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技术解析：openstack vlan模式下的隔离和数据流向

企业计算 5 年前
19.50W

一、隔离

计算机网络，是分层实现的，不同协议工作在不同层，按着OSI的分层模型，共有七个层，我们一般所说的隔离，通常指的是第2层，也叫“数据链路层”;数据链路层的网络包，也叫“帧”，我们常说的网卡的MAC地址，就是帧的地址，MAC，其实是“媒体访问控制”(media access control)的简称，这是数据链路层的一个子层。

为什么要在这个二层上做隔离呢?因为二层的帧，其中一些帧的地址是广播地址，在同一个二层的设备都可以、也必须接收这些帧，交换机一般认为工作在二层，对这些广播包，也都要转发，所以二层通常被称为一个“广播域”。

二、VLAN

Openstack Neutorn的实现核心是二层物理网络的抽象与管理，支持多种不同的网络隔离技术，以保障租户tenant之间的网络隔离，而VLAN就是主要使用的隔离方案，它本身就是交换机广泛使用的二层隔离技术;但这种方案也有一定的局限性，首先管理相对麻烦，需要配合设置物理交换机，另外VLAN的可用数量也有限制，VLAN的ID号仅有四千多个，我们假设每个租户分配1个VLAN，那最多也就能支持四千多个租户。

三、虚拟网络设备

图1：vlan模式下计算节点的虚拟网络拓扑结构图

3.1 在vlan网络模式下，计算节点上虚拟网络设备如下：

(1)tapxxx设备

简单的理解为为虚拟机提供的虚拟网卡，就是VM对应的网口的vNIC。虚拟机的网络功能由vNIC提供，Hypervisor可以为每个虚拟机创建一个或多个vNIC。

(2) qbrxxx设备

Linux网桥，简单理解就是为安全组服务，负责安全;因为不能在tap设备上配置network ACL rules，增加该linux bridge来实现iptable的安全组策略。

(3) qvmxxx设备

qvm主要是给从VM出来的包打上vlan tag。

(4) plyxxx设备

Ovs bridge，主要功能是实现过滤非本机MAC的单播报文。

(5) pvixxx和pvoxxx设备

ply是策略网桥，ply与br-int之间由一对path port连接，连接ply的一端为pvi端口，连接br-int的一端为pvo端口。

(6) br-int设备

br-int集成网桥，主要是帧的转发功能。

(7) int-brcps和phy-brcps设备

主要负责将br-int转发的帧中的vlanid转换。

(8) brcps和trunk0设备

br-cps是Ovs bridge ，Trunk0由eth0和eth1组成的bond(active-backup模式)，packets要想进入physical network，还得通过真正的物理网卡trunk0(eth2和eth4)，所以将trunk0桥接到br-1上来打通整个链路。

(9) tapuuu设备

DHCP服务监听端口。

3.2 计算节点上的网络设备信息

3.2.1 Linux bridage信息

  1. Compute153:~ # virsh list
  2. Id   Name                          State
  3. ----------------------------------------------------
  4.  1    instance-00000583             running
  5.  2    instance-000005df             running
  6.  3    instance-00000603             running
  7.  4    instance-00000654             running
  8.  5    instance-0000068f             running
  9.  6    instance-000006d7             running
  10.  7    instance-0000070d             running
  11.  9    instance-00000769             running
  12.  10   instance-0000090d             running
  13.  11   instance-00000a37             running

计算节点Compute153上启动了10个虚拟机。

  1. Compute153
  2. :~
  3. # brctl show
  4. bridge name     bridge id               STP enabled     interfaces
  5. qbr7fc1e7d0-0c          8000.bee6e69f9457       no              qvm7fc1e7d0-0c
  6.                                                        tap7fc1e7d0-0c
  7. qbr931641ad-4b          8000.eaa1a27fffcb       no              qvm931641ad-4b
  8.                                                        tap931641ad-4b
  9. qbr963c4b38-70          8000.7635674ec1fc       no              qvm963c4b38-70
  10.                                                        tap963c4b38-70
  11. qbr9df6f9f9-42          8000.2e1eba67aca5       no              qvm9df6f9f9-42
  12.                                                        tap9df6f9f9-42
  13. qbrb9dd9478-0f          8000.2e954943421c       no              qvmb9dd9478-0f
  14.                                                        tapb9dd9478-0f
  15. qbrc24f2999-b9          8000.427df7c7a333       no              qvmc24f2999-b9
  16.                                                        tapc24f2999-b9
  17. qbrc3833757-af          8000.7e6eb025950b       no              qvmc3833757-af
  18.                                                        tapc3833757-af
  19. qbrc78917be-9c          8000.1a67a8814d03       no              qvmc78917be-9c
  20.                                                        tapc78917b0-9c
  21. qbrd5cbf3b0-ef          8000.f6de8391f526       no              qvmd5cbf3b0-ef
  22.                                                        tapd5cbf3b0-ef
  23. qbrfe79631b-85          8000.c2d425903a69       no              qvmfe79631b-85
  24.                                                        tapfe79631b-85

可以看到有10个qbr，每一个虚拟机的每一张网卡都有对应的qbr。每一个qbr都有对应的 tap和qvm，对应图上的qbr北向与南向接口。

3.2.2 ovs bridage信息

通过ovs-vsctl可以查询主机上已有的 OVS bridge及其中的 port。

  1. Bridge "plyc24f2999-b9"
  2.         Port "qvmc24f2999-b9"
  3.             Interface"qvmc24f2999-b9"
  4.                 type: internal
  5.         Port "plyc24f2999-b9"
  6.             Interface"plyc24f2999-b9"
  7.                 type: internal
  8.         Port "pvic24f2999-b9"
  9.             Interface"pvic24f2999-b9"
  10.                 type: patch
  11.                 options: {peer="pvoc24f2999-b9"}

可以看到ply网桥信息，上面对接qvm，下面对接br-int，ply与br-int之间是一对port接口， pvi与pvo接口。

  1. Bridge br-int
  2.         fail_mode: secure
  3.         Port "pvoc78917be-9c"
  4.             tag: 5
  5.             Interface"pvoc78917be-9c"
  6.                 type: patch
  7.                 options:{peer="pvic78917be-9c"}
  8.         Port "pvob9dd9478-0f"
  9.             tag: 9
  10.             Interface"pvob9dd9478-0f"
  11.                 type: patch
  12.                 options:{peer="pvib9dd9478-0f"}

注意pov端口是有tag的，这是一个内部的tag，主要是为了区分同一虚拟机的不同虚拟网 卡 设备，会将多张网卡依次编号。

  1. Bridge br-int
  2.         fail_mode: secure
  3.         Port "pvoc78917be-9c"
  4.             tag: 5
  5.             Interface"pvoc78917be-9c"
  6.                 type: patch
  7.                 options:{peer="pvic78917be-9c"}
  8.         Port "pvob9dd9478-0f"
  9.             tag: 9
  10.             Interface"pvob9dd9478-0f"
  11.                 type: patch
  12.                 options:{peer="pvib9dd9478-0f"}
  13.         Port br-int
  14.             tag: 4095
  15.             Interface br-int
  16.                 type: internal
  17.         Port int-brcps
  18.             Interface int-brcps
  19.                 type: patch
  20.                 options: {peer=phy-brcps}
  21.         Port "pvo9df6f9f9-42"
  22.             tag: 5
  23.             Interface"pvo9df6f9f9-42"
  24.                 type: patch
  25.                 options:{peer="pvi9df6f9f9-42"}

可以看到br-int网桥上的所有端口信息，向上是pvo口，向下是int-brcps口，是用来连接 brcps网桥。

  1. Bridge br-int
  2.         fail_mode: secure
  3.         Port "pvoc78917be-9c"
  4.             tag: 5
  5.             Interface"pvoc78917be-9c"
  6.                 type: patch
  7.                 options:{peer="pvic78917be-9c"}
  8.         Port int-brcps
  9.             Interface int-brcps
  10.                 type: patch
  11.                 options: {peer=phy-brcps}

int-brcps和phy-brcps接口是br-int与brcps网桥相连的接口，查询br-int是可以找到与之相连的int-brcps，查询brcps网桥可以找到与之相连的phy-brcps接口。

  1. Bridge brcps
  2.         Port external_om
  3.             tag:1405
  4.            Interface external_om
  5.                type: internal
  6.         Port "trunk0"
  7.            Interface "trunk0"
  8.         Port phy-brcps
  9.            Interface phy-brcps
  10.                type: patch
  11.                options: {peer=int-brcps}
  12.         Port external_api
  13.             tag:1400
  14.            Interface external_api
  15.                type: internal
  16.         Port brcps
  17.             tag:0
  18.            Interface brcps
  19.                type: internal
  20.         Port "om-physnet1"
  21.             tag:1089
  22.            Interface "om-physnet1"
  23.                type: internal

管理面网桥brcps上有多个端口，用于与外部通信打通的external_om与external_api端口，带tag;向上的phy-brcps接口;本地接口brcps，以及端口om-physnet1，还有最重要的trunk0，实际的数据物理通信接口。

以上就是vlan模式虚拟机通信需要经过的所有端口，数据流向如下：

1)数据帧从VM出来，经过TAP提供的虚拟网口vNIC，再经过Linux网桥qrb安全验证，走到qvm，会打上一个内部的VLANtag，成为主机节点内部的local id。这个id的作用是区分同一个主机内部的不同VM;

2)继续南下到ply，资料显示作用是过滤掉非本机的MAC，主要作用是为了方便访问同一个主机的其他VM，如果目的源是同一台主机则直接访问，不用br-int转发;

3)继续走到br-int会实现转发到目的帧主机，南下到patch port，port会把帧中间的之前打的内部VLAN ID即local id删除，换成外部的VLAN ID;

4)之后帧走到实际的外部物理交换机网口，发送到目的地。

3.2.2 br-int dump-flows信息

br-int完成从brcps上过来流量(从口int-brcps到达)的vlan tag转换，下面例子可以看到从外部VLAN ID:1013转换为内部VLAN ID:2。

  1. Compute153
  2. :~
  3. # ovs-ofctl dump-flows br-int
  4. NXST_FLOW reply (xid=0x4):
  5.  cookie=0xaf3ffaad56834ff8,duration=8767986.702s, table=0, n_packets=138635866, n_bytes=49130127982,idle_age=0, hard_age=65534, priority=3,in_port=1,dl_vlan=1013actions=mod_vlan_vid:2,NORMAL
  6.  cookie=0xaf3ffaad56834ff8,duration=8759690.249s, table=0, n_packets=902894466, n_bytes=111008267998,idle_age=0, hard_age=65534, priority=3,in_port=1,dl_vlan=1014actions=mod_vlan_vid:3,NORMAL
  7.  cookie=0xaf3ffaad56834ff8,duration=8606291.966s, table=0, n_packets=75523546, n_bytes=7721353259,idle_age=0, hard_age=65534, priority=3,in_port=1,dl_vlan=503actions=mod_vlan_vid:4,NORMAL
  8.  cookie=0xaf3ffaad56834ff8,duration=7943259.828s, table=0, n_packets=27312770, n_bytes=4039091682,idle_age=0, hard_age=65534, priority=3,in_port=1,dl_vlan=1011actions=mod_vlan_vid:5,NORMAL
  9.  cookie=0xaf3ffaad56834ff8,duration=7248098.099s, table=0, n_packets=17132221, n_bytes=1590164809,idle_age=0, hard_age=65534, priority=3,in_port=1,dl_vlan=504actions=mod_vlan_vid:6,NORMAL
  10.  cookie=0xaf3ffaad56834ff8,duration=5730798.970s, table=0, n_packets=35859018, n_bytes=4389953008,idle_age=0, hard_age=65534, priority=3,in_port=1,dl_vlan=1012actions=mod_vlan_vid:7,NORMAL
  11.  cookie=0xaf3ffaad56834ff8,duration=583874.187s, table=0, n_packets=2041814, n_bytes=433205117,idle_age=0, hard_age=65534, priority=3,in_port=1,dl_vlan=1015actions=mod_vlan_vid:8,NORMAL
  12.  cookie=0xaf3ffaad56834ff8,duration=146306.053s, table=0, n_packets=435169, n_bytes=31391505, idle_age=0,hard_age=65534, priority=3,in_port=1,dl_vlan=1016 actions=mod_vlan_vid:9,NORMAL
  13.  cookie=0xaf3ffaad56834ff8,duration=9233017.369s, table=0, n_packets=8966890076, n_bytes=2799828872226,idle_age=0, hard_age=65534, priority=2,in_port=1 actions=drop
  14.  cookie=0xaf3ffaad56834ff8, duration=9233016.732s,table=0, n_packets=1106708092, n_bytes=190560627712, idle_age=0,hard_age=65534, priority=0 actions=NORMAL
  15.  cookie=0xaf3ffaad56834ff8,duration=9233019.667s, table=23, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=65534,hard_age=65534, priority=0 actions=drop
  16.  cookie=0xaf3ffaad56834ff8,duration=9233019.551s, table=24, n_packets=0, n_bytes=0, idle_age=65534,hard_age=65534, priority=0 actions=drop

3.2.3 brcps dump-flows信息

brcps上负责从br-int上过来的流量(从口phy-brcps到达)，实现local vlan到外部vlan的转换，下面例子可以看到从内部VLAN ID:2转换为外部VLAN ID:1013。

  1. Compute153
  2. :~
  3. # ovs-ofctl dump-flows brcps
  4. NXST_FLOW reply (xid=0x4):
  5.  cookie=0xaaf94399aad7707e,duration=8768079.505s, table=0, n_packets=4610859, n_bytes=723908441,idle_age=6, hard_age=65534, priority=4,in_port=5,dl_vlan=2actions=mod_vlan_vid:1013,NORMAL
  6.  cookie=0xaaf94399aad7707e,duration=8759783.046s, table=0, n_packets=1061625441, n_bytes=180117774176,idle_age=0, hard_age=65534, priority=4,in_port=5,dl_vlan=3actions=mod_vlan_vid:1014,NORMAL
  7.  cookie=0xaaf94399aad7707e,duration=8606384.765s, table=0, n_packets=12135266, n_bytes=3806123480,idle_age=32, hard_age=65534, priority=4,in_port=5,dl_vlan=4actions=mod_vlan_vid:503,NORMAL
  8.  cookie=0xaaf94399aad7707e,duration=7943352.621s, table=0, n_packets=8783552, n_bytes=1513703385,idle_age=0, hard_age=65534, priority=4,in_port=5,dl_vlan=5actions=mod_vlan_vid:1011,NORMAL
  9.  cookie=0xaaf94399aad7707e,duration=7248190.902s, table=0, n_packets=2559355, n_bytes=510785011,idle_age=16, hard_age=65534, priority=4,in_port=5,dl_vlan=6actions=mod_vlan_vid:504,NORMAL
  10.  cookie=0xaaf94399aad7707e,duration=5730891.771s, table=0, n_packets=16831749, n_bytes=3864947698,idle_age=0, hard_age=65534, priority=4,in_port=5,dl_vlan=7actions=mod_vlan_vid:1012,NORMAL
  11.  cookie=0xaaf94399aad7707e,duration=583966.979s, table=0, n_packets=169878, n_bytes=24055409, idle_age=29,hard_age=65534, priority=4,in_port=5,dl_vlan=8 actions=mod_vlan_vid:1015,NORMAL
  12.  cookie=0xaaf94399aad7707e,duration=146398.874s, table=0, n_packets=1541, n_bytes=157171, idle_age=132,hard_age=65534, priority=4,in_port=5,dl_vlan=9 actions=mod_vlan_vid:1016,NORMAL
  13.  cookie=0xaaf94399aad7707e,duration=9233110.012s, table=0, n_packets=78, n_bytes=6780, idle_age=65534,hard_age=65534, priority=2,in_port=5 actions=drop
  14.  cookie=0xaaf94399aad7707e,duration=9233111.393s, table=0, n_packets=10761364888, n_bytes=3180091314185,idle_age=0, hard_age=65534, priority=0 actions=

3.2.4 iptables安全组

每一个虚拟机的tap都对应2个chain表(out和in)，dhcp agent到虚拟机的访问策略定义在out表;

  1. Compute153
  2. :~
  3. #  iptables -Lneutron-openvswi-sg-chain
  4. Chain
  5.  neutron-openvswi-sg-chain (
  6. 20
  7.  references)
  8. target     prot opt source               destination
  9. neutron-openvswi-i7fc1e7d0-0 all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-outtap7fc1e7d0-0c --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  10. neutron-openvswi-o7fc1e7d0-0 all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-intap7fc1e7d0-0c --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  11. neutron-openvswi-i931641ad-4 all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-outtap931641ad-4b --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  12. neutron-openvswi-o931641ad-4 all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-intap931641ad-4b --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  13. neutron-openvswi-i963c4b38-7 all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-outtap963c4b38-70 --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  14. neutron-openvswi-o963c4b38-7 all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-intap963c4b38-70 --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  15. neutron-openvswi-i9df6f9f9-4 all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-outtap9df6f9f9-42 --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  16. neutron-openvswi-o9df6f9f9-4 all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-intap9df6f9f9-42 --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  17. neutron-openvswi-ib9dd9478-0 all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-outtapb9dd9478-0f --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  18. neutron-openvswi-ob9dd9478-0 all  --  anywhere            anywhere             PHYSDEV match --physdev-intapb9dd9478-0f --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  19. neutron-openvswi-ic24f2999-b all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-outtapc24f2999-b9 --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  20. neutron-openvswi-oc24f2999-b all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-intapc24f2999-b9 --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  21. neutron-openvswi-ic3833757-a all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-outtapc3833757-af --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  22. neutron-openvswi-oc3833757-a all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-intapc3833757-af --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  23. neutron-openvswi-ic78917be-9  all --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-outtapc78917be-9c --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  24. neutron-openvswi-oc78917be-9  all --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-intapc78917be-9c --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  25. neutron-openvswi-id5cbf3b0-e all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-outtapd5cbf3b0-ef --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  26. neutron-openvswi-od5cbf3b0-e all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-intapd5cbf3b0-ef --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  27. neutron-openvswi-ife79631b-8 all  --  anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-outtapfe79631b-85 --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  28. neutron-openvswi-ofe79631b-8  all  -- anywhere             anywhere             PHYSDEV match --physdev-intapfe79631b-85 --physdev-is-bridged /* Jump to the VM specific chain. */
  29. ACCEPT     all  -- anywhere             anywhere   
  1. Compute153
  2. :~
  3. # iptables -L neutron-openvswi-oc78917be-9
  4. Chain
  5.  neutron-openvswi-oc78917be-
  6. 9
  7.  (
  8. 2
  9.  references)
  10. target     prot opt source               destination
  11. RETURN     udp  -- default             255.255.255.255      udpspt:bootpc dpt:bootps /* Allow DHCP client traffic. */
  12. neutron-openvswi-sc78917be-9 all  --  anywhere             anywhere           
  13. RETURN     udp  -- anywhere             anywhere             udp spt:bootpc dpt:bootps /* AllowDHCP client traffic. */
  14. DROP       udp  -- anywhere             anywhere             udp spt:bootps udp dpt:bootpc /*Prevent DHCP Spoofing by VM. */
  15. RETURN     all  -- anywhere             anywhere             state RELATED,ESTABLISHED /*Direct packets associated with a known session to the RETURN chain. */
  16. RETURN     all  --  anywhere             anywhere           
  17. DROP       all  -- anywhere             anywhere             state INVALID /* Drop packets thatappear related to an existing connection (e.g. TCP ACK/FIN) but do not have anentry in conntrack. */
  18. neutron-openvswi-sg-fallback all  --  anywhere             anywhere             
  19. /*
  20. Send
  21.  unmatched traffic to thefallback chain. */
  1. Compute153
  2. :~
  3. #  iptables -Lneutron-openvswi-ic78917be-9
  4. Chain
  5.  neutron-openvswi-ic78917be-
  6. 9
  7.  (
  8. 1
  9.  references)
  10. target     prot opt source               destination
  11. RETURN     all  -- anywhere             anywhere             state RELATED,ESTABLISHED /*Direct packets associated with a known session to the RETURN chain. */
  12. RETURN     udp --  xxx.xxx.xxx.xxx      anywhere             udp spt:bootps udp dpt:bootpc  ---DHCP
  13. RETURN     udp --  xxx.xxx.xxx.xxx       anywhere             udp spt:bootps udp dpt:bootpc  ---DHCP
  14. RETURN     all  -- anywhere             anywhere           
  15. DROP       all  -- anywhere             anywhere             state INVALID /* Drop packets thatappear related to an existing connection (e.g. TCP ACK/FIN) but do not have anentry in conntrack. */
  16. neutron-openvswi-sg-fallback all  --  anywhere             anywhere             /* Send unmatched traffic to thefallback chain. */

3.3 计算节点的vlan隔离

在vlan模式下，每个 vlan network 都有自己的 bridge，从而也就实现了基于 vlan 的隔离，vlan tag的转换需要在br-int和brcps两个网桥上进行相互配合。br-int负责从int-brcps过来的包(带外部vlan)转换为内部vlan，而brcps负责从phy-brcps过来的包(带内部vlan)转化为外部的vlan。租户的流量隔离也是通过vlan来进行的，因此包括两种vlan，虚拟机在Compute Node内流量带有的local vlan和在Compute Node之外物理网络上隔离不同租户的vlan。物理交换机与eth网卡相连的 port 设置成 trunk 模式，实现同一块物理网卡上面通过多个不同vlan 的数据。

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本文由 Funstec非凡实验室 作者：Albert 发表，转载请注明来源！

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