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从Openvswitch代码看网络包的旅程

叁叁肆2018-11-12 18:56

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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

static struct genl_family *dp_genl_families[] = {
&dp_datapath_genl_family,
&dp_vport_genl_family,
&dp_flow_genl_family,
&dp_packet_genl_family,
};

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。

HMAP_FOR_EACH (br, node, &all_bridges) {
bridge_add_ports(br, &br->wanted_ports);
shash_destroy(&br->wanted_ports);
}

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:

err = netdev_rx_handler_register(vport->dev, netdev_frame_hook,
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。

static struct sk_buff *netdev_frame_hook(struct sk_buff *skb)
{
if (unlikely(skb->pkt_type == PACKET_LOOPBACK))
return skb;

port_receive(skb);
return NULL;
}


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:

/* L2, Order the same as in the Ethernet header! (64-bit aligned) */
struct eth_addr dl_dst; /* Ethernet destination address. */
struct eth_addr dl_src; /* Ethernet source address. */
ovs_be16 dl_type; /* Ethernet frame type. */
ovs_be16 vlan_tci; /* If 802.1Q, TCI | VLAN_CFI; otherwise 0. */
ovs_be32 mpls_lse[ROUND_UP(FLOW_MAX_MPLS_LABELS, 2)]; /* MPLS label stack
(with padding). */
/* L3 (64-bit aligned) */
ovs_be32 nw_src; /* IPv4 source address. */
ovs_be32 nw_dst; /* IPv4 destination address. */
struct in6_addr ipv6_src; /* IPv6 source address. */
struct in6_addr ipv6_dst; /* IPv6 destination address. */
ovs_be32 ipv6_label; /* IPv6 flow label. */
uint8_t nw_frag; /* FLOW_FRAG_* flags. */
uint8_t nw_tos; /* IP ToS (including DSCP and ECN). */
uint8_t nw_ttl; /* IP TTL/Hop Limit. */
uint8_t nw_proto; /* IP protocol or low 8 bits of ARP opcode. */
struct in6_addr nd_target; /* IPv6 neighbor discovery (ND) target. */
struct eth_addr arp_sha; /* ARP/ND source hardware address. */
struct eth_addr arp_tha; /* ARP/ND target hardware address. */
ovs_be16 tcp_flags; /* TCP flags. With L3 to avoid matching L4. */
ovs_be16 pad3; /* Pad to 64 bits. */

/* L4 (64-bit aligned) */
ovs_be16 tp_src; /* TCP/UDP/SCTP source port/ICMP type. */
ovs_be16 tp_dst; /* TCP/UDP/SCTP destination port/ICMP code. */
ovs_be32 igmp_group_ip4; /* IGMP group IPv4 address.
* 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。

case DPIF_OP_FLOW_PUT:
put = &op->u.flow_put;
dpif_netlink_init_flow_put(dpif, put, &flow);
if (put->stats) {
flow.nlmsg_flags |= NLM_F_ECHO;
aux->txn.reply = &aux->reply;
}
dpif_netlink_flow_to_ofpbuf(&flow, &aux->request);
break;