Open vSwitch 数据包转发

一、数据包转发流程

Open vSwitch 数据包转发流程如下图所示，其中红色数字序号表示数据包转发的步骤顺序。以下步骤为一个数据包通过 OVS 时的首次处理流程：（步骤序号和图中序号一一对应）

OVS 从设备接口中获取数据包并交给 Datapath 内核模块进行流表匹配
Datapath 检查数据包的头部信息以进行流表匹配，如果匹配成功，则根据转发规则进行转发。但是由于此处是首次处理，所以匹配不到相应的流表，那么就需要通过 upcall 调用让 vswitchd 守护进程生成新的流表（数据包通过 Netlink 传输至 vswitchd 守护进程）
vswitchd 与控制器（一般是 SDN 控制器）通信获取流表（通过 OpenFlow 协议）
vswitchd 将获取到的流表缓存到内核态的 Flow Table 中
vswitchd 通过 reinject 将数据包送回 Datapath 中
Flow Table 将内容同步至 Datapath 模块
Datapath 根据生成的流表进行匹配，并根据相应规则进行数据包的处理，然后将处理后的数据包送至设备接口

所以说，Open vSwitch 在进行数据包转发时，如果已经存在可以匹配的流表，就会直接转发；否则会通过 upcall 调用 vswitchd 守护进程和相关组件进行流表的生成，然后再进行转发。

我们在之后的内容中着重考虑数据包的首次处理流程（1→2→3→4→5→6→7），因为数据包的非首次处理流程（1→7）已经包含在首次处理流程中了，一般就不再进行分类讨论。

二、ovs-vswitchd 转发流程实现

交换机的核心功能之一就是数据包转发，所以 Open vSwitch 的数据包转发流程也是在 ovs-vswitchd 守护进程中实现的（主要是 upcall 调用这一系列的步骤）。

ovs-vswitchd 的逻辑架构如上图所示，其中可以将 upcall 调用这一系列的步骤，视为自底向上的调用后再自顶向下下发的过程，数据包流向如下图所示，其中直线为直接转发路径（1→7），曲线为首次处理（upcall 调用）路径（1→2→3→4→5→6→7）。

可以发现，当流表可以直接匹配时，数据包不需要通过用户态，完全由内核态的 Datapath 模块实现转发，这也就是在 OVS 的总体架构中关于 OVS 功能特点介绍时的使用 Linux 内核模块的高性能转发对应内容的一部分。

三、ovs-vswitchd 虚拟交换机功能

根据前一节的分析，ovs-vswitchd 主要通过主循环处 bridge 相关的内容（第二部分）实现交换机功能，下面分别对相关函数进行解读：（此处为了节约空间，对代码做了省略和细微调整）

（1）交换机初始化模块 bridge_init(remote)

void bridge_init(const char *remote) {
    /* Create connection to database. */
    idl = ovsdb_idl_create(remote, &ovsrec_idl_class, true, true);
    idl_seqno = ovsdb_idl_get_seqno(idl);
    ovsdb_idl_set_lock(idl, "ovs_vswitchd");
    ovsdb_idl_verify_write_only(idl);
    
    ......

    /* Register unixctl commands. */
    unixctl_command_register("qos/show-types", "interface", 1, 1,
                             qos_unixctl_show_types, NULL);
    unixctl_command_register("qos/show", "interface", 1, 1,
                             qos_unixctl_show, NULL);
    unixctl_command_register("bridge/dump-flows", "[--offload-stats] bridge",
                             1, 2, bridge_unixctl_dump_flows, NULL);
    unixctl_command_register("bridge/reconnect", "[bridge]", 0, 1,
                             bridge_unixctl_reconnect, NULL);
    lacp_init();
    bond_init();
    cfm_init();
    bfd_init();
    ovs_numa_init();
    stp_init();
    lldp_init();
    rstp_init();
    odp_execute_init();

    ifaces_changed = seq_create();
    last_ifaces_changed = seq_read(ifaces_changed);
    ifnotifier = if_notifier_create(if_change_cb, NULL);
    if_notifier_manual_set_cb(if_change_cb);
}

上述部分代码主要功能如下：

创建与远程数据库的连接
注册相关的 unixctl 命令
初始化各种子系统，如：链路聚合控制协议 LACP，网卡绑定 bond，连续故障监测 CFM，双向转发检测 BFD，非一致内存访问 NUMA，生成树协议 STP，链路层发现协议 LLDP，快速生成树协议 RSTP，OpenFlow 数据平面 ODP
创建并初始化接口变更监控

（2）交换机运行模块 bridge_run();

void bridge_run(void) {
    ......

    cfg = ovsrec_open_vswitch_first(idl);

    ......
    
    /* Initialize the ofproto library.  This only needs to run once, but
     * it must be done after the configuration is set.  If the
     * initialization has already occurred, bridge_init_ofproto()
     * returns immediately. */
    bridge_init_ofproto(cfg);

    ......

    bridge_run__();

    ......

    run_stats_update();
    run_status_update();
    run_system_stats();
}

上述部分代码主要功能如下：