RDO是在RHEL，Fedora, CentOS等系统上部署OpenStack的方案。简单的试用或研究OpenStack可以选择all-in-one模式安装。这种模式将所有的OpenStack组件都部署在同一台机器上。本文来分析这种模式下虚拟网络的架构。

all-in-one模式安装完成时，RDO自动完成了以下工作:

• 创建了外部网络public: 172.24.4.224/28
• 创建了租户demo
• 为租户demo创建了私有网络private: 10.0.0.0/24
• 为租户demo创建路由器router1, 将private和public连接在一起

我们登录demo租户，创建两个虚拟机，网络拓朴图如下:

本文基于该拓朴分析虚拟网络架构。

Open vSwitch提供了OpenFlow命令行工具: ovs-ofctl， 用法及流表语法等细节参考: ovs-ofctl(8)。

本文将通过简单的PING实验来展示OVS上的OpenFlow操作，实验环境宿主机为CentOS7。

创建虚拟交换机:

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ovs-vsctl add-br br-int

创建TAP设备:

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ip tuntap add tap0 mode tap
ip tuntap add tap1 mode tap

将设备连接到虚拟交换机:

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2

ovs-vsctl add-port br-int tap0
ovs-vsctl add-port br-int tap1

传统网络架构下，数据转发和转发决策逻辑都集中在网络设备内部，而各厂商的网络设备都有自己的配置方法, 运维和管理的复杂性很高。云计算等业务发展对网络调整的迅速响应需求越来越高，传统方式网络架构越来越不能满足灵活性要求。因而业界提出了SDN方案，将数据平面和控制平面分离，数据平面由网络设备完成，而决策逻辑交由独立的控制器来完成，从而控制器能够对整个网络进行全局管控。除此之外，控制器对上层应用程序提供API(称为北向API)，上层的业务逻辑可以使用北向API处理流量和部署服务，网络控制逻辑可以直接通过编写程序来完成，网络调整的响应速度大为加快，灵活性大为提高。控制器与负责转发数据的网络设备之间通过标准协议交互转发策略，这之间协议称为南向协议或南向API。

整体架构如图:

OpenFlow是一种南向API协议，并且定义了交换机规范。实现OpenFlow规范的交换机称为OpenFlow交换机。

MARK是IPTABLES的一种规则目标，它用于给匹配了相应规则的数据包设置标签。然而，标签并不是设置于数据包内容中，而是设置在内核中数据包的载体上。如果需要在数据包内容中设置标签，可以使用TOS规则目标，它可以修改IP数据包头的TOS值。

MARK是一个32位整数值, MARK目标可以使用3种方法来设置mark值:

• --set-mark value: 直接设置mark值为value
• --and-mark value: 将mark值与value做位与运算后设置为新mark值
• --or-mark value: 将mark值与value做位或运算后设置为新mark值

比如，将从网络接口tun0进入的、目标端口为5222的TCP数据包设置mark值为1:

1

iptables -t mangle -A PREROUTING -j MARK --set-mark 1 -i tun0 -p tcp --dport 5222

许多场景下我们的OpenStack虚拟机实例需要关联多个浮动IP。Horizon Dashboard不支持这样的操作，但是我们可以通过命令行和API完成。

可以以两种形式关联:

• 实例配置多个NIC，每个NIC关联一个浮动IP
• 实例只配置一个NIC，NIC上配置多个fixed IP, 每个浮动IP关联一个fixed IP

首先看第一种形式:

列出所有网络，找到实例所在网络和子网:

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[root@localhost ~(keystone_admin)]# neutron net-list
+--------------------------------------+---------+------------------------------------------------------+
| id                                   | name    | subnets                                              |
+--------------------------------------+---------+------------------------------------------------------+
| 1ced55ea-d30f-4c1d-ba97-6a7bbbd9ecca | private | f805a609-da7c-4a79-98a4-1aefb6aca2a2 10.0.0.0/24     |
| 467b92e0-540d-4cac-86a6-999354c6b6c8 | 1       | 216fa519-973f-493f-a8ef-1b5f9e30335f 10.0.1.0/24     |
| 65bdc2e1-d3ba-4b20-912c-6f0a29aef5de | public  | 189e9999-4295-45a4-b6b2-438225249654 172.24.4.224/28 |
| 73569655-f522-4e3d-b2f3-f1a1fd83cc5e | 2       | c9015487-e913-4a31-bc14-ef3cb549c895 10.0.2.0/24     |
+--------------------------------------+---------+------------------------------------------------------+

ARP: Address Resolution Protocol, 地址解析协议，主要用于根据IP获取对应的物理地址，它封装在数据链路协议上，如以太网帧封装。

以太网中，交换机根据数据包中源MAC地址与对应的交换机端口建立映射关系。当以太网帧到达交换机，交换机根据包中目的MAC地址在映射表查找对应的交换机端口。若找到，则直接从该端口转发，否则向除接收端口外的所有其他端口广播数据包。

以太网内的主机要发送数据包时首先判断目标IP地址是否是同一子网。若发送给本地网络主机，则根据目的主机IP获取对应的MAC地址。若发送到其他网络，则通过路由获取目的IP(一般为网关IP)，根据该IP获取对应的目的MAC地址。收到ARP响应之后，发送相应的数据包。

iptables是Linux系统上的包过滤防火墙。它基于netfilter框架实现，分为内核模块和用户态程序。内核模块负责根据规则过滤数据包，用户态程序负责将规则写入内核模块。

iptables根据功能将过滤规则组织成表, 按处理时机组成链。每个表中含有多个链，每个链中包含一组规则。每条规则由数据包的匹配条件和匹配之后要执行的目标构成。iptables内核模块依次检查规则过滤数据包。

Linux默认情况下会丢掉不属于本机IP的数据包。将net.ipv4.ip_forward设置为1后，会开启路由功能，Linux会像路由器一样对不属于本机的IP数据包进行路由转发。

路由的基本流程为: 收到数据包之后，解析出目的IP，判断是否是本机IP。如果是本机IP，则交由上层传输层处理。如果不是本机IP，则通过查找路由表找到合适的网络接口将IP数据包转发出去。

Linux上通过路由规则和路由表配合来实现路由流程, 处理逻辑如下:

• 按路由规则优先级, 根据规则匹配条件找到需要匹配的路由表
• 根据路由表中条目进行匹配的结果进行转发
• 若路由表中没有匹配到满足的路由条目，则处理下一路由规则

更新(2020-05-06):
Redhat在2018年发表了一篇关于Linux虚拟网络设备的文章，内容比本文要更详细, 可以参考:
https://developers.redhat.com/blog/2018/10/22/introduction-to-linux-interfaces-for-virtual-networking

OpenStack虚拟化网络实现中大量应用了多种虚拟网络设备，了解这些设备是理解OpenStack虚拟网络实现的基础，本文来简单介绍这些虚拟网络设备。

TUN/TAP设备

TUN/TAP设备是Linux内核中实现的虚拟网卡。物理网卡是从物理线路上收发数据包，而TUN/TAP设备是从用户态应用程序上收发以太网帧或IP包。用户态进程对/dev/net/tun文件调用open()获取一个文件描述符，并调用ioctl()挂接到该设备上，接着通过读写该文件描述符从TUN/TAP设备的收发数据包。收发的数据包由用户态进程构造好。TUN和TAP设备的区别在于TUN设备收发的是IP包，而TAP设备收发的是以太网帧。

在进程中创建及使用TUN/TAP设备可以参考官方文档:
https://www.kernel.org/doc/Documentation/networking/tuntap.txt

可以使用iproute2工具包中的ip命令创建TUN/TAP设备, 如:

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ip tuntap add dev tap0 mode tap
ip tuntap add dev tun0 mode tun

我们的程序很多业务逻辑由Lua实现，为了防止业务逻辑被曝光，需要对Lua代码进行加密。

我们有两种思路：

• 自定义字节码: Lua库可以直接调用编译后生成的Lua字节码，因而我们可以将源码编译成字节码对外提供。但是因为Lua是开源的，可以通过工具将字节码反编译回源码。我们可以自定义字节码，加大反编译的难度。
• 将Lua源码文件加密，在Lua编译字节码前，对源码文件进行解密

本文主要介绍第二种思路的实现。
我们的程序使用LuaJIT来执行Lua代码，因而以LuaJIT来说明。