CN112769716B - 基于混合型虚拟网桥的虚拟交换机的数据转发方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合型虚拟网桥的虚拟交换机的数据转发方法及装置，涉及云平台网络虚拟化技术领域，本发明创建混合型虚拟网桥，包含用户态转发模块和内核态转发模块，用户态转发模块和内核态转发模块申请一块共享内存，通过共享内存实现内核态转发模块端口与用户态转发模块端口之间相互转发数据，打通内核态转发与用户态转发的数据通道，实现所有状态工作的网卡间高性能通讯。

Description

基于混合型虚拟网桥的虚拟交换机的数据转发方法及装置

技术领域

本发明涉及云平台网络虚拟化技术领域，具体涉及一种基于混合型虚拟网桥的虚拟交换机的数据转发方法及装置。

背景技术

云平台产品中，广泛使用ovs(open vswitch)开源组件作为虚拟交换机应用，ovs作为一款成熟的产品级虚拟交换机，能提供稳定而强大的虚拟转发功能。

随着边缘云计算的兴起，为充分利用服务器资源，承接的业务场景越来越复杂，基础设施环境也越来越复杂，各种类型的网卡、通讯方式都需要进行管理实现，原生的虚拟交换机(ovs)已无法满足。

ovs是一种基于openflow协议通过openflow流表规则转发报文的虚拟交换机，可以创建和管理两种单一类型虚拟网桥，一种是依靠内核态转发模块在内核态进行数据转发的虚拟网桥，另一种是利用DPDK(Data Plane Development Kit，数据平面开发套件)技术在用户态进行数据转发的虚拟网桥。物理网卡接入虚拟交换机网桥后，网桥的类型决定了转发的模式。然而，如果同一个计算节点上一些物理网卡不支持DPDK或因业务原因而需要内核态转发，另一些物理网卡需要在用户态高性能转发，则原生的虚拟交换机无法使用单一类型网桥来统一管理虚拟端口和转发数据，使不同业务类型的虚拟机之间通讯存在困难。内核态转发网桥上的端口如果需要和用户态转发网桥上的端口通讯，只能依赖一些外部的连接来实现相互通讯，对性能产生影响以及配置变复杂。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供基于混合型虚拟网桥的虚拟交换机的数据转发方法及装置，实现在内核态与用户态的统一转发。

为达到以上目的，本发明采取一种基于混合型虚拟网桥的虚拟交换机的数据转发方法，包括以下步骤：

在用户空间创建用户态转发模块，在内核空间创建内核态转发模块；在数据平面创建混合型虚拟网桥，支持system类型和DPDK类型物理网卡；

用户态转发模块和内核态转发模块申请一块共享内存，并分别开启共享内存轮询线程检测是否有报文进入共享内存；

根据业务部署需要，将物理网卡以指定类型加入所述虚拟网桥；

虚拟网桥接收来自虚拟端口的数据报文，查询流表后执行流表动作，若目的转发端口在当前转发模块，调用当前转发模块的发送报文函数发送报文；若目的转发端口不在当前转发模块，则将数据报文通过共享内存发往目的转发端口。

优选的，根据业务部署需要，将物理网卡以指定类型加入所述虚拟网桥，具体包括以下步骤：

当物理网卡端口为system类型时，控制平面发送添加网卡消息到内核态转发模块，内核态转发模块根据消息携带的网卡信息，对网卡添加接收报文钩子函数；

当物理网卡端口为DPDK类型时，控制平面直接调用用户态转发模块添加端口处理函数，用户态转发模块对该网卡加载用户态驱动，并通过轮询模式驱动处理报文接收。

优选的，虚拟网桥接收来自虚拟端口的数据报文，具体包括以下步骤：

在内核态，内核态转发模块通过调用收发报文钩子函数接收来自虚拟端口的数据报文；在用户态，用户态转发模块通过轮询模式驱动接收来自虚拟端口的数据报文。

优选的，查询流表后执行流表动作，具体包括以下步骤：

在当前转发模块内的流表缓存中查找流表规则，如果未找到流表规则，进入慢速路径全局流水线流表查询，查找到后加入当前转发模块内的流表缓存，并执行流表规则中的报文处理动作。

优选的，若目的转发端口不在当前转发模块，则将数据报文通过共享内存发往目的转发端口，具体包括以下步骤：

若目的转发端口不在当前转发模块，将数据报文通过共享内存；

另一转发模块的共享内存轮询线程发现共享内存中有新报文进入，收取共享内存中的报文并解析目的端口，将报文发向解析出的目的端口。

另一方面，提供一种电子设备，其包括存储器和处理器，所述存储器中存储有指令，所述处理器用于读取并执行所述存储器中的指令，以使得所述电子设备实现如上述任意一项所述的方法。

另一方面，还提供一种虚拟交换机的混合型虚拟网桥，支持system类型和DPDK类型物理网卡，所述虚拟网桥包括用户态转发模块、内核态转发模块和共享内存：

用户态转发模块；在物理内存中申请与内核态转发模块共用的共享内存，开启共享内存轮询线程检测是否有报文进入共享内存；物理网卡以DPDK类型加入当前转发模块；接收来自虚拟端口的数据报文，查询流表后执行流表动作，目的转发端口不在当前转发模块时，将数据报文通过共享内存发往目的转发端口；

内核态转发模块；在物理内存中申请与用户态转发模块共用的共享内存，开启共享内存轮询线程检测是否有报文进入共享内存；物理网卡以system类型加入当前转发模块；接收来自虚拟端口的数据报文，查询流表后执行流表动作，目的转发端口不在当前转发模块时，将数据报文通过共享内存发往目的转发端口；

共享内存，其用于：存储用户态转发模块或内核态转发模块发来的数据报文。

优选的，所述用户态转发模块和内核态转发模块还用于：若目的转发端口在当前转发模块，调用当前转发模块的发送报文函数发送报文。

优选的，用户态转发模块和内核态转发模块在目的转发端口不在当前转发模块时，将数据报文通过共享内存发往目的转发端口，具体包括以下步骤：

若目的转发端口不在当前转发模块，将数据报文通过共享内存；

另一转发模块的共享内存轮询线程发现共享内存中有新报文进入，收取共享内存中的报文并解析目的端口，将报文发向解析出的目的端口。

优选的，用户态转发模块或内核态转发模块查询流表后执行流表动作，具体包括以下步骤：

在当前转发模块内的流表缓存中查找流表规则，如果未找到流表规则，进入慢速路径全局流水线流表查询，查找到后加入当前转发模块内的流表缓存，并执行流表规则中的报文处理动作。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明创建混合型虚拟网桥，包含用户态转发模块和内核态转发模块，用户态转发模块和内核态转发模块申请一块共享内存，通过共享内存实现内核态转发模块端口与用户态转发模块端口之间相互转发数据，打通内核态转发与用户态转发的数据通道，实现所有状态工作的网卡间高性能通讯。

附图说明

图1为本发明实施例的混合型虚拟网桥结构示意图；

图2为本发明实施例的基于混合型虚拟网桥的虚拟交换机的数据转发方法的流程示意图；

图3为本发明实施例的基于混合型虚拟网桥的虚拟交换机的数据转发方法的混合型虚拟网桥的建立及添加物理网卡端口的流程示意图；

图4为本发明实施例的基于混合型虚拟网桥的虚拟交换机的数据转发方法的报文转发的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种基于混合型虚拟网桥的虚拟交换机的数据转发方法，包括以下步骤：

控制平面在数据平面中创建虚拟网桥并设置网桥类型为混合型；在用户空间创建用户态转发模块，在内核空间创建内核态转发模块；

用户态转发模块和内核态转发模块申请一块共享内存，并分别开启共享内存轮询线程检测是否有报文进入共享内存；

根据业务部署需要，将物理网卡以指定类型加入所述虚拟网桥；

虚拟网桥接收来自虚拟端口的数据报文，查询流表后执行流表动作，若目的转发端口在当前转发模块，调用当前转发模块的发送报文函数发送报文；若目的转发端口不在当前转发模块，则将数据报文通过共享内存发往目的转发端口。

上述控制平面主要是控制管理指令的传输处理环节的集合，上述数据平面是业务数据的传输处理环节的集合。

本发明实施例创建混合型虚拟网桥，包含用户态转发模块和内核态转发模块，用户态转发模块和内核态转发模块申请一块共享内存，通过共享内存实现内核态转发模块端口与用户态转发模块端口之间相互转发数据，打通内核态转发与用户态转发的数据通道，实现所有状态工作的网卡间高性能通讯。

作为优选的实施方式，根据业务部署需要，将物理网卡以指定类型加入所述虚拟网桥，具体包括以下步骤：

当物理网卡端口为system类型时，控制平面发送添加网卡消息到内核态转发模块，内核态转发模块根据消息携带的网卡信息，对网卡添加接收报文钩子函数；

当物理网卡端口为DPDK类型时，控制平面直接调用用户态转发模块添加端口处理函数，用户态转发模块对该网卡加载用户态驱动，并通过轮询模式驱动处理报文接收。

作为优选的实施方式，虚拟网桥接收来自虚拟端口的数据报文，具体包括以下步骤：

在内核态，内核态转发模块通过调用收发报文钩子函数接收来自虚拟端口的数据报文；在用户态，用户态转发模块通过轮询模式驱动接收来自虚拟端口的数据报文。

作为优选的实施方式，查询流表后执行流表动作，具体包括以下步骤：

在当前转发模块内的流表缓存中查找流表规则，如果未找到流表规则，进入慢速路径全局流水线流表查询，查找到后加入当前转发模块内的流表缓存，并执行流表规则中的报文处理动作。

作为优选的实施方式，若目的转发端口不在当前转发模块，则将数据报文通过共享内存发往目的转发端口，具体包括以下步骤：

若目的转发端口不在当前转发模块，将数据报文通过共享内存；

另一转发模块的共享内存轮询线程发现共享内存中有新报文进入，收取共享内存中的报文并解析目的端口，将报文发向解析出的目的端口。

参见图3所示，混合型虚拟网桥的建立及添加物理网卡端口，包括以下步骤：

步骤201：虚拟交换机通过ovsdb命令行控制工具ovs-vsctl，添加网桥br1，网桥的type字段设置为hybrid(即网卡类型为混合型)存入数据库中。

步骤202：虚拟交换机通过netlink协议与内核态转发模块通信，通知新混合型虚拟网桥br1建立。

步骤203：虚拟交换机运行在用户态，可直接调用用户态转发模块新混合型虚拟网桥br1建立处理函数。

步骤204：内核态转发模块与用户态转发模块分别映射名为br1的物理内存共享空间，分别启动模块间共享内存轮询线程。

此时，混合型虚拟网桥已经建立完毕，可向其添加物理网卡端口。

步骤205：添加物理网卡1，指定port_type为system或保持默认(默认即system类型)由控制面ovs-vswitchd(即虚拟交换机)通过netlink消息发送至内核态转发模块通知添加system类型端口，内核态转发模块将报文收发函数钩子注册到驱动程序。

步骤206：添加物理网卡2，指定port_type为DPDK，由控制面直接调用用户态转发模块添加端口处理函数，使用用户态io驱动接管网卡驱动。

参见图4所示，基于混合型虚拟网桥的报文转发，包括以下步骤：

步骤301：当流表规则中动作是要转发报文时，判断目的端口是否在当前模块内；

步骤302：目的端口在另一模块时，将报文发往模块间共享内存ring环中；

步骤303：模块间共享内存轮询线程监测到新报文进入，收取共享内存ring环中报文，并解析目的端口；

步骤304：当目的端口在当前处理模块时，直接调用当前处理模块中端口的发送报文函数发送报文。

本发明实施例还提供一种电子设备，其包括存储器和处理器，所述存储器中存储有指令，所述处理器用于读取并执行所述存储器中的指令，以使得所述电子设备实现基于混合型虚拟网桥的虚拟交换机的数据转发方法。

参见图1所示，本发明实施例还提供一种虚拟交换机的混合型虚拟网桥，图1中VM1、VM2和VM3均为虚拟交换机，混合型虚拟网桥包括用户态转发模块、内核态转发模块和共享内存：

用户态转发模块；在物理内存中申请与内核态转发模块共用的共享内存，开启共享内存轮询线程检测是否有报文进入共享内存；物理网卡2以DPDK类型加入当前转发模块；接收来自虚拟端口的数据报文，查询流表后执行流表动作，目的转发端口不在当前转发模块时，将数据报文通过共享内存发往目的转发端口；

内核态转发模块；在物理内存中申请与用户态转发模块共用的共享内存，开启共享内存轮询线程检测是否有报文进入共享内存；物理网卡1以system类型加入当前转发模块，将物理网卡1加入当前转发模块，接收来自虚拟端口的数据报文，查询流表后执行流表动作，目的转发端口不在当前转发模块时，将数据报文通过共享内存发往目的转发端口；

共享内存，其用于：存储用户态转发模块或内核态转发模块发来的数据报文。

作为优选的实施方式，所述用户态转发模块和内核态转发模块还用于：若目的转发端口在当前转发模块，调用当前转发模块的发送报文函数发送报文。

上述实施例中，用户态转发模块基于原生DPDK转发模块，在保留原功能基础上，新增共享内存申请，新增通过共享内存与内核态转发模块转发报文功能函数。

内核态转发模块基于原生openvswitch.ko内核模块，在保留原功能基础上，新增共享内存映射，新增通过共享内存和用户态转发模块转发报文的功能函数。

作为优选的实施方式，用户态转发模块和内核态转发模块在目的转发端口不在当前转发模块时，将数据报文通过共享内存发往目的转发端口，具体包括以下步骤：

若目的转发端口不在当前转发模块，将数据报文通过共享内存；

另一转发模块的共享内存轮询线程发现共享内存中有新报文进入，收取共享内存中的报文并解析目的端口，将报文发向解析出的目的端口。

作为优选的实施方式，用户态转发模块或内核态转发模块查询流表后执行流表动作，具体包括以下步骤：

在当前转发模块内的流表缓存中查找流表规则，如果未找到流表规则，进入慢速路径全局流水线流表查询，查找到后加入当前转发模块内的流表缓存，并执行流表规则中的报文处理动作。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于混合型虚拟网桥的虚拟交换机的数据转发方法，其特征在于，包括以下步骤：

在用户空间创建用户态转发模块，在内核空间创建内核态转发模块；在数据平面创建混合型虚拟网桥，支持system类型和DPDK类型物理网卡；

用户态转发模块和内核态转发模块申请一块共享内存，并分别开启共享内存轮询线程检测是否有报文进入共享内存；

根据业务部署需要，将物理网卡以指定类型加入所述虚拟网桥；

虚拟网桥接收来自虚拟端口的数据报文，查询流表后执行流表动作，若目的转发端口在当前转发模块，调用当前转发模块的发送报文函数发送报文；若目的转发端口不在当前转发模块，则将数据报文通过共享内存发往目的转发端口。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据业务部署需要，将物理网卡以指定类型加入所述虚拟网桥，具体包括以下步骤：

当物理网卡端口为system类型时，控制平面发送添加网卡消息到内核态转发模块，内核态转发模块根据消息携带的网卡信息，对网卡添加接收报文钩子函数；

当物理网卡端口为DPDK类型时，控制平面直接调用用户态转发模块添加端口处理函数，用户态转发模块对该网卡加载用户态驱动，并通过轮询模式驱动处理报文接收。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，虚拟网桥接收来自虚拟端口的数据报文，具体包括以下步骤：

在内核态，内核态转发模块通过调用收发报文钩子函数接收来自虚拟端口的数据报文；在用户态，用户态转发模块通过轮询模式驱动接收来自虚拟端口的数据报文。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，查询流表后执行流表动作，具体包括以下步骤：

在当前转发模块内的流表缓存中查找流表规则，如果未找到流表规则，进入慢速路径全局流水线流表查询，查找到后加入当前转发模块内的流表缓存，并执行流表规则中的报文处理动作。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若目的转发端口不在当前转发模块，则将数据报文通过共享内存发往目的转发端口，具体包括以下步骤：

若目的转发端口不在当前转发模块，将数据报文通过共享内存；

另一转发模块的共享内存轮询线程发现共享内存中有新报文进入，收取共享内存中的报文并解析目的端口，将报文发向解析出的目的端口。

6.一种电子设备，其特征在于：其包括存储器和处理器，所述存储器中存储有指令，所述处理器用于读取并执行所述存储器中的指令，以使得所述电子设备实现如权利要求1～5中任意一项所述的方法。

7.一种虚拟交换机的混合型虚拟网桥，其特征在于，支持system类型和DPDK类型物理网卡，所述虚拟网桥包括用户态转发模块、内核态转发模块和共享内存：

用户态转发模块；在物理内存中申请与内核态转发模块共用的共享内存，开启共享内存轮询线程检测是否有报文进入共享内存；物理网卡以DPDK类型加入当前转发模块；接收来自虚拟端口的数据报文，查询流表后执行流表动作，目的转发端口不在当前转发模块时，将数据报文通过共享内存发往目的转发端口；

内核态转发模块；在物理内存中申请与用户态转发模块共用的共享内存，开启共享内存轮询线程检测是否有报文进入共享内存；物理网卡以system类型加入当前转发模块；接收来自虚拟端口的数据报文，查询流表后执行流表动作，目的转发端口不在当前转发模块时，将数据报文通过共享内存发往目的转发端口；

共享内存，其用于：存储用户态转发模块或内核态转发模块发来的数据报文。

8.如权利要求7所述的虚拟交换机的混合型虚拟网桥，其特征在于，所述用户态转发模块和内核态转发模块还用于：若目的转发端口在当前转发模块，调用当前转发模块的发送报文函数发送报文。

9.如权利要求7所述的虚拟交换机的混合型虚拟网桥，其特征在于，用户态转发模块和内核态转发模块在目的转发端口不在当前转发模块时，将数据报文通过共享内存发往目的转发端口，具体包括以下步骤：

若目的转发端口不在当前转发模块，将数据报文通过共享内存；

另一转发模块的共享内存轮询线程发现共享内存中有新报文进入，收取共享内存中的报文并解析目的端口，将报文发向解析出的目的端口。

10.如权利要求7所述的虚拟交换机的混合型虚拟网桥，其特征在于，用户态转发模块或内核态转发模块查询流表后执行流表动作，具体包括以下步骤：

在当前转发模块内的流表缓存中查找流表规则，如果未找到流表规则，进入慢速路径全局流水线流表查询，查找到后加入当前转发模块内的流表缓存，并执行流表规则中的报文处理动作。

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