Openvswitch原理与代码分析：总体架构

Posted 2020-08-07 刘超的通俗云计算

 

一、Opevswitch总体架构

 

Openvswitch的架构网上有如下的图表示：

 

 

 

每个模块都有不同的功能

ovs-vswitchd 为主要模块，实现交换机的守护进程daemon

 

在Openvswitch所在的服务器进行ps aux可以看到以下的进程

root 1008 0.1 0.8 242948 31712 ? S<Ll Aug06 32:17 ovs-vswitchd unix:/var/run/openvswitch/db.sock -vconsole:emer -vsyslog:err -vfile:info --mlockall --no-chdir --log-file=/var/log/openvswitch/ovs-vswitchd.log --pidfile=/var/run/openvswitch/ovs-vswitchd.pid --detach --monitor

 

注意这里ovs-vswitchd监听了一个本机的db.sock文件

 

openvswitch.ko为Linux内核模块，支持数据流在内核的交换

 

我们使用lsmod列举加载到内核的模块：

~# lsmod | grep openvswitch openvswitch 66901 0 gre 13808 1 openvswitch vxlan 37619 1 openvswitch libcrc32c 12644 2 btrfs,openvswitch

 

既有Openvswitch.ko，也有

ovsdb-server 轻量级数据库服务器，保存配置信息，ovs-vswitchd通过这个数据库获取配置信息

 

通过ps aux可以看到如下进程

root 985 0.0 0.0 21172 2120 ? S< Aug06 1:20 ovsdb-server /etc/openvswitch/conf.db -vconsole:emer -vsyslog:err -vfile:info --remote=punix:/var/run/openvswitch/db.sock --private-key=db:Open_vSwitch,SSL,private_key --certificate=db:Open_vSwitch,SSL,certificate --bootstrap-ca-cert=db:Open_vSwitch,SSL,ca_cert --no-chdir --log-file=/var/log/openvswitch/ovsdb-server.log --pidfile=/var/run/openvswitch/ovsdb-server.pid --detach –monitor

 

可以看出，ovsdb-server将配置信息保存在conf.db中，并通过db.sock提供服务，ovs-vswitchd通过这个db.sock从这个进程读取配置信息。

/etc/openvswitch/conf.db是json格式的，可以通过命令ovsdb-client dump将数据库结构打印出来。

 

数据库结构包含如下的表格。

 

 

数据库结构如下：

 

 

通过ovs-vsctl创建的所有的网桥，网卡，都保存在数据库里面，ovs-vswitchd会根据数据库里面的配置创建真正的网桥，网卡。

ovs-dpctl 用来配置switch内核模块。

ovs-vsctl 查询和更新ovs-vswitchd的配置。

ovs-appctl 发送命令消息，运行相关daemon。

ovs-ofctl 查询和控制OpenFlow交换机和控制器。

 

二、Openvswitch的代码结构

 

Openvwitch进行数据流交换的主要逻辑都是在ovs-vswitchd和openvswitch.ko里面实现的。

 

 

ovs-vswitchd会从ovsdb-server读取配置，然后调用ofproto层进行虚拟网卡的创建或者流表的操作。

Ofproto是一个库，实现了软件的交换机和对流表的操作。

Netdev层抽象了连接到虚拟交换机上的网络设备。

Dpif层实现了对于流表的操作。

 

对于OVS来讲，有以下几种网卡类型

1). netdev: 通用网卡设备 eth0 veth

接收: 一个nedev在L2收到报文后回直接通过ovs接收函数处理，不会再走传统内核协议栈.

发送: ovs中的一条流指定从该netdev发出的时候就通过该网卡设备发送

2). internal: 一种虚拟网卡设备

接收: 当从系统发出的报文路由查找通过该设备发送的时候，就进入ovs接收处理函数

发送: ovs中的一条流制定从该internal设备发出的时候，该报文被重新注入内核协议栈

3). gre device: gre设备. 不管用户态创建多少个gre tunnel, 在内核态有且只有一个gre设备

接收: 当系统收到gre报文后，传递给L4层解析gre header, 然后传递给ovs接收处理函数

发送: ovs中的一条流制定从该gre设备发送, 报文会根据流表规则加上gre头以及外层包裹ip，查找路由发送

 

 

在如上的代码结构中，vswitchd中就是ovs-vswitchd的入口代码，ovsdb就是ovsdb-server的代码，ofproto即上述的中间抽象层，lib下面有netdev，dpif的实现，datapath里面就是内核模块openvswitch.ko的代码。

 

三、ovs-vswitchd和openvswitch.ko的交互方式netlink

 

datapath 运行在内核态，ovs-vswitchd 运行在用户态，两者通过netlink 通信。

netlink 是一种灵活和强大的进程间通信机制（socket），甚至可以沟通用户态和内核态。

netlink 是全双工的。作为socket，netlink 的地址族是AF_NETLINK（TCP/IP socket 的地址族是AF_INET）

目前有大量的通信场景应用了netlink，这些特定扩展和设计的netlink 通信bus，被定义为family。比如NETLINK_ROUTE、NETLINK_FIREWALL、NETLINK_ARPD 等。

因为大量的专用family 会占用了family id，而family id 数量自身有限（kernel 允许32个）；同时为了方便用户扩展使用，一个通用的netlink family 被定义出来，这就是generic netlink family。

 

要使用generic netlink，需要熟悉的数据结构包括genl_family、genl_ops 等。

 

 

下面写一个generic netlink的简单实例

定义family如下

/* attributes */ enum { DOC_EXMPL_A_UNSPEC, DOC_EXMPL_A_MSG, __DOC_EXMPL_A_MAX, }; #define DOC_EXMPL_A_MAX (__DOC_EXMPL_A_MAX - 1) /* attribute policy */ static struct nla_policy doc_exmpl_genl_policy[DOC_EXMPL_A_MAX + 1] = { [DOC_EXMPL_A_MSG] = { .type = NLA_NUL_STRING }, }; /* family definition */ static struct genl_family doc_exmpl_gnl_family = { .id = GENL_ID_GENERATE, .hdrsize = 0, .name = "DOC_EXMPL", .version = 1, .maxattr = DOC_EXMPL_A_MAX, };

 

定义op如下

/* handler */ int doc_exmpl_echo(struct sk_buff *skb, struct genl_info *info) { /* message handling code goes here; return 0 on success, negative values on failure */ } /* commands */ enum { DOC_EXMPL_C_UNSPEC, DOC_EXMPL_C_ECHO, __DOC_EXMPL_C_MAX, }; #define DOC_EXMPL_C_MAX (__DOC_EXMPL_C_MAX - 1) /* operation definition */ struct genl_ops doc_exmpl_gnl_ops_echo = { .cmd = DOC_EXMPL_C_ECHO, .flags = 0, .policy = doc_exmpl_genl_policy, .doit = doc_exmpl_echo, .dumpit = NULL, };

 

注册family 到generic netlink 机制

int rc; rc = genl_register_family(&doc_exmpl_gnl_family); if (rc != 0) goto failure;

 

将操作注册到family

int rc; rc = genl_register_ops(&doc_exmpl_gnl_family, &doc_exmpl_gnl_ops_echo); if (rc != 0)     goto failure;

 

Datapath是如何使用netlink的呢？

 

在dp_init()函数（datapath.c）中，调用dp_register_genl()完成对四种类型的family 以及相应操作的注册，包括datapath、vport、flow 和packet。

前三种family，都对应四种操作都包括NEW、DEL、GET、SET，而packet 的操作仅为EXECUTE。

 

对于flow这个family的定义如下：

static const struct nla_policy flow_policy[OVS_FLOW_ATTR_MAX + 1] = {     [OVS_FLOW_ATTR_KEY] = { .type = NLA_NESTED },     [OVS_FLOW_ATTR_ACTIONS] = { .type = NLA_NESTED },     [OVS_FLOW_ATTR_CLEAR] = { .type = NLA_FLAG }, }; static struct genl_family dp_flow_genl_family = {     .id = GENL_ID_GENERATE,     .hdrsize = sizeof(struct ovs_header),     .name = OVS_FLOW_FAMILY,     .version = OVS_FLOW_VERSION,     .maxattr = OVS_FLOW_ATTR_MAX,     SET_NETNSOK };

 

Flow相关的ops的定义如下：

static struct genl_ops dp_flow_genl_ops[] = {     {         .cmd = OVS_FLOW_CMD_NEW,         .flags = GENL_ADMIN_PERM, /* Requires CAP_NET_ADMIN privilege. */         .policy = flow_policy,         .doit = ovs_flow_cmd_new_or_set     },     {         .cmd = OVS_FLOW_CMD_DEL,         .flags = GENL_ADMIN_PERM, /* Requires CAP_NET_ADMIN privilege. */         .policy = flow_policy,         .doit = ovs_flow_cmd_del     },     {         .cmd = OVS_FLOW_CMD_GET,         .flags = 0, /* OK for unprivileged users. */         .policy = flow_policy,         .doit = ovs_flow_cmd_get,         .dumpit = ovs_flow_cmd_dump     },     {         .cmd = OVS_FLOW_CMD_SET,         .flags = GENL_ADMIN_PERM, /* Requires CAP_NET_ADMIN privilege. */         .policy = flow_policy,         .doit = ovs_flow_cmd_new_or_set,     }, };

 

Ovs-vswitchd作为客户端如何使用netlink

 

Ovs-vswitchd 对于netlink 的实现，主要在lib/netlink-socket.c 文件中。

lib\\dpif-provider.h定义了struct dpif_class {，包含一系列函数指针，例如open，close等。

真正的dpif_class有两种

一个是dpif-netdev.c中定义的const struct dpif_class dpif_netdev_class = {

const struct dpif_class dpif_netdev_class = {     "netdev",     dpif_netdev_init,     dpif_netdev_enumerate,     dpif_netdev_port_open_type,     dpif_netdev_open,     dpif_netdev_close,     dpif_netdev_destroy,     dpif_netdev_run,     dpif_netdev_wait,     dpif_netdev_get_stats,     dpif_netdev_port_add,     dpif_netdev_port_del,     dpif_netdev_port_query_by_number,     dpif_netdev_port_query_by_name,     NULL, /* port_get_pid */     dpif_netdev_port_dump_start,     dpif_netdev_port_dump_next,     dpif_netdev_port_dump_done,     dpif_netdev_port_poll,     dpif_netdev_port_poll_wait,     dpif_netdev_flow_flush,     dpif_netdev_flow_dump_create,     dpif_netdev_flow_dump_destroy,     dpif_netdev_flow_dump_thread_create,     dpif_netdev_flow_dump_thread_destroy,     dpif_netdev_flow_dump_next,     dpif_netdev_operate,     NULL, /* recv_set */     NULL, /* handlers_set */     dpif_netdev_pmd_set,     dpif_netdev_queue_to_priority,     NULL, /* recv */     NULL, /* recv_wait */     NULL, /* recv_purge */     dpif_netdev_register_dp_purge_cb,     dpif_netdev_register_upcall_cb,     dpif_netdev_enable_upcall,     dpif_netdev_disable_upcall,     dpif_netdev_get_datapath_version,     NULL, /* ct_dump_start */     NULL, /* ct_dump_next */     NULL, /* ct_dump_done */     NULL, /* ct_flush */ };

 

一种是在dpif-netlink.c中，定义了const struct dpif_class dpif_netlink_class = {

const struct dpif_class dpif_netlink_class = {     "system",     NULL, /* init */     dpif_netlink_enumerate,     NULL,     dpif_netlink_open,     dpif_netlink_close,     dpif_netlink_destroy,     dpif_netlink_run,     NULL, /* wait */     dpif_netlink_get_stats,     dpif_netlink_port_add,     dpif_netlink_port_del,     dpif_netlink_port_query_by_number,     dpif_netlink_port_query_by_name,     dpif_netlink_port_get_pid,     dpif_netlink_port_dump_start,     dpif_netlink_port_dump_next,     dpif_netlink_port_dump_done,     dpif_netlink_port_poll,     dpif_netlink_port_poll_wait,     dpif_netlink_flow_flush,     dpif_netlink_flow_dump_create,     dpif_netlink_flow_dump_destroy,     dpif_netlink_flow_dump_thread_create,     dpif_netlink_flow_dump_thread_destroy,     dpif_netlink_flow_dump_next,     dpif_netlink_operate,     dpif_netlink_recv_set,     dpif_netlink_handlers_set,     NULL, /* poll_thread_set */     dpif_netlink_queue_to_priority,     dpif_netlink_recv,     dpif_netlink_recv_wait,     dpif_netlink_recv_purge,     NULL, /* register_dp_purge_cb */     NULL, /* register_upcall_cb */     NULL, /* enable_upcall */     NULL, /* disable_upcall */     dpif_netlink_get_datapath_version, /* get_datapath_version */ #ifdef __linux__     dpif_netlink_ct_dump_start,     dpif_netlink_ct_dump_next,     dpif_netlink_ct_dump_done,     dpif_netlink_ct_flush, #else     NULL, /* ct_dump_start */     NULL, /* ct_dump_next */     NULL, /* ct_dump_done */     NULL, /* ct_flush */ #endif };

 

datapath 中对netlink family 类型进行了注册，ovs-vswitchd 在使用这些netlink family 之前需要获取它们的信息，这一过程主要在lib/dpif-netlink.c 文件（以dpif_netlink_class 为例），dpif_netlink_init ()函数。

static int dpif_netlink_init(void) {     static struct ovsthread_once once = OVSTHREAD_ONCE_INITIALIZER;     static int error;       if (ovsthread_once_start(&once)) {         error = nl_lookup_genl_family(OVS_DATAPATH_FAMILY,                                       &ovs_datapath_family);         if (error) {             VLOG_ERR("Generic Netlink family \'%s\' does not exist. "                      "The Open vSwitch kernel module is probably not loaded.",                      OVS_DATAPATH_FAMILY);         }         if (!error) {             error = nl_lookup_genl_family(OVS_VPORT_FAMILY, &ovs_vport_family);         }         if (!error) {             error = nl_lookup_genl_family(OVS_FLOW_FAMILY, &ovs_flow_family);         }         if (!error) {             error = nl_lookup_genl_family(OVS_PACKET_FAMILY,                                           &ovs_packet_family);         }         if (!error) {             error = nl_lookup_genl_mcgroup(OVS_VPORT_FAMILY, OVS_VPORT_MCGROUP,                                            &ovs_vport_mcgroup);         }           ovsthread_once_done(&once);     }       return error; }

 

完成这些查找后，ovs-vswitchd 即可利用dpif 中的api，通过发出这些netlink 消息给datapath，实现对datapath 的操作。