Neutron探讨 -- Openstack网络组件

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Neutron探讨 -- Openstack网络组件

本文将会涵盖如下几个部分：

- Openstack网络组件的发展历程

- Neutron的结构

- Neutron Server的结构

- Neutron的配置

1 Openstack网络组件的发展历程1.1 nova-network

Openstack在2010年正式发布它的第一个版本Austin的时候，nova-network作为它的核心组件被包含其中。nova-network的功能主要有：

• IP地址分配
  包含为虚拟主机分配私有（固定）和浮动IP地址。

• 网络模型与管理
  提供了虚拟网络使虚拟主机之间以及与外部网络通信。网络模型分为以下三种。这三种模型可以共存在一个云系统中，但是在一个计算节点上只能配备一种模型。

• 扁平网络 （Flat Network）：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。
• 带DHCP功能的扁平网络 （Flat DHCP Network）：顾名思义，此种模式相对于扁平网络加入了DHCP功能。在创建虚拟主机时，nova-network会在指定的子网中为此虚拟主机分配IP和物理地址，并将这些信息告知DHCP服务器（默认是dnsmasq）。DHCP服务器会监听虚拟主机所在的桥。当有虚拟主机启动时，会自动从DHCP服务器获得IP。可以看到DHCP服务器只是按照nova-network给定的列表（IP和物理地址）分发IP，如何分配还是nova-network说了算。
• VLAN网络 （VLAN Network）：这是nova-network的默认模型。针对每个项目（Project，如今Openstack把项目改称租户 -- Tenant），都会对应一个vlan。每个项目里的私有IP地址只能在本项目的vlan里访问。与项目对应的vlan需要子网，这个子网是由管理员动态分配给项目的。与带DHCP功能的扁平网络类似，子网内的IP地址也是通过DHCP服务器分发的。所有在一个子网内的虚拟主机都通过网桥互通。

• 安全控制
  主要通过ebtables和iptables来实现。

1.2 Quantum

Quantum是随Openstack的Folsom版本正式发布的，其实它已经作为试用组件包含在之前的Essex版本中。在Grizzly里功能得到了增强。

为什么引入Quantum？答案非常简单，Quantum功能更强大，满足更多需求。下面列几条主要功能。

- 提供面向租户的API，以便控制2层网络和管理IP地址

- 支持插件式网络组件，像Open vSwitch，Cisco，Linux Bridge，Nicira NVP等等

- 支持位于不同的2层网络的IP地址重叠

- 支持基本的3层转发和多路由器

- 支持隧道技术（Tunneling）

- 支持3层代理和DHCP代理的多节点部署，增强了扩展性和可靠性

- 提供负载均衡API （试用版本）

1.3 Neutron

因为商标侵权的原因，Openstack在Havana版本上将Quantum更名为Neutron，所以Neutron并不是什么新的东西。在Havana版里，Neutron也只增加和增强了少数功能。

- 提供稳定的负载均衡API

- 支持端到端的IPSec VPN

- 面向租户的防火墙服务

- 提供一个新的插件ML2，这个插件可以作为一个框架同时支持不同的2层网络

现在很多已部署的Openstack云还在继续使用nova-network，因为它简单，稳定，尤其是多节点部署的可扩展性和可靠性让人不愿割舍。但是我们必须考虑往Neutron上迁移了，最新版Icehouse（还未发布）中的nova-network将会被列为过期组件，虽然系统还支持，但不建议使用了。

接下来我们一起来看看Neutron，本人精力在咨询、架构和部署，所以对源码实现我们不会涉及。

2 Neutron的结构

Openstack的设计理念是把所有的组件当做服务来注册的。 Neutron就是网络服务。它将网络、子网、端口和路由器抽象化，之后启动的虚拟主机就可以连接到这个虚拟网络上，最大的好处是这些都可视化的在Horizon里得到了实现，部署或者改变一个SDN变得非常简单，没有专业知识的人稍经培训也可以做到。

我们先通过如下一个简单的流程来了解客户机如何连接到网络上。

- 租户创建了一个网络，比方说mynet

- 租户为此网络分配一个子网，比如192.168.122.0/24

- 租户启动一个客户机，并指明一个网口连接到mynet

- Nova通知Neutron并在mynet上创建一个端口，如port1

- Neutron选择并分配一个IP给port1

- 客户机通过port1就连接到了mynet上

Neutron主要有以下几部分组成。

• Neutron Server：
  这一部分包含守护进程neutron-server和各种插件neutron-*-plugin，它们既可以安装在控制节点也可以安装在网络节点。neutron-server提供API接口，并把对API的调用请求传给已经配置好的插件进行后续处理。插件需要访问数据库来维护各种配置数据和对应关系，例如路由器、网络、子网、端口、浮动IP、安全组等等。

• 插件代理 （Plugin Agent）：
  虚拟网络上的数据包的处理则是由这些插件代理来完成的。名字为neutron-*-agent。在每个计算节点和网络节点上运行。一般来说你选择了什么插件，就需要选择相应的代理。代理与Neutron Server及其插件的交互就通过消息队列来支持。

• DHCP代理（DHCP Agent）：
  名字为neutron-dhcp-agent，为各个租户网络提供DHCP服务，部署在网络节点上，各个插件也是使用这一个代理。

• 3层代理 （L3 Agent）：
  名字为neutron-l3-agent， 为客户机访问外部网络提供3层转发服务。也部署在网络节点上。

下面这张图取自官网，很好的反映了Neutron内部各部分之间的关系。（SDN服务在这里是额外的外部功能，可以暂时略过。）

3 Neutron Server的结构

下面我们来细看一下Neutron Server的结构。

这张图中我们只看Quantum-common和Quantum Plugin部分，其实就是Neutron Server。

上面我们已提到，Neutron最重要的就是两部分：API和插件。

3.1 API

API又分为两个部分。

• API Core：暂且称之为API核。它可以看做是插件功能的最小集合，即每个插件都必须有的功能，也就是对网络、子网和端口的查询、加删和更新操作等。
• API Extensions：暂称之为API扩展。它们一般是针对具体插件实现的，这样租户就可以利用这些插件独特的功能，比方说访问控制（ACL)和QoS。

需要提一下的是，现在API核具备的功能还都很简单，随着Neturon的不断成熟，它可能就会纳入一些API扩展中的功能。

当然API部分也负责Neutron服务的启动、客户请求和相应回复的打包和派发以及验证数据格式及其正确性。也有一些安全和稳定机制，比方说对API请求的限制以防止DOS攻击来保证服务在大负载下的可用性。

至于验证和授权功能，相信大家都已了解，就是与Keystone结合，进行用户或租户级的使用控制。

3.2 插件

下面我们再来看一下插件。

从功能上说，插件一般有以下内容。

- 存储当前逻辑网络的配置信息，这就需要一个数据库，比方说MySQL

- 判断和存储逻辑网络和物理网络的对应关系，比方说为一个逻辑网络选择一个vlan

- 与一种或多种交换机通信来实现这种对应关系。这一般通过宿主机上的插件代理来实现这种操作，或者远程登录到交换机上来配置。

以Open vSwitch为例，下面列出了插件需要访问的数据表。

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• +---------------------------+  
• | Tables_in_neutron         |  
• +---------------------------+  
• | agents                    |  
• | allowedaddresspairs       |  
• | dnsnameservers            |  
• | externalnetworks          |  
• | extradhcpopts             |  
• | floatingips               |  
• | ipallocationpools         |  
• | ipallocations             |  
• | ipavailabilityranges      |  
• | networkdhcpagentbindings  |  
• | networks                  |  
• | ovs_network_bindings      |  
• | ovs_tunnel_allocations    |  
• | ovs_tunnel_endpoints      |  
• | ovs_vlan_allocations      |  
• | portbindingports          |  
• | ports                     |  
• | quotas                    |  
• | routerl3agentbindings     |  
• | routerroutes              |  
• | routers                   |  
• | securitygroupportbindings |  
• | securitygrouprules        |  
• | securitygroups            |  
• | subnetroutes              |  
• | subnets                   |  
• +---------------------------+  

4 Neutron的配置

Neutron的配置应该说是比Openstack的其他组件复杂一点。

常用的配置模型有两种，

• 把Neutron Server放在控制节点上，DHCP和L3代理放在网络节点上，可参考一下官图。

• 把Neutron的所有部分放在单独的网络节点上。这种方式就是把上图部署在控制节点中的neutron-server放到网络节点上。

因为网络配置不像网络使用那么频繁，所以通常建议使用第一种方案，没有必要单独把neutron-server拿出来。因为neutron-server是可单独部署的，我们就拿第二种方案作为例子。
系统使用ubuntu12.04，软件的安装我们就不说了，这里我们采用Open vSwitch插件。（针对虚拟交换机Open vSwitch，Neutron建议是使用ML2插件的，但这里我们为了加深对插件和插件代理的理解，还是沿用了OpenvSwitch插件）。

4.1 计算节点的配置安装完软件包以后，计算节点应该就有OpenvSwitch的代理在运行，使用ps命令可以看到如下进程。
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• /usr/bin/python /usr/bin/neutron-openvswitch-agent --config-file=/etc/neutron/neutron.conf --config-file=/etc/neutron/plugins/openvswitch/ovs_neutron_plugin.ini  

这里我们可以看到代理读取了2个配置文件。

neutron.conf主要需要设置如下几项：
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• core_plugin = neutron.plugins.openvswitch.ovs_neutron_plugin.OVSNeutronPluginV2<span style="white-space:pre">   </span>//插件类型  
• auth_strategy = keystone<span style="white-space:pre">  </span>// 授权方式  
• rabbit_host = 192.168.122.1<span style="white-space:pre">   </span>//处理消息队列的主机地址  
• [keystone_authtoken]<span style="white-space:pre">  </span>//keystone信息，这里只是我的例子信息  
• auth_host = 192.168.122.1  
• auth_port = 35357  
• auth_protocol = http  
• admin_tenant_name = service  
• admin_user = neutron  
• admin_password = neutron  
• auth_url = http://192.168.122.1:35357/v2.0  
• connection = mysql://neutron:neutron@192.168.122.100/neutron<span style="white-space:pre">  </span>//DB信息  

neutron.conf会默认包含另一个配置文件api-paste.ini，对它只需添加keystone信息。
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• auth_host=192.168.122.1  
• admin_user=neutron  
• admin_tenant_name=service  
• admin_password=neutron  

ovs_neutron_plugin.init主要需要设置以下几项，以vlan为例：
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• tenant_network_type = vlan<span style="white-space:pre">    </span>//网络类型，例如vlan，gre  
• network_vlan_ranges = physnet1:1000:2999<span style="white-space:pre">  </span>//vlanID  
• bridge_mappings = physnet1:br-int<span style="white-space:pre"> </span>//用于计算节点上客户机内部网络的网桥  
• firewall_driver = neutron.agent.linux.iptables_firewall.OVSHybridIptablesFirewallDriver  

4.2 网络节点的配置
安装完软件后，网络节点应该会有如下进程在运行。
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• /usr/bin/python /usr/bin/neutron-dhcp-agent --config-file=/etc/neutron/neutron.conf --config-file=/etc/neutron/dhcp_agent.ini  
• /usr/bin/python /usr/bin/neutron-metadata-agent --config-file=/etc/neutron/neutron.conf --config-file=/etc/neutron/metadata_agent.ini  
• /usr/bin/python /usr/bin/neutron-l3-agent --config-file=/etc/neutron/neutron.conf --config-file=/etc/neutron/l3_agent.ini  
• /usr/bin/python /usr/bin/neutron-server --config-file /etc/neutron/neutron.conf --config-file /etc/neutron/plugins/openvswitch/ovs_neutron_plugin.ini  
• /usr/bin/python /usr/bin/neutron-openvswitch-agent --config-file=/etc/neutron/neutron.conf --config-file=/etc/neutron/plugins/openvswitch/ovs_neutron_plugin.ini  

你会看到每个部分会用到哪个配置文件。

neutron.conf和api-paste.ini的配置与计算节点上是一样的。

dhcp_agent.ini的主要设置以下几项。看内容可理解其意义。
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• interface_driver = neutron.agent.linux.interface.OVSInterfaceDriver  
• dhcp_driver = neutron.agent.linux.dhcp.Dnsmasq  

metadata_agent.ini的设置主要是keystone相关的。
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• auth_url = http://192.168.122.1:5000/v2.0  
• auth_region = regionOne  
• admin_tenant_name = service  
• admin_user = neutron  
• admin_password = neutron  
• nova_metadata_ip = 192.168.122.1  
• metadata_proxy_shared_secret = meta<span style="white-space:pre">   </span>//proxy的密码，个人设置  

l3_agent.init的设置。
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• interface_driver = neutron.agent.linux.interface.OVSInterfaceDriver  

ovs_neutron_plugin.ini的配置和计算节点上的一样。

4.3 节点上OVS的配置
计算节点和网络节点的NIC配置非常相似，我们都是用第二个NIC（eth1）作为内部网络的通讯。以网络节点为例。eth1不能设置IP地址，而是把IP地址给虚拟桥。
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• auto eth1  
• iface eth1 inet manual  
•         up ifconfig $IFACE 0.0.0.0 up  
•         down ip link set $IFACE down  
• auto br-int   
• iface br-int inet static  
•         address 10.100.1.2  
•         netmask 255.255.255.0  

OVS中把eth1放到虚拟桥上。
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• Bridge br-int  
•     Port "eth1"  
•         Interface "eth1"  
•     Port br-int  
•         Interface br-int  
•             type: internal  

5 结束语
Neutron是openstack的方向，我们有必要花点时间研究一下它。目前对它的担心还是有的，比方说稳定性、可用性，还有性能（以后有机会探讨），但它的灵活性、多功能性是无可比拟的。