从Openvswitch代码看网络包的旅程

我们知道，Openvwitch可以创建虚拟交换机，而网络包可以通过虚拟交换机进行转发，并通过流表进行处理，具体的过程如何呢？

一、内核模块Openvswitch.ko的加载

OVS是内核态和用户态配合工作的，所以首先要加载内核态模块Openvswitch.ko。

在datapath/datapath.c中会调用module_init(dp_init);来初始化内核模块。

其中比较重要的是调用了dp_register_genl()，这个就是注册netlink函数，从而用户态进程ovs-vswitchd可以通过netlink调用内核。

这里dp_genl_families由四个netlink的family组成

1. static struct genl_family *dp_genl_families[] = {

2.    &dp_datapath_genl_family,

3.    &dp_vport_genl_family,

4.    &dp_flow_genl_family,

5.    &dp_packet_genl_family,

6. };

可以看出，在内核中，包含对datapath的操作，例如OVS_DP_CMD_NEW，对虚拟端口vport的操作，例如OVS_VPORT_CMD_NEW，对flow流表的操作，例如OVS_FLOW_CMD_NEW，对packet包的操作，例如OVS_PACKET_CMD_EXECUTE。

二、用户态进程ovs-vswitchd的启动

ovs-vswitchd.c的main函数最终会进入一个while循环，在这个无限循环中，里面最重要的两个函数是bridge_run()和netdev_run()。

Openvswitch主要管理两种类型的设备，一个是创建的虚拟网桥，一个是连接到虚拟网桥上的设备。

其中bridge_run就是初始化数据库中已经创建的虚拟网桥。

虚拟网卡的初始化则靠netdev_run()。

bridge_run会调用static void bridge_reconfigure(const struct ovsrec_open_vswitch *ovs_cfg)，其中ovs_cfg是从ovsdb-server里面读取出来的配置。

在这个函数里面，对于每一个网桥，将网卡添加进去。

1. HMAP_FOR_EACH (br, node, &all_bridges) {

2.     bridge_add_ports(br, &br->wanted_ports);

3.     shash_destroy(&br->wanted_ports);

4. }

最终会调用dpif_netlink_port_add__在这个函数里面，会调用netlink的API，命令为OVS_VPORT_CMD_NEW。

三、内核模块监听网卡

ovs-vswitchd启动的时候，将虚拟网卡添加到虚拟交换机上的时候，会调用netlink的OVS_VPORT_CMD_NEW命令，因而会调用函数ovs_vport_cmd_new。

它最终会调用ovs_netdev_link，其中有下面的代码：

1. err = netdev_rx_handler_register(vport->dev, netdev_frame_hook,

2.                 vport);

注册一个方法叫做netdev_frame_hook，每当网卡收到包的时候，就调用这个方法。

四、内核态网络包处理

Openvswitch的内核模块openvswitch.ko会在网卡上注册一个函数netdev_frame_hook，每当有网络包到达网卡的时候，这个函数就会被调用。

1. static struct sk_buff *netdev_frame_hook(struct sk_buff *skb)

2. {

3.    if (unlikely(skb->pkt_type == PACKET_LOOPBACK))

4.       return skb;

6.    port_receive(skb);

7.    return NULL;

8. }

调用port_receive即是调用netdev_port_receive

在这个函数里面，首先声明了变量struct sw_flow_key key;

如果我们看这个key的定义，可见这个key里面是一个大杂烩，数据包里面的几乎任何部分都可以作为key来查找flow表

• tunnel可以作为key

• 在物理层，in_port即包进入的网口的ID

• 在MAC层，源和目的MAC地址

• 在IP层，源和目的IP地址

• 在传输层，源和目的端口号

• IPV6

所以，要在内核态匹配流表，首先需要调用ovs_flow_key_extract，从包的正文中提取key的值。

接下来就是要调用ovs_dp_process_packet了。

这个函数首先在内核里面的流表中查找符合key的flow，也即ovs_flow_tbl_lookup_stats，如果找到了，很好说明用户态的流表已经放入内核，则走fast path就可了。于是直接调用ovs_execute_actions，执行这个key对应的action。

如果不能找到，则只好调用ovs_dp_upcall，让用户态去查找流表。会调用static int queue_userspace_packet(struct datapath *dp, struct sk_buff *skb, const struct sw_flow_key *key, const struct dp_upcall_info *upcall_info)

它会调用err = genlmsg_unicast(ovs_dp_get_net(dp), user_skb, upcall_info->portid);通过netlink将消息发送给用户态。在用户态，有线程监听消息，一旦有消息，则触发udpif_upcall_handler。

Slow Path & Fast Path

 

Slow Path:

当Datapath找不到flow rule对packet进行处理时

Vswitchd使用flow rule对packet进行处理。

Fast Path:

将slow path的flow rule放在内核态，对packet进行处理

Unknown Packet Processing

Datapath使用flow rule对packet进行处理，如果没有，则有vswitchd使用flow rule进行处理

1. 从Device接收Packet交给事先注册的event handler进行处理

2. 接收Packet后识别是否是unknown packet，是则交由upcall处理

3. vswitchd对unknown packet找到flow rule进行处理

4. 将Flow rule发送给datapath

五、用户态处理包

当内核无法查找到流表项的时候，则会通过upcall来调用用户态ovs-vswtichd中的flow table。

会调用ofproto-dpif-upcall.c中的udpif_upcall_handler函数。

(1) 首先读取upcall调用static int upcall_receive(struct upcall *upcall, const struct dpif_backer *backer, const struct dp_packet *packet, enum dpif_upcall_type type, const struct nlattr *userdata, const struct flow *flow, const unsigned int mru, const ovs_u128 *ufid, const unsigned pmd_id)

(2) 其次提取包头调用void flow_extract(struct dp_packet *packet, struct flow *flow)，提取出的flow如下：

1.     /* L2, Order the same as in the Ethernet header! (64-bit aligned) */

2.     struct eth_addr dl_dst; /* Ethernet destination address. */

3.     struct eth_addr dl_src; /* Ethernet source address. */

4.     ovs_be16 dl_type; /* Ethernet frame type. */

5.     ovs_be16 vlan_tci; /* If 802.1Q, TCI | VLAN_CFI; otherwise 0. */

6.     ovs_be32 mpls_lse[ROUND_UP(FLOW_MAX_MPLS_LABELS, 2)]; /* MPLS label stack

7.                                                              (with padding). */

8.     /* L3 (64-bit aligned) */

9.     ovs_be32 nw_src; /* IPv4 source address. */

10.     ovs_be32 nw_dst; /* IPv4 destination address. */

11.     struct in6_addr ipv6_src; /* IPv6 source address. */

12.     struct in6_addr ipv6_dst; /* IPv6 destination address. */

13.     ovs_be32 ipv6_label; /* IPv6 flow label. */

14.     uint8_t nw_frag; /* FLOW_FRAG_* flags. */

15.     uint8_t nw_tos; /* IP ToS (including DSCP and ECN). */

16.     uint8_t nw_ttl; /* IP TTL/Hop Limit. */

17.     uint8_t nw_proto; /* IP protocol or low 8 bits of ARP opcode. */

18.     struct in6_addr nd_target; /* IPv6 neighbor discovery (ND) target. */

19.     struct eth_addr arp_sha; /* ARP/ND source hardware address. */

20.     struct eth_addr arp_tha; /* ARP/ND target hardware address. */

21.     ovs_be16 tcp_flags; /* TCP flags. With L3 to avoid matching L4. */

22.     ovs_be16 pad3; /* Pad to 64 bits. */

24.     /* L4 (64-bit aligned) */

25.     ovs_be16 tp_src; /* TCP/UDP/SCTP source port/ICMP type. */

26.     ovs_be16 tp_dst; /* TCP/UDP/SCTP destination port/ICMP code. */

27.     ovs_be32 igmp_group_ip4; /* IGMP group IPv4 address.

28.                                  * Keep last for BUILD_ASSERT_DECL below. */

(3) 然后调用static int process_upcall(struct udpif *udpif, struct upcall *upcall, struct ofpbuf *odp_actions, struct flow_wildcards *wc)来处理upcall。

对于MISS_UPCALL，调用static void upcall_xlate(struct udpif *udpif, struct upcall *upcall, struct ofpbuf *odp_actions, struct flow_wildcards *wc)

会调用enum xlate_error xlate_actions(struct xlate_in *xin, struct xlate_out *xout)

在这个函数里面，会在flow table里面查找rule

ctx.rule = rule_dpif_lookup_from_table( ctx.xbridge->ofproto, ctx.tables_version, flow, xin->wc, ctx.xin->resubmit_stats, &ctx.table_id, flow->in_port.ofp_port, true, true);

找到rule之后，调用static void do_xlate_actions(const struct ofpact *ofpacts, size_t ofpacts_len, struct xlate_ctx *ctx)在这个函数里面，根据action的不同，修改flow的内容。

(4) 最后调用static void handle_upcalls(struct udpif *udpif, struct upcall *upcalls, size_t n_upcalls)将flow rule添加到内核中的datapath

他会调用void dpif_operate(struct dpif *dpif, struct dpif_op **ops, size_t n_ops)，他会调用dpif->dpif_class->operate(dpif, ops, chunk);

会调用dpif_netlink_operate()

会调用netlink修改内核中datapath的规则。

1. case DPIF_OP_FLOW_PUT:

2.     put = &op->u.flow_put;

3.     dpif_netlink_init_flow_put(dpif, put, &flow);

4.     if (put->stats) {

5.         flow.nlmsg_flags |= NLM_F_ECHO;

6.         aux->txn.reply = &aux->reply;

7.     }

8.     dpif_netlink_flow_to_ofpbuf(&flow, &aux->request);

9.     break;