OpenStack虚机网卡的创建过程

OpenStack最基本和常用的操作就是启动虚机。虚机启动的过程中涉及很多内容，其中非常重要的一个环节就是创建并绑定虚机的虚拟网卡。虚机的创建和管理是Nova的任务，虚机网络的创建和管理是Neutron的任务，而虚机网卡，作为连接虚机和虚机网络的桥梁，其创建和管理则同时涉及了Nova和Neutron。这次介绍一下，OpenStack中虚机的网卡的创建过程。虽然本文的介绍将基于OpenVSwitch，但是你可以发现，很少有特殊于OpenVSwitch的地方，所以其他的二层机制（例如：Linux Bridge）过程都是类似的。 注：本文的所有分析都是基于OpenStack 17年上半年的代码（Pike版本），因此本文只反应OpenStack在那个时间点的行为。

先假设我们有一个典型的基于OpenVSwitch的OpenStack环境，服务的分布如下。

Neutron L2 Agent上线： 首先是所有的服务上线，看neutron-openvswitch-agent的启动。

• OpenVSwitch agent 启动，注册一个定时程序：neutron.plugins.ml2.drivers.openvswitch.agent.ovs_neutron_agent.OVSNeutronAgent.__init__
• 在定时程序内部，通过RPC向Neutron Server定时上报自己的状态：neutron.plugins.ml2.drivers.openvswitch.agent.ovs_neutron_agent.OVSNeutronAgent._report_state
• 在Neutron Server，对应的RPC处理方法中，Neutron Server将Agent上报的状态写入自己的DB：neutron.db.agents_db.AgentExtRpcCallback.report_state

到此为止，Neutron Server知道了Neutron OpenVSwitch Agent的状态及相关信息，这一步的示意图如下所示。

设想有这么一个场景，如果同时有N个计算节点，由于电源问题，这些计算节点同时断电重启。那么当这些计算节点上的OpenVSwitch Agent恢复之后，由于启动时间比较集中，它们会在一个相对集中的时间点，定时向Neutron Server上报自己的状态。这涉及到Neutron Server处理RPC请求，写DB，还有一些逻辑处理。所以当N足够大时，会周期性的给Neutron Server带来高负荷。这是实际应用和优化需要注意的一个地方。

创建一个虚机，OpenStack创建逻辑端口（port）

接下来通过调用Nova的REST API创建一个虚机，并且nova scheduler将虚机分布到了计算节点。Nova计算节点上的nova-compute进程会：

• 调用Neutron REST API创建端口（port）：nova.network.neutronv2.api.API.allocate_for_instance

这里创建端口只是逻辑验证，Neutron Server会在自己的DB里面创建一个相应的，基本为空的端口

• 根据Nova掌握的信息，更新端口：nova.network.neutronv2.api.API._update_ports_for_instance

这里nova向Neutron传递的端口信息包括（列举一部分）：

• device_id: 虚机的uuid
• device_owner: 由compute+虚机所在的Nova Availability Zone组成的字符串，例如“compute: nova”
• dns_name: 虚机的hostname, 通常为虚机name
• binding:host_id: nova-compute所在的host id，可以是hostname，也可以是IP地址
• binding:profile: 一些额外的信息，例如SRIOV信息

Neutron Server在收到这些信息之后，主要处理流程如下：

• nova-compute调用Neutron Server更新端口，请求在这里处理：neutron.plugins.ml2.plugin.Ml2Plugin.update_port
• 之后处理port bind：neutron.plugins.ml2.plugin.Ml2Plugin._bind_port
• 调用到Neutron ML2的Mechanism Manger做port bind：neutron.plugins.ml2.manager.MechanismManager._bind_port_level
• 再调用到Neutron ML2的OpenVSwitch Mechanism Driver做实际的port bind：neutron.plugins.ml2.drivers.mech_agent.AgentMechanismDriverBase.bind_port

1. 虽然这是个通用类，但是OVS Mechanism Driver继承自这个类。
2. 在这个方法里面，会检查在指定的host上有没有相应的L2 Agent，所以这一步依赖之前一步的Neutron OpenVSwitch Agent状态上报
3. 这里的host信息来自于nova-compute传递过来的binding:host_id

• 将OVS对应的vif_type和vif_details两个属性传递给port：neutron.plugins.ml2.drivers.mech_agent.SimpleAgentMechanismDriverBase.try_to_bind_segment_for_agent
• OVS的vif_type和vif_details在OVS Mechanism Driver的初始化函数里面定义：neutron.plugins.ml2.drivers.openvswitch.mech_driver.mech_openvswitch.OpenvswitchMechanismDriver.__init__

这里，定义了OVS对应的vif_type是“ovs”，而vif_details包含了一些辅助信息 vif_details里面包含了一个字段OVS_HYBRID_PLUG，如果这个字段为True，则最后虚机的网卡和br-int之间会有一个Linux Bridge来应用iptables规则。如果你了解过OpenStack底层OpenVSwitch网卡连接方式，那么你一定见过下面这张图，其中浅紫色的qbrXXX，就是因为这个字段为True才会在后面的步骤被创建。

这部分Neutron的行为都是在ML2中完成，如果你对其中一些概念不清楚，可以参考我之前介绍的ML2架构。这部分除了更新Neutron自身的数据之外，比较重要的就是将vif_type和vif_details作为port的一部分数据，返回给nova-compute。到此为止，虚机的网卡还没有创建，所有的操作都还只是在逻辑层面，只有数据库的数据发生了变化。并且，在Neutron的数据库中，port的状态现在是Down。但是，Nova和Neutron都知道了接下来要创建的网卡的具体信息，这一步的实际意义在于两个相对独立的项目之间的数据同步。现在，OpenStack整体示意图如下所示：

Nova-compute创建虚拟网卡

虽然说Neutron是OpenStack里面的网络服务项目，但是OpenStack里面的虚机网卡，却是由Nova创建的。nova-compute在从Neutron Server拿到了端口的信息之后（通过update port的返回数据）：

• 调用相应的虚拟化Driver，继续创建虚机：nova.compute.manager.ComputeManager._build_and_run_instance
• 在Driver内部，创建网络相关内容：nova.virt.libvirt.driver.LibvirtDriver.spawn
• 在Driver内部，通过调用os-vif库，创建虚机网卡。由于nova-compute现在已经知道了虚机网卡的所有信息，适用于虚机的网卡被创建出来：nova.virt.libvirt.driver.LibvirtDriver.plug_vifs

至此，虚机的虚拟网卡真正的创建出来了。但是，在Neutron的数据库中，port的状态现在是Down。到此为止，OpenStack的整体示意图如下所示：

Neutron检测虚拟网卡状态并更新port状态

虚机的虚拟网卡被插入到OVS网桥上，对于Neutron来说，接下来就是接管这个网卡。

• Neutron OpenVSwitch Agent进程中会监听OVS网桥的状态：neutron.plugins.ml2.drivers.openvswitch.agent.ovs_neutron_agent.OVSNeutronAgent.rpc_loop
• 当发现有新增的虚拟网卡时，先从Neutron Server获取详细的网卡信息：neutron.plugins.ml2.drivers.openvswitch.agent.ovs_neutron_agent.OVSNeutronAgent.treat_devices_added_or_updated

nova-compute在创建虚拟网卡的时候，已经将Neutron port id和一些其他信息写入到OVS port/interface中，因此Neutron从新增的虚拟网卡就能知道对应的port是那个，下图是截取的OVS数据，里面的iface-id就是Neutron port对应的ID

• Neutron OpenVSwitch Agent本地更新完虚拟网卡之后，再通过RPC通知Neutron Server端口上线：neutron.plugins.ml2.drivers.openvswitch.agent.ovs_neutron_agent.OVSNeutronAgent._bind_devices

至此，Neutron已经接管了虚拟网卡，并且在Neutron的数据库中，port的状态现在是Active。Neutron从这个时候开始正式接管虚机网络。OpenStack整体示意图如下所示：

总结

所以，简单来说，在OpenStack中，首先需要各个服务上线；之后Nova会创建逻辑网卡，但是Nova只知道虚机所在的host；Neutron会根据所在的host，判断出相应的网络虚拟化机制，例如ovs，linuxbridge，Neutron会把这些信息回传给Nova；Nova拿到这些信息，调用相应的方法创建虚拟网卡，并接入到虚机；Neutron会监听网桥上端口的变化，发现有上线的端口，与自己本身的数据进行匹配，匹配到了之后接管这个虚拟网卡。对于Neutron来说，它不关心虚拟网卡接的是虚机还是容器还是别的什么，它只能看到虚拟网卡。