Openstack之Neutron网络虚拟化

 第一：为什么需要网络虚拟化？

一.数据中心的现有网络不能满足云计算的物理需求；

互联网行业数据中心的基本特征就是服务器的规模偏大。进入云计算时代后，其业务特征变得更加复杂，包括：虚拟化支持、多业务承载、资源灵活调度等（如下图所示）。与此同时，互联网云计算的规模不但没有缩减，反而更加庞大。这就给云计算的网络带来了巨大的压力。

互联网云计算业务特点

1. 大容量的MAC表项和ARP表项

虚拟化会导致更大的MAC表项。假设一个互联网云计算中心的服务器有5000台，按照1:20的比例进行虚拟化，则有10万个虚拟机。通常每个虚拟机会配置两个业务网口，这样这个云计算中心就有20万个虚拟网口，对应的就是需要20万个MAC地址和IP地址。云计算要求资源灵活调度，业务资源任意迁移。也就是说任意一个虚拟机可以在整个云计算网络中任意迁移。这就要求全网在一个统一的二层网络中。全网任意交换机都有可能学习到全网所有的MAC表项。与此对应的则是，目前业界主流的接入交换机的MAC表项只有32K，基本无法满足互联网云计算的需求。另外，网关需要记录全网所有主机、所有网口的ARP信息。这就需要网关设备的有效ARP表项超过20万。大部分的网关设备芯片都不具备这种能力。

2. 4K VLAN Trunk问题

传统的大二层网络支持任意VLAN的虚拟机迁移到网络的任意位置，一般有两种方式。方式一：虚拟机迁移后，通过自动化网络管理平台动态的在虚拟机对应的所有端口上下发VLAN配置；同时，还需要动态删除迁移前虚拟机对应所有端口上的VLAN配置。这种方式的缺点是实现非常复杂，同时自动化管理平台对多厂商设备还面临兼容性的问题，所以很难实现。方式二：在云计算网络上静态配置VLAN，在所有端口上配置VLAN trunk all。这种方式的优点是非常简单，是目前主流的应用方式。但这也带来了巨大的问题：任一VLAN内如果出现广播风暴，则全网所有VLAN内的虚拟机都会受到风暴影响，出现业务中断。

3. 4K VLAN上限问题

云计算网络中有可能出现多租户需求。如果租户及业务的数量规模超出VLAN的上限（4K），则无法支撑客户的需求。

4. 虚拟机迁移网络依赖问题

VM迁移需要在同一个二层域内，基于IP子网的区域划分限制了二层网络连通性的规模。

二.数据中心的现有网络不能满足云计算的软件化即SDN要求。

数据中心（Data Center）中的物理网络是固定的、需要手工配置的、单一的、没有多租户隔离的网络，无法满足现有的需求。

云架构往往是多租户架构，这意味着多个客户会共享单一的物理网络。因此，除了提供基本的网络连接能力以外，云还需要提供网络在租户之间的隔离能力；同时云是自服务的，这意味着租户可以通过云提供的 API 来使用虚拟出的网络组建来设计，构建和部署各种他们需要的网络

小结：数据中心现有的物理网络基础之上叠加一层我们自己的虚拟网络

第二：网络虚拟化

一：openstack相关网络

在实际的数据中心中，与openstack相关的物理网络可以分为三层：

1. OpenStack Cloud network：OpenStack 所管理的网络。

2. 机房intranet （external network）：数据中心所管理的的公司网（Intranet） ，虚机使用的 Floating IP 是这个网络的地址的一部分。

3. 真正的外部网络即 Internet：由各大电信运营商所管理的公共网络，使用公共IP。

二：网络（Neutron L2 network）

网络（network）是一个隔离的二层网段，类似于物理网络世界中的虚拟 LAN (VLAN)。更具体来讲，它是为创建它的租户而保留的一个广播域，或者被显式配置为共享网段。端口和子网始终被分配给某个特定的网络。这里所谓的隔离，可理解为：

1.跨网络的子网之间的流量必须走 L3 Virtual Router

2.每个网络使用自己的 DHCP Agent，每个 DHCP Agent 在一个 Network namespace 内

3.不同网络内的IP地址可以重复（overlapping）

根据创建网络的用户的权限，Neutron L2 network 可以分为:

• Provider network：管理员创建的和物理网络有直接映射关系的虚拟网络。
• Tenant network：租户普通用户创建的网络，物理网络对创建者透明，其配置由 Neutron根据管理员在系统中的配置决定。

虚机可以直接挂接到 provider network 或者 tenant network 上“VMs can attach directly to both tenant and provider networks, and to networks with any provider:network_type value, assuming their tenant owns the network or its shared.”。

根据网络的类型，Neutron L2 network 可以分为：

• Flat network：基于不使用 VLAN 的物理网络实现的虚拟网络。每个物理网络最多只能实现一个虚拟网络。
• local network（本地网络）：一个只允许在本服务器内通信的虚拟网络，不知道跨服务器的通信。主要用于单节点上测试。
• VLAN network（虚拟局域网） ：基于物理 VLAN 网络实现的虚拟网络。共享同一个物理网络的多个 VLAN 网络是相互隔离的，甚至可以使用重叠的 IP 地址空间。每个支持 VLAN network 的物理网络可以被视为一个分离的 VLAN trunk，它使用一组独占的 VLAN ID。有效的 VLAN ID 范围是 1 到 4094。
• GRE network （通用路由封装网络）：一个使用 GRE 封装网络包的虚拟网络。GRE 封装的数据包基于 IP 路由表来进行路由，因此 GRE network 不和具体的物理网络绑定。
• VXLAN network（虚拟可扩展网络）：基于 VXLAN 实现的虚拟网络。同 GRE network 一样， VXLAN network 中 IP 包的路由也基于 IP 路由表，也不和具体的物理网络绑定。

注：现在企业环境中一般使用vlan，gre，vxlan网络模式，后续博客会详细介绍这三种网络模式

三.Neutron L2 network的Provider network模式

Provider Network 是由 OpenStack 管理员创建的，直接对应于数据中心的已有物理网络的一个网段。这种网络有三个和物理网络有关属性：

• provider:network_type (网络类型，包括 vxlan, gre, vlan, flat, local) 
• provider:segmentation_id (网段 ID， 比如 VLAN 的 802.1q tag, GRE 网络的 Tunnel ID, VXLAN 网络的 VNI) 
• provider:physical_network (物理网络的逻辑名称，比如 physnet1, ph-eth1, etc) 

这种网络是可以在多个租户之间共享的。这种网络通过计算和网络节点上指定的 bridge 直接接入物理网络，所以默认的情况下它们是可以路由的，因此也不需要接入 Neutron Virtual Router，也不需要使用 L3 agent。使用这种网络，必须预先在各计算和网络节点上配置指定的网桥。

虽然可以创建 GRE 和 VXLAN 类型的 Provider network， 但是（个人认为）Provider network 只对 Flat 和 VLAN 类型的网络才有意义，因为 Provider network 的一个重要属性是 provider:physical_network，而这个参数对其他网络类型没有意义。

创建 provider network：

• local 类型的：neutron net-create NAME --provider:network_type local
• flat 类型的：neutron net-create NAME --provider:network_type flat --provider:physical_network PHYS_NET_NAME
• vlan 类型的：neutron net-create NAME --provider:network_type vlan --provider:physical_network PHYS_NET_NAME --provider:segmentation_id VID
• gre 类型的：neutron net-create NAME --provider:network_type gre --provider:segmentation_id TUNNEL_ID
• vxlan 类型的：neutron net-create NAME --provider:network_type vxlan --provider:segmentation_id TUNNEL_ID

 四.Neutron L2 network的Tenant network

Tenant network 是由 tenant 的普通用户创建的网络。默认情况下，这类用户不能创建共享的 tenant network（因此 Nuetron Server 的policy 设置了"create_network:shared": "rule:admin_only"。），因此这种网络是完全隔离的，也不可以被别的 tenant 共享。

Tenant network 也有 local，flat，vlan，gre 和 vxlan 等类型。但是，tenant 普通用户创建的 Flat 和 VLAN tenant network 实际上还是 Provider network，所以真正有意义的是 GRE 和 VXLAN 类型，这种网络和物理网络没有绑定关系。

创建 tenant network 的过程：

（0）管理员在 neutron 配置文件中配置 tenant_network_types，其值可以设为一个所支持的网络类型列表，比如 “vlan,gre,vxlan”。其默认值为 “local“，因此需要改变。该值表明该 OpenStack 云中允许被创建的 tenant network 类型。 

（1）运行命令 neutron net-create <net_name>

（2）neutron server 逐一根据该配置项尝试创建 network segment，成功则立即返回。

创建每种网络时，使用不同的配置项：

五：Provider与Tenant的区别

• Provider network 是由 Admin 用户创建的，而 Tenant network 是由 tenant 普通用户创建的。
• Provider network 和物理网络的某段直接映射，比如对应某个 VLAN，因此需要预先在物理网络中做相应的配置。而 tenant network 是虚拟化的网络，Neutron 需要负责其路由等三层功能。
• 对 Flat 和 VLAN 类型的网络来说，只有 Provider network 才有意义。即使是这种类型的 tenant network，其本质上也是对应于一个实际的物理段。
• 对 GRE 和 VXLAN 类型的网络来说，只有 tenant network 才有意义，因为它本身不依赖于具体的物理网络，只是需要物理网络提供 IP 和 组播即可。
• Provider network 根据 admin 用户输入的物理网络参数创建；而 tenant work 由 tenant 普通用户创建，Neutron 根据其网络配置来选择具体的配置，包括网络类型，物理网络和 segmentation_id。
• 创建 Provider network 时允许使用不在配置项范围内的 segmentation_id。

六:子网

子网是一组 IPv4 或 IPv6 地址以及与其有关联的配置。它是一个地址池，OpenStack 可从中向虚拟机 (VM) 分配 IP 地址。每个子网指定为一个无类别域间路由 (Classless Inter-Domain Routing) 范围，必须与一个网络相关联。除了子网之外，租户还可以指定一个网关、一个域名系统 (DNS) 名称服务器列表，以及一组主机路由。这个子网上的 VM 实例随后会自动继承该配置。 

在创建虚拟主机时，nova-network会从指定子网中取一个空闲IP并将它写入此虚拟主机的配置文件。在一个子网内的虚拟主机可以通过创建Linux桥实现互通。

七：端口

一个 Port 代表虚拟网络交换机（logical network switch）上的一个虚机交换端口（virtual switch port）。虚机的网卡（VIF - Virtual Interface）会被连接到 port 上。当虚机的 VIF 连接到 Port 后，这个 vNIC 就会拥有 MAC 地址和 IP 地址。Port 的 IP 地址是从 subnet 中分配的。

八：虚拟交换机

Neutron 默认采用开源的 Open vSwitch 作为其虚机交换机，同时还支持使用 Linux bridge。

九：虚拟路由器

一个 Virtual router 提供不同网段之间的 IP 包路由功能，由 Nuetron L3 agent 负责管理

nova管理的vm与neutron提供的虚拟网络之间的关系

第三：二层网络虚拟化的实现　

一个标准 OpenStack 环境中的物理网络配置往往包括：

• Internet（Pulic network）：传统意义上的公共网络，使用往往由电信运营商提供的公共IP。
• 外部网络（External network）：数据中心 Intranet，从这里分配浮动IP地址。
• OpenStack 内部网络：

租户网络（Tenant network）：提供虚机在计算节点之间，以及计算节点和网络节点之间的通信。同样这也是数据中心的内部网络。

存储访问网络（storage access network）：访问存储的网络。

存储后端网络（storage backend network）：比如 Ceph 和 Swift 集群用于后端数据复制的网络。

管理网络（management network）：提供 OpenStack 各个组件之间的内部通信，以及 API 访问端点（Endpoint）。为安全考虑，该网络必须限制在数据中心之内。

API 网络：其实这不是一个单独的网络，而是包含在外部和内部网络中。API 的 Endpoint 包括 publicurl 和 internalurl，其中，publicurl包含的是 externa network 的 IP 地址，internal network 包含的是 management network IP 地址。为了简单起见，提供给内外网络访问的API的 publicurl 和 internalurl 相同，而只给内部网络访问的 API 只使用 internalurl。

数据网络（data network）：除管理网络以外的其它网络，往往还可以细分为下面几种。它们可以合为一种，也可以从性能方面考虑分离出一种或几种作为单独的网络。

• 除了以上网络外，往往还有各种功能网络，包括 IPMI 网络，PXE 网络，监控网络等等。

一. 大二层的概念

二层指的是数据链路层，计算机与计算机之间的通信采用的是基于以太网协议广播的方式，而大二层的概念指的是openstack中所有的vm都处于一个大的二层网络中，大二层也可以被想象成一堆二层交换机串联到一起。这么做的目的就是为了满足vm可以迁移到全网的任意位置，二层无需网关，无需路由，因而资源调用更加灵活，反之，如果所有vm不在一个大二层中，那么vm迁移到另外一个位置（另外一个网络中），则需要我们人为地指定网关，添加路由策略，然而这还只是针对一台vm的迁移，要满足所有的vm的动态迁移，再去指定网关、路由等就不现实了。

二.物理的二层与虚拟的二层（vlan模式）

物理的二层指的是：物理网络是二层网络，基于以太网协议的广播方式进行通信

 虚拟的二层指的是：neutron实现的虚拟的网络也是二层网络（openstack的vm机所用的网络必须是大二层），也是基于以太网协议的广播方式进行通信，但毫无疑问的是该虚拟网络依赖于物理的二层网络

三.物理的三层与虚拟的二层（gre模块与vxlan模式）

 物理的三层指的是：物理网络是三层网络，基于ip路由的方式进行通信

虚拟的二层指的是：neutron实现的虚拟的网络仍然是二层网络（openstack的vm机所用的网络必须是大二层）,仍然是基于以太网协议的广播方式进行通信，但毫无疑问的是该虚拟网络依赖于物理的三层网络，这有点类似于VPN的概念，根本原理就是将私网的包封装起来，最终打上隧道的ip地址传输。

四.虚拟路由器

跨子网的通信需要走虚拟路由器。同物理路由器一样，虚拟路由器由租户创建，拥有多个 virtual interface，连接一个租户的子网，以及外部网络。它具有以下特性：

• 一个 VR 只属于创建它的租户，只用于该租户的子网之间和子网与外网的路由
• 同一网络内的若干子网可以挂在一个 VR 上
• 同一租户的不同网络的没有 IP 地址重叠的子网可以挂在一个 VR 上
• 不同租户之间的内网之间是不能使用 VR 的
• 同一租户的不同网络内的有 IP 地址重叠的两个子网不能使用同一个 VR（添加子网到 VR 时会报错）
• 在网络节点上，一个 VR 运行在一个 Network namespace 内，该namespace 的名称包含该 VR 的 UUID

五.dhcp服务

 DHCP 服务是网络环境中必须有的。Neutron 提供基于 Dnamasq （轻型的dns和dhcp服务）实现的虚机 DHCP 服务，向租户网络内的虚机动态分配固定 IP 地址。它具有以下特性：

• 一个网络可以有多个运行在不同物理网络节点上的 DHCP Agent，同时向网络内的虚机提供服务
• 一个 DHCP Agent 只属于一个网络，在网络节点上运行在一个 network namespace 内
• 网络内的子网共享该 DHCP Agent

第四：Neutron租户网路的隔离性

Neutron 实现了不同层次的租户网络隔离性：

• 租户之间的网络是三层隔离的，连通过 VR 做路由都不行，实在要连通的话，需要走物理网络
• 一个租户内的不同网络之间二层隔离的，需要通过 VR 做三层连通
• 一个网络内的不同子网也是二层隔离的，需要通过 VR 做三层连通

Neutron 对每个租户网络（tenant network）都分配一个 segmentation_id，其特点包括：

• 每个 tenant network 都有一个这种 ID
• 每个租户网络的 ID 在全部的租户范围内都是唯一的
• 一个 ID 代表一个广播域
• 一个 ID 使得同一网络内的两个虚机之间好像建立了一个虚拟通道（tunnel）一样
• 不同 ID 的网络 tunnel 之间是互相隔离的
• 根据物理实现不同，该ID被实现为几种不同的形式：

VLAN ID

GRE Tunnel ID

VxLAN VNI

原图链接：https://pinrojas.com/2014/07/29/theres-real-magic-behind-openstack-neutron/

• （1）计算节点的 br-int 上，neutron 为每个虚机连接 OVS 的 access port 分配了内部的 VLAN Tag。这种 tag 限制了网络流量只能在 tenant network 之内。
• （2）计算节点的 br-tun 上，neutron 将内部的 VLAN Tag 转化为 GRE Tunnel ID，是的不同 network 的流量走不通的 tunnel。
• （3）网络节点的 br-tun 上，neutron 将 GRE Tunnel ID 转发了一一对应的 内部 VLAN Tag，使得网络流被不同的服务处理。
• （4）网络节点的 br-int 上连接的 DHCP 和 L3 agent 使用 Linux network namespace 进行隔离。

第五 Neutron租户网络的安全性（security）

除了租户的隔离性以外，

• Neutron 还提供数据网络与外部网络的隔离性。默认情况下，所有虚机通往外网的流量全部走网络节点上的 L3 agent。在这里，内部的固定 IP 被转化为外部的浮动 IP 地址。这种做法一方面保证了网络包能够回来，另一方面也隐藏了内部的 IP 地址。
• Neutron 还是用 Linux iptables 特性，实现其 Security Group 特性，从而保证访问虚机的安全性。
• Neutron利用网络控制节点上的 network namespace 中的 iptables，实现了进出租户网络的网络包防火墙，从而保证了进出租户网络的安全性。