Linux Bridge与Open vSwitch的工作原理及协作

在虚拟化和云计算环境中，Linux Bridge和Open vSwitch（OVS）都是用于构建虚拟网络的关键组件。它们提供了二层交换功能，并且能够将虚拟机或容器连接到物理网络中。然而，两者在实现细节和技术特性上有所不同，下面我们将深入探讨这两种技术是如何工作的，以及它们如何协同工作以满足复杂的网络需求。

一、Linux Bridge简介

Linux Bridge是Linux内核自带的一个轻量级的二层交换机实现，它允许你创建一个虚拟的以太网交换机，通过它可以连接多个网络接口（包括物理和虚拟的）。Linux Bridge的主要特点是简单易用，适合于小型部署或不需要复杂配置的情况。

• 基本功能

  • 创建和管理虚拟网络接口。
  • 实现简单的MAC地址学习和转发。
  • 支持VLAN标签处理。

• 局限性

  • 缺乏高级特性和扩展能力，如隧道支持、QoS等。
  • 性能不如专门设计的解决方案（如OVS）。

二、Open vSwitch简介

**Open vSwitch (OVS)**是一个开源的虚拟交换平台，旨在提供更强大的功能集，适用于大规模生产环境中的网络虚拟化。它不仅具备传统交换机的所有功能，还增加了许多新的特性，例如对多种隧道协议的支持、流表规则编程、分布式哈希表（DHT）等。

• 高级特性
  • 支持VXLAN、GRE、STT等多种隧道协议。
  • 可编程的数据包匹配和处理规则（通过OpenFlow协议）。
  • 内置负载均衡和服务质量（QoS）控制。
  • 高度可扩展性和性能优化。
    
    组件间的交互
    OpenFlow Controller与OVSDDB Manager:
    交互方式: OpenFlow控制器通过标准的OpenFlow协议与OVSDDB Manager通信，下发流表规则和其他配置信息。
    流程: 控制器发送配置请求，OVSDDB Manager接收并处理这些请求。
    OVSDDB Manager与ovsdb server:
    交互方式: OVSDDB Manager通过OVSDB协议与ovsdb server通信，进行配置信息的读取和写入。
    流程: OVSDDB Manager根据控制器的请求，向ovsdb server发送相应的命令，如添加、删除或修改配置信息。
    ovsdb server与vswitchd:
    交互方式: ovsdb server通过内部接口与vswitchd通信，传递配置信息。
    流程: ovsdb server将配置信息同步给vswitchd，vswitchd根据这些信息更新其转发逻辑。
    vswitchd与Kernel Space:
    交互方式: vswitchd通过openvswitch.ko模块与内核空间通信，实现数据包的高效转发。
    流程: vswitchd根据流表规则处理数据包，并通过openvswitch.ko模块将数据包转发到适当的物理网络接口。

三、Linux Bridge与OVS之间的协作

尽管Linux Bridge和OVS都可以独立工作，但在某些情况下，它们也可以一起使用来构建更加灵活和高效的网络架构。以下是几种常见的协作方式：

1. 混合模式

   • 在这种模式下，Linux Bridge和OVS可以共存于同一系统中，各自负责不同的网络段。例如，Linux Bridge可以用于简单的内部通信，而OVS则用来处理需要更高级功能的部分，如外部连接或跨主机通信。

2. 集成模式

   • OVS可以直接替代Linux Bridge作为主要的二层交换机。在这种情况下，所有虚拟接口都被添加到OVS桥上，而不是传统的Linux Bridge。这样可以获得更好的性能和更多的功能选项。

3. 组合模式

   • 将Linux Bridge用作OVS的一个端口。这使得可以通过Linux Bridge连接到其他非OVS管理的网络设备，同时仍然利用OVS提供的高级特性。例如，可以在计算节点上使用Linux Bridge来连接本地虚拟机，然后通过OVS进行远程通信。

4. 安全组功能

   • OVS通常会集成安全组规则的应用程序，这些规则定义了允许哪些类型的流量进出虚拟机。当结合Linux Bridge时，可以通过veth pair（虚拟以太网对）将Linux Bridge连接到OVS，从而确保安全策略的有效实施。

四、图解Linux Bridge与OVS的工作流程

为了更好地理解Linux Bridge与OVS之间的关系，我们可以绘制一张简化的图示来展示它们是如何共同工作的。这张图将包括以下几个部分：

• 计算节点：包含运行中的虚拟机实例。
• Linux Bridge：用于连接虚拟机的本地网络接口。
• Open vSwitch：提供高级网络服务，如隧道、负载均衡等。
• 物理网络接口：连接到实际的物理网络。

+-------------------+          +---------------------+
|                   |          |                     |
|  计算节点         |          |    Open vSwitch     |
|                   |          |                     |
|  +-------------+  |          |  +----------------+ |
|  |             |  |          |  |                | |
|  |  Linux      |  |          |  |  Tunnel        | |
|  |  Bridge     |==|===>+--+--|->|  Interface     | |
|  |             |  |    |    |  |                | |
|  +-------------+  |    |    |  +----------------+ |
|                   |    |    |                     |
|  +-------------+  |    |    |  +----------------+ |
|  |  VM1        |  |    |    |  |  Physical      | |
|  |  (veth pair)|==|===>+----|->|  Network       | |
|  |  ...        |  |    |    |  |  Interface     | |
|  +-------------+  |    |    |  +----------------+ |
|                   |    |    |                     |
+-------------------+    |    +---------------------+||v+------------+|            ||  物理网络  ||            |+------------+

上面的图AI生成
在这张图中，我们看到Linux Bridge直接连接到虚拟机（VM），并通过veth pair与OVS相连。OVS进一步处理数据包，比如添加隧道封装或者执行基于流表的转发决策，最后通过物理网络接口发送出去。反过来，从物理网络接收到的数据包也会经过类似的路径到达目标虚拟机。

五、结论

Linux Bridge和OVS各有优劣，选择哪一种取决于具体的使用场景和技术需求。对于需要简单快速设置的小型环境来说，Linux Bridge可能是最好的选择；而对于大型数据中心或云平台，则应该考虑采用OVS来获得更高的灵活性和性能。此外，在某些特定的情况下，两者还可以相互补充，形成一个更为强大和稳定的网络基础设施。