電子發燒友App
下面對Openstack和Neutron的介紹，要從幾個關鍵詞入手。
1. 三代網絡
在網絡這一口，OpenStack經歷了由nova-network到Quantum再到Neutron的演進過程。我們直觀地來看看三代網絡的對比分析：
1）Nova-network是隸屬于nova項目的網絡實現，它利用了linux-bridge（早期，目前也支持OVS）作為交換機，具備Flat、Flat DHCP、VLAN三種組網模式。優點是性能出色，工作穩定，支持multi-host部署以實現HA；缺點是網絡模塊不獨立，功能不夠靈活，組網模式也比較受限。
2）Quantum作為獨立的網絡管理項目出現在F版本，除了linux-bridge外還支持OVS，以及以及其他商業公司的插件，組網模式上增加了對GRE和VxLAN兩個Overlay技術的支持。優點是功能靈活，支持大二層組網；缺點是集中式的網絡節點缺乏HA，而且各廠商插件無法同時在底層網絡中運行。
3）Neutron出現在H版本，由來是Quantum和一家公司的名稱沖突而改名。Neutron對Quantum的插件機制進行了優化，將各個廠商L2插件中獨立的數據庫實現提取出來，作為公共的ML2插件存儲租戶的業務需求，使得廠商可以專注于L2設備驅動的實現，而ML2作為總控可以協調多廠商L2設備共同運行。Neutron繼承了Quantum對大二層的支持，還支持L2 PoP，DVR，VRRP，HA等關鍵功能，集成了很多L4-L7的網絡服務，一些blueprint也正在積極開發中，如SFC等。優點是開始引入SDN思想，功能上更為豐富，網絡兼容性強；缺點是代碼結構復雜，工作不夠穩定，HA機制仍缺乏大規模商用的檢驗。
從應用場景來看，Nova-network組網模式過于簡單，一些復雜的網絡需求無法實現（比如兩個公司合并，有大量IP重合的VM要遷移到一個平臺，而且要求遷移后都要用原來的IP）。不過由于其簡單穩定的特點，仍適合于中小型企業的生產環境；Quantum的實際部署目前基本都跟進到了Neutron；Neutron的大二層組網，適合于云計算規模的生產環境，但是由于分布式和HA機制仍不夠成熟，因此目前多見于私有云和小規模共有云的部署，大規模的公有云仍然難以使用Neutron實現。
2. 四種組網模型
說完了基本特征與應用場景，下面開始對上述提到的一些網絡問題進行詳細的描述。我們拋開技術，結合圖例來抽象地看看不同的組網模型。當然，以下模型的實現不僅僅局限于三張圖中的方式。
1）Flat模型最為簡單，所有的虛擬機共用一個私有IP網段，IP地址在虛擬機啟動時完成注入，虛擬機間的通信直接通過HyperVisor中的網橋轉發，公網流量在該網段的網關上進行NAT（Nova-network實現為開啟nova-network主機內核的iptables，Neutron實現為網絡節點上的l3-agent）。Flat DHCP模型與Flat區別在于網橋中開啟了DHCP進程，虛擬機通過DHCP消息獲得IP地址（Nova-network實現為nova-network主機中的dnsmaq，Neutron實現為網絡節點上的dhcp-agent）。
2）VLAN模型引入了多租戶機制，虛擬機可以使用不同的私有IP網段，一個租戶可以擁有多個IP網段。虛擬機IP通過DHCP消息獲取IP地址（Nova-network實現為nova-network主機中的dnsmaq，Neutron實現為網絡節點上的dhcp-agent）。網段內部虛擬機間的通信直接通過HyperVisor中的網橋轉發，同一租戶跨網段通信通過網關路由，不同租戶通過網關上的ACL進行隔離，公網流量在該網段的網關上進行NAT（Nova-network實現為開啟nova-network主機內核的iptables，Neutron實現為網絡節點上的l3-agent）。如果不同租戶邏輯上共用一個網關，則無法實現租戶間IP地址的復用。
3）Overlay模型（主要包括GRE和VxlAN隧道技術），相比于VLAN模型有以下改進。1）租戶數量從4K增加到16million；2）租戶內部通信可以跨越任意IP網絡，支持虛擬機任意遷移；3）一般來說每個租戶邏輯上都有一個網關實例，IP地址可以在租戶間進行復用；4）能夠結合SDN技術對流量進行優化。
3. 三類節點和三類網絡
看過抽象的組網模型，下面我們來介紹組網具體的實現技術。下面的介紹都是針對Neutron的，對nova-network和Quantum將不做討論。
1）3類節點——管理節點：實現鏡像、塊存儲、身份認證、前端等服務，運行nova-compute的調度模塊以及nova api-server；計算節點：實現nova-compute，以及neutron的各種agent（一般不包括l3-agent，DVR除外）；網絡節點，：實現neutron各種agent。注意，由于OpenStack為分布式架構實現，因此neutron-server既可以運行在控制節點，也可以運行在網絡節點。
2）3種網絡——OpenStack內部模塊之間的交互發生在管理網絡，虛擬機之間的通信發生在數據網絡，而External Network/API Network網絡是連接外網的，無論是用戶調用Openstack API，還是虛擬機與外網間的互通都需要經過這個網絡。
目前OpenStack通常采用out-of-bound方式進行部署，管理網絡與另外兩個網絡是獨立的，管理節點上一般也不會承載Openstack的業務流量，下面的分析中網絡只涉及數據網絡與External Network/API Network網絡，節點只涉及計算節點和網絡節點。
4. 兩張圖例
有了以上知識作為基礎，就可以來分析Openstack中的網絡通信了。由于OpenStack中容器的通信機制目前尚不成熟，并且有專門的項目Kuryr去實現容器相關網絡技術，以下內容將不涉及OpenStack中的容器通信。
以下將通過兩張圖來分析Neutron中的VLAN組網模型，HyperVisor中的網絡設備以OpenvSwitch為例。這三張圖中每一個信息都是有用的，把這些信息完全弄懂了，Neutron的組網也就能基本掌握了，Overlay模型與VLAN模型的區別只在于將圖中的br-eth1替換成br-tun即可，具體隧道如何進行封裝，稍后我們再詳細介紹。
第一張圖是計算節點上的網絡實現。以虛擬機發出流量方向為例，從虛擬機處開始分析：
1)流量經由虛擬機IP內核交給虛擬網卡處理，虛擬網卡由TAP軟件實現，TAP允許用戶態程序向內核協議棧注入數據，它可以運行于虛擬機操作系統之上，能夠提供與硬件以太網卡完全相同的功能。
2)TAP設備并不是直接連接到OVS上的，而是通過linux bridge中繼到ovs br-int上，其原因在于ovs無法實現linux bridge中一些帶狀態的iptables規則，而這些規則往往用于以虛擬機為單位的安全組（security group）功能的實現。qbr是quantum bridge的縮寫，Neutron中沿用了Quantum的叫法。
3)linux bridge與ovs br int間的連接通過veth-pair技術實現，qvb代表quantum veth bridge，qvo代表quantum veth ovs。veth-pair用于連接兩個虛擬網絡設備，總是成對出現以模擬虛擬設備間的數據收發，其原理是反轉通訊數據的方向，需要發送的數據會被轉換成需要收到的數據重新送入內核網絡層進行處理。veth-pair與tap的區別可以簡單理解為veth-pair是軟件模擬的網線，而tap是軟件模擬的網卡。
4)ovs br-int是計算節點本地的虛擬交換設備，根據neutron-server中OVS Plugin的指導，完成流量在本地的處理：本地虛擬機送入的流量被標記本地VLAN tag，送到本地虛擬機的流量被去掉本地VLAN tag，本地虛擬機間的2層流量直接在本地轉發，本地虛擬機到遠端虛擬機、網關的流量由int-br-eth1送到ovs br-eth1上（在Overlay模型中送到ovs br-tun上）。注意，無論是VLAN模型還是Overlay模型，由于br-int上VLAN數量的限制，計算節點本地最多支持4K的租戶。
5)ovs br-int與ovs br-eth1間的連接通過veth-pair技術實現。
6)ovs br-eth1將該計算節點與其他計算節點、網絡節點連接起來，根據neutron-server中OVS Plugin的指導，完成流量送出、送入本地前的處理：根據底層物理網絡租戶VLAN與本地租戶VLAN間的映射關系進行VLAN ID的轉換（Overlay模型中此處進行隧道封裝，并進行VNI與本地租戶VLAN ID間的映射）。由于底層物理網絡中VLAN數量的限制，VLAN模型最多支持4K的租戶，而Overlay模型中，24位的VNI最多支持16million的租戶。
7)ovs br-eth1直接關聯物理宿主機的硬件網卡eth1，通過eth1將數據包送到物理網絡中。Overlay模型中ovs br-tun通過TUN設備對數據包進行外層隧道封裝并送到HyperVisor內核中，內核根據外層IP地址進行選路，從硬件網卡eth1將數據包送到物理網絡中。TUN與TAP的實現機制類似，區別在于TAP工作在二層，而TUN工作在三層。
第二張圖是網絡節點上的網絡實現，以流量流入網絡節點方向為例，從底層物理網絡流量通過eth1進入ovs br-eth1（Overlay模型中為ovs br-tun）開始分析：
1)ovs br-eth1將網絡節點與計算節點連接起來，根據neutron-server中OVS Plugin的指導，完成流量送入網絡節點前的處理：根據底層物理網絡租戶VLAN與本地租戶VLAN間的映射關系進行VLAN ID的轉換（Overlay模型中此處進行解封裝，并進行VNI與本地租戶VLAN ID間的映射）。注意，雖然同一租戶在底層物理網絡上的VLAN ID（Overlay模型中為VNI）唯一，但是在網絡節點與計算節點，不同計算節點中同一租戶對應的本地VLAN ID可能有所不同。另外由于網絡節點也要在ovs br-int上使用本地VLAN，而租戶跨網段流量與公網流量都要經過網絡節點，因此使用單個網絡節點時，Neutron最多能支持4K租戶，可采用部署多個網絡節點的方式來解決這一問題。
2)送入網絡節點的流量，由ovs br-eth1（ovs br-tun）通過veth-pair送給ovs br-int，ovs br-int連接了本地不同的namespace，包括實現dhcp功能的dhcp-agent——dnsmasq，以及實現路由功能的l3-agent——router。Dnsmasq負責給對應租戶的虛擬機分配IP地址，而router負責處理租戶內跨網段流量以及公網流量。不同的租戶有不同的dnsmasq和router實例，因此不同租戶間可以實現IP地址的復用。
3)Router namesapce通過qr接口（Quantum Router）接收到租戶內跨網段流量以及公網流量，在ns的IP內核中對跨網段流量進行路由，改寫MAC地址并通過相應的qr接口向ovs br-int送出數據包。在ns的IP內核中對公網流量進行NAT，并通過qg接口（Quantum Gateway）發送給ovs br-ex。
4)Ovs br-ex通過關物理聯宿主機的硬件網卡eth1將流量送至Internet路由器。
5)上述兩幅圖中，ovs br-int與ovs br-ex間有直連，據說主要是防止l3-agent出現問題時能夠保證流量不中斷，但實際上看來很少出現此問題。
**5. Neutron網絡全家福
**
上圖是在網上看過的更加細致，更為全面的一張圖（http://blog.csdn.net/canxinghen/article/details/46761591#comments），圖中清晰地展示了Neutron對多種L2技術（VLAN、VxLAN、GRE）共同運行的支持。圖中的mellonax是intel等硬件廠商搞出的具備轉發功能的網卡，能夠避免虛擬交換機帶來的資源消耗，并能夠加快轉發速率。一塊這樣的網卡能虛擬出63個VF，每個VF就好像一個獨立的物理網卡一樣，通過將VF直接掛到虛擬機上，能夠實現轉發性能的大幅度提高。
以上介紹了OpenStack中網絡組件的演進，以及Neutron組網的基本原理。下面我們將對Neutron的軟件實現進行簡單的介紹。
二、Nova虛擬機啟動時的網絡處理
設備啟動了，網絡有了，可是現在還沒有虛擬機。下面我們來看看nova虛擬機啟動時的網絡處理過程。
從頭開始講。虛擬機的啟動通常來自于控制節點命令行的nova boot，該命令被組裝成REST API送到nova-api。Nova-api與neutron-server干的是一樣的活：接收REST請求，調nova-scheduler跑一些調度機制，計算出虛擬機部署的位置，然后通過rpc與相應計算節點上的agent——nova-compute進行通信，而啟動虛擬機的實際工作由nova-compute完成。
當然，以上過程與網絡并沒有發生什么關系，這里不做深入分析，大家要是有興趣可參考http://www.linuxqq.net/archives/1277.html。
假定nova-compute已經通過rpc收到了開始干活的命令，我們就從這里開始漫長的代碼分析。在此之前，先來看一看OpenStack組件層面的調用流程。這里借用OpenStack大神SammyLiu的一張圖吧，圖中1-6步驟依次做了這么幾件事：
1）Nova-compute向neutron-server請求虛擬機對應的Port資源。
2）Neutron-server根據neutron-database生成Port資源。
3）Neutron-server通知Dhcp agent虛擬機信息。
4）Dhcp agent將虛擬機信息通知給dhcp server。
5）虛擬機接入并啟動。
6）虛擬機從dhcp server處獲得IP地址。
最后一步就是傳統的dhcp的交互過程，這里就不講了，下面來看1-5的實現。時間有限，代碼不再一步步回溯了，詳見SDNLAB“網絡虛擬化”專題的后續文章，這里給出代碼的主體思路。
1）Nova-compute向neutron-server發送create_port的REST API請求，生成新的Port資源。
2）Neutron-server收到該REST請求，通過APIRouter路由到ML2的create_port方法。該方法中，獲得了neutron-database新生成的Port，并通知ML2 Mechanism Driver該Port的生成。
3）Nova-compute向neutron發送update_port的REST API請求，
4）Neutron-server收到該REST請求，通過APIRouter路由到ML2的update_port方法。該方法中，在neutron-database更新該Port的狀態，并根據ML2 Mechanism Driver的不同，決定后續的處理：若Mechanism Driver為hyperv/linuxbridge/ofagent/openvswitch，則需要通過ML2的update_port方法中執行rpc遠程調用update_port；對于其余的Mechanism Driver，ML2的update_port方法調用其的update_port_postcommit方法進行處理，這些Mechanism Driver可能使用非rpc方式與自身的agent通信（如REST API、Netconf等）。
5）ML2執行完update_port方法后，Port資源在wsgi中對應的Controller實例通過DhcpAgentNotifyAPI實例rpc通知給網絡節點上的dhcp agent（也可能通過一些調度機制通知給分布在計算節點上的dhcp agent）。
6）Dhcp agent收到該rpc通知，通過call_driver方法將虛擬機MAC與IP的綁定關系傳遞給本地的DHCP守護進程Dnsmaq。
7）Nova-compute通過libvirt driver的spawn方法將虛擬機接入網絡，然后啟動虛擬機。
到這里，虛擬機啟動過程中的網絡處理就都結束了，虛擬機間就可以開始通信了。下面開始介紹Neutron中OVS的流表邏輯，看看OVS是怎么支持虛擬機間的通信的。
三、Neutron的軟件實現
5. 5類Neutron組件
在架構設計上， Neutron沿用了OpenStack完全分布式的思想，各組件之間通過消息機制進行通信，使得Neutron中各個組件甚至各個進程都可以運行在任意的節點上，如下圖所示。這種微內核的架構使得開發者可以集中精力在網絡業務的實現上。目前Neutron提供了眾多的插件與驅動，基本上可以滿足各種部署的需要，如果這些還難以支撐實際所需的環境，則可以方便地在Neutron的框架下擴展插件或驅動。
1）Neutron-server可以理解為一個專門用來接收Neutron REST API調用的服務器，然后負責將不同的rest api分發到不同的neutron-plugin上。
2）Neutron-plugin可以理解為不同網絡功能實現的入口，各個廠商可以開發自己的plugin。Neutron-plugin接收neutron-server分發過來的REST API，向neutron database完成一些信息的注冊，然后將具體要執行的業務操作和參數通知給自身對應的neutron agent。
3）Neutron-agent可以直觀地理解為neutron-plugin在設備上的代理，接收相應的neutron-plugin通知的業務操作和參數，并轉換為具體的設備級操作，以指導設備的動作。當設備本地發生問題時，neutron-agent會將情況通知給neutron-plugin。
4）Neutron database，顧名思義就是Neutron的數據庫，一些業務相關的參數都存在這里。
5）Network provider，即為實際執行功能的網絡設備，一般為虛擬交換機（OVS或者Linux Bridge）。
6 兩類Plugin
1）Core-plugin，Neutron中即為ML2（Modular Layer 2），負責管理L2的網絡連接。ML2中主要包括network、subnet、port三類核心資源，對三類資源進行操作的REST API被neutron-server看作Core API，由Neutron原生支持。其中：
2）Service-plugin，即為除core-plugin以外其它的plugin，包括l3 router、firewall、loadbalancer、VPN、metering等等，主要實現L3-L7的網絡服務。這些plugin要操作的資源比較豐富，對這些資源進行操作的REST API被neutron-server看作Extension API，需要廠家自行進行擴展。
最開始曾經提到，“Neutron對Quantum的插件機制進行了優化，將各個廠商L2插件中獨立的數據庫實現提取出來，作為公共的ML2插件存儲租戶的業務需求，使得廠商可以專注于L2設備驅動的實現，而ML2作為總控可以協調多廠商L2設備共同運行”。在Quantum中，廠家都是開發各自的Service-plugin，不能兼容而且開發重復度很高，于是在Neutron中就為設計了ML2機制，使得各廠家的L2插件完全變成了可插拔的，方便了L2中network資源擴展與使用。
ML2作為L2的總控，其實現包括Type和Mechanism兩部分，每部分又分為Manager和Driver。Type指的是L2網絡的類型（如Flat、VLAN、VxLAN等），與廠家實現無關。Mechanism則是各個廠家自己設備機制的實現，如下圖所示。當然有ML2，對應的就可以有ML3，不過在Neutron中L3的實現只負責路由的功能，傳統路由器中的其他功能（如Firewalls、LB、VPN）都被獨立出來實現了，因此暫時還沒有看到對ML3的實際需求。
===================== 代碼分析 =========================
一般而言，neutron-server和各neutron-plugin部署在控制節點或者網絡節點上，而neutron agent則部署在網絡節點上和計算節點上。我們先來簡單地分析控制端neutron-server和neutron-plugin的工作，然后再分析設備端neutron-agent的工作。
具體的代碼這次分享沒有時間講了，只能講個大致的輪廓和思路。有興趣深入研究的同志，可以關注SDNLAB上“網絡虛擬化”專題的后續更新。
（注意，以前廠商開發的L2 plugin跟ML2都存在于neutron/plugins目錄下，而可插拔的ML2設備驅動則存在于neutron/plugins/ml2/drivers目錄下）
**1. 控制端的實現
**
從neutron-server的啟動開始說起。neutron-server的啟動入口在neutron.server.__init__中，主函數中主要就干了兩件事，第一是下圖l 48處啟動wsgi服務器監聽Neutron REST API，第二是在l 52啟動rpc服務，用于core plugin與agent間的通信，兩類服務作為綠色線程并發運行。從SDN的角度來看，wsgi負責Neutron的北向接口，而Neutron的南向通信機制主要依賴于rpc來實現（當然，不同廠家的plugin可能有其它的南向通信機制）。
1）北向方面，Neutron的wsgi通過Paste工具進行模板化部署，它接收Neutron REST API的業務請求，然后通過APIRouter將其分發給對應的plugin。
2)Neutron內部，plugin與數據庫交互，獲取業務的全局參數，然后通過rpc機制將操作與參數傳給設備上的Agent（某些plugin和ML2 Mechanism Driver通過別的方式與Agent通信，比如REST API、NETCONF等）。
3)RPC機制就可以理解為Neutron的南向通信機制，Neutron的RPC實現基于AMPQ模型，plugins和agents之間通常采用“發布——訂閱”模式傳遞消息，agents收到相應plugins的NotifyApi后，會回調設備本地的CallBack來操作設備，完成業務的底層部署。
2. 設備端的實現
控制端neutron-server通過wsgi接收北向REST API請求，neutron-plugin通過rpc與設備端進行南向通信。設備端agent則向上通過rpc與控制端進行通信，向下則直接在本地對網絡設備進行配置。Neutron-agent的實現很多，彼此之間也沒什么共性的地方，下面選取比較具有代表性的ovs-neutron-agent的實現進行簡單的介紹。
Ovs-neutron-agent的啟動入口為/neutron/plugins/openvswitch/agent/ovs-neutron-agent.py中的main方法，其中負責干活的兩行代碼在l 1471和l 1476。L 1471實例化了OVSNeutronAgent類，負責在本地配置OVS，而l 1476則啟動了與控制端的rpc通信。
OVSNeutronAgent的實例化過程中依次干了6個工作：啟動ovs br-int網橋；啟動rpc；啟動ovs br-eth1；啟動ovs br-tun；實例化OVSSecurityGroupAgent；開始rpc輪詢與監聽。
rpc_loop做的工作主要就是輪詢一些狀態，根據這些狀態，進行相應的操作。比如一旦探測到本地的OVS重啟了（l 1295，l 1309），就重新創建本地的網橋（l 1294-1300），并重新添加port（l 1336）；再比如一旦rpc監聽到update_port事件（l 1309），則在本地使能相應的port（l 1336）。
ovs-neutron-agent的啟動也就是這些工作了，啟動完畢后，便開始了與相應plugin（OVS Plugin或者OVS Mechanism Driver）的rpc通信。
================= 代碼分析 ====================
Neutron的軟件實現就簡單地介紹到這里了，下一節我們來具體看看Neutron中各個OVS上的流表邏輯是怎樣的。
**四、Neutron OVS上的流表分析
**
在具體介紹OVS的工作機制之前，大家要先理解OVS并不是Neutron網絡實現的唯一選擇。
實際上，Neutron中底層網絡的實現千差萬別：有的agent本地是真正處理數據流的網絡設備（OVS，Router，LoadBalancer等），而有的agent本地是SDN控制器（如ODL、ONOS、OpenContrail、NSX等）。上述Neutron底層網絡的兩種模型示意如下。
第一種模型中Neutron相當于SDN控制器，plugin與agent間的通信機制（如rpc）就相當于簡單的南向協議。第二種模型中Neutron作為SDN應用，將業務需求告知SDN控制器，SDN控制器再通過五花八門的南向協議遠程控制網絡設備。當然，第二種模型中也可以把Neutron看做超級控制器或者網絡編排器，去完成OpenStack中網絡業務的集中分發。
以下我們講的是第一種模型中OVS處理數據流的工作機制。后一種模型中，SDN控制器也可以通過OpenFlow或者OVSDB來控制OVS處理數據流，對此本節暫時不進行討論，后續也會有文章會詳細介紹ODL和ONOS等SDN控制器對Openstack的支持。
================== 分隔線 ======================
以Overlay組網模型對OVS的工作機制進行介紹，具體分為兩個角度：OVS實現L2的基本連接，OVS對連接機制的優化。
**（一）L2基本連接的實現
**
復原一下通信場景，其中的網絡基礎請參考“OpenStack網絡基礎”一小節。圖中某租戶有兩個網段，分別用橙紅色和藍色表示，網段間的互通要經過網絡節點中的Router，網段內的通信不需要經過網絡節點中的Router。網段間的互通可分為3步：橙紅色網段通過網段內通信找到Router，Router進行路由，Router通過藍色網段的網段內通信轉發給目的地。Router上的路由是linux內核實現的，我們不去關心，因此可以說租戶內部通信都是基于網段內通信實現的。
Overlay模型中，網段內通信涉及ovs br-int和ovs br-tun，計算節點和網絡節點中兩類網橋的實現沒有什么區別。概括地說，br-int負責在節點本地的網段內通信，br-tun則負責節點間的網段內通信。
在本節的場景內br-int實現為普通的二層交換機，即完成VLAN標簽的增刪和正常的二層自學習與轉發，沒有必要進行過多的解釋，其代碼實現請參考“Neutron的軟件實現”中agent部分。
Br-tun采用多級流表實現節點間的網段內通信，下面直接通過圖示來看br-tun中多級流表的設計。圖中流表的序號不是固定的，可在neutron.plugins.openvswitch.agent.common目錄下的constants.py文件中修改。
所有流經br-tun的數據包首先進入Table 0進行處理。Table 0對數據包的來源進行判斷，從與br-int相連的patch-int進入的數據包交給Table 1處理，從GRE或者VxLAN端口（不同節點間的隧道有不同的Port_ID）進入的分別交給Table 2、Table 3處理。Table 1根據數據包目的MAC地址判斷是否為單播，是則送往Table 20，否則送往Table 21，Table 20根據（VLAN_ID，MAC）到（PORT_ID，TUNNEL_ID）的映射關系將單播包送到特定的隧道，Table 21將非單播包復制后送到所有隧道。進入Table 2或者Table 3的數據包，首先判斷TUNNE_ID是否合法，是則添加本地VLAN_ID并送往Table 10，否則丟棄。Table 10記錄數據包的VLAN_ID，MAC、入端口以及TUNNEL_ID，將（VLAN_ID，MAC）到（PORT_ID，TUNNEL_ID）的映射關系寫入Table 20，然后將數據包從與br-int相連的patch-int送出。
可見，上述過程就是標準MAC自學習在隧道中的擴展，無非就是將（VLAN_ID，MAC）到PORT_ID的映射變為了（VLAN_ID，MAC）到（PORT_ID，TUNNEL_ID）的映射。這種自學習仍然要依賴于泛洪來完成，引入l2_population或者SDN控制器后可以避免掉泛洪。
（二）連接機制的優化
OVS上，連接機制的優化主要體現在l2_population機制，以及對DVR（Distributed Virtual Router，分布式L3-agent）的支持。
2.1 L2_population
虛擬機在通信前，會發送ARP請求去解析目的MAC與目的IP間的映射關系，這一過程需要發送二層的廣播包。由（一）中的介紹可知，這會導致隧道上的泛洪，這顯然是不能令人滿意的。
傳統網絡中ARP依賴于廣播泛洪的原因在于沒有一個集中式的控制平面，而Neutron中的數據庫存有所有虛擬機MAC地址與IP地址間的映射，可以說是一個天然原生的控制平面。因此有人提出了將該映射關系注入到OVS本地，在本地處理ARP廣播，以避免隧道上的泛洪，這就是l2_population。
L2_population的實現并不復雜，就是在1介紹的流水線中增加一個ARP Table去處理ARP Request。ARP Table中會事先存好MAC與IP的映射關系，如果ARP Table中匹配ARP Request消息中的目的IP，則構造一個 ARP 響應包，從ARP Request的入端口返回給虛擬機。如果匹配失敗，則跳轉到 Table 21繼續泛洪。上述過程如下圖所示，之所以保留ARP Table到Table 21的跳轉，主要是為了防止l2_population出現問題。
L2_population的工作就是這么簡單，卻可以大大減少不合意的隧道泛洪。其實dhcp也存在類似的問題，如果只在網絡節點上放置dhcp-server，那么所有的DHCP DISCOVER消息都要靠隧道泛洪發送到網絡節點上。當然，dhcp消息的數量和產生頻率遠遠趕不上arp，問題也不會那么明顯。
解決dhcp存在的上述問題，一種思路是在Table 21上專門寫一條高優先級的dhcp流表項去匹配dhcp廣播消息，并將所有的dhcp消息都封裝送到網絡節點的隧道。另外，也可以采用類似于l2_population的思路，從Table 1上專門寫一條高優先級的dhcp流表項去匹配dhcp消息，這條流表項只需要將dhcp消息通過相應的端口轉交給dhcp namespace即可。之所以用namespace實現，是因為Dhcp消息封裝在應用層，OpenFlow流表無法直接支持dhcp消息的封裝，因此這個活得由分布在計算節點上的dhcp namespace來完成。
第一種思路優點是實現簡單，但是一旦網絡節點發生單點故障，虛擬機便無法正常使用dhcp獲取IP，不過kilo版本中已經有人在多個網絡節點中實現了dhcp_loadbalance（https://blueprints.launchpad.net/neutron/+spec/dhcpservice-loadbalancing）。第二種思路實現復雜一些，但能夠避免網絡節點單點故障帶來的問題，實現分布式dhcp。
2.2 DVR
上一小節簡略地提到了分布式的dhcp，這個工作社區有人提過但是反響并不是很大，而分布式的路由（Distributed Virtual Routing）卻很早就成為了社區的共識，并在Juno版本中給出了實現。
Neutron中Router用來實現同一租戶不同網段的虛擬機間的通信，這屬于東西向流量，具體可以分為兩種：1. 同一個物理節點上不同網段內的虛機之間的通信；2. 不同物理節點上不同網段內的虛機之間的通信。Router還用來實現虛擬機與Internet間的流量，這屬于南北向流量，具體也可分為兩種：1. 虛擬機訪問Internet的流量，通常需要經過SNAT處理；2. Internet訪問虛擬機的流量，可能需要經過DNAT處理。
在Neutron較早的版本中，上述流量都需要通過經過網絡節點上的Router來處理，一旦網絡節點故障或者網絡節點上的Router掛掉了，上述類型的流量也就都丟掉了。解決這一問題也有很多種思路：
1）一種是通過部署多個網絡節點，在多個網絡節點間做調度的，不過這種很難實現各個Router本身狀態的一致性。
2）于是，就有了通過在Router間跑應用層面的VRRP來同步Router狀態，這種方式是很不錯的，VRRP協議也比較成熟。但是問題在于，大部分流量仍然需要“繞彎子”進行傳輸，如同一個物理節點上不同網段內的虛機之間的通信可能需要到另一個物理節點的Router上處理。
3）再于是，DVR就出現了，通過把Router分布在各個計算節點中，各類流量都可以得到最優的處理，也不會再有單點故障的問題了。
接下來對DVR的講解發生在下圖的場景中：某租戶有紅、綠兩個網段，兩臺虛擬機vm1、vm2分屬兩個網段，分別位于計算節點CN1、CN2，租戶擁有一個DVR路由器r1，分布在兩個計算節點之上。假定vm1已經通過ARP獲得了CN 1中r1在紅色網段接口的MAC地址r1 red mac，現在vm1發起向vm2的ping request。
拋開流表的格式與下發的過程，先按照圖中序號來看一看DVR流表下發后通信各個階段的數據包特征。這里規定（源MAC，目的MAC，源IP，目的IP地址）為數據包的特征4元組。
1)vm1發出的ping包特征為(vm1 mac, r1 red mac, vm1 ip, vm2 ip)，該數據包送至br-int-cn1。
2)br-int-cn1在之前ARP過程中學到了r1 red mac所在端口，將ping包直接轉發給CN1中的r1。
3)r1進行路由，得知目的虛擬機連接在綠色網段上，而且r1中存有目的虛擬機的靜態ARP表項，不需要進行ARP解析。于是CN1中的r1通過其綠色網段接口將ping包重新送回br-int-cn1。此時ping包特征為(r1 grn mac, vm2 mac, vm1 ip, vm2 ip)，br-int-cn1還不知道vm2連在哪里，進行泛洪。
4)br-tun-cn1由br-int-cn1收到ping包，將源mac地址修改為全局唯一的dvr cn1 mac，并封裝好隧道，標記綠色網段的TUNNEL_ID，直接送往CN2。此時ping包被封裝在外層包頭內，其特征為(dvr cn1 mac, vm2 mac, vm1 ip, vm2 ip)。
5)br-tun-cn2收到后去掉外層包頭，打上綠色網段的本地VLAN標簽，送給br-int-cn2，此時ping包特征仍為(dvr cn1 mac, vm2 mac, vm1 ip, vm2 ip)。
6)br-int-cn2識別出這是CN1經過綠色網段送過來的流量，于是將源mac地址改回r1 grn mac并剝掉VLAN標簽。br-int-cn2還不知道vm2連在哪里，就將ping包泛洪。此時ping包特征為(r1 grn mac, vm2 mac, vm1 ip, vm2 ip)。
7)vm2收到ping request，回復ping echo，反向的通信過程和上述基本一致。
上述步驟給出了通信的外在特征，下面說明某些步驟內在的實現原理。
1)“r1中存有目的虛擬機的靜態ARP表項”，是因為各個部署了DVR的計算節點中，l3-agent都事先從neutron數據庫中獲取了虛擬機的網絡信息，直接注入到了r1中。這是為了防止r1跨隧道泛洪獲取vm2的MAC地址（可以通過l2_population來實現）。
2)“將源mac地址修改為全局唯一的dvr cn1 mac”，是因為在所有計算節點上，r1位于相同網段的接口mac地址是一致的，即CN1上的r1 red/grn mac與CN2上的r1 red/grn mac一致。因此為了防止對端br-tun上的混亂， Neutron為每個部署了DVR的計算節點分配了全局唯一的dvr mac地址，br-tun在進行隧道傳輸前都需要進行源MAC地址的改寫。
“并封裝好隧道，標記綠色網段的TUNNEL_ID，直接送往CN2”，DVR要求開啟l2_population事先學習（VLAN_ID，MAC）到（PORT_ID，TUNNEL_ID）的映射，以避免隧道上的泛洪。
3)br-tun-cn2解封裝后，判斷流量由dvr cn1送過來，不進行自學習，直接將流量送給br-int-cn2。
4)br-int-cn2中實現存有所有部署了DVR的計算節點的全局唯一的MAC地址，因而可以識別dvr cn1送過來的流量，完成源MAC地址的回寫后進行轉發。
流表的邏輯跳轉圖如下所示（注意，某些Table的ID發生了變化，且未表示l2_population）。
Table 0對數據包的來源進行判斷，從與br-int相連的patch-int進入的數據包交給Table 1處理，從VxLAN端口（以VxLAN為例）進入的交給Table 4處理。Table 1判斷數據包是否為發向r1的ARP，或者其他發給r1的二層幀，如果是則丟棄（為了保證虛擬機送到r1的數據包只在本地轉發）。如果Table 1判斷數據包是由r1發出來的，則將源mac地址改為CN1的dvr mac地址（為了避免對端br-tun上的混亂），然后送往Table 2。Table 2根據數據包目的MAC地址判斷是否為單播，是則送往Table 20，否則送往Table 21。Table 20根據（VLAN_ID，MAC）到（PORT_ID，TUNNEL_ID）的映射關系將單播包送到特定的隧道，該映射關系可事先通過L2_populaiton學習到，也可以通過Table 10的觸發學習到。Table 21將非單播包復制后送到所有隧道。進入Table4的數據包，首先判斷TUNNE_ID是否合法，是則添加本地VLAN_ID并送往Table 9，否則丟棄。Table 9判斷數據包源mac地址是否屬于dvr mac地址（由于示例場景比較簡單，圖中示例流表只匹配了CN2的dvr-cn2-mac），如果是直接送給br-int-cn1處理，否則轉給Table 10進行學習。Table 10記錄數據包的VLAN_ID，MAC以及TUNNEL_ID，將（VLAN_ID，MAC）到（PORT_ID，TUNNEL_ID）的映射關系寫入Table 20，然后從與br-int相連的patch-int送出。下面給出各個流表項的標注，其中紅色的為新增的DVR表項。
DVR對于南北向流量的處理有兩種模型，第一種是SNAT在節點本地完成，第二種是SNAT仍需要到網絡節點進行，兩種模型分別示意如下。在節點本地進行SNAT則需要在計算節點的qr上為虛擬機分配浮動IP地址，而在網絡節點完成SNAT比較節省公網IP資源，具體選擇哪種模型，要視用戶實際的業務需求而定。
講到這里，對Neutron OVS上的流表分析就結束了。
審核編輯：郭婷
工商網監
評論