OVS環(huán)境IPv4/v6數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換

胡宇鴻 高鴻峰 韋旭勤 蔣源

摘要：為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心虛擬主機(jī)在IPv4/6混合使用情況下IPv4與IPv6主機(jī)間的數(shù)據(jù)交換，在開源虛擬交換機(jī)（OVS）中匹配確定的v4地址規(guī)則，增加數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換模塊，完成內(nèi)嵌IPv4的IPv6地址的地址轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換，匹配確定的v6地址到預(yù)定v4地址的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換。

關(guān)鍵詞：開源虛擬交換機(jī);IPv4/v6;流表

中圖分類號(hào)：TP393.06? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2018）31-0036-02

隨著云計(jì)算被越來越多用戶接受，各類IT服務(wù)企業(yè)均大量建設(shè)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)中心，同時(shí)伴隨著IPv4地址的耗盡，IPv6技術(shù)在新建或擴(kuò)展數(shù)據(jù)中心時(shí)被越來越多地采用，但是實(shí)現(xiàn)IPv4/v6在數(shù)據(jù)中心的完全融合、平滑過渡，仍然需要逐步實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前虛擬化技術(shù)廣泛地被應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心，虛擬交換機(jī)也越來越多地被用來通過標(biāo)準(zhǔn)接口和擴(kuò)展編程實(shí)現(xiàn)服務(wù)器分布式管理和大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化。

基于此本文討論基于虛擬交換機(jī)環(huán)境下IPv4/v6的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬交換機(jī)環(huán)境下IPv4/v6主機(jī)間的數(shù)據(jù)交換。

1 虛擬交換機(jī)

OpenVswitch是Apache2.0許可下的開源多層虛擬交換機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的接收、分析和處理，是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的重要組成部分，同時(shí)支持NetFlow、sFlow、SPAN、RSPAN等標(biāo)準(zhǔn)的管理接口和協(xié)議。通過與虛擬主機(jī)緊密結(jié)合能實(shí)現(xiàn)比物理交換機(jī)工作更高的工作效率，根據(jù)實(shí)際需求可同時(shí)虛擬出多個(gè)虛擬端口，與物理交換機(jī)相比具有更靈活、成本更低等優(yōu)勢(shì)[1]。

1.1 Linux內(nèi)核數(shù)據(jù)包處理流程

常規(guī)情況下數(shù)據(jù)報(bào)文由驅(qū)動(dòng)程序處理后從物理網(wǎng)卡獲取數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)報(bào)文目的不為本地，則根據(jù)路由信息從指定物理接口轉(zhuǎn)發(fā)出去;如報(bào)文需本地處理則按照分層原則逐層分析，最后通過用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)接口將數(shù)據(jù)傳送到用戶態(tài)由上層應(yīng)用繼續(xù)處理[2]。

在OVS運(yùn)行條件下，當(dāng)數(shù)據(jù)包從物理網(wǎng)卡進(jìn)入后，需依據(jù)OVS虛擬網(wǎng)橋中虛擬端口（vport）所綁定的物理網(wǎng)絡(luò)接口信息決定報(bào)文是否經(jīng)過vport進(jìn)入OVS中，由OVS進(jìn)行處理。

1.2 OVS組成及數(shù)據(jù)處理流程

OVS主要組成部件如圖2，ovsdb提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)，存儲(chǔ)虛擬交換機(jī)的配置信息，利用OVSDB協(xié)議與管理端、vswitchd交換信息。vswitchd是OVS的核心部件，通過openflow可與controller通信，使用OVSDB協(xié)議與ovsdb-server通信，通過netlink和內(nèi)核模塊通信，支持多個(gè)獨(dú)立的datapath網(wǎng)橋，通過更改flow table實(shí)現(xiàn)綁定和VLAN等功能[1]。Datapath是OVS的內(nèi)核模塊，負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)交換，把從接收端口收到的數(shù)據(jù)包在流表中進(jìn)行匹配，并執(zhí)行匹配到的動(dòng)作。

2 OVS下IPv4/v6數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換

2.1 OVS接收數(shù)據(jù)處理過程

當(dāng)虛擬交換機(jī)收到數(shù)據(jù)包，首先完成報(bào)文頭的提取并計(jì)算key值，根據(jù)實(shí)際需求選擇使用外部控制器管理或本地流表，虛擬交換機(jī)根據(jù)key值從第一個(gè)流表開始和流表項(xiàng)進(jìn)行匹配，如果匹配成功，則更新計(jì)數(shù)器并根據(jù)流表中對(duì)應(yīng)的action找到其對(duì)應(yīng)的操作方法，完成相應(yīng)的動(dòng)作;匹配不成功，則執(zhí)行默認(rèn)的動(dòng)作或回到Linux內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中繼續(xù)處理。詳細(xì)代碼處理過程如圖3[2]。

ovs_vport_receive_packets（）接收到數(shù)據(jù)包后skb生成key值，如果出錯(cuò)則調(diào)用ovs_dp_process_packet交付給datapath處理。正確則利用ovs_flow_tbl_lookup_stats（）基于key值進(jìn)行流表查找，返回匹配的流表項(xiàng);若不存在匹配，則調(diào)用ovs_dp_upcall上傳至用戶空間進(jìn)行匹配。匹配成功，則調(diào)用ovs_execute_actions執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。

2.2 IPv4/v6的地址轉(zhuǎn)換

在本次實(shí)現(xiàn)中，當(dāng)v4地址轉(zhuǎn)換為v6地址時(shí)采用內(nèi)嵌IPv4的IPv6地址方案實(shí)現(xiàn)v4地址到v6地址的轉(zhuǎn)換[3]。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)v6子網(wǎng)的方式選擇一個(gè)特定的/64前綴，然后加上4個(gè)設(shè)置為0的8位組構(gòu)成/96特定網(wǎng)絡(luò)前綴，/96位的網(wǎng)絡(luò)前綴加上32位的v4地址構(gòu)成完整的v6地址。

當(dāng)v6地址轉(zhuǎn)換為v4地址時(shí)，因?yàn)関6地址的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于v4地址空間，本次實(shí)驗(yàn)中采用預(yù)指定的方式構(gòu)成v6地址到v4地址的對(duì)應(yīng)。

數(shù)據(jù)包協(xié)議頭轉(zhuǎn)換如表1、表2[4]。

2.3 OVS中轉(zhuǎn)換過程的實(shí)現(xiàn)過程

目前OVS最新版本支持IPv4和IPv6基本功能，但是并未提供v4/v6數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換的功能。根據(jù)OVS數(shù)據(jù)包接收處理流程，根據(jù)需要在匹配流標(biāo)后轉(zhuǎn)到指定的action執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作。

定義v4conv6和v6conv4的action。

/* OpenFlow 1.2， 1.3， and 1.4 actions. */

static conststruct ofpact_map of12[]? { OFPACT_HANDLE_V4TOV6， 30 }，

static conststruct ofpact_map of12[]? { OFPACT_HANDLE_V6TOV4， 32 }，

添加raw action type

enum ofp_raw_action_type {

……

/* OF1.2-1.4（28）： void. */

OFPAT_RAW12_HANDLE_V4TOV6，

OFPAT_RAW12_HANDLE_V6TOV4，

……

}

添加HANDLE_V4TOV6的action的處理函數(shù)。

Static enum ofperr decode_OFPAT_RAW12_ HANDLE_V4 TOV6（struct ofpbuf *out）

static void encode_HANDLE_EXAMPLE （conststruct ofpact_null *null OVS_UNUSED， enum ofp_version ofp_version， struct ofpbuf *out）

static char *OVS_WARN_UNUSED_RESULT parse_ HANDLE_V4TOV6（char *arg OVS_UNUSED， struct ofpbuf *ofpacts， enum ofputil_protocol *usable_protocols OVS_UNUSED）

static void format_HANDLE_V4TOV6 （conststruct ofpact_null *a OVS_UNUSED， struct ds *s）

convert_IPV4_V6_addr具體實(shí)現(xiàn)

static void convert_IPV4_V6_addr（struct sk_buff *skb，__be32 s_ipv6[4]，__be32 d_ipv6[4]）

{

//按2.2中所述完成IPv4到IPv6報(bào)文頭轉(zhuǎn)換;

}

類似添加HANDLE_V6TOV4的action的處理函數(shù)。

static void convert_IPV4_V6_addr（struct sk_buff *skb，__be32 s_ipv4，__be32 d_ipv4）

{

//按2.2中所述完成IPv6到IPv4報(bào)文頭轉(zhuǎn)換;

}

3 結(jié)語

本文通過在OVS中實(shí)現(xiàn)IPv4和IPv6數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換，為OVS與控制器結(jié)合對(duì)v4/v6數(shù)據(jù)包的靈活傳輸、處理及應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)：

[1] A Linux Foundation Collaborative Project Open vSwitch Documentation [EB/OL]. http：//docs.openvswitch.org/en/latest/， 2016.

[2] 張若晨. 基于OpenvSwitch的代理虛擬交換機(jī)在SDN網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[D]. 廣州： 華南理工大學(xué)軟件學(xué)院， 2016： 17-22.

[3] BAO C， HUITEMA C， BAGNULO M， et al.IPv6 addressing of IPv4/IPv6 translators[S]. RFC 6052， 2010.

[4] LI X， BAO C， BAKER F. IP/ICMP translation algorithm[S]. RFC 6145， 2011.