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发布于：2016-9-13

四、内核态网络包处理

Openvswitch的内核模块openvswitch.ko会在网卡上注册一个函数netdev_frame_hook，每当有网络包到达网卡的时候，这个函数就会被调用。

static struct sk_buff *netdev_frame_hook(struct sk_buff *skb)
{if (unlikely(skb->pkt_type == PACKET_LOOPBACK))return skb;port_receive(skb);return NULL;
}
//上面的port_receive() 等价于netdev_port_receive()函数
#define port_receive(skb) netdev_port_receive(skb, NULL)void netdev_port_receive(struct sk_buff *skb, struct ip_tunnel_info *tun_info)
{struct vport *vport;vport = ovs_netdev_get_vport(skb->dev);
……skb_push(skb, ETH_HLEN);ovs_skb_postpush_rcsum(skb, skb->data, ETH_HLEN);ovs_vport_receive(vport, skb, tun_info);return;
error:kfree_skb(skb);
}

函数int ovs_vport_receive(struct vport vport, struct sk_buff skb, const struct ip_tunnel_info *tun_info)实现如下

int ovs_vport_receive(struct vport *vport, struct sk_buff *skb,const struct ip_tunnel_info *tun_info)
{struct sw_flow_key key;....../* Extract flow from 'skb' into 'key'. */error = ovs_flow_key_extract(tun_info, skb, &key);if (unlikely(error)) {kfree_skb(skb);return error;}ovs_dp_process_packet(skb, &key);return 0;
}

在ovs_vport_receive() 这个函数里面，首先声明了变量struct sw_flow_key key;
如果我们看这个key的定义，可见这个key里面是一个大杂烩，数据包里面的几乎任何部分都可以作为key来查找flow表：

struct sw_flow_key {u8 tun_opts[255];u8 tun_opts_len;struct ip_tunnel_key tun_key; /* Encapsulating tunnel key. */struct {u32 priority; /* Packet QoS priority. */u32 skb_mark; /* SKB mark. */u16 in_port; /* Input switch port (or DP_MAX_PORTS). */} __packed phy; /* Safe when right after 'tun_key'. */u32 ovs_flow_hash; /* Datapath computed hash value. */u32 recirc_id; /* Recirculation ID. */struct {u8 src[ETH_ALEN]; /* Ethernet source address. */u8 dst[ETH_ALEN]; /* Ethernet destination address. */__be16 tci; /* 0 if no VLAN, VLAN_TAG_PRESENT set otherwise. */__be16 type; /* Ethernet frame type. */} eth;union {struct {__be32 top_lse; /* top label stack entry */} mpls;struct {u8 proto; /* IP protocol or lower 8 bits of ARP opcode. */u8 tos; /* IP ToS. */u8 ttl; /* IP TTL/hop limit. */u8 frag; /* One of OVS_FRAG_TYPE_*. */} ip;};struct {__be16 src; /* TCP/UDP/SCTP source port. */__be16 dst; /* TCP/UDP/SCTP destination port. */__be16 flags; /* TCP flags. */} tp;union {struct {struct {__be32 src; /* IP source address. */__be32 dst; /* IP destination address. */} addr;struct {u8 sha[ETH_ALEN]; /* ARP source hardware address. */u8 tha[ETH_ALEN]; /* ARP target hardware address. */} arp;} ipv4;struct {struct {struct in6_addr src; /* IPv6 source address. */struct in6_addr dst; /* IPv6 destination address. */} addr;__be32 label; /* IPv6 flow label. */struct {struct in6_addr target; /* ND target address. */u8 sll[ETH_ALEN]; /* ND source link layer address. */u8 tll[ETH_ALEN]; /* ND target link layer address. */} nd;} ipv6;};struct {/* Connection tracking fields. */u16 zone;u32 mark;u8 state;struct ovs_key_ct_labels labels;} ct;} __aligned(BITS_PER_LONG/8); /* Ensure that we can do comparisons as longs. */

可见这个key里面是一个大杂烩，数据包里面的几乎任何部分都可以作为key来查找flow表

tunnel可以作为key
在物理层，in_port即包进入的网口的ID
在MAC层，源和目的MAC地址
在IP层，源和目的IP地址
在传输层，源和目的端口号
IPV6

所以，要在内核态匹配流表，首先需要调用ovs_flow_key_extract，从包的正文中提取key的值。

接下来

调用ovs_dp_process_packet()

函数ovs_dp_process_packet()首先在内核里面的流表中查找符合key的flow，也即ovs_flow_tbl_lookup_stats，如果找到了，很好说明用户态的流表已经放入内核，则走fast path就可了。于是直接调用ovs_execute_actions，执行这个key对应的action。

如果不能找到，则只好调用ovs_dp_upcall，让用户态去查找流表。会调用static int queue_userspace_packet(struct datapath dp, struct sk_buff skb, const struct sw_flow_key key, const struct dp_upcall_info upcall_info)

它会调用err = genlmsg_unicast(ovs_dp_get_net(dp), user_skb, upcall_info->portid);通过netlink将消息发送给用户态。在用户态，有线程监听消息，一旦有消息，则触发udpif_upcall_handler。

从Device接收Packet交给事先注册的event handler进行处理;
接收Packet后识别是否是unknown packet，是则交由upcall处理;
vswitchd对unknown packet找到flow rule进行处理;
将Flow rule发送给datapath.

也就是说OVS处理数据包首先会看有没有事先订阅的事件，如果有直接转交给该对应的处理函数，然后匹配流表，最后按照传统网络协议栈进行处理。

void ovs_dp_process_packet(struct sk_buff *skb, struct sw_flow_key *key)
{const struct vport *p = OVS_CB(skb)->input_vport;struct datapath *dp = p->dp;struct sw_flow *flow;struct sw_flow_actions *sf_acts;struct dp_stats_percpu *stats;u64 *stats_counter;u32 n_mask_hit;stats = this_cpu_ptr(dp->stats_percpu);/* Look up flow. */flow = ovs_flow_tbl_lookup_stats(&dp->table, key, skb_get_hash(skb),&n_mask_hit);if (unlikely(!flow)) {struct dp_upcall_info upcall;int error;memset(&upcall, 0, sizeof(upcall));upcall.cmd = OVS_PACKET_CMD_MISS;upcall.portid = ovs_vport_find_upcall_portid(p, skb);upcall.mru = OVS_CB(skb)->mru;error = ovs_dp_upcall(dp, skb, key, &upcall);if (unlikely(error))kfree_skb(skb);elseconsume_skb(skb);stats_counter = &stats->n_missed;goto out;}ovs_flow_stats_update(flow, key->tp.flags, skb);sf_acts = rcu_dereference(flow->sf_acts);ovs_execute_actions(dp, skb, sf_acts, key);stats_counter = &stats->n_hit;out:/* Update datapath statistics. */u64_stats_update_begin(&stats->syncp);(*stats_counter)++;stats->n_mask_hit += n_mask_hit;u64_stats_update_end(&stats->syncp);
}

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image.png

函数ovs_flow_tbl_lookup()利用OVS流表精确匹配TCP/IP报头五元组，并执行action do_output或consume_skb

OVS定义的流表结构体struct flow_table;
流表索引key: struct sw_flow_key; 掩码: struct sw_flow_mask
流表元素: struct sw_flow
执行体struct sw_flow_actions

在内核中，flow table的数据结构如下图所示：

每个虚拟交换机对应一个datapath，每个datapath有一个flow table，每个flow table分成N个桶bucket，根据key进行哈希，不同的key分布在不同的桶里面。

每个桶的大小是一个内存页的大小，在内存页的头部保存了保存了多少个元素，每个元素的大小。每个元素都是sw_flow，里面有key，也有action。

OVS流表结构示意图

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调用ovs_flow_key_extract()取出TCP/IP报头5元组作为key
调用ovs_dp_process_packet()
- ovs_flow_tbl_lookup_stats()查询流表
- ovs_execute_actions() 执行ACTION

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