OVS原理

OVS原理

OVS架构

ovs的架构如上图所示，主要由内核datapath和用户空间的vswitchd、ovsdb组成。

主要模块职责

1. datapath是负责数据交换的内核模块，其从网口读取数据，并快速匹配Flowtable中的流表项，成功的直接转发，失败的上交vswitchd处理。它在初始化和port binding的时候注册钩子函数，把端口的报文处理接管到内核模块。
2. vswitchd是一个守护进程，是ovs的管理和控制服务，通过unix socket将配置信息保存到ovsdb，并通过netlink和内核模块交互
3. ovsdb则是ovs的数据库，保存了ovs配置信息

主要数据结构

主要流程

添加网桥

1. 键入命令ovs-vsctl add-br testBR
2. 内核中的 openvswitch.ko 收到一个添加网桥的命令时候——即收到OVS_DATAPATH_FAMILY通道的 OVS_DP_CMD_NEW命令。该命令绑定的回调函数为 ovs_dp_cmd_new
3. ovs_dp_cmd_new 函数除了初始化 dp 结构外，调用 new_vport 函数来生成新的 vport
4. new_vport 函数调用 ovs_vport_add()来尝试生成一个新的 vport
5. ovs_vport_add()函数会检查 vport 类型（通过vport_ops_list[]数组），并调用相关的 create()函数来生成 vport 结构
6. 当dp是网络设备时（vport_netdev.c），最终由 ovs_vport_add()函数调用的是netdev_create()【在 vport_ops_list的ovs_netdev_ops 中】
7. netdev_create()函数最关键的一步是注册了收到网包时的回调函数
8. err=netdev_rx_handler_register(netdev_vport->dev,netdev_frame_hook,vport);
9. 操作是将 netdev_vport->dev 收到网包时的相关数据由netdev_frame_hook()函数来处理，都是些辅助处理，依次调用各处理函数，在netdev_port_receive()【这里会进行数据包的拷贝，避免损坏】进入 ovs_vport_receive()回到vport.c，从 ovs_dp_process_receive_packet()回到 datapath.c，进行统一处理
10. 流程：netdev_frame_hook()->netdev_port_receive->ovs_vport_receive->ovs_dp_process_received_packet()
11. net_port_receive()首先检测是否 skb 被共享，若是则得到 packet 的拷贝。
12. net_port_receive()其调用ovs_vport_receive()，检查包的校验和，然后交付给我们的vport通用层来处理。
    

流表匹配

1. flow_lookup()查找对应的流表项
2. for 循环调用 rcu_dereference_ovs 对流表结构体中的 mask_list成员遍历，找到对应的的 成员
3. flow=masked_flow_lookup()遍历进行下一级 hmap查找，找到为止
4. 进入 包含函数ovs_flow_mask_key(&masked_key,unmasked,mask)，将最开始提取的 Key 值和 mask 的key 值进行“与”操作，结果存放在 masked_key 中，用来得到后面的 Hash 值
5. hash=flow_hash(&masked_key,key_start,key_end)key 值的匹配字段只有部分
6. ovs_vport_add()函数会检查 vport 类型（通过 vport_ops_list[]数组），并调用相关的create()函数来生成 vport 结构
7. 可见，当 dp 时网络设备时（vport_netdev.c），最终由ovs_vport_add()函数调用的是 netdev_create()【在 vport_ops_list的ovs_netdev_ops中】
8. netdev_vport->dev 收到网包时的相关数据由netdev_frame_hook()函数来处理，都是些辅助处理，依次调用各处理函数，在netdev_port_receive()【这里会进行数据包的拷贝，避免损坏】进入 ovs_vport_receive()回到vport.c，从 ovs_dp_process_receive_packet()回到 datapath.c，进行统一处理
   

收包处理

1. ovs_vport_receive_packets()调用ovs_flow_extract基于skb生成key值，并检查是否有错,然后调用ovs_dp_process_packet。交付给datapath处理
2. ovs_flow_tbl_lookup_stats。基于前面生成的key值进行流表查找，返回匹配的流表项，结构为sw_flow。
3. 若不存在匹配，则调用ovs_dp_upcall上传至userspace进行匹配。 (包括包和key都要上传)
4. 若存在匹配，则直接调用ovs_execute_actions执行对应的action，比如添加vlan头，转发到某个port等。
   

upcall 消息处理

1. ovs_dp_upcall()首先调用err=queue_userspace_packet()将信息排队发到用户空间去
2. dp_ifindex=get_dpifindex(dp)获取网卡设备索引号
3. 调整 VLAN的 MAC 地址头指针
4. 网络链路属性，如果不需要填充则调用此函数
5. len=upcall_msg_size()，获得 upcall 发送消息的大
6. user_skb=genlmsg_new_unicast，创建一个新的 netlink 消息
7. upcall=genlmsg_put()增加一个新的 netlink 消息到 skb
8. err=genlmsg_unicast(),发送消息到用户空间去处理
   
   相关代码：

/**
 * struct vport抽象的是datapath中的每个端口，
 */
struct vport {
	struct rcu_head rcu; //RCU callback head for deferred destruction.
	u16 port_no;		//端口号是dp中ports数组的索引；
	struct datapath	*dp; //这个端口所属的datapath；
	struct kobject kobj;  // Represents /sys/class/net/<devname>/brport
	char linkname[IFNAMSIZ]; 
	u32 upcall_portid;   //在这个端口收到的包如果匹配流表失败会通过这个netlink port传至用户空间；
 
	struct hlist_node hash_node; //  vport.c中的哈希表dev_table使用；
	struct hlist_node dp_hash_node; //是结构体datapath->ports中的构成元素，将所有vport连接起来；
	const struct vport_ops *ops;   //核心，定义vport的类型（能做的操作）；
 
	struct vport_percpu_stats __percpu *percpu_stats;  //指向每个CPU的统计信息；
 
	spinlock_t stats_lock;      //自旋锁，保护下面俩字段的访问；
	struct vport_err_stats err_stats; //错误的统计信息；
	struct ovs_vport_stats offset_stats;  //过时了；
};

/**
 * struct vport_parms - parameters for creating a new vport
 * 端口参数，当创建一个新的vport端口是要传入的参数
 */
struct vport_parms {
	const char *name;
	enum ovs_vport_type type; //端口的类型
	struct nlattr *options; //保存从netlink msg中得到的属性
 
	/* For ovs_vport_alloc(). */
	struct datapath *dp; //端口属于哪个datapath（网桥）
	u16 port_no;   //端口号
	u32 upcall_portid;  //和用户空间通信的netlink 端口
};
 
/**
 * struct vport_ops -定义虚拟端口的类型（能做的操作）
 */
struct vport_ops {
	enum ovs_vport_type type; // 类型值，OVS_VPORT_TYPE_*；
	u32 flags;			// VPORT_F_*，影响通用虚拟端口层如何处理这个vport；
 
	/* Called at module init and exit respectively. */
	int (*init)(void);		// 模块初始化；如果设置了标识VPORT_F_REQUIRED，那么该函数执行失败后
							//停止模块加载，否则只是导致不创建这种类型的vport。
	void (*exit)(void);   //模块卸载之时；
 
	/* Called with RTNL lock. */
	struct vport *(*create)(const struct vport_parms *);
	//根据执行参数来创建一个新的vport，失败则返回对应的 ERR_PTR() 值；
	void (*destroy)(struct vport *);
	// 销毁这个vport，必须调用vport_free()释放（因为利用的是RCU，所以等到 RCU grace period之后实际执行） 
	
	int (*set_options)(struct vport *, struct nlattr *); //配置这个vport，如果不支持修改，就把该函数指针置为Null；
	int (*get_options)(const struct vport *, struct sk_buff *);//获得这个vport相关的配置属性到sk_buff中；
 
	int (*set_addr)(struct vport *, const unsigned char *);//设置MAC地址；
 
	/* Called with rcu_read_lock or RTNL lock. */
	const char *(*get_name)(const struct vport *); // 设备名
	const unsigned char *(*get_addr)(const struct vport *);
	void (*get_config)(const struct vport *, void *);
	struct kobject *(*get_kobj)(const struct vport *);//获得这个设备关联的kobj对象；
 
	unsigned (*get_dev_flags)(const struct vport *);//设备标志；
	int (*is_running)(const struct vport *);
	unsigned char (*get_operstate)(const struct vport *); //设备的工作状态
 
	int (*get_ifindex)(const struct vport *);//和这个设备关联的接口号（system interface index ）
 
	int (*get_mtu)(const struct vport *);//设备的MTU，如果像tunnel这样的就没有MTU，返回null；
 
	int (*send)(struct vport *, struct sk_buff *); //在该设备上发送一个packet，返回发送的长度；
};
 
 
 
/* List of statically compiled vport implementations.  Don't forget to also
 * add yours to the list at the top of vport.c. */
extern const struct vport_ops ovs_netdev_vport_ops;
extern const struct vport_ops ovs_internal_vport_ops;
extern const struct vport_ops ovs_patch_vport_ops;

原文链接：

https://tonydeng.github.io/sdn-handbook/ovs/internal.html
https://www.kancloud.cn/digest/openvswitch/117245