软件定义网络-OpenvSwitch

软件定义网络（SDN）。它主要有以下三个特点：

• 控制与转发分离：转发平面就是一个个虚拟或者物理的网络设备，就像小区里面的一条条路。控制平面就是统一的控制中心，就像小区物业的监控室。它们原来是一起的，物业管理员要从监控室出来，到路上去管理设备，现在是分离的，路就是走人的，控制都在监控室。
• 控制平面与转发平面之间的开放接口：控制器向上提供接口，被应用层调用，就像总控室提供按钮，让物业管理员使用。控制器向下调用接口，来控制网络设备，就像总控室会远程控制电梯的速度。这里经常使用两个名词，前面这个接口称为北向接口，后面这个接口称为南向接口，上北下南嘛。
• 逻辑上的集中控制：逻辑上集中的控制平面可以控制多个转发面设备，也就是控制整个物理网络，因而可以获得全局的网络状态视图，并根据该全局网络状态视图实现对网络的优化控制，就像物业管理员在监控室能够看到整个小区的情况，并根据情况优化出入方案。

OpenFlow 是 SDN 控制器和网络设备之间互通的南向接口协议，OpenvSwitch 用于创建软件的虚拟交换机。OpenvSwitch 是支持 OpenFlow 协议的，当然也有一些硬件交换机也支持 OpenFlow 协议。它们都可以被统一的 SDN 控制器管理，从而实现物理机和虚拟机的网络连通。

在 OpenvSwitch 里面，有一个流表规则，任何通过这个交换机的包，都会经过这些规则进行处理，从而接收、转发、放弃。

那流表长啥样呢？其实就是一个个表格，每个表格好多行，每行都是一条规则。每条规则都有优先级，先看高优先级的规则，再看低优先级的规则。

对于每一条规则，要看是否满足匹配条件。这些条件包括，从哪个端口进来的，网络包头里面有什么等等。满足了条件的网络包，就要执行一个动作，对这个网络包进行处理。可以修改包头里的内容，可以跳到任何一个表格，可以转发到某个网口出去，也可以丢弃。

通过这些表格，可以对收到的网络包随意处理。

通过上面的表格可以看出，简直是想怎么处理怎么处理，可以覆盖 TCP/IP 协议栈的四层。

对于物理层：

• 匹配规则包括从哪个口进来；
• 执行动作包括从哪个口出去。

对于 MAC 层：

• 匹配规则包括：源 MAC 地址是多少？（dl_src），目标 MAC 是多少？（dl_dst），所属 vlan 是多少？（dl_vlan）；
• 执行动作包括：修改源 MAC（mod_dl_src），修改目标 MAC（mod_dl_dst），修改 VLAN（mod_vlan_vid），删除 VLAN（strip_vlan），MAC 地址学习（learn）。

对于网络层：

• 匹配规则包括：源 IP 地址是多少？(nw_src)，目标 IP 是多少？（nw_dst）。
• 执行动作包括：修改源 IP 地址（mod_nw_src），修改目标 IP 地址（mod_nw_dst）。

对于传输层：

• 匹配规则包括：源端口是多少？（tp_src），目标端口是多少？（tp_dst）。
• 执行动作包括：修改源端口（mod_tp_src），修改目标端口（mod_tp_dst）。

总而言之，对于 OpenvSwitch 来讲，网络包到了手里，就是一个 Buffer，想怎么改怎么改，想发到哪个端口就发送到哪个端口。

在 OpenvSwitch 里面，有个 bond_mode，可以设置为以下三个值：

• active-backup：一个连接是 active，其他的是 backup，只有当 active 失效的时候，backup 才顶上；
• balance-slb：流量按照源 MAC 和 output VLAN 进行负载均衡；
• balance-tcp：必须在支持 LACP 协议的情况下才可以，可根据 L2、L3、L4 进行负载均衡（L2、L3、L4 指的是网络协议 2、3、4 层）

OpenvSwitch 包含很多的模块，在用户态有两个重要的进程，也有两个重要的命令行工具。

• 第一个进程是 OVSDB 进程。ovs-vsctl 命令行会和这个进程通信，去创建虚拟交换机，创建端口，将端口添加到虚拟交换机上，OVSDB 会将这些拓扑信息保存在一个本地的文件中。
• 第二个进程是 vswitchd 进程。ovs-ofctl 命令行会和这个进程通信，去下发流表规则，规则里面会规定如何对网络包进行处理，vswitchd 会将流表放在用户态 Flow Table 中。

在内核态，OpenvSwitch 有内核模块 OpenvSwitch.ko。他会在网卡上注册一个函数，每当有网络包到达网卡的时候，这个函数就会被调用。

在内核的这个函数里面，会拿到网络包，将各个层次的重要信息拿出来，例如：

• 在物理层，会拿到 in_port，即包是从哪个网口进来的；
• 在 MAC 层，会拿到源和目的 MAC 地址；
• 在 IP 层，会拿到源和目的 IP 地址；
• 在传输层，会拿到源和目的端口号。

在内核中，还有一个内核态 Flow Table。接下来内核态模块在这个内核态的流表中匹配规则，如果匹配上了，就执行相应的操作，比如修改包，或者转发，或者放弃。如果内核没有匹配上，这个时候就需要进入用户态，用户态和内核态之间通过 Linux 的一个机制叫 Netlink，来进行相互通信。

内核通过 upcall，告知用户态进程 vswitchd，在用户态的 Flow Table 里面去匹配规则，这里面的规则是全量的流表规则，而内核态的 Flow Table 只是为了做快速处理，保留了部分规则，内核里面的规则过一段时间就会过期。

当在用户态匹配到了流表规则之后，就在用户态执行操作，同时将这个匹配成功的流表通过 reinject 下发到内核，从而接下来的包都能在内核找到这个规则，来进行转发。

这里调用 openflow 协议的，是本地的命令行工具。当然你也可以是远程的 SDN 控制器来进行控制，一个重要的 SDN 控制器是 OpenDaylight。

下面这个图就是 OpenDaylight 中看到的拓扑图。

我们可以通过在 OpenDaylight 里，将两个交换机之间配置通，也可以配置不通，还可以配置一个虚拟 IP 地址为 VIP，在不同的机器之间实现负载均衡等等，所有的策略都可以灵活配置。

此文章为9月Day25学习笔记，内容来源于极客时间《趣谈网络协议》，推荐该课程。