工程技术

SDN 技术指南（四）：Open vSwitch

摘要

  • Open vSwitch 安装
  • Open vSwitch 命令行
  • Open vSwitch 运行原理
  • Open vSwitch 性能监控

前言

由之前发布的文章知道 Open vSwitch(Open Source Virtual Switch) 是一款基于软件实现的开源虚拟交换机。

Open Source Virtual Switch:Community-Based, Open Source,. Full-Featured Network Operating System.

一、Open vSwitch 安装

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# 第一步：Getting the Code
git clone https://git.openswitch.net/openswitch/ops-build

# 第一步：选择编译模式

# 模式一：To a supported white box switch ( 例如 VMware vSwitch、vDS、Nexus 1000V)
make configure genericx86-64

# 模式二：OVA （可以直接导入虚拟机，例如 Oracle Virtual box ）
make configure appliance

# 第三步：打包
make

二、Open vSwitch 命令行

2.1 核心概念

  • Bridge ：网桥，对应一个以太网交换机（Switch），一个主机中可以创建一个或者多个 Bridge 设备。
  • Port ：Port 与物理交换机的端口概念类似, 每个 Port 都属于一个特定的 Bridge 。端口类型：Normal、Internal、Patch、Tunnel。
  • Interface：接口，对应网卡，即可以是 ovs 生成的虚拟网卡，也可能是挂载在 ovs 的物理网卡。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。

2.2 基本操作

  • ovs-vsctl ： 查询和更新 ovs-vswitchd 的配置；
  • ovs-appctl ：发送命令消息，运行相关 daemon；
  • ovsdbmonitor ： GUI工具，可以远程获取 OVS 数据库和 OpenFlow 的流表。
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# 创建一个新的交换机
$ ovs-vsctl add-br ovs-switch
# 创建一个端口 设置端口
# 如果在创建端口的时候没有指定 OpenFlow 端口编号，会自动生成一个
$ ovs-vsctl add-port ovs-switch p0 -- set Interface p0 ofport_request=100
# 设置接口类型
$ ovs-vsctl set Interface p0 type=internal
$ ethtool -i p0
# 查看交换机的端口信息
$ ovs-ofctl show ovs-switch
# 查看 datapath 的信息
$ ovs-dpctl show

三、Open vSwitch 运行原理

3.1 Open vSwitch 内部结构

Open vSwitch 内部分为用户态和内核态。用户层（态）为守护程序实现了交换机和流表，是 Open vSwitch 的核心，提供了一些组件去管理交换机，实现数据库，对内核进行直接管理。主要包含三个守护进程：

  • ovs-vswitched : 主要模块，守护进程，包括一个 Linux 内核模块。
  • ovsdb-server : 数据库服务,保存相关配置信息
  • ovs-brcompatd

数据流(flow) 通过 Open vSwitch 转发的流程。每收到一个包之后，OVS Kernel Module 将检查它是否能能命中内核模块的缓存（flow cache) ，如果命中缓存则交由 kernel 处理；如果不能命中缓存则先发送到用户空间（ovs-vswitchd process ）进行转发决策 ——— 基于一系列已经安装配置的规则库（OpenFlow rulues）；如果没有命中任何一条规则，则将包发送给 OpenFlow 控制器处理。一旦做出转发决策，这个包和转发动作将传回 OVS Kernel Module 缓存起来。这条 flow 接下来的包就将命中缓存并直接由 kernel 转发处理。

  • openvswitch_mod.ko 是内核态(kernel)的主要模块
    完成数据包的查找、转发、修改等操作，一条 flow 的后续数据包到达 OVS 后将直接交由内核态，使用 openvswitch_mod.ko 中的处理函数对数据包进行处理。

OVS Flow Processing
OVS包含一个Linux内核

3.2 Open vSwitch 的协议支持情况

  • GRE-tunneled mirrors: 远程监控
  • LACP、VLAN、IGMP、LLDP、BFD、STP、RSTP、QoS、HFSC
  • Complete IPv6 (Internet Protocol version 6) support
  • Support for multiple tunneling protocols, including GRE、VXLAN 、STT、IPsec
  • Multi-table forwarding pipeline with a flow-caching engine

3.3 Open vSwitch 的 OpenFlow 支持情况

  • ovs-openflowd：一个简单的 OpenFlow 交换机；
  • ovs-controller：一个简单的 OpenFlow 控制器；
  • ovs-ofctl 查询和控制 OpenFlow 交换机和控制器；
  • ovs-pki ：OpenFlow 交换机创建和管理公钥框架；
  • ovs-tcpundump：tcpdump 的补丁，解析 OpenFlow 的消息；

Open vSwitch support for OpenFlow 1.1 and beyond is a work in progress.>>> OpenFlow Support in Open vSwitch

四、Open vSwitch 性能监控

“If you can’t measure it, you can’t improve it” —— Lord Kelvin

4.1 sFlow 监控示例

  • 启动分析器 sFlow Analyzer (以 sFlow-RT 为例)
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$ cd sflow-rt
$ ./start.sh
bash-3.2$ ./start.sh
信息: Listening, sFlow port 6343
信息: Listening, HTTP port 8008
信息: app/ovs/scripts/status.js started
警告: app/ovs/scripts/status.js app/ovs/scripts/status.js
信息: app/ovs/scripts/status.js stopped
$ ps -ef | grep 6343
  501 30565 30431   0  2:45下午 ttys002    0:03.90 /usr/bin/java -Xms200M -Xmx200M -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -Dsflow.port=6343 -Dhttp.port=8008 -jar ./lib/sflowrt.jar
  • Connect Normal Switch to sFlow Analyzer
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// 指定 analyzer
switch(root)# sflow collector 10.0.0.1
// 数据包采样: 1-in-4096
// 常规参考值：[100 Mb/s: 1 in 500]、[1 Bb/s: 1 in 1000]、[10 Gb/s: 1 in 2000]
switch(root)# sflow sampling 4096
// 轮询计数器 polling counters every 20 seconds
switch(root)# sflow polling 20
switch(root)# sflow enable
  • Connect Open vSwitch to sFlow Analyzer
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// e.g. connect Open vSwitch to sFlow analyzer
ovs-vsctl — –id=@sflow create sflow agent=eth0 \target=\”10.0.0.1:6343\” sampling=1000 polling=20 \
— set bridge br0 sflow=@sflow

4.2 Connect Open vSwitch to OpenFlow controller

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// e.g. connect Open vSwitch to OpenFlow controller
ovs-vsctl set-controller br0 tcp:10.0.0.1:6633

4.3 Traffic analytics : sFlow vs NetFlow

  • sFlow does not use flow cache, so realtime charts more accurately reflect traffic trend
  • NetFlow spikes caused by flow cache active-timeout for long running connections

应用案例

News

Open vSwitch: Enable OpenFlow 1.5 by default | 25 Apr 2017

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Open vSwitch          OF1.0 OF1.1 OF1.2 OF1.3 OF1.4 OF1.5
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1.9 and earlier        yes   ---   ---   ---   ---   ---
1.10, 1.11             yes   ---   (*)   (*)   ---   ---
2.0, 2.1               yes   (*)   (*)   (*)   ---   ---
2.2                    yes   (*)   (*)   (*)   (%)   (*)
2.3, 2.4               yes   yes   yes   yes   (*)   (*)
2.5, 2.6, 2.7          yes   yes   yes   yes   (*)   (*)
2.8, 2.9, 2.10, 2.11   yes   yes   yes   yes   yes   (*)
2.12                   yes   yes   yes   yes   yes   yes
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