openstack 网络架构 nova-network + neutron

source: http://blog.csdn.net/beginning1126/article/details/41172365#comments

openstack网络架构（nova-network/neutron）

OpenStack网络体系中，网络技术没有创新，但用到的技术点非常庞杂，包括bridge、vlan、gre、vxlan、ovs、openflow、sdn、iptables等，当然这里不会做具体技术介绍，概述技术，主要将其与openstack的结合点做详细分析。

nova-network网络架构

在nova-network中，其网络模型包括flat、dhcp flat、vlan，用到的技术主要有bridge、vlan，

dhcp flat多网络节点架构

优点：结构简单，稳定

缺点：所有租户都在一个水平面上，租户之间没有隔离，由于所有租户都在一个子网内，当大规模部署后，其广播风暴将会是不小的负面因素，至于这种模型其vm的上限，笔者还没有条件测试。

vlan架构

• 为租户创建独占的bridge
• 创建vlan接口vlan100，依据802.1q协议打vlanid
• Dnsmasq监听网桥网关，负责fixedip的分配
• switch port设定为chunk mode
• eth0负责vm之间的数据通信，eth1负责外网访问

优点：租户有隔离

缺点：需要物理交换机chunk口的支持，实际部署时比较复杂，vlan id个数为4094个，也就是最多4094个子网租户，不适用于公有云。

结论

相比于neutron网络，虽说没有neutron那么多的功能插件，仅有bridge，但是其稳定性已得到大多数用户的验证，对于小规模的私有云(1千台虚机的规模)，nova-network是可以考虑的，目前线上部署的环境也是nova-network。

参考资料：

https://www.mirantis.com/blog/openstack-networking-flatmanager-and-flatdhcpmanager/

https://www.mirantis.com/blog/vlanmanager-network-flow-analysis/

https://www.mirantis.com/blog/openstack-networking-vlanmanager/

http://blog.csdn.NET/hilyoo/article/details/7721401

http://blog.csdn.Net/beginning1126/article/details/39371757

neutron网络架构

neutron网络体系相比于nova-network要复杂的多，用到的技术点也非常庞杂，在介绍网络架构之前，有必要概述下gre、vxlan、ovs、openflow、sdn技术点。

上面阐述过，vlan技术存在vlan id个数限制4094，公有云租户肯定不止4094，二层技术，只能部署在一个局域网内，无法实现跨机房部署。为了突破这俩个限制，增加了gre和vxlan隧道技术。

GRE：

跨机房部署：3层隧道技术，在原来小网ip头前面加入大网ip头和gre头，大网ip头里面的ip是公网ip；

segment id：而gre头里面最重要的字段应该是4字节key值（segment id），充当了vlan技术里面的vlan id，隔离租户的作用，由于是4个字节，已经不受4094 vlan id限制。下图是gre典型应用。

当然gre也有其缺点，

1. gre是点对点技术，每两个点之间都需要有一个隧道，对于4层的端口资源是一种浪费；
2. 增加ip头，势必减少vm的mtu值，同样大小的数据，需要更多的ip包来传，传输效率有影响。

VXLAN：

针对vlan和gre的第一个缺点，业界提出了vxlan技术，下图分别是vxlan头结构和通信流程。

1. 24bit的VNID：vxlan技术在原有mac帧基础上增加了新的mac头、ip头、vxlan header，在vxlan header中，VNID相当于vlan id，24bit，16M的大小，远大于4094.
2. 大二层网络，实现跨机房部署：在通信两端增加了VTEP设备，可以硬件设备，也可以软件实现，当然在neutron网络中，其是由软件实现的。该设备记录vlan id、vm mac、vtep ip的对应关系，这个关系是由vm发起arp请求获取到的。在vxlan网络中有个组播地址，所有vtep设备都需要加入该组播地址，vtep将arp的广播请求增加组播ip头转变为组播请求，一旦一个vm发起arp请求，所有vtep都能收到，vtep在将组播ip头去掉，将原始广播包发给vm，这样不同vm之间将建立起arp表。vxlan网络为所有vm建立一个大2层网络。
3. 能让遗留子网不改变 IP 地址的情况下无缝的迁移到云上来；也可以让虚机跨数据中心进行迁移（以前顶多只能在同一个 VLAN 里迁移）
4. 关于跨机房vxlan互通：前述通过组播消息实现arp的传输，但是在广域网上，组播包传输是受限制的，目前业界通常的解决方案是通过SDN controller，SDN controller兼做arp代理，并获取vm内层mac和外层VTEP ip对应关系，不同controller之间交换这些信息。

结论：

1. gre解决了vlan id个数限制和跨机房互通问题；
2. vxlan解决了vlan id个数限制和跨机房互通问题，同时解决了gre点对点隧道个数过多问题，同时实现了大2层网络，可用于vm在机房之间的的无缝迁移。
   

参考资料：

http://blog.csdn.net/freezgw1985/article/details/16354897

http://www.cisco.com/c/en/us/products/collateral/switches/nexus-9000-series-switches/white-paper-c11-729383.html

openflow

openflow主要分为controller和flow table，并且其通信遵循openflow协议。增加了controller点，openflow switch仅仅根据flow table设定好的规则对数据做路由或丢弃等操作，而整个系统的大脑部分在controller，所有flow table的路由规则、处理方法都是从controller得到。

Openflow的优点：

1. 控制逻辑和物理交换网络相分离；
2. 物理网络分割成相互独立的逻辑网络

Openflow问题：

1. 和现有物理网络相冲突，很难实际应用

实验室截取的流表实例：

参考资料：

http://www.ibm.com/developerworks/cn/cloud/library/1303_silei_openflow/

http://mytrix.me/2014/04/dive-into-openstack-neutron-on-compute-node/

http://www.kankanews.com/ICkengine/archives/101651.shtml

OVS：

相比于Linux bridge，ovs有以下好处

1. Qos配置，可以为每台vm配置不同的速度和带宽
2. 流量监控
3. 数据包分析
4. 将openflow引入到ovs中，实现控制逻辑和物理交换网络分离。

参考资料：

http://blog.csdn.net/canxinghen/article/details/39344797

http://bengo.blog.51cto.com/4504843/791213                    

http://www.cloudstack-china.org/2013/09/2484.html

到此为止，关于gre、vxlan、openflow、ovs基本情况基本介绍完了，下面将是应用这些技术介绍neutron网络架构体系。

neutron体系结构组成

1. Neutron Server： 这 一部分包含守护进程neutron-server和各种插件neutron-*-plugin，它们既可以安装在控制节点也可以安装在网络节点。 neutron-server提供API接口，并把对API的调用请求传给已经配置好的插件进行后续处理。插件需要访问数据库来维护各种配置数据和对应关系，例如路由器、网络、子网、端口、浮动IP、安全组等等。

2. 插件代理（Plugin Agent）：虚拟网络上的数据包的处理则是由这些插件代理来完成的。名字为neutron-*-agent。在每个计算节点和网络节点上运行。一般来说你选择了什么插件，就需要选择相应的代理。代理与Neutron Server及其插件的交互就通过消息队列来支持。

3. DHCP代理（DHCP Agent）： 名字为neutron-dhcp-agent，为各个租户网络提供DHCP服务，部署在网络节点上，各个插件也是使用这一个代理。

4. 3层代理 （L3 Agent）： 名字为neutron-l3-agent， 为客户机访问外部网络提供3层转发服务。也部署在网络节点上。

Control node：neutronserver(api/neutron-*-plugin)

Network node：neutron-*-plugin-agent/l3-agent/dhcp-agent

Computer node：neutron-*-plugin-agent

在neutron体系中，应用最多的两个插件就是Linux bridge和ovs，笔者在实验室分别搭建过Linux bridge+vxlan和ovs+vxlan。下面分别是从官网上截取的网络结构图，官网给出的是vlan的情况，其实和vxlan区别不大。

ovs+vxlan computer node and network node

网络架构图

是不是看到这2张图就有些晕了，这么多个bridge、tap设备都是做什么用的，理解这些设备其实并不难，redhat有篇文章写的非常详细，大家看看就非常明白了，https://openstack.redhat.com/Networking_in_too_much_detail，官方给出的图是vlan拓扑，其实只要将图中的vlan device改成vxlan device就可以，不妨碍表述结构。

在ovs结构中，如果网络拓扑是vxlan或gre，则有两个bridge，分别是br-int和br-tun(上图由于是vlan环境，没有br-tun，而是br-eth1)，br-int叫集成网桥，用于连接起上方的各个设备（包括vm、dhcp-agent、l3-agent），br-tun叫隧道网桥，隧道既可以是gre，也可以是vxlan，br-tun负责在原始报文中加入gre或vxlan报文头。相当于软件实现了vtep设备(对于vxlan而言)，

flow table

这里值得一提的是network node br-tun中的flow table，如下图所示，对于flow table的各个表项大家可以参考文章http://mytrix.me/2014/04/dive-into-openstack-neutron-on-compute-node/，这里不做过多阐述。

作者实验室搭建了1个network node和2个computer node，port 1对应网络节点的br-int，port 2、3对应2个computer node，可以看出，当由computer node来的数据包（port 2、3），改完vlan标签之后，要先通过自学习的过程（对应table 10），然后输出给port 1，学习的结果就是table 20，table 20将vlan id和目标vm的mac地址作为匹配项，匹配上之后。输出给port 2、3。

通信流程

同一租户不同host vm fixed ip通信流程如下图所示，如果通过fixed ip通信，不需要经过network node，通过br-tun加上vxlan标签则可以实现不同host上的vm通信。

不同租户不同host vm floating ip通信流程如下图所示，如果是通过floating ip进行通信，需要经过network node做dnat、snat、路由，为什么要通过network node呢？原因是目标ip地址是floating ip，和vm2 fixed ip不在一个网段，所以其对ip包的处理需要将包传递给租户2的默认网关mac4/ip4，传给给默认网关后需要做dnat转换，然后路由给租户1的默认网关mac3/ip3，再做snat转换，最后将包传递给vm1，注意包传递过程中，其内外层mac地址和ip地址的转换。

Linux bridge + vxlan computer node and network node

有了ovs的基础，理解bridge的结构就简单多了，但是作者在用rdo搭建bridge + vxlan的环境时，遇到很多问题：

1. rdo安装linuxbridge，需修改neutron_350.py create_l3_manifests函数；

2. 配置Linuxbridge + vxlan环境，computer node network node，其linuxbridge_conf.ini配置项enable_vxlan、vxlan_group、local_ip一定要加以配置，否则bridge、vxlan设备则不能正确创建，虚拟机也无法创建；

3. 对于Linuxbridge + vxlan环境，network node需要2块网卡，一个内网、一个外网，一个用于dhcp，一个用于floating ip外网访问，这个是必须的，否则二者功能只能取其一，但是在搭建ovs环境时，却没有这个问题，很奇怪；
4. network node需要手工创建一个br-ex，用于外网访问；
   
5. 最诡异的是，环境搭建完成初始状态，network node上，各tap设备绑定的bridge全是错误的，需要手动修改；
6. 需要修改vm mtu值，否则vm之间通信效率非常差。
   

组网方式

典型的组网方式包括nova-network的dhcpflat、vlan，neutron的bridge + vlan、bridge + vxlan、ovs + vlan、ovs + vxlan，其选择上可以从3个维度来看，nova-network和neutron的选择、网络拓扑flat、vlan、gre、vxlan的选择、插件Linux bridge和ovs的选择。

nova-network和neutron的选择：

1. nova-network：稳定，结构简单，但目前仅支持linux bridge一种插件；
2. neutron：可以支持bridge、ovs等众多插件，并且通过ml2技术可以实现众多插件混合使用，引入openflow等sdn技术，是控制逻辑和物理网络相隔离。但neutron目前最大的问题是稳定性（例如创建过多的vm，host会无故重启，neutron服务会无故down掉，floating ip无法正常释放等，这些问题目前都在查找原因，尚未解决），而且iec house版本不支持network muti-host部署（据说juno版本支持，接下来搭建个环境研究一下）

结论：未来的openstack，neutron组件会是其趋势，nova-network会渐渐被替换掉，但是在未解决其稳定性和network node ha问题之前还不适用于线上环境。

网络拓扑flat、vlan、gre、vxlan的选择：

1. flat： 模式简单，但有广播风暴的风险，不适于大规模部署（一千台vm？）；
2. vlan：可以隔离广播风暴，但需要配置物理交换机chunk口；
3. gre：可以隔离广播风暴，不需要交换机配置chunk口， 解决了vlan id个数限制，3层隧道技术可以实现跨机房部署。但gre是点对点技术，每两个点之间都需要有一个隧道，对于4层的端口资源是一种浪费；
4. vxlan：可以隔离广播风暴，不需要交换机配置chunk口， 解决了vlan id个数限制，解决了gre点对点隧道个数过多问题，实现了大2层网络，可用于vm在机房之间的的无缝迁移，便于跨机房部署。唯一的缺点就是vxlan增加了ip头部大小，需要降低vm的mtu值，传输效率上会略有下降。

结论：如果不需要通过大二层网络实现跨机房部署，可以选择vlan，如果涉及到跨机房部署，需要大二层的通信方式，选择vxlan。

Linux bridge和ovs的选择：

这两种插件是目前业界使用最多的，非官方统计（摘自http://wenku.it168.com/d_001350820.shtml） 二者在众多插件使用份额是，Linux bridge31%、ovs 39%

1. Linux bridge：历史悠久，稳定性值得信赖，但是当vm个数过多，二层交换出现问题时，目前没有特别好的定位手段。
2. ovs：可以针对每个vm做流量限制、流量监控、数据包分析，同时可以引入openflow，引入sdn controller，使控制逻辑和物理交换相分离，并且sdn controller可以实现vxlan的跨机房大二层通信，但是业界普遍认为其性能是个大问题。

实验室测试结果：

不同host上的两个vm，通过ping测试响应时间，如下表所示

组网	fixed ip	floating ip	备注
Linux bridge + vxlan	1.124ms	1.509ms
ovs + vxlan	1.179ms	1.898ms
关闭安全组 ovs + vxlan	1.073ms

在同一个host上的，2个vm互跑流量，如下表所示

组网	吞吐量	cpu占用情况	备注
Linux bridge + vxlan	7.86 Gbits/sec	23.7%us, 15.7%sy, 52.1%id, 8.5%si
ovs + vxlan	7.10 Gbits/sec	23.1%us, 16.5%sy, 46.9%id, 13.5%si
关闭安全组ovs + vxlan	8.32 Gbits/sec	28.7%us, 19.4%sy, 46.3%id, 5.6%si

测试结果说明：

1、cpu占用量记录的是瞬时值，上下会有大约5%的波动。

2、关于响应时间：ovs+ vxlan（关闭安全组）< Linux bridge + vxlan <  ovs +vxlan

3、关于吞吐量：ovs+ vxlan（关闭安全组）> Linux bridge + vxlan >  ovs +vxlan

4、在ovs组网中，需要为每个vm创建一个bridge（用于安全组的实现），所以关闭安全组，将vm直接桥接到ovs上，其吞吐量响应时间都会有所改善。

5、就本次结果来看，在不采用安全组的情况下，ovs性能要略好于Linux bridge

网上找的一篇测试报告（原文链接： https://docs.google.com/viewer?url=http%3A%2F%2Fwww.ustack.com%2Fwp-content%2Fuploads%2F2013%2F10%2FNeutron-performance-testing.pdf）

结论：关于ovs的性能问题，还需要大量线上测试（这部分工作，作者正在做，希望尽快给出量化指标），所以在未确定ovs性能是否达到我们要求之前，建议使用Linux bridge。

官方推荐的组网方式：

通过查阅openstack官方文档，其更倾向于bridge+vlan和ovs+vlan

私有云和公有云的组网差异：

公有云其vm个数巨大，几十万、几百万的数量级，涉及跨机房部署，需要大二层通信机制。私有云其vm个数相对有限，几千、几万的数量级，可以在每个机房单独部署一套openstack环境，大二层通信的需求相对弱一些。