OpenStack在這幾年風生水起。隨著核心模塊穩定性的提高，OpenStack已經有了很多大規模商用的案例，所有與云相關的，無論是商用軟件還是開源平臺都在積極地尋求著與OpenStack的對接，OpenStack正在成為云計算業界事實上的IaaS標準。
在網絡這一口，OpenStack經歷了由nova-network到Quantum再到Neutron的演進過程。我們首先來簡要地看看各個版本網絡的特征：
Nova-network是隸屬于nova項目的網絡實現，它利用了linux-bridge（早期，目前也支持OVS）作為交換機，具備Flat、Flat DHCP、VLAN三種組網模式。優點是性能出色，工作穩定，支持multi-host部署以實現HA；缺點是網絡模塊不獨立，功能不夠靈活，組網模式也比較受限。Quantum作為獨立的網絡管理項目出現在F版本，除了linux-bridge外還支持OVS，以及以及其他商業公司的插件，組網模式上增加了對GRE和VxLAN兩個Overlay技術的支持。優點是功能靈活，支持大二層組網；缺點是集中式的網絡節點缺乏HA，而且各廠商插件無法同時在底層網絡中運行。Neutron出現在H版本，由來是Quantum和一家公司的名稱沖突而改名。Neutron對Quantum的插件機制進行了優化，將各個廠商L2插件中獨立的數據庫實現提取出來，作為公共的ML2插件存儲租戶的業務需求，使得廠商可以專注于L2設備驅動的實現，而ML2作為總控可以協調多廠商L2設備共同運行。Neutron繼承了Quantum對大二層的支持，還支持L2 PoP，DVR，VRRP，HA等關鍵功能，集成了很多L4-L7的網絡服務，一些blueprint也正在積極開發中，如SFC等。優點是開始引入SDN思想，功能上更為豐富，網絡兼容性強；缺點是代碼結構復雜，工作不夠穩定，HA機制仍缺乏大規模商用的檢驗。從應用場景來看，Nova-network組網模式過于簡單，一些復雜的網絡需求無法實現（比如兩個公司合并，有大量IP重合的VM要遷移到一個平臺，而且要求遷移后都要用原來的IP）。不過由于其簡單穩定的特點，仍適合于中小型企業的生產環境；Quantum的實際部署目前基本都跟進到了Neutron；Neutron的大二層組網，適合于云計算規模的生產環境，但是由于分布式和HA機制仍不夠成熟，因此目前多見于私有云和小規模共有云的部署，大規模的公有云仍然難以使用Neutron實現。
Nova-network、Quantum、Neutron的對比分析。
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出現 版本 |
支持組 網模式 |
優點 |
缺點 |
適用場景 |
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| Nova-network | 早期 | FlatFlat DhcpVLAN | 性能出色工作穩定支持multi-host部署
以實現HA |
網絡管理不獨立功能不夠靈活組網方式受限 | 對性能和穩定性要求比較高；中小規模網絡；網絡運維成本有限；私有云環境 |
| Quantum | Folsom | FlatFlat DhcpVLANOverlay | 獨立的網絡管理支持大二層支持多廠商插件 | 缺乏HA機制各廠商插件無法
共同運行 |
基本上已經都跟進到了Neutron |
| Neutron | Havana | FlatFlat DhcpVLANOverlay | 繼承了Quantum的優點功能上更為豐富網絡兼容性強開始引入SDN的思想 | 代碼結構復雜工作不夠穩定HA機制仍缺乏大規模商用的檢驗 | 對功能要求比較多或希望向SDN演進；大規模網絡或對可擴展性要求高；有專業的網絡運維團隊；公有云環境 |
說完了基本特征與應用場景，下面開始對上述提到的一些網絡問題進行詳細的描述。我們拋開技術，結合圖例來抽象地看看不同的組網模型。當然，以下模型的實現不僅僅局限于三張圖中的方式。
Flat模型最為簡單，所有的虛擬機共用一個私有IP網段，IP地址在虛擬機啟動時完成注入，虛擬機間的通信直接通過HyperVisor中的網橋轉發，公網流量在該網段的網關上進行NAT（Nova-network實現為開啟nova-network主機內核的iptables，Neutron實現為網絡節點上的l3-agent）。Flat DHCP模型與Flat區別在于網橋中開啟了DHCP進程，虛擬機通過DHCP消息獲得IP地址（Nova-network實現為nova-network主機中的dnsmaq，Neutron實現為網絡節點上的dhcp-agent）。VLAN模型引入了多租戶機制，虛擬機可以使用不同的私有IP網段，一個租戶可以擁有多個IP網段。虛擬機IP通過DHCP消息獲取IP地址（Nova-network實現為nova-network主機中的dnsmaq，Neutron實現為網絡節點上的dhcp-agent）。網段內部虛擬機間的通信直接通過HyperVisor中的網橋轉發，同一租戶跨網段通信通過網關路由，不同租戶通過網關上的ACL進行隔離，公網流量在該網段的網關上進行NAT（Nova-network實現為開啟nova-network主機內核的iptables，Neutron實現為網絡節點上的l3-agent）。如果不同租戶邏輯上共用一個網關，則無法實現租戶間IP地址的復用。Overlay模型（包括GRE和VxlAN隧道技術），相比于VLAN模型有以下改進。1）租戶數量從4K增加到16million；2）租戶內部通信可以跨越任意IP網絡，支持虛擬機任意遷移；3）一般來說每個租戶邏輯上都有一個網關實例，IP地址可以在租戶間進行復用；4）能夠結合SDN技術對流量進行優化。
看過抽象的組網模型，下面我們來介紹組網具體的實現技術。由于本章的重點是SDN與云，因此下面的介紹都是針對Neutron的，對nova-network和Quantum將不做討論。
首先，我們需要對Neutron的3類節點和3種網絡有所認識。
3類節點——管理節點：實現鏡像、塊存儲、身份認證、前端等服務，運行nova-compute的調度模塊以及nova api-server；計算節點：實現nova-compute，以及neutron的各種agent（一般不包括l3-agent，DVR除外）；網絡節點，：實現neutron各種agent。注意，由于OpenStack為分布式架構實現，因此neutron-server既可以運行在控制節點，也可以運行在網絡節點。3種網絡——OpenStack內部模塊之間的交互發生在管理網絡，虛擬機之間的通信發生在數據網絡，而External Network/API Network網絡是連接外網的，無論是用戶調用Openstack API，還是虛擬機與外網間的互通都需要經過這個網絡。目前OpenStack通常采用out-of-bound方式進行部署，管理網絡與另外兩個網絡是獨立的，也并不涉及復雜的組網需求，下面的分析只針對數據網絡與External Network/API Network網絡。
有了以上知識作為基礎，就可以來分析虛擬機的通信過程了。由于OpenStack中容器的通信機制目前尚不成熟，并且有專門的項目Kuryr去實現容器相關網絡技術，以下內容將不涉及OpenStack中的容器通信。
以下將通過三張圖來分析Neutron中的VLAN組網模型，HyperVisor中的網絡設備以OpenvSwitch為例。這三張圖中每一個信息都是有用的，把這些信息完全弄懂了，Neutron的組網也就能基本掌握了，Overlay模型與VLAN模型的區別只在于將圖中的br-eth1替換成br-tun即可，具體隧道如何進行封裝，后面的文章中我們會詳細介紹。
第一張圖是計算節點上的網絡實現。以虛擬機發出流量方向為例，從虛擬機處開始分析：
1)流量經由虛擬機IP內核交給虛擬網卡處理，虛擬網卡由TAP軟件實現，TAP允許用戶態程序向內核協議棧注入數據，它可以運行于虛擬機操作系統之上，能夠提供與硬件以太網卡完全相同的功能。
2)TAP設備并不是直接連接到OVS上的，而是通過linux bridge中繼到ovs br-int上，其原因在于ovs無法實現linux bridge中一些帶狀態的iptables規則，而這些規則往往用于以虛擬機為單位的安全組（security group）功能的實現。qbr是quantum bridge的縮寫，Neutron中沿用了Quantum的叫法。
3)linux bridge與ovs br int間的連接通過veth-pair技術實現，qvb代表quantum veth bridge，qvo代表quantum veth ovs。veth-pair用于連接兩個虛擬網絡設備，總是成對出現以模擬虛擬設備間的數據收發，其原理是反轉通訊數據的方向，需要發送的數據會被轉換成需要收到的數據重新送入內核網絡層進行處理。veth-pair與tap的區別可以簡單理解為veth-pair是軟件模擬的網線，而tap是軟件模擬的網卡。
4)ovs br-int是計算節點本地的虛擬交換設備，根據neutron-server中OVS Plugin的指導，完成流量在本地的處理：本地虛擬機送入的流量被標記本地VLAN tag，送到本地虛擬機的流量被去掉本地VLAN tag，本地虛擬機間的2層流量直接在本地轉發，本地虛擬機到遠端虛擬機、網關的流量由int-br-eth1送到ovs br-eth1上（在Overlay模型中送到ovs br-tun上）。無論是VLAN模型還是Overlay模型，由于br-int上VLAN數量的限制，計算節點本地最多支持4K的租戶。
5)ovs br-int與ovs br-eth1間的連接通過veth-pair技術實現。
6)ovs br-eth1將該計算節點與其他計算節點、網絡節點連接起來，根據neutron-server中OVS Plugin的指導，完成流量送出、送入本地前的處理：根據底層物理網絡租戶VLAN與本地租戶VLAN間的映射關系進行VLAN ID的轉換（Overlay模型中此處進行隧道封裝，并進行VNI與本地租戶VLAN ID間的映射）。由于底層物理網絡中VLAN數量的限制，VLAN模型最多支持4K的租戶，而Overlay模型中，24位的VNI最多支持16million的租戶。
7)ovs br-eth1直接關聯物理宿主機的硬件網卡eth1，通過eth1將數據包送到物理網絡中。Overlay模型中ovs br-tun通過TUN設備對數據包進行外層隧道封裝并送到HyperVisor內核中，內核根據外層IP地址進行選路，從硬件網卡eth1將數據包送到物理網絡中。TUN與TAP的實現機制類似，區別在于TAP工作在二層，而TUN工作在三層。
第二張圖和第三張圖是網絡節點上的網絡實現，需要結合在一起來看。以流量流入網絡節點方向為例，從底層物理網絡流量通過eth1進入ovs br-eth1（Overlay模型中為ovs br-tun）開始分析：
1)ovs br-eth1將網絡節點與計算節點連接起來，根據neutron-server中OVS Plugin的指導，完成流量送入網絡節點前的處理：根據底層物理網絡租戶VLAN與本地租戶VLAN間的映射關系進行VLAN ID的轉換（Overlay模型中此處進行解封裝，并進行VNI與本地租戶VLAN ID間的映射）。注意，雖然同一租戶在底層物理網絡上的VLAN ID（Overlay模型中為VNI）唯一，但是在網絡節點與計算節點，不同計算節點中同一租戶對應的本地VLAN ID可能有所不同。另外由于網絡節點也要在ovs br-int上使用本地VLAN，而租戶跨網段流量與公網流量都要經過網絡節點，因此使用單個網絡節點時，Neutron最多能支持4K租戶，可采用部署多個網絡節點的方式來解決這一問題。
2)送入網絡節點的流量，由ovs br-eth1（ovs br-tun）通過veth-pair送給ovs br-int，ovs br-int連接了本地不同的namespace，包括實現dhcp功能的dhcp-agent——dnsmasq，以及實現路由功能的l3-agent——router。Dnsmasq負責給對應租戶的虛擬機分配IP地址，而router負責處理租戶內跨網段流量以及公網流量。不同的租戶有不同的dnsmasq和router實例，因此不同租戶間可以實現IP地址的復用。
3)Router namesapce通過qr接口（Quantum Router）接收到租戶內跨網段流量以及公網流量，在ns的IP內核中對跨網段流量進行路由，改寫MAC地址并通過相應的qr接口向ovs br-int送出數據包。在ns的IP內核中對公網流量進行NAT，并通過qg接口（Quantum Gateway）發送給ovs br-ex。
4)Ovs br-ex通過關物理聯宿主機的硬件網卡eth1將流量送至Internet路由器。
5)上述兩幅圖中，ovs br-int與ovs br-ex間有直連，據說主要是防止l3-agent出現問題時能夠保證流量不中斷，但實際上看來很少出現此問題。
上圖是在網上看過的更加細致，更為全面的一張圖，圖中清晰地展示了Neutron對多種L2技術（VLAN、VxLAN、GRE）共同運行的支持。圖中的82599/i350/mellonax是硬件廠商搞出的具備轉發功能的網卡，能夠避免虛擬交換機帶來的資源消耗，并能夠加快轉發速率。一塊這樣的網卡能虛擬出63個VF，每個VF就好像一個獨立的物理網卡一樣，通過將VF直接掛到虛擬機上，能夠實現轉發性能的大幅度提高。
以上介紹了OpenStack中網絡組件的演進，以及Neutron組網的基本原理。下一節我們將對Neutron的軟件實現進行簡單的介紹。
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