深入理解 Neutron -- OpenStack 网络实现（3）：VXLAN 模式

问题导读
1.VXLAN 模式下，网络的架构跟 GRE 模式类似，他们的不同点在什么地方？
2.网络节点的作用是什么？
3.tap-xxx、qr-xxx是指什么？

接上篇：深入理解 Neutron -- OpenStack 网络实现（2）：VLAN 模式

VXLAN 模式下，网络的架构跟 GRE 模式类似，所不同的是，不同节点之间通过 VXLAN 隧道互通，即虚拟化层是采用的 VXLAN 协议。

基本结构如下图所示。

<ignore_js_op>

其中，节点网络配置如下所示，注意数据网络接口需要 IP 地址，因为是隧道协议需要底下的三层转发支持。

控制节点

eth0: 9.186.100.77/24 作为管理网络（同时也是公共网络）。
eth1: 10.0.100.77/24 作为数据网络接口。

计算节点

eth0: 9.186.100.88/24 作为管理网络（同时也是公共网络）。
eth1: 10.0.100.88/24 作为数据网络接口。

计算节点

计算节点上运行着虚拟机。如果不启用 DVR 特性，则所有的网络相关的服务，都在网络节点上进行。即计算节点上的网络只需要实现二层转发即可。

br-int

集成网桥 br-int 规则比较简单，作为一个正常的二层交换机使用。无论下面虚拟化层是哪种技术实现，集成网桥是看不到的，只知道根据 vlan 和 mac 进行转发。

所连接接口除了从安全网桥过来的 qvo-xxx（每个虚拟机会有一个），就是一个往外的 patch-tun 接口，连接到 br-tun 网桥。

其中，qvo-xxx 接口上会为每个网络分配一个内部 vlan 号，比如这里是同一个网络启动了两台虚机，所以 tag 都为 1。

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01
Bridge br-int

02
       fail_mode: secure

03
       Port br-int

04
           Interface br-int

05
               type: internal

06
       Port "qvoc4493802-43"

07
           tag: 1

08
           Interface "qvoc4493802-43"

09
       Port patch-tun

10
           Interface patch-tun

11
               type: patch

12
               options: {peer=patch-int}

13
       Port "qvof47c62b0-db"

14
           tag: 1

15
           Interface "qvof47c62b0-db"

转发规则表 0 中是对所有包进行 NORMAL，表 23 中是所有包直接丢弃（是否后面将安全组规则在这里实现？）。

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01
$ sudo ovs-ofctl dump-flows br-int

02
NXST_FLOW reply (xid=0x4):

03
 cookie=0x0, duration=52889.682s, table=0, n_packets=161, n_bytes=39290, idle_age=13, priority=1 actions=NORMAL

04
 cookie=0x0, duration=52889.451s, table=23, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=52889, priority=0 actions=drop

br-tun

br-tun 作为虚拟化层网桥，规则就要复杂一些。要将内部过来的网包进行合理甄别，内部带着正确 vlan tag 过来的，从正确的 tunnel 扔出去；外面带着正确 tunnel 号过来的，要改到对应的内部 vlan tag 扔到里面。

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01
Bridge br-tun

02
        fail_mode: secure

03
        Port "vxlan-0a00644d"

04
            Interface "vxlan-0a00644d"

05
                type: vxlan

06
                options: {df_default="true", in_key=flow, local_ip="10.0.100.88", out_key=flow, remote_ip="10.0.100.77"}

07
        Port patch-int

08
            Interface patch-int

09
                type: patch

10
                options: {peer=patch-tun}

11
        Port br-tun

12
            Interface br-tun

13
                type: internal

其中，端口 br-tun 是内部端口，vxlan-0a00644d 这样的端口是向其它节点发包时候的 VXLAN 隧道端点，patch-int 端口通过一条管道连接到 br-int 上的 patch-tun 端口。

正常情况下，虚拟机的流量经过 br-int 转发，经过 patch-tun 端口，抵达 patch-int 端口，从而到达 br-tun 网桥，该网桥根据自身规则将合适的网包经过 VXLAN 隧道送出去。

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01
$ sudo ovs-ofctl dump-flows br-tun

02
NXST_FLOW reply (xid=0x4):

03
 cookie=0x0, duration=329.194s, table=0, n_packets=31, n_bytes=2906, idle_age=29, priority=1,in_port=1 actions=resubmit(,2)

04
 cookie=0x0, duration=325.847s, table=0, n_packets=14, n_bytes=1591, idle_age=33, priority=1,in_port=2 actions=resubmit(,4)

05
 cookie=0x0, duration=328.954s, table=0, n_packets=6, n_bytes=480, idle_age=321, priority=0 actions=drop

06
 cookie=0x0, duration=328.712s, table=2, n_packets=9, n_bytes=694, idle_age=33, priority=0,dl_dst=00:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=resubmit(,20)

07
 cookie=0x0, duration=328.465s, table=2, n_packets=22, n_bytes=2212, idle_age=29, priority=0,dl_dst=01:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=resubmit(,22)

08
 cookie=0x0, duration=328.223s, table=3, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=328, priority=0 actions=drop

09
 cookie=0x0, duration=50.703s, table=4, n_packets=12, n_bytes=1451, idle_age=33, priority=1,tun_id=0x3e9 actions=mod_vlan_vid:1,resubmit(,10)

10
 cookie=0x0, duration=327.979s, table=4, n_packets=2, n_bytes=140, idle_age=94, priority=0 actions=drop

11
 cookie=0x0, duration=327.742s, table=10, n_packets=12, n_bytes=1451, idle_age=33, priority=1 actions=learn(table=20,hard_timeout=300,priority=1,NXM_OF_VLAN_TCI[0..11],NXM_OF_ETH_DST[]=NXM_OF_ETH_SRC[],load:0->NXM_OF_VLAN_TCI[],load:NXM_NX_TUN_ID[]->NXM_NX_TUN_ID[],output:NXM_OF_IN_PORT[]),output:1

12
 cookie=0x0, duration=38.551s, table=20, n_packets=9, n_bytes=694, hard_timeout=300, idle_age=33, hard_age=33, priority=1,vlan_tci=0x0001/0x0fff,dl_dst=fa:16:3e:83:95:fa actions=load:0->NXM_OF_VLAN_TCI[],load:0x3e9->NXM_NX_TUN_ID[],output:2

13
 cookie=0x0, duration=327.504s, table=20, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=327, priority=0 actions=resubmit(,22)

14
 cookie=0x0, duration=50.94s, table=22, n_packets=11, n_bytes=1334, idle_age=29, dl_vlan=1 actions=strip_vlan,set_tunnel:0x3e9,output:2

15
 cookie=0x0, duration=327.261s, table=22, n_packets=10, n_bytes=808, idle_age=51, priority=0 actions=drop

这些规则组成如下图所示的转发逻辑。

<ignore_js_op>

表 0

先看 table0 中的规则

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01
cookie=0x0, duration=329.194s, table=0, n_packets=31, n_bytes=2906, idle_age=29, priority=1,in_port=1 actions=resubmit(,2)

02
 cookie=0x0, duration=325.847s, table=0, n_packets=14, n_bytes=1591, idle_age=33, priority=1,in_port=2 actions=resubmit(,4)

03
 cookie=0x0, duration=328.954s, table=0, n_packets=6, n_bytes=480, idle_age=321, priority=0 actions=drop

从 1 端口（patch-int）进来的网包，扔给表 2 处理，从 2 端口（vxlan-0a00644d）进来的网包，扔给表 4 处理。即一个处理来自内部 vm 的，一个处理来自外面的 vxlan 隧道的。

表 2

对于内部包，表 2 中规则为

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01
cookie=0x0, duration=53316.397s, table=2, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=53316, priority=0,dl_dst=00:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=resubmit(,20)

02
cookie=0x0, duration=53316.162s, table=2, n_packets=161, n_bytes=39562, idle_age=422, priority=0,dl_dst=01:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=resubmit(,22)

即里面过来的单播包，扔给表 20 处理；多播和广播包，扔给表 22 处理。

表 3

丢弃所有包。

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01
cookie=0x0, duration=328.223s, table=3, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=328, priority=0 actions=drop

表 4

对于外部来的数据，表 4 中规则为

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01
cookie=0x0, duration=50.703s, table=4, n_packets=12, n_bytes=1451, idle_age=33, priority=1,tun_id=0x3e9 actions=mod_vlan_vid:1,resubmit(,10)

02
 cookie=0x0, duration=327.979s, table=4, n_packets=2, n_bytes=140, idle_age=94, priority=0 actions=drop

匹配给定的 tunnel 号，添加对应的 vlan 号，扔给表 10 去学习一下后扔到 br-int 网桥。

表 10

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01
cookie=0x0, duration=327.742s, table=10, n_packets=12, n_bytes=1451, idle_age=33, priority=1 actions=learn(table=20,hard_timeout=300,priority=1,NXM_OF_VLAN_TCI[0..11],NXM_OF_ETH_DST[]=NXM_OF_ETH_SRC[],load:0->NXM_OF_VLAN_TCI[],load:NXM_NX_TUN_ID[]->NXM_NX_TUN_ID[],output:NXM_OF_IN_PORT[]),output:1

主要作用是学习外部（从 tunnel）进来的包，往表 20 中添加对返程包的正常转发规则，并且从 patch-int 扔给 br-int。

使用了 openvswitch 的 learn 动作。该动作能根据处理的流来动态修改其它表中的规则。

具体来看 learn 规则。

table=20 说明是修改表 20 中的规则，后面是添加的规则内容；
NXM_OF_VLAN_TCI[0..11]，匹配跟当前流同样的 VLAN 头，其中 NXM 是 Nicira Extensible Match 的缩写；
NXM_OF_ETH_DST[]=NXM_OF_ETH_SRC[]，包的目的 mac 跟当前流的源 mac 匹配；
load:0->NXM_OF_VLAN_TCI[]，将 vlan 号改为 0；
load:NXM_NX_TUN_ID[]->NXM_NX_TUN_ID[]，将 tunnel 号修改为当前的 tunnel 号；
output:NXM_OF_IN_PORT[]，从当前入口发出。

表 20

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01
cookie=0x0, duration=38.551s, table=20, n_packets=9, n_bytes=694, hard_timeout=300, idle_age=33, hard_age=33, priority=1,vlan_tci=0x0001/0x0fff,dl_dst=fa:16:3e:83:95:fa actions=load:0->NXM_OF_VLAN_TCI[],load:0x3e9->NXM_NX_TUN_ID[],output:2

02
cookie=0x0, duration=327.504s, table=20, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=327, priority=0 actions=resubmit(,22)

其中，第一条规则就是表 10 学习来的结果。对于 vlan 号为 1，目标 mac 是 fa:16:3e:83:95:fa（之前，我们从虚拟机内 ping 10.0.0.1，这个 mac 作为源 mac 从 tunnel 来过）的网包，去掉 vlan 号，添加当时的 vxlan 号，并从 tunnel 发出。

对于没学习到规则的网包，则扔给表 22 处理。

表 22

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01
cookie=0x0, duration=50.94s, table=22, n_packets=11, n_bytes=1334, idle_age=29, dl_vlan=1 actions=strip_vlan,set_tunnel:0x3e9,output:2

02
cookie=0x0, duration=327.261s, table=22, n_packets=10, n_bytes=808, idle_age=51, priority=0 actions=drop

表 22 检查如果 vlan 号正确，则去掉 vlan 头后从 tunnel 扔出去。

网络节点

网络节点担负着进行网络服务的任务，包括DHCP、路由和高级网络服务等。一般包括三个网桥：br-tun、br-int 和 br-ex。

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01
$ sudo ovs-vsctl show

02
49761e8e-031f-4a60-b838-28bb82aac7b7

03
    Bridge br-int

04
        fail_mode: secure

05
        Port br-int

06
            Interface br-int

07
                type: internal

08
        Port "qr-694450d6-f6"

09
            tag: 1

10
            Interface "qr-694450d6-f6"

11
                type: internal

12
        Port "tap13685e28-b0"

13
            tag: 1

14
            Interface "tap13685e28-b0"

15
                type: internal

16
        Port patch-tun

17
            Interface patch-tun

18
                type: patch

19
                options: {peer=patch-int}

20
    Bridge br-ex

21
        Port br-ex

22
            Interface br-ex

23
                type: internal

24
        Port "qg-e76de35e-90"

25
            Interface "qg-e76de35e-90"

26
                type: internal

27
    Bridge br-tun

28
        fail_mode: secure

29
        Port br-tun

30
            Interface br-tun

31
                type: internal

32
        Port "vxlan-0a006458"

33
            Interface "vxlan-0a006458"

34
                type: vxlan

35
                options: {df_default="true", in_key=flow, local_ip="10.0.100.77", out_key=flow, remote_ip="10.0.100.88"}

36
        Port patch-int

37
            Interface patch-int

38
                type: patch

39
                options: {peer=patch-tun}

40
    ovs_version: "2.0.2"

br-tun

跟计算节点类似，br-tun 作为虚拟化层网桥。要将内部过来的网包进行合理甄别，内部带着正确 vlan tag 过来的，从正确的 tunnel 扔出去；外面带着正确 tunnel 号过来的，要改到对应的内部 vlan tag 扔到里面。

包括两个接口，跟其它接点形成 tunnel 的 vxlan-xxx 端口，以及跟 br-int 互连的 patch-int 端口。

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01
Bridge br-tun

02
        fail_mode: secure

03
        Port br-tun

04
            Interface br-tun

05
                type: internal

06
        Port "vxlan-0a006458"

07
            Interface "vxlan-0a006458"

08
                type: vxlan

09
                options: {df_default="true", in_key=flow, local_ip="10.0.100.77", out_key=flow, remote_ip="10.0.100.88"}

10
        Port patch-int

11
            Interface patch-int

12
                type: patch

13
                options: {peer=patch-tun}

查看 br-tun 上的转发规则。

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01
$ sudo ovs-ofctl dump-flows br-tun

02
NXST_FLOW reply (xid=0x4):

03
 cookie=0x0, duration=422.153s, table=0, n_packets=1073, n_bytes=107845, idle_age=96, priority=1,in_port=1 actions=resubmit(,2)

04
 cookie=0x0, duration=185.009s, table=0, n_packets=1076, n_bytes=102922, idle_age=96, priority=1,in_port=2 actions=resubmit(,4)

05
 cookie=0x0, duration=421.853s, table=0, n_packets=6, n_bytes=480, idle_age=62414, priority=0 actions=drop

06
 cookie=0x0, duration=421.552s, table=2, n_packets=1047, n_bytes=105725, idle_age=96, priority=0,dl_dst=00:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=resubmit(,20)

07
 cookie=0x0, duration=421.252s, table=2, n_packets=26, n_bytes=2120, idle_age=61953, priority=0,dl_dst=01:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=resubmit(,22)

08
 cookie=0x0, duration=420.939s, table=3, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=62420, priority=0 actions=drop

09
 cookie=0x0, duration=394.249s, table=4, n_packets=1076, n_bytes=102922, idle_age=96, priority=1,tun_id=0x3e9 actions=mod_vlan_vid:1,resubmit(,10)

10
 cookie=0x0, duration=420.628s, table=4, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=62420, priority=0 actions=drop

11
 cookie=0x0, duration=420.304s, table=10, n_packets=1076, n_bytes=102922, idle_age=96, priority=1 actions=learn(table=20,hard_timeout=300,priority=1,NXM_OF_VLAN_TCI[0..11],NXM_OF_ETH_DST[]=NXM_OF_ETH_SRC[],load:0->NXM_OF_VLAN_TCI[],load:NXM_NX_TUN_ID[]->NXM_NX_TUN_ID[],output:NXM_OF_IN_PORT[]),output:1

12
 cookie=0x0, duration=1314.149s, table=20, n_packets=1006, n_bytes=101338, hard_timeout=300, idle_age=96, hard_age=95, priority=1,vlan_tci=0x0001/0x0fff,dl_dst=fa:16:3e:52:7a:f2 actions=load:0->NXM_OF_VLAN_TCI[],load:0x3e9->NXM_NX_TUN_ID[],output:2

13
 cookie=0x0, duration=419.977s, table=20, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=62419, priority=0 actions=resubmit(,22)

14
 cookie=0x0, duration=184.683s, table=22, n_packets=3, n_bytes=230, idle_age=61953, dl_vlan=1 actions=strip_vlan,set_tunnel:0x3e9,output:2

15
 cookie=0x0, duration=419.668s, table=22, n_packets=23, n_bytes=1890, idle_age=61961, priority=0 actions=drop

这些规则跟计算节点上的 br-tun 网桥规则类似，组成如下图所示的转发逻辑。

<ignore_js_op>

表 0

先看 table0 中的规则

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01
cookie=0x0, duration=422.153s, table=0, n_packets=1073, n_bytes=107845, idle_age=96, priority=1,in_port=1 actions=resubmit(,2)

02
cookie=0x0, duration=185.009s, table=0, n_packets=1076, n_bytes=102922, idle_age=96, priority=1,in_port=2 actions=resubmit(,4)

03
cookie=0x0, duration=421.853s, table=0, n_packets=6, n_bytes=480, idle_age=62414, priority=0 actions=drop

从 1 端口（patch-int）进来的网包，扔给表 2 处理，从 2 端口（vxlan-0a00644d）进来的网包，扔给表 4 处理。即一个处理来自内部 br-int 的（这上面挂载着所有的网络服务，包括路由、DHCP 等），一个处理来自外面的 VXLAN 隧道的。

表 2

对于内部包，表 2 中规则为

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01
cookie=0x0, duration=421.552s, table=2, n_packets=1047, n_bytes=105725, idle_age=96, priority=0,dl_dst=00:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=resubmit(,20)

02
cookie=0x0, duration=421.252s, table=2, n_packets=26, n_bytes=2120, idle_age=61953, priority=0,dl_dst=01:00:00:00:00:00/01:00:00:00:00:00 actions=resubmit(,22)

即里面过来的单播包，扔给表 20 处理；多播和广播包，扔给表 22 处理。

表 3

丢弃所有包。

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01
cookie=0x0, duration=420.939s, table=3, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=62420, priority=0 actions=drop

表 4

对于外部来的数据，表 4 中规则为

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01
cookie=0x0, duration=394.249s, table=4, n_packets=1076, n_bytes=102922, idle_age=96, priority=1,tun_id=0x3e9 actions=mod_vlan_vid:1,resubmit(,10)

02
cookie=0x0, duration=420.628s, table=4, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=62420, priority=0 actions=drop

匹配给定的 tunnel 号，添加对应的 vlan 号，扔给表 10 去学习一下后扔到 br-int 网桥。

表 10

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01
cookie=0x0, duration=420.304s, table=10, n_packets=1076, n_bytes=102922, idle_age=96, priority=1 actions=learn(table=20,hard_timeout=300,priority=1,NXM_OF_VLAN_TCI[0..11],NXM_OF_ETH_DST[]=NXM_OF_ETH_SRC[],load:0->NXM_OF_VLAN_TCI[],load:NXM_NX_TUN_ID[]->NXM_NX_TUN_ID[],output:NXM_OF_IN_PORT[]),output:1

主要作用是学习外部（从 tunnel）进来的包，往表 20 中添加对返程包的正常转发规则，并且从 patch-int 扔给 br-int。

使用了 openvswitch 的 learn 动作。该动作能根据处理的流来动态修改其它表中的规则。

具体来看 learn 规则。

table=20 说明是修改表 20 中的规则，后面是添加的规则内容；
NXM_OF_VLAN_TCI[0..11]，匹配跟当前流同样的 VLAN 头，其中 NXM 是 Nicira Extensible Match 的缩写；
NXM_OF_ETH_DST[]=NXM_OF_ETH_SRC[]，包的目的 mac 跟当前流的源 mac 匹配；
load:0->NXM_OF_VLAN_TCI[]，将 vlan 号改为 0；
load:NXM_NX_TUN_ID[]->NXM_NX_TUN_ID[]，将 tunnel 号修改为当前的 tunnel 号；
output:NXM_OF_IN_PORT[]，从当前入口发出。

表 20

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01
cookie=0x0, duration=1314.149s, table=20, n_packets=1006, n_bytes=101338, hard_timeout=300, idle_age=96, hard_age=95, priority=1,vlan_tci=0x0001/0x0fff,dl_dst=fa:16:3e:52:7a:f2 actions=load:0->NXM_OF_VLAN_TCI[],load:0x3e9->NXM_NX_TUN_ID[],output:2

02
 cookie=0x0, duration=419.977s, table=20, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=62419, priority=0 actions=resubmit(,22)

对于没学习到规则的网包，则扔给表 22 处理。

表 22

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01
cookie=0x0, duration=184.683s, table=22, n_packets=3, n_bytes=230, idle_age=61953, dl_vlan=1 actions=strip_vlan,set_tunnel:0x3e9,output:2

02
cookie=0x0, duration=419.668s, table=22, n_packets=23, n_bytes=1890, idle_age=61961, priority=0 actions=drop

表 22 检查如果 vlan 号正确，则去掉 vlan 头后从 tunnel 扔出去。

br-int

所连接接口包括：

tap-xxx，连接到网络 DHCP 服务的命名空间；
qr-xxx，连接到路由服务的命名空间；
往外的 patch-tun 接口，连接到 br-tun 网桥。

其中网络服务接口上会绑定内部 vlan 号，每个号对应一个网络。

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01
Bridge br-int

02
        fail_mode: secure

03
        Port br-int

04
            Interface br-int

05
                type: internal

06
        Port "qr-694450d6-f6"

07
            tag: 1

08
            Interface "qr-694450d6-f6"

09
                type: internal

10
        Port "tap13685e28-b0"

11
            tag: 1

12
            Interface "tap13685e28-b0"

13
                type: internal

14
        Port patch-tun

15
            Interface patch-tun

16
                type: patch

17
                options: {peer=patch-int}

转发规则表 0 中是对所有包进行 NORMAL，表 23 中是所有包直接丢弃（是否后面将安全组规则在这里实现？）。

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01
$ sudo ovs-ofctl dump-flows br-int

02
NXST_FLOW reply (xid=0x4):

03
 cookie=0x0, duration=52889.682s, table=0, n_packets=161, n_bytes=39290, idle_age=13, priority=1 actions=NORMAL

04
 cookie=0x0, duration=52889.451s, table=23, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=52889, priority=0 actions=drop

br-ex

核心接口有两个。

一个是挂载的物理接口上，如 eth0，网包将从这个接口发送到外部网络上。

另外一个是 qg-xxx 这样的接口，是连接到 router 服务的网络名字空间中，里面绑定一个路由器的外部 IP，作为 nAT 时候的地址，另外，网络中的 floating IP 也放在这个网络名字空间中。

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01
Bridge br-ex

02
        Port "eth0"

03
            Interface "eth0"

04
        Port br-ex

05
            Interface br-ex

06
                type: internal

07
        Port "qg-e76de35e-90"

08
            Interface "qg-e76de35e-90"

09
                type: internal

网桥的规则也很简单，作为一个正常的二层转发设备即可。

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01
$ sudo ovs-ofctl dump-flows br-ex

02
NXST_FLOW reply (xid=0x4):

03
 cookie=0x0, duration=75072.257s, table=0, n_packets=352212, n_bytes=85641148, idle_age=0, hard_age=65534, priority=0 actions=NORMAL

原文 http://www.aboutyun.com/thread-13027-1-1.html