赵占旭的博客

OpenvSwitch 流表转换

推荐看一下这篇文章,讲述了各个流表,我们这里着重讲流程和代码,对流表不再细说。

我们主要的关注点还是OVS-DPDK的流表转换,其实和OVS的转换差不多,只不过OVS的Datapath流表位于kernel,报文在Datapath找不到流表即通过netlink上传到Userspace,而OVS-DPDK则是Datapath流表依然位于Userspace,可以看做是一个缓存。查找不到的话直接继续调用其他接口查找Userspace的流表。

主要流程


  • controller会根据网络情况给ovs下发流表,或者命令ovs-ofctl,属于Userspace的流表(ofproto classifier)。
  • 当报文来的时候会先提取key值,然后在Datapath的流表(EMC或者microflow)进行查找匹配,查找到之后会进行action操作
  • 如果没有查找到,就会转而继续查找Datapath的流表(也叫dpcls、TSS classifier、megaflow)。
  • dpcls有好多的子表,根据掩码来分类,需要挨个查找每个子表,如果查找到就会讲带掩码的流表转换成精确匹配的流表,然后匹配转发
  • 如果匹配不到就会将key和报文传递给Userspace进行匹配
  • Userspace的查找会根据优先级和对每个table进行查找,然后执行相应的操作,最后匹配的所有流表会进行组合生成更简单的一些流表,比如table 0有n0条流表,一直到table 24有n24条流表,那么最终生成的dpcls流表可能有n1 x n2 x … x n24中可能性
  • 将生成的流表转换安装到dpcls,然后转换安装到EMC
  • 如果匹配不到的话会丢弃或者上报packet in给controller

边界点


  • EMC是以pmd为边界的,每个pmd都有自己的一套EMC
  • dpcls是以端口边界的,每个端口都有自己的dpcls流表
  • ofproto classifier是以桥为边界的,每个桥都有自己的流表

流表下发


其实前面我们说到了三种存在形式的流表,这里流表下发只是下到了ofproto classifier了,其他的都是需要报文去触发去上一级拉取相应的流表。

流表发送

流表下发一般是两种方式:

  • controller,根据情况生成流表,通过openflow协议下发flow mod给ovs的Userspace流表。
  • 命令ovs-ofctl,这个是根据命令情况生成流表,通过openflow协议下发flow mod给ovs的Userspace流表。

流表下发我们就先不去看了,因为我目前的原则是操作命令先不看,先看服务,controller后面会看ovn的,到时候单独来写。

流表接收

流表接收是指将命令行或者controller下发的流表接收,并且暂存。

服务启动

ovs-vswitchd.c的路径为main-->bridge_run-->bridge_run__(针对每个桥运行ofproto)-->ofproto_run(信息量大,暂时忽略)-->handle_openflow

handle_openflow-->handle_openflow__

  • 提取openflow协议的类型
  • 简单介绍下部分openflow的协议类型
    • ECHO是握手
    • FEATURES是同步版本和特性
    • CONFIG是同步配置
    • PACKET_OUT发包
    • PORT_MOD修改端口信息
    • FLOW_MOD修改流表,这个是最关键的
    • GROUP_MOD, TABLE_MOD, METER_MOD
  • 最重要的OFPTYPE_FLOW_MOD的操作为handle_flow_mod主要是对流表的操作

handle_flow_mod

  • ofputil_decode_flow_mod主要是将FLOW_MOD信息解析到ofputil_flow_mod结构中
  • handle_flow_mod__-->ofproto_flow_mod_init主要是将上面ofputil_flow_mod结构的数据解析到结构ofproto_flow_mod中。
  • handle_flow_mod__-->ofproto_flow_mod_start支持了流表添加、删除、修改的操作,我们主要关注添加,即add_flow_start

ofproto_flow_mod_init

ofproto_flow_mod_init涉及到数据结构的转换,我们先看下两个数据结构,然后看一下怎么转换的

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struct ofputil_flow_mod {
struct ovs_list list_node; /* For queuing flow_mods. */

//匹配项,支持standard和OXM两种类型
struct match match;
//流表优先级
int priority;
//添加流表时这两项为0
ovs_be64 cookie; /* Cookie bits to match. */
ovs_be64 cookie_mask; /* 1-bit in each 'cookie' bit to match. */
ovs_be64 new_cookie; /* New cookie to install or UINT64_MAX. */
bool modify_cookie; /* Set cookie of existing flow to 'new_cookie'? */
//流表的table id,只有删除的时候不需要指定
uint8_t table_id;
//操作命令,是添加、删除还是修改
uint16_t command;
//空闲超时时间,即流表没有报文之后多长时间销毁流表
uint16_t idle_timeout;
//硬超时时间,从建立起多长时间销毁流表,不论有木有报文
uint16_t hard_timeout;
uint32_t buffer_id;
//出端口
ofp_port_t out_port;
uint32_t out_group;
//一些操作标识,比如要不要统计等等
enum ofputil_flow_mod_flags flags;
uint16_t importance; /* Eviction precedence. */
//操作
struct ofpact *ofpacts; /* Series of "struct ofpact"s. */
size_t ofpacts_len; /* Length of ofpacts, in bytes. */
};

ofputil_flow_mod的数据转换为ofproto_flow_mod的数据

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struct ofproto_flow_mod {
//rculist链表,里面存储了match项,和上面的match项还是有差别的
//上面的match结构主要是flow和mask两个结构
//rule里面的是minimatch,里面包含了上面的两个flow,并且还有flowmap
//rule的其他信息基本上是从上面拷贝过来的
struct rule *temp_rule;
struct rule_criteria criteria;
//和actions相关的,不太明白
struct cls_conjunction *conjs;
size_t n_conjs;

//以下两条直接从上面数据结构拷贝
uint16_t command;
bool modify_cookie;
//允许添加流表
bool modify_may_add_flow;
//取自上面的flags,是否保持统计,false表示重新统计
bool modify_keep_counts;
enum nx_flow_update_event event;

ovs_version_t version;

bool learn_adds_rule; /* Learn execution adds a rule. */
struct rule_collection old_rules; /* Affected rules. */
struct rule_collection new_rules; /* Replacement rules. */
};
  • 首先直接拷贝过来的结构包括command、modify_cookie
  • 然后根据操作的命令执行不同的函数,我先关注添加,即调用add_flow_init
    • 没有指定table_id则指定table_id为0
    • 根据指定的table_id找到数据结构oftable
    • 调用cls_rule_initofproto_rule_create创建ofm->temp_rule,这个接下来详细说下,主要是priority和match的填充
    • 调用get_conjunctions获取根据上面的ofpacts填充下面的conjs,这块还是不太懂,是和action相关的信息
rule创建

要看rule创建,我们首先了解一下rule的数据结构,然后看一下当前填充的priority和match

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struct rule {
//包含自己的ofproto
struct ofproto *const ofproto; /* The ofproto that contains this rule. */
const struct cls_rule cr; /* In owning ofproto's classifier. */
//流表中看到的table_id
const uint8_t table_id; /* Index in ofproto's 'tables' array. */

//流表状态,包括初始化、插入和删除
enum rule_state state;

//用于释放的引用计数
struct ovs_refcount ref_count;

const ovs_be64 flow_cookie; /* Immutable once rule is constructed. */
struct hindex_node cookie_node OVS_GUARDED_BY(ofproto_mutex);

enum ofputil_flow_mod_flags flags OVS_GUARDED;

//对应上面的两个超时
uint16_t hard_timeout OVS_GUARDED; /* In seconds from ->modified. */
uint16_t idle_timeout OVS_GUARDED; /* In seconds from ->used. */

/* Eviction precedence. */
const uint16_t importance;

uint8_t removed_reason;

struct eviction_group *eviction_group OVS_GUARDED_BY(ofproto_mutex);
struct heap_node evg_node OVS_GUARDED_BY(ofproto_mutex);

//action操作
const struct rule_actions * const actions;

/* In owning meter's 'rules' list. An empty list if there is no meter. */
struct ovs_list meter_list_node OVS_GUARDED_BY(ofproto_mutex);

enum nx_flow_monitor_flags monitor_flags OVS_GUARDED_BY(ofproto_mutex);
uint64_t add_seqno OVS_GUARDED_BY(ofproto_mutex);
uint64_t modify_seqno OVS_GUARDED_BY(ofproto_mutex);

struct ovs_list expirable OVS_GUARDED_BY(ofproto_mutex);

long long int created OVS_GUARDED; /* Creation time. */

long long int modified OVS_GUARDED; /* Time of last modification. */
};
cls_rule_init

该函数主要是填充的ofm->temp_rule->cr

  • cls_rule_init__是将priority填充
  • minimatch_init主要是将match填充,主要将struct match中的flow和wc分别填充到struct minimatch的flow和mask
ofproto_rule_create

该函数主要是创建ofm->temp_rule,并且填充一系列的内容,包括上面的new_cookie、idle_timeout、hard_timeout、flags、importance、ofpacts等

  • ofproto->ofproto_class->rule_alloc申请rule空间
  • rule->ofproto = ofproto指向自己的father
  • 初始化引用计数ref_count
  • 复制过来new_cookie、idle_timeout、hard_timeout、flags、importance
  • 记录创建时间
  • 调用rule_actions_create来填充之前的ofpacts信息
  • 调用rule_construct进行一些信息的初始化

add_flow_start

  • classifier_find_rule_exactly从流表指定的table(table_id)的classifier中通过掩码找到子表,在子表中进行匹配,必须找到匹配项,并且优先级和rule版本匹配,则找到流表,否则都是不匹配返回NULL
  • 没有匹配到规则,则需要判定规则总数是否超过最大值(UINT_MAX),超过需要删除一条流表。实际操作就是用新的流表替换掉旧的流表
  • 如果找到匹配的规则,说明已有规则,则需要用新的流表替换掉旧的流表
  • replace_rule_start主要操作就是新的流表替换旧的流表的操作,如果存在旧流表,则调用ofproto_rule_remove__删除,然后调用ofproto_rule_insert__classifier_insert添加流表。其中classifier_insert主要是将rule->cr添加到table->cls中

ofproto_rule_insert__

该函数主要是将rule插入到ofproto中去,上面有了rule的数据结构,下面我们看一下ofproto数据结构存储了什么信息

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struct ofproto {
struct hmap_node hmap_node; /* In global 'all_ofprotos' hmap. */
const struct ofproto_class *ofproto_class;
char *type; /* Datapath type. */
char *name; /* Datapath name. */

/* Settings. */
uint64_t fallback_dpid; /* Datapath ID if no better choice found. */
uint64_t datapath_id; /* Datapath ID. */
bool forward_bpdu; /* Option to allow forwarding of BPDU frames
* when NORMAL action is invoked. */
char *mfr_desc; /* Manufacturer (NULL for default). */
char *hw_desc; /* Hardware (NULL for default). */
char *sw_desc; /* Software version (NULL for default). */
char *serial_desc; /* Serial number (NULL for default). */
char *dp_desc; /* Datapath description (NULL for default). */
enum ofputil_frag_handling frag_handling;

/* Datapath. */
struct hmap ports; /* Contains "struct ofport"s. */
struct shash port_by_name;
struct simap ofp_requests; /* OpenFlow port number requests. */
uint16_t alloc_port_no; /* Last allocated OpenFlow port number. */
uint16_t max_ports; /* Max possible OpenFlow port num, plus one. */
struct hmap ofport_usage; /* Map ofport to last used time. */
uint64_t change_seq; /* Change sequence for netdev status. */

/* Flow tables. */
long long int eviction_group_timer; /* For rate limited reheapification. */
struct oftable *tables;
int n_tables;
ovs_version_t tables_version; /* Controls which rules are visible to
* table lookups. */

/* Rules indexed on their cookie values, in all flow tables. */
struct hindex cookies OVS_GUARDED_BY(ofproto_mutex);
struct hmap learned_cookies OVS_GUARDED_BY(ofproto_mutex);

/* List of expirable flows, in all flow tables. */
struct ovs_list expirable OVS_GUARDED_BY(ofproto_mutex);

/* Meter table.
* OpenFlow meters start at 1. To avoid confusion we leave the first
* pointer in the array un-used, and index directly with the OpenFlow
* meter_id. */
struct ofputil_meter_features meter_features;
struct meter **meters; /* 'meter_features.max_meter' + 1 pointers. */

/* OpenFlow connections. */
struct connmgr *connmgr;

int min_mtu; /* Current MTU of non-internal ports. */

/* Groups. */
struct cmap groups; /* Contains "struct ofgroup"s. */
uint32_t n_groups[4] OVS_GUARDED; /* # of existing groups of each type. */
struct ofputil_group_features ogf;

/* Tunnel TLV mapping table. */
OVSRCU_TYPE(struct tun_table *) metadata_tab;

/* Variable length mf_field mapping. Stores all configured variable length
* meta-flow fields (struct mf_field) in a switch. */
struct vl_mff_map vl_mff_map;
};
  • 如果有超时时间的设置,调用ovs_list_insert将rule->expirable添加到ofproto->expirable
  • 调用cookies_insertrule->cookie_node插入ofproto->cookies
  • eviction_group_add_rule先不管
  • 如果有meter配置,调用meter_insert_rule
  • 有group的话,调用ofproto_group_lookupgroup_add_rule

EMC查找


首先是报文接收,路径之前我们写过,pmd_thread_main-->dp_netdev_process_rxq_port-->netdev_rxq_recv-->netdev_dpdk_vhost_rxq_recv-->dp_netdev_input-->dp_netdev_input__进行报文的处理。查找到就直接进行操作即可,如果查找不到的话就需要去dpcls进行查找了,找到后调用emc_insert安装EMC流表。

key值提取

emc_processing-->miniflow_extract会进行key值的提取。这块相对比较简单,我们就不看了,主要就是提取L2、L3、L4的报文协议头。

emc_processing

  • 因为之前收取报文,一次最多NETDEV_MAX_BURST(32)个报文,所以是循环查表
  • miniflow_extract主要是讲报文的信息提取到key->mf
  • dpif_netdev_packet_get_rss_hash是获取rss计算的hash值,如果没有计算,则调用miniflow_hash_5tuple计算出hash值
  • emc_lookup主要是在pmd的flowcache中查找表项,必须是hash值、key->mf、并且流表是alive的
  • 如果匹配,dp_netdev_queue_batches主要是将报文添加到批处理中
  • 如果不匹配,记录下不匹配的报文
  • 循环持续到处理完所有的报文
  • dp_netdev_count_packet主要是统计一下丢弃的报文、不匹配的报文、和EMC匹配的报文数

dpcls查找


上面EMC查找匹配的报文会放在批处理里面,还会剩下不匹配的报文,接下来会在dpcls中查找。

fast_path_processing

  • dp_netdev_pmd_lookup_dpcls根据报文入端口从pmd找出对应的classifier
  • 如果找不到classifier,则记录为miss
  • 如果找到则继续调用dpcls_lookup从各个子表找到合适的流表,只要有一个报文不匹配也记录为miss
  • 如果都匹配则继续下面的操作,如果有不匹配的报文,尝试upcall的读锁
  • 获取读锁失败,删掉不匹配的报文
  • 获取读锁成功,则调用dp_netdev_pmd_lookup_flow重新查一下,以防意外收获,查找到了就继续
  • 如果依然没有查询到,则调用handle_packet_upcall继续调用到ofproto classifier的流表查找。
  • 接下来对报文检测已经匹配到流表的,调用emc_insert将流表插入EMC中
  • 最后调用dp_netdev_queue_batches将报文加入批处理中
  • 记录丢弃的报文、不匹配的报文、查找的报文和匹配掩码的报文

dpcls_lookup比较复杂,主要是根据不同的掩码进行子表的区分,然后拿着报文分别去所有的子表用key和mask计算出hash,查看子表中有没有相应的node,如果有的话查看是否有hash冲突链,最终查看是否有匹配key值的表项。我们直接看一下代码

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static bool
dpcls_lookup(struct dpcls *cls, const struct netdev_flow_key keys[],
struct dpcls_rule **rules, const size_t cnt,
int *num_lookups_p)
{
typedef uint32_t map_type;
#define MAP_BITS (sizeof(map_type) * CHAR_BIT)

struct dpcls_subtable *subtable;

//keys_map所有位都置1
map_type keys_map = TYPE_MAXIMUM(map_type); /* Set all bits. */
map_type found_map;
uint32_t hashes[MAP_BITS];
const struct cmap_node *nodes[MAP_BITS];

//清除多余的位,只记录跟报文一样多的位
if (cnt != MAP_BITS) {
keys_map >>= MAP_BITS - cnt; /* Clear extra bits. */
}
memset(rules, 0, cnt * sizeof *rules);

int lookups_match = 0, subtable_pos = 1;

//dpcls是由众多的subtables组成,当新的规则插入时,子表根据情况动态创建。
//每个子表都是根据掩码来区分的,我们通过key和子表的掩码进行计算,
//找到匹配的表项,因为不会重复,所以只要找到即可停止
//以下就是循环所有子表进行查找
PVECTOR_FOR_EACH (subtable, &cls->subtables) {
int i;

//这个循环是找到keys_map是1的最低位是多少,一开始的时候肯定全是1,就是从0开始
//然后根据报文的key和mask计算出hash存储起来,继续下一个1的位
//直到计算出所有报文hash值,下面会去匹配表项的
//hash值的计算可以通过cpu加速,需要cpu支持,并且编译时配置"-msse4.2"
ULLONG_FOR_EACH_1(i, keys_map) {
hashes[i] = netdev_flow_key_hash_in_mask(&keys[i],
&subtable->mask);
}
//从子表中进行hash值的匹配,将匹配到node的报文的bit置1到found_map
found_map = cmap_find_batch(&subtable->rules, keys_map, hashes, nodes);
//在找到匹配node的报文的冲突hash链中继续详细匹配报文
ULLONG_FOR_EACH_1(i, found_map) {
struct dpcls_rule *rule;
//冲突链中继续检测key值是否匹配
CMAP_NODE_FOR_EACH (rule, cmap_node, nodes[i]) {
if (OVS_LIKELY(dpcls_rule_matches_key(rule, &keys[i]))) {
//找到匹配的规则,则记录一下,后面会用到
rules[i] = rule;
subtable->hit_cnt++;
lookups_match += subtable_pos;
goto next;
}
}
//不匹配则将该位设置为0
ULLONG_SET0(found_map, i); /* Did not match. */
next:
; /* Keep Sparse happy. */
}
//清除已经匹配流表的位
keys_map &= ~found_map; /* Clear the found rules. */
if (!keys_map) {
if (num_lookups_p) {
*num_lookups_p = lookups_match;
}
return true; /* All found. */
}
subtable_pos++;
}
if (num_lookups_p) {
*num_lookups_p = lookups_match;
}
return false; /* Some misses. */
}

EMC流表安装


dpcls会查找到rules,然后rules转换成flow,最后调用emc_insert将流表插入到EMC中。

emc_insert

  • 根据key->hash找到hash桶,并且进行轮询
  • 查看是否有匹配的key值,有的话调用emc_change_entry修改流表。
  • 如果没有匹配的就会根据算法记录一个entry,用来替代
  • 循环完毕之后,调用emc_change_entry替代之前不用的流表

emc_change_entry

操作很简单,就是赋值netdev_flow_key和dp_netdev_flow

ofproto classifier查找


handle_packet_upcall

  • miniflow_expand讲key->mf解析到match.flow
  • dpif_flow_hash根据key值计算出hash
  • dp_netdev_upcall是进一步调用去ofproto classifier查表的接口,如果失败则删除报文
  • dp_netdev_execute_actions可能是直接执行action,后期需要看看为什么不能放入批处理,现在还不明白
  • dp_netdev_pmd_lookup_flow需要重新查找dpcls,没有查找到则调用dp_netdev_flow_add添加流表
  • emc_insert讲dpcls的流表插入EMC中

dp_netdev_upcall-->upcall_cb

  • upcall_receive主要是将一堆信息解析到upcall中
  • process_upcall根据upcall的类型MISS_UPCALL确定调用函数upcall_xlate

upcall_xlate

  • xlate_in_init主要是将upcall的数据转给xlate_in
  • xlate_actions主要是进行流表查找

xlate_actions

  • 调用xbridge_lookup查找对应的xbridge信息
  • 根据当前掌握的一堆信息生成一个结构xlate_ctx
  • xlate_wc_init主要是初始化通配符的一些已知的项
  • rule_dpif_lookup_from_table会查找指定table的流表,默认是table 0,用一个循环去遍历每一个table,然后知道找到匹配的rule
  • do_xlate_actions主要是执行所有的action,轮询所有的action,并且根据具体的情况进行相应的操作。
  • tun_metadata_to_geneve_udpif_mask给geneve封装metadata

rule_dpif_lookup_from_table

  • 如果报文分片,默认是设置源目的端口都设置为0,其他情况下丢弃报文。
  • 遍历所有的table,每次都会调用rule_dpif_lookup_in_table去查找rule,如果找到最终找到之后返回,找不到的话就会去下一个table找。
  • 如果遍历完成都找不到,则返回miss_rule

do_xlate_actions

  • 根据查找到的rule,遍历所有的action,支持的有OFPACT_OUTPUT、OFPACT_GROUP、OFPACT_CONTROLLER、OFPACT_ENQUEUE、OFPACT_SET_VLAN_VID、OFPACT_SET_VLAN_PCP、OFPACT_STRIP_VLAN、OFPACT_PUSH_VLAN、OFPACT_SET_ETH_SRC、OFPACT_SET_ETH_DST、OFPACT_SET_IPV4_SRC、OFPACT_SET_IPV4_DST、OFPACT_SET_IP_DSCP、OFPACT_SET_IP_ECN、OFPACT_SET_IP_TTL、OFPACT_SET_L4_SRC_PORT、OFPACT_SET_L4_DST_PORT、OFPACT_RESUBMIT、OFPACT_SET_TUNNEL、OFPACT_SET_QUEUE、OFPACT_POP_QUEUE、OFPACT_REG_MOVE、OFPACT_SET_FIELD、OFPACT_STACK_PUSH、OFPACT_STACK_POP、OFPACT_PUSH_MPLS、OFPACT_POP_MPLS、OFPACT_SET_MPLS_LABEL、OFPACT_SET_MPLS_TC、OFPACT_SET_MPLS_TTL、OFPACT_DEC_MPLS_TTL、OFPACT_DEC_TTL、OFPACT_NOTE、OFPACT_MULTIPATH、OFPACT_BUNDLE、OFPACT_OUTPUT_REG、OFPACT_OUTPUT_TRUNC、OFPACT_LEARN、OFPACT_CONJUNCTION、OFPACT_EXIT、OFPACT_UNROLL_XLATE、OFPACT_FIN_TIMEOUT、OFPACT_CLEAR_ACTIONS、OFPACT_WRITE_ACTIONS、OFPACT_WRITE_METADATA、OFPACT_METER、OFPACT_GOTO_TABLE、OFPACT_SAMPLE、OFPACT_CLONE、OFPACT_CT、OFPACT_CT_CLEAR、OFPACT_NAT、OFPACT_DEBUG_RECIRC,因为action太多,我们先介绍几个常用的
  • OFPACT_OUTPUTxlate_output_action会根据端口情况进行一些操作,这块不细看了
  • OFPACT_CONTROLLERexecute_controller_action生成一个packet_in报文,然后发送
  • OFPACT_SET_ETH_SRCOFPACT_SET_ETH_DSTOFPACT_SET_IPV4_SRCOFPACT_SET_IPV4_DSTOFPACT_SET_IP_DSCPOFPACT_SET_IP_ECNOFPACT_SET_IP_TTLOFPACT_SET_L4_SRC_PORTOFPACT_SET_L4_DST_PORT,修改源目的mac、IP以及DSCP、ECN、TTL和L4的源目的端口
  • OFPACT_RESUBMITxlate_ofpact_resubmit会继续查找指定的table的流表
  • OFPACT_SET_TUNNEL,设置tunnel id
  • OFPACT_CTcompose_conntrack_action执行完ct的设置之后回调do_xlate_actions执行其他的action

rule_dpif_lookup_from_table-->rule_dpif_lookup_in_table-->classifier_lookup-->classifier_lookup__

  • 遍历所有子表,然后调用find_match_wc根据流表和掩码计算hash,然后进行对子表的各个rule进行匹配比较、
  • 如果是严格匹配的话就直接返回,不是严格匹配的话还有一系列操作,暂时先不写了。

dpcls 流表安装

handle_packet_upcall-->dp_netdev_flow_add-->dpcls_insert主要是根据掩码找到相应的子表,然后插入当前的流表

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