地址，目标MAC地址是MAC地址的广播帧(即FF-FF-FF-FF-FF-FF)，源IP地址和MAC地址是主机A的IP地址和MAC地址。

　　2)当交换机接受到此数据帧之后，发现此数据帧是广播帧，因此，会将此数据帧从非接收的所有接口发送出去。

　　3）当主机B接受到此数据帧后，会校对IP地址是否是自己的，并将主机A的IP地址和MAC地址的对应关系记录到自己的ARP缓存表中，同时会发送一个ARP应答，其中包括自己的MAC地址。

　　4)主机A在收到这个回应的数据帧之后，在自己的ARP缓存表中记录主机B的IP地址和MAC地址的对应关系。而此时交换机已经学习到了主机A和主机B的MAC地址了。

　　主机A与主机B不在同一网段

　　　　

　　不在同一网段的话，就需要借助路由器了　

　　1)HostA在网络层将来自上层的报文封装成IP数据包，其中源IP地址为自己，目标IP地址是HostB，HostA会用本机配置的24位子网掩码与目标地址进行“与”运算，得出目标地址与本机不是同一网段，因此发送HostB的数据包需要经过网关路由A的转发。

　　2)HostA通过ARP请求获取网关路由A的E0口的MAC地址，并在链路层将路由器E0接口的MAC地址封装成目标MAC地址，源MAC地址是自己。

　　3)路由器A从E0可接收到数据帧，把数据链路层的封装去掉，并检查路由表中是否有目标IP地址网段(即192.168.2.2的网段)相匹配的的项，根据路由表中记录到192.168.2.0网段的数据请发送给下一跳地址10.1.1.2，因此数据在路由器A的E1口重新封装，此时，源MAC地址是路由器A的E1接口的MAC地址，封装的目标MAC地址则是路由器2的E1接口的MAC地址。

　　4)路由B从E1口接收到数据帧，同样会把数据链路层的封装去掉，对目标IP地址进行检测，并与路由表进行匹配，此时发现目标地址的网段正好是自己E0口的直连网段，路由器B通过ARP广播，获知HostB的MAC地址，此时数据包在路由器B的E0接口再次封装，源MAC地址是路由器B的E0接口的MAC地址，目标MAC地址是HostB的MAC地址。封装完成后直接从路由器的E0接口发送给HostB。

　　5)此时HostB才会收到来自HostA发送的数据。

　　总结：路由表负责记录一个网络到另一个网络的路径，因此路由器是根据路由表工作的。

二：openvswitch+vlan组网

　　1.物理网络vlan配置　

　　　　管理网络，用于 OpenStack 节点之间的通信，假设 VLAN ID 范围为 50 - 99.

　　　　数据网络，用于虚拟机之间的通讯。由于Vlan模式下，租户建立的网络都具有独立的 Vlan ID，故需要将连接虚机的服务器的交换机端口设置为 Trunk 模式，并且设置所允许的 VLAN ID 范围，比如 100~300。

　　　　外部网络，用于连接外部网络。加上 VLAN ID 范围为 1000-1010。

　　　　

　　　　

• 如果该物理交换机接到一个物理路由器并做相应的配置，则数据网络可以使用这个物理路由器，而不需要使用 Neutron 的虚拟路由器。
• 如果不使用物理的路由器，可以在网络节点上配置虚拟路由器。

　　2.Neutron 配置生效的过程：

　　配置就不详细说了，后续将会整理成一个完成的部署博客，下面简述下Neutron配置生效的过程。

　　当 Neutron L2 Agent （OVS Agent 或者 Linux Bridge agent）在计算和网络节点上启动时，它会根据各种配置在节点上创建各种 bridge。以 OVS Agent 为例，

　　（1）创建 intergration brige（默认是 br-int）；如果 enable_tunneling = true 的话，创建 tunnel bridge （默认是 br-tun）。

　　（2）根据 bridge_mappings，配置每一个 VLAN 和 Flat 网络使用的 physical network interface 对应的预先创建的 OVS bridge。

　　（3）所有虚机的 VIF 都是连接到 integration bridge。同一个虚拟网络上的 VM VIF 共享一个本地 VLAN （local VLAN）。Local VLAN ID 被映射到虚拟网络对应的物理网络的 segmentation_id。　　

　　（4）对于 GRE 类型的虚拟网络，使用 LSI （Logical Switch identifier）来区分隧道（tunnel）内的租户网络流量（tenant traffic）。这个隧道的两端都是每个物理服务器上的 tunneling bridge。使用 Patch port 来将 br-int 和 br-tun 连接起来。

　　（5）对于每一个 VLAN 或者 Flat 类型的网络，使用一个 veth 或者一个 patch port 对来连接 br-int 和物理网桥，以及增加 flow rules等。

　　（6）最后，Neutron L2 Agent 启动后会运行一个RPC循环任务来处理 端口添加、删除和修改。管理员可以通过配置项 polling_interval 指定该 RPC 循环任务的执行间隔，默认为2秒。

　　3.Neutron代码的实现流程

　　　　boot虚拟机的过程。nova依次会

　　　　1调用neutron rest api申请一个或多个port，neutron会根据数据库中的配置进行分配

　　　　2计算机节点上，nova调用ovs-vsctl命令将虚拟机的VIF被plug到br-int上

　　　　3启动虚拟机

　　　　neutron l2 agent的循环任务每隔2秒会

　　　　　　1）调用ovs-vsctl list-ports命令获取br-int上的port，在根据上次保存的历史记录，生成所有变更端口的列表（包括添加的，删除的，更新的）

　　　　　　2）为每一个待处理端口，根据其ID从DB中取出详细信息

　　　　　　3）针对每一个增加或变更的port设置local vlan tag，调用命令ovs-ofctl mod-flows命令来设置br-tun或者物理的bridge的flow rules；并设置db中其状态为up

　　　　　　4）针对每一个被删除的port，设置db中其状态为down

　　4.Neutron的vlan模式的虚拟网络

　　　　4.1一个计算节点上的网络示例：

　　　　　　1) Neutron 使用 Open vSiwtch。

　　　　　　2) 一台物理服务器，网卡 eth1 接入物理交换机，预先配置了网桥 br-eth1。

　　　　　　3) 创建了两个 neutron VLAN network，分别使用 VLAN ID 101 和 102。

　　　　　　4) 该服务器上运行三个虚机，vm1 和 vm2 分别有一个网卡接入 network 1；vm2 和 vm3 分别有一个网卡接入 network 2.

　　　　

　　　　neutron在该计算节点上做的事情：

　　　　　　创建了OVS Integration bridge br-int。它的四个Access口中，两个打上了内部vlan Tag1，连接接入network1的两个网卡；另外两个端口打上的是vlan tag 2

　　　　　　创建一对patch port连接br-int和br-eth1

　　　　　　设置br-int中的flow rules。对从access ports进入的数据帧，加上相应的vlan tag，转发到patch port；从patch port进入的数据帧，将vlan id 101修改为1,102修改为2，再转发到相应的access ports

　　　　　　设置br-eth1中的flow rules。从patch port进入的数据帧，将内部vlan id 1修改为101，内部vlan id 2修改为102，再从eth1端口发出。对从eht1进入的数据帧做相反的处理

　　　　4.2连接到同一个物理交换机上的两个计算节点的内部通信

　　　　　　

　　　　　　两个物理节点，compute01上面有两个云主机，都是vlan1，compute02上面有两个云主机，vm3为vlan1，vm4位vlan2。

　　　　　　4.2.1：同一个物理节点上，同一个vlan之间的通信

　　　　　　　　例如：vm1:10.0.0.2----》vm2：10.0.0.3

　　　　　　　　相同物理服务器上的虚机， VM1 访问VM2，当数据包到达br-int的时候，先查询br-int的mac地址表，如果有记录，则直接找到VM2，如果没有记录的话，需要经过 br-int 进行广播，寻找，这个时候vm2收到mac地址，一看是我的，他就回给br-int，br-int就会把mac地址缓存起来，并回给vm1即可　　　

　　　　　　4.2.2：不同物理节点上，同一个vlan之间的通信

　　　　　　　　例如：vm1:10.0.0.2---》vm3:10.0.0.4

　　　　　　4.2.3：同一个物理节点上，不同vlan之间的通信

　　　　　　　　例如：vm3：10.0.0.4---》vm4：10.0.1.2 或者

　　　　　　4.2.4：不同物理节点上，不同vlan之间的通信

　　　　　　　　例如：vm1：10.0.0.2---》vm 4：10.0.1.2

第二：neutron openvswitch + gre/vxlan虚拟网络

一.gre介绍

二.vxlan介绍

三.gre与vxlan的对比

四: Neutron 通过 OVS 对 GRE 和 VXLAN 的支持

五：介绍几个典型的流程案例

案例一：同一个主机上同一个子网内虚机之间的通信过程

案例二：不同主机上同一个子网内的虚机之间的通信过程

案例三：同一个主机上不同子网内虚机之间的通信流程

案例三：不同主机上不同子网内的虚机之间的通信流程

案例四: 虚机访问外网

案例五: 虚机发送DHCP请求

参考资料：http://20161215.blog.51cto.com/2276215/1766742