https://www.ibm.com/developerworks/cn/cloud/library/1401_zhaoyi_openswitch/index.html
Open vSwitch 概述
Open vSwitch(下面简称为 OVS)是由 Nicira Networks 主导的,运行在虚拟化平台(例如 KVM,Xen)上的虚拟交换机。在虚拟化平台上,OVS 可以为动态变化的端点提供 2 层交换功能,很好的控制虚拟网络中的访问策略、网络隔离、流量监控等等。
OVS 遵循 Apache 2.0 许可证, 能同时支持多种标准的管理接口和协议。OVS 也提供了对 OpenFlow 协议的支持,用户可以使用任何支持 OpenFlow 协议的控制器对 OVS 进行远程管理控制。
Open vSwitch 概述
在 OVS 中, 有几个非常重要的概念:
- Bridge: Bridge 代表一个以太网交换机(Switch),一个主机中可以创建一个或者多个 Bridge 设备。
- Port: 端口与物理交换机的端口概念类似,每个 Port 都隶属于一个 Bridge。
- Interface: 连接到 Port 的网络接口设备。在通常情况下,Port 和 Interface 是一对一的关系, 只有在配置 Port 为 bond 模式后,Port 和 Interface 是一对多的关系。
- Controller: OpenFlow 控制器。OVS 可以同时接受一个或者多个 OpenFlow 控制器的管理。
- datapath: 在 OVS 中,datapath 负责执行数据交换,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。
- Flow table: 每个 datapath 都和一个“flow table”关联,当 datapath 接收到数据之后, OVS 会在 flow table 中查找可以匹配的 flow,执行对应的操作, 例如转发数据到另外的端口。
Open vSwitch 实验环境配置
OVS 可以安装在主流的 Linux 操作系统中,用户可以选择直接安装编译好的软件包,或者下载源码进行编译安装。
在我们的实验环境中,使用的操作系统是 64 位 Ubuntu Server 12.04.3 LTS,并通过源码编译的方式安装了 Open vSwitch 1.11.0
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$ lsb_release -a No LSB modules are available. Distributor ID:Ubuntu Description:Ubuntu 12.04.3 LTS Release:12.04 Codename:precise |
OVS 的源码编译安装方式可以参考官方文档 How to Install Open vSwitch on Linux, FreeBSD and NetBSD。
安装完毕后,检查 OVS 的运行情况:
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$ ps -ea | grep ovs 12533 ? 00:00:00 ovs_workq 12549 ? 00:00:04 ovsdb-server 12565 ? 00:00:48 ovs-vswitchd 12566 ? 00:00:00 ovs-vswitchd |
查看 OVS 的版本信息, 我们安装版本的是 1.11.0
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$ ovs-appctl --version ovs-appctl (Open vSwitch) 1.11.0 Compiled Oct 28 2013 14:17:16 |
查看 OVS 支持的 OpenFlow 协议的版本
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$ ovs-ofctl --version ovs-ofctl (Open vSwitch) 1.11.0 Compiled Oct 28 2013 14:17:17 OpenFlow versions 0x1:0x4 |
基于 Open vSwitch 的 OpenFlow 实践
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 控制器的模式下,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。
图 1. OpenFlow 的匹配流程
Flow 语法说明
在 OpenFlow 的白皮书中,Flow 被定义为某个特定的网络流量。例如,一个 TCP 连接就是一个 Flow,或者从某个 IP 地址发出来的数据包,都可以被认为是一个 Flow。支持 OpenFlow 协议的交换机应该包括一个或者多个流表,流表中的条目包含:数据包头的信息、匹配成功后要执行的指令和统计信息。
当数据包进入 OVS 后,会将数据包和流表中的流表项进行匹配,如果发现了匹配的流表项,则执行该流表项中的指令集。相反,如果数据包在流表中没有发现任何匹配,OVS 会通过控制通道把数据包发到 OpenFlow 控制器中。
在 OVS 中,流表项作为 ovs-ofctl 的参数,采用如下的格式:字段=值。如果有多个字段,可以用逗号或者空格分开。一些常用的字段列举如下:
表 1. 流表常用字段
对于 add−flow,add−flows 和 mod−flows 这三个命令,还需要指定要执行的动作:actions=[target][,target...]
一个流规则中可能有多个动作,按照指定的先后顺序执行。
常见的操作有:
- output:port: 输出数据包到指定的端口。port 是指端口的 OpenFlow 端口编号
- mod_vlan_vid: 修改数据包中的 VLAN tag
- strip_vlan: 移除数据包中的 VLAN tag
- mod_dl_src/ mod_dl_dest: 修改源或者目标的 MAC 地址信息
- mod_nw_src/mod_nw_dst: 修改源或者目标的 IPv4 地址信息
- resubmit:port: 替换流表的 in_port 字段,并重新进行匹配
- load:value−>dst[start..end]: 写数据到指定的字段
实践操作 OpenFlow 命令
在本例中, 我们会创建一个不连接到任何控制器的 OVS 交换机,并演示如何使用 ovs-octl 命令操作 OpenFlow 流表。
创建一个新的 OVS 交换机
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$ ovs-vsctl add-br ovs-switch |
创建一个端口 p0,设置端口 p0 的 OpenFlow 端口编号为 100(如果在创建端口的时候没有指定 OpenFlow 端口编号,OVS 会自动生成一个)。
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$ ovs-vsctl add-port ovs-switch p0 -- set Interface p0 ofport_request=100 |
设置网络接口设备的类型为“internal”。对于 internal 类型的的网络接口,OVS 会同时在 Linux 系统中创建一个可以用来收发数据的模拟网络设备。我们可以为这个网络设备配置 IP 地址、进行数据监听等等。
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$ ovs-vsctl set Interface p0 type=internal $ ethtool -i p0 driver: openvswitch version: firmware-version: bus-info: supports-statistics: no supports-test: no supports-eeprom-access: no supports-register-dump: no |
为了避免网络接口上的地址和本机已有网络地址冲突,我们可以创建一个虚拟网络空间 ns0,把 p0 接口移入网络空间 ns0,并配置 IP 地址为 192.168.1.100
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$ ip netns add ns0 $ ip link set p0 netns ns0 $ ip netns exec ns0 ip addr add 192.168.1.100/24 dev p0 $ ip netns exec ns0 ifconfig p0 promisc up |
使用同样的方法创建端口 p1、p2
表 2. 创建的端口信息
创建所有的端口之后, 查看 OVS 交换机的信息
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$ ovs-vsctl show 30282710-d401-4187-8e13-52388f693df7 Bridge ovs-switch Port "p0" Interface "p0" type: internal Port "p2" Interface "p2" type: internal Port "p1" Interface "p1" type: internal Port ovs-switch Interface ovs-switch type: internal |
使用 ovs-ofctl 创建并测试 OpenFlow 命令
- 查看 Open vSwitch 中的端口信息。从输出结果中,可以获得交换机对应的 datapath ID (dpid),以及每个端口的 OpenFlow 端口编号,端口名称,当前状态等等。
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$ ovs-ofctl show ovs-switch
OFPT_FEATURES_REPLY (xid=0x2): dpid:00001232a237ea45
n_tables:254, n_buffers:256
capabilities: FLOW_STATS TABLE_STATS PORT_STATS QUEUE_STATS ARP_MATCH_IP
actions: OUTPUT SET_VLAN_VID SET_VLAN_PCP STRIP_VLAN SET_DL_SRC SET_DL_DST
SET_NW_SRC SET_NW_DST SET_NW_TOS SET_TP_SRC SET_TP_DST ENQUEUE
100(p0): addr:54:01:00:00:00:00
config: PORT_DOWN
state: LINK_DOWN
speed: 0 Mbps now, 0 Mbps max
101(p1): addr:54:01:00:00:00:00
config: PORT_DOWN
state: LINK_DOWN
speed: 0 Mbps now, 0 Mbps max
102(p2): addr:54:01:00:00:00:00
config: PORT_DOWN
state: LINK_DOWN
speed: 0 Mbps now, 0 Mbps max
LOCAL(ovs-switch): addr:12:32:a2:37:ea:45
config: 0
state: 0
speed: 0 Mbps now, 0 Mbps max
OFPT_GET_CONFIG_REPLY (xid=0x4): frags=normal miss_send_len=0
如果想获得网络接口的 OpenFlow 编号,也可以在 OVS 的数据库中查询
12$ ovs-vsctl get Interface p0 ofport
100
查看 datapath 的信息
123456789$ ovs-dpctl show
system@ovs-system:
lookups: hit:12173 missed:712 lost:0
flows: 0
port 0: ovs-system (internal)
port 1: ovs-switch (internal)
port 2: p0 (internal)
port 3: p1 (internal)
port 4: p2 (internal)
- 屏蔽数据包
屏蔽所有进入 OVS 的以太网广播数据包
1$ ovs-ofctl add-flow ovs-switch "table=0, dl_src=01:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00, actions=drop"
屏蔽 STP 协议的广播数据包
1$ ovs-ofctl add-flow ovs-switch "table=0, dl_dst=01:80:c2:00:00:00/ff:ff:ff:ff:ff:f0, actions=drop"
- 修改数据包
添加新的 OpenFlow 条目,修改从端口 p0 收到的数据包的源地址为 9.181.137.1
12$ ovs-ofctl add-flow ovs-switch "priority=1 idle_timeout=0,
in_port=100,actions=mod_nw_src:9.181.137.1,normal"
从端口 p0(192.168.1.100)发送测试数据到端口 p1(192.168.1.101)
1$ ip netns exec ns0 ping 192.168.1.101
在接收端口 p1 监控数据,发现接收到的数据包的来源已经被修改为 9.181.137.1
12345$ ip netns exec ns1 tcpdump -i p1 icmp
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on p1, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 65535 bytes
15:59:16.885770 IP 9.181.137.1 > 192.168.1.101: ICMP echo request, id 23111, seq 457, length 64
15:59:17.893809 IP 9.181.137.1 > 192.168.1.101: ICMP echo request, id 23111, seq 458, length 64
- 重定向数据包
添加新的 OpenFlow 条目,重定向所有的 ICMP 数据包到端口 p2
1$ ovs-ofctl add-flow ovs-switch idle_timeout=0,dl_type=0x0800,nw_proto=1,actions=output:102
从端口 p0 (192.168.1.100)发送数据到端口 p1(192.168.1.101)
1$ ip netns exec ns0 ping 192.168.1.101
在端口 p2 上监控数据,发现数据包已被转发到端口 p2
12345$ ip netns exec ns3 tcpdump -i p2 icmp
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on p2, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 65535 bytes
16:07:35.677770 IP 192.168.1.100 > 192.168.1.101: ICMP echo request, id 23147, seq 25, length 64
16:07:36.685824 IP 192.168.1.100 > 192.168.1.101: ICMP echo request, id 23147, seq 26, length 64
- 修改数据包的 VLAN Tag
除了使用“ping”、“tcpdump”和“iperf” 等 Linux 命令以外,我们也可以使用 OVS 提供的 ovs-appctl ofproto/trace 工具来测试 OVS 对数据包的转发状况。ovs-appctl ofproto/trace 可以用来生成测试用的模拟数据包,并一步步的展示 OVS 对数据包的流处理过程。在以下的例子中,我们演示一下如何使用这个命令:
修改端口 p1 的 VLAN tag 为 101,使端口 p1 成为一个隶属于 VLAN 101 的端口
1$ ovs-vsctl set Port p1 tag=101
现在由于端口 p0 和 p1 属于不同的 VLAN,它们之间无法进行数据交换。我们使用 ovs-appctl ofproto/trace 生成一个从端口 p0 发送到端口 p1 的数据包,这个数据包不包含任何 VLAN tag,并观察 OVS 的处理过程
123456789101112$ ovs-appctl ofproto/trace ovs-switch in_port=100,dl_src=66:4e:cc:ae:4d:20,
dl_dst=46:54:8a:95:dd:f8 -generate
Flow:metadata=0,in_port=100,vlan_tci=0x0000,dl_src=66:4e:cc:ae:4d:20,
dl_dst=46:54:8a:95:dd:f8,dl_type=0x0000
Rule: table=0 cookie=0 priority=0
OpenFlow actions=NORMAL
no learned MAC for destination, flooding
Final flow: unchanged
Relevant fields: skb_priority=0,in_port=100,vlan_tci=0x0000/0x1fff,
dl_src=66:4e:cc:ae:4d:20,dl_dst=46:54:8a:95:dd:f8,dl_type=0x0000,nw_frag=no
Datapath actions: 4,1
在第一行输出中,“Flow:”之后的字段描述了输入的流的信息。由于我们没有指定太多信息,所以多数字段 (例如 dl_type 和 vlan_tci)被 OVS 设置为空值。
在第二行的输出中,“Rule:” 之后的字段描述了匹配成功的流表项。
在第三行的输出中,“OpenFlow actions”之后的字段描述了实际执行的操作。
最后一段以”Final flow”开始的字段是整个处理过程的总结,“Datapath actions: 4,1”代表数据包被发送到 datapath 的 4 和 1 号端口。
创建一条新的 Flow:对于从端口 p0 进入交换机的数据包,如果它不包含任何 VLAN tag,则自动为它添加 VLAN tag 101
12$ ovs-ofctl add-flow ovs-switch "priority=3,in_port=100,dl_vlan=0xffff,
actions=mod_vlan_vid:101,normal"
再次尝试从端口 p0 发送一个不包含任何 VLAN tag 的数据包,发现数据包进入端口 p0 之后, 会被加上 VLAN tag101, 同时转发到端口 p1 上
12345678910111213$ ovs-appctl ofproto/trace ovs-switch in_port=100,dl_src=66:4e:cc:ae:4d:20,
dl_dst=46:54:8a:95:dd:f8 –generate
Flow: metadata=0,in_port=100,vlan_tci=0x0000,dl_src=66:4e:cc:ae:4d:20,
dl_dst=46:54:8a:95:dd:f8,dl_type=0x0000
Rule: table=0 cookie=0 priority=3,in_port=100,vlan_tci=0x0000
OpenFlow actions=mod_vlan_vid:101,NORMAL
forwarding to learned port
Final flow: metadata=0,in_port=100,dl_vlan=101,dl_vlan_pcp=0,dl_src=66:4e:cc:ae:4d:20,
dl_dst=46:54:8a:95:dd:f8,dl_type=0x0000
Relevant fields: skb_priority=0,in_port=100,vlan_tci=0x0000/0x1fff,dl_src=66:4e:cc:ae:4d:20,
dl_dst=46:54:8a:95:dd:f8,dl_type=0x0000,nw_frag=no
Datapath actions: 3
反过来从端口 p1 发送数据包,由于 p1 现在是带有 VLAN tag 101 的 Access 类型的端口,所以数据包进入端口 p1 之后,会被 OVS 添加 VLAN tag 101 并发送到端口 p0
123456789101112$ ovs-appctl ofproto/trace ovs-switch in_port=101,dl_dst=66:4e:cc:ae:4d:20,
dl_src=46:54:8a:95:dd:f8 -generate
Flow: metadata=0,in_port=101,vlan_tci=0x0000,dl_src=46:54:8a:95:dd:f8,
dl_dst=66:4e:cc:ae:4d:20,dl_type=0x0000
Rule: table=0 cookie=0 priority=0
OpenFlow actions=NORMAL
forwarding to learned port
Final flow: unchanged
Relevant fields: skb_priority=0,in_port=101,vlan_tci=0x0000,dl_src=46:54:8a:95:dd:f8,
dl_dst=66:4e:cc:ae:4d:20,dl_type=0x0000,nw_frag=no
Datapath actions: push_vlan(vid=101,pcp=0),2
- 其他 OpenFlow 常用的操作
查看交换机中的所有 Table
1ovs-ofctl dump-tables ovs-switch
查看交换机中的所有流表项
1ovs−ofctl dump−flows ovs-switch
删除编号为 100 的端口上的所有流表项
1ovs-ofctl del-flows ovs-switch "in_port=100"
查看交换机上的端口信息
1ovs-ofctl show ovs-switch
通过 Floodlight 管理 OVS
一方面,OpenFlow 控制器可以通过 OpenFlow 协议连接到任何支持 OpenFlow 的交换机,控制器通过和交换机交换流表规则来控制数据流向。另一方面, OpenFlow 控制器向用户提供的界面或者接口,用户可以通过界面对网络架构进行动态的修改,修改交换机的流表规则等等。Floodlight 是一个基于 Apache 协议,使用 Java 开发的企业级 OpenFlow 控制器。我们在下面的例子中演示如何安装 Floodlight,并连接管理 OVS 的过程。
Floodlight 的安装过程非常简单,在另外一台机器上, 下载 Floodlight 源码并编译
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$ git clone git://github.com/floodlight/floodlight.git $ cd floodlight/ $ ant $ java -jar target/floodlight.jar |
运行 Floodlight
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$ java -jar floodlight.jar |
在安装了 OVS 交换机的节点上,配置 OVS 交换机 ovs-switch,使用 Floodlight 作为控制器。默认情况下,Floodlight 在端口 6633 上进行监听,我们使用 ovs-vsctl 命令配置 OVS 交换机使用 TCP 协议连接到 Floodlight(IP 地址为 9.181.137.182,端口号 6633)。对于一个 OVS 交换机来说,可以同时配置一个或者多个控制器
$ ovs-vsctl set-controller ovs-switch tcp:9.181.137.182:6633
当 OVS 交换机连接到 Floodlight 控制器后,理论上所有的流表规则应该交给控制器来建立。由于 OVS 交换机和控制器之间是通过网络通讯来传递数据的,所以网络连接失败会影响到 Flow 的建立。针对这种情况,OVS 提供了两种处理模式:
- standlone: 默认模式。如果 OVS 交换机超过三次无法正常连接到 OpenFlow 控制器,OVS 交换机自己会负责建立流表。在这种模式下,OVS 和常见的 L2 交换机相似。与此同时,OVS 也会继续尝试连接控制器,一旦网络连接恢复,OVS 会再次切换到使用控制器进行流表管理。
- secure: 在 secure 模式下,如果 OVS 无法正常连接到 OpenFlow 控制器,OVS 会不停的尝试与控制器重新建立连接,而不会自己负责建立流表。
设置 OVS 的连接模式为 secure 模式
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$ ovs-vsctl set Bridge ovs-switch fail-mode=secure |
查看 OVS 的状态,“is_connected:true”代表 OVS 已经成功连接到了 Floodlight
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$ ovs-vsctl show 30282710-d401-4187-8e13-52388f693df7 Bridge ovs-switch Controller "tcp:9.181.137.182:6633" is_connected: true Port ovs-switch Interface ovs-switch type: internal Port "p0" Interface "p0" type: internal Port "p1" tag: 101 Interface "p1" type: internal Port "p2" Interface "p2" type: internal |
通过访问 Floodlight 提供的 Web 管理界面 http://<Host Address>:8080/ui/index.html,我们可以查看 Floodlight 控制器的状态以及所有连接到 Floodlight 的交换机列表
图 2. Floodlight 主界面
选中某个 OpenFlow 交换机, 查看其中的端口列表和流表信息
图 3. 查看 OpenFlow 交换机的详细信息
通过 Floodlight 的 RESTAPI,添加两条新的规则让端口 p0 和 p1 可以相互通讯。注意:替换命令行中的 switch 的 ID 为交换机的 datapath ID
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curl -d '{"switch": "00:00:0e:f9:05:6b:7c:44", "name":"my-flow1", "cookie":"0","priority":"32768", "ingress-port":"100","active":"true", "actions":"output=flood"}' http://9.181.137.182:8080/wm/staticflowentrypusher/json curl -d '{"switch": "00:00:0e:f9:05:6b:7c:44", "name":"my-flow2", "cookie":"0","priority":"32768", "ingress-port":"101","active":"true", "actions":"output=flood"}' http://9.181.137.182:8080/wm/staticflowentrypusher/json |
验证是否能从端口 p0 发送数据包到 p1
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$ ip netns exec ns0 ping -c4 192.168.1.101 PING 192.168.1.101 (192.168.1.101) 56(84) bytes of data. 64 bytes from 192.168.1.101: icmp_req=1 ttl=64 time=0.027 ms 64 bytes from 192.168.1.101: icmp_req=2 ttl=64 time=0.018 ms 64 bytes from 192.168.1.101: icmp_req=3 ttl=64 time=0.023 ms 64 bytes from 192.168.1.101: icmp_req=4 ttl=64 time=0.022 ms --- 192.168.1.101 ping statistics --- 4 packets transmitted, 4 received, 0% packet loss, time 2998ms rtt min/avg/max/mdev = 0.018/0.022/0.027/0.005 ms |
在 OVS 端也可以看到,流表规则已经被 OVS 同步到本地。
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$ ovs-ofctl dump-flows ovs-switch NXST_FLOW reply (xid=0x4): cookie=0xa0000000000000, duration=335.122s, table=0, n_packets=347, n_bytes=28070, idle_age=1, in_port=100 actions=FLOOD cookie=0xa0000000000000, duration=239.892s, table=0, n_packets=252, n_bytes=24080, idle_age=0, in_port=101 actions=FLOOD |
通过 Floodlight 的 RestAPI,查看交换机上的流表规则
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curl http://9.181.137.182:8080/wm/staticflowentrypusher/list/00:00:0e:f9:05:6b:7c:44/json |
通过 Floodlight 的 RestAPI,删除交换机上的流表规则
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curl http://9.181.137.182:8080/wm/staticflowentrypusher/clear/00:00:0e:f9:05:6b:7c:44/json |
总结
通过本文的讲述和实验,我们了解了 Open vSwitch 以及 OpenFlow 的基本概念,以及通过 OpenFlow 协议修改 Open vSwitch 中的流表项,最后演示了如何使用 Floodlight 连接 Open vSwitch 并进行管理。
相关主题
- 参考 Open vSwitch 项目主页,查看 Open vSwitch 的最新信息以及下载源码。
- 查看文章 “Open vSwitch Advanced Features Tutorial”,了解更多的 Open vSwitch 使用技巧。
- Floodlight 是 Floodlight 项目的主页,里面详细介绍了 Floodlight 的最新信息以及开发使用的 RestAPI。
- OpenFlow 是 OpenFlow 协议的主页,里面提供了 OpenFlow 协议的白皮书以及 OpenFlow 交换机的实现规范。
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