OVS框架以及源码笔记1
引言
是基于2.3.90的版本
1.OVS网络架构
OVS全名字Openvswitch，是一个虚拟交换机，支持Open Flow协议，被远端的controller通过Open Flow协议统一管理着，从而实现对接入的虚拟机（或设备）镜像组网和互通，整体组网结构如下：
2.OVS内部架构
- ovs-vswitchd 是主要模块，实现vswitch的守护进程daemon
- ovsdb-server 是轻量级数据库服务器，用于ovs的配置信息
- ovs-vsctl通过和ovsdb-server通信，查询和更新vswitch的配置
- ovs-dpctl 用来配置vswitch内核模块的一个工具
- ovs-appctl发送命令消息到ovs进程
- ovs-ofctl 查询和控制OpenFlow虚拟交换机的流表
- datapath内核模块，根据流表匹配结果做相应处理
3.OVS代码架构
- vswitchd是ovs主要的用户态程序，他从ovsdb-server读取配置并发送到ofproto层，也从ofproto读取特定的状态和统计信息并发送到数据库。
- ofproto是openflow的接口层，负责和Openflow controller通信并通过ofproto_class与ofprotot provider底层交互
- ofproto-dpif是ofproto接口类的具体实现
- netdev是ovs系统的网络设备抽象（比如Linux的net_device或交换机的port）,netdev_class定义了netdev-provider的具体实现需要的接口，具体的平台实现需要这些统一的接口，从而完成netdev设备的创建、销毁、打开、关闭等一系列操作
3.1datapath
由于openvswitch用户态代码相对复杂，首先从内核模块入手分析。
datapath为ovs内核模块，负责执行数据处理，也就是把从接收端口收到的数据包在流表中进行匹配，并执行匹配到的动作。一个datapath可以对应多个vport,一个vport类似物理交换机的端口概念。一个datapath关联一个flow table,一个flow table包含多个条目，每个条目包括两个内容：一个match/key和一个action
3.1.1数据流向
一般的数据包在linux网络协议中的流向为上图中的蓝色箭头流向：网卡eth0收到数据包后判断报文走向，如果是本地报文把数据传送到用户态，如果是转发报文根据选路（二层交换或三层路由）把报文送到另一个网卡如eth1.当有OVS时，数据流向如红色所示：从网卡eth0收到报文后进入ovs的端口，根据key值进行流表匹配，如果匹配成功执行流表对应的action;如果失败通过upcall送入用户态处理。
3.1.2模块初始化
内核模块采用 module_init(dp_init)进行 datapath 的初始化，代码如下：
其中 dp 的 genl_family 注册了如下四个类型：
3.1.3收包处理
通过 vport 注册的回调函数 netdev_frame_hook()->netdev_frame_hook()->
netdev_port_receive()->ovs_vport_receive()处理接收报文，ovs_flow_key_extract()
函数生成 flow 的 key 内容用以接下来进行流表匹配，最后调用 ovs_dp_process_packet()
函数进入真正的 ovs 数据包处理,代码流程如下：
3.1.4流表哈希桶
流表采用 hash 的方式排列存放，流表的 hash 头结点存储数据结构如下：
该 hash 桶的初始化函数 alloc_buckets (),生成的数据格式可参考如下：
3.1.5流表创建
用户态通过netlink进行datapath流表更新的入口函数都定义在dp_flow_genl_ops中，流表创建的入口函数是ovs_flow_cmd_new函数，、
代码分析如下：
根据上述流程给出流表的主要数据结构如下：
3.1.6流表查询
流表查找主要是查表关键字的匹配，关键字数据结构如下，根据 skb 中的 Ethernet 帧
生成 key 的函数为 ovs_flow_key_extract()：
流表查询的入口函数 ovs_flow_tbl_lookup_stats(),flow 的匹配策略是和流表中所有
mask 和所有 key 进行匹配处理，为了加速查询效率，在调用真正的流表查询函数
flow_lookup()之前，对于 mask 的查询采用了缓存机制，实现原理是首先查询缓存的
mask_cache_entry，这些 cache 是查询成功后形成的 cache，并针对 cache 采用分段查询
的方式，代码如下：
3.1.7action处理
ovs 的 action 类型如下，使用 nla_type()函数获取 nl_type 的值，入口处理函数为
do_execute_actions()。
OVS_ACTION_ATTR_OUTPUT：获取 port 号，调用 do_output()发送报文到该 port；
OVS_ACTION_ATTR_USERSPACE：调用 output_userspace()发送到用户态；
OVS_ACTION_ATTR_HASH：调用 execute_hash()获取 skb 的 hash 赋值到 ovs_flow_hash
OVS_ACTION_ATTR_PUSH_VLAN：调用 push_vlan()增加 vlan 头部
OVS_ACTION_ATTR_RECIRC:在 action_fifos 全局数组中添加一个 deferred_action；
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OVS_ACTION_ATTR_SET:调用 execute_set_action()设置相关参数； OVS_ACTION_ATTR_SAMPLE:概率性的发送报文到用户态（详见 sflow 章节）。
3.1.8 upcall处理
当没有找到匹配的流表时，内核通过 netlink 发送报文到用户层处理，入口函数
ovs_dp_upcall()，该函数调用 queue_userspace_packet()构造发往用户层的 skb，通过
netlink 通信机制发送到用户层，其中形成的主要数据格式如下：
3.2 ovs-vswitchd
vswitchd 作为守护进程和 ovsdb 通信以及和 controller 进行 openflow 通信，并完成
和底层内核的交互。代码在 vswitchd/目录下面，可以从 main 函数入口分析，整体处理流
程如下：
3.3 ofproto
ofproto 层通过 ofproto_class 类（实现是 ofproto_dpif_class）实现了 openflow 的
接口，它主要包括如下几个接口类对象：
ofproto 代表了一个 openflow switch 的具体实现，是 ofproto 层的整体结构体；
ofport 代表了一个 openflow switch 的端口，关联一个 netdev 设备；
ofrule 代表了一条 openflow 规则，rule 里面包含一组 actions；
ofgroup 代表了一个 openflow 的行为组合，openflow 1.1+以上版本支持；
3.3.1 ofproto数据结构
3.3.2 ofproto创建流程
其中 rule 和 group 的创建流程不在本节列出
3.3.3 udpif
udpif 接口层采用多个线程处理内核发往用户层的 upcall 请求，入口函数为
udpif_set_threads(),主要处理流程如下
3.4 openflow
OpenFlow 是用于管理交换机流表的协议，ovs-ofctl 则是 OVS 提供的命令行工具。
在没有配置 OpenFlow controller 的模式下，用户可以使用 ovs-ofctl 命令通过
OpenFlow 协议去连接 OVS，创建、修改或删除 OVS 中的流表项，并对 OVS 的运行状况进
行动态监控。
3.4.1 openflow 连接建立
在 bridge_reconfigure()函数中调用 bridge_configure_remotes 进行 openflow 连接
的相关处理，主要创建两个对象：ofconn 作为客户端负责和远端 conntroller 主动建立连
接；ofservice 作为服务器提供被动式的监听服务，主要数据结构及流程如下图：
3.4.2 ofconn 报文处理
入口函数 ofproto_run()，主要调用流程如下：
3.4.3 ofservice 报文处理
3.4.4 flow_mod 消息格式
openflow 协议消息处理入口函数是 handle_openflow()，其中最重要的是 flow_mod 流
表项的处理，flow_mod 流表的报文格式主要有四部分组成：openflow 头部、flow_mod 固
定字段、match 字段和 instruction 字段。
match 分为 OFPMT_STANDARD 和 OFPMT_OXM 两种类型，可以包含多个 oxm，instruction
可以包含多个 action，也可以没有。抓包示例可参考如下：
3.4.5 match 字段处理
match 字段的解析处理入口函数为 ofputil_pull_ofp11_match(),其中的核心处理函数
为 nx_pull_raw(),主要流程是解析出 flow_mod 的 match 字段，和 flow 中的 match 相关参
数做一些合法性检测，最后使用解析出的 value 更新 flow 中的 match。
目前 match 匹配域用的较多的是 OXM 即 TLV 格式，字段解析结构示意图如下：
原文链接：
3.5sflow
采样流 sFlow（Sampled Flow）是一种基于报文采样的网络流量监控技术，主要用于
对网络流量进行统计分析。sFlow 系统包含一个嵌入在设备中的 sFlow Agent 和远端的
sFlow Collector。其中，sFlow Agent 通过 sFlow 采样获取本设备上的接口统计信息和数
据信息，将信息封装成 sFlow 报文，当 sFlow 报文缓冲区满或是在 sFlow 报文缓存时间超
时后，sFlow Agent 会将 sFlow 报文发送到指定的 sFlow Collector。sFlow Collector 对
sFlow 报文进行分析，并显示分析结果，组网图如下：
3.6 ovs-vsctl
ovs-vsctl 根据用户的命令和 ovsdb-server 通信，用于查询和更新数据库配置。而
vswithcd 会在需要重新更新配置的时候和 ovsdb 交互，然后和内核 dp 模块通过 netlink
消息执行真正的操作。本节以添加网桥、端口、vxlan 端口为例分析主要实现流程，其中
ovsctl 进程的主要处理流程如下：
