OpenStack容器网络项目Kuryr的示例分析

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容器近几年非常流行，有很多项目都考虑将容器与SDN结合。Kuryr就是其中一个项目。Kuryr项目在OpenStack big tent下，目的是将容器网络与openstack Neutron对接。Kuryr给人的第一印象是： 这又是一个在Neutron框架下的项目，能够通过Neutron统一的北向接口来控制容器网络的SDN项目。但是实际上，Kuryr是将Neutron作为南向接口，来与容器网络对接。Kuryr的北向是容器网络接口，南向是OpenStack Neutron。

Kuryr背景介绍

正式介绍前，先说下Kuryr这个单词。Kuryr是一个捷克语单词kurýr，对应英语里面是courier，对应的中文意思就是信使，送信的人。从这个名字能看出来，Kuryr不生产信息，只是网络世界的搬运工。这个从项目的图标也可以看出来。另外，由于都是拉丁语系，所以可以不负责任的说，Kuryr的发音应该是与courier类似。

Kuryr最开始创立的时候，其目的是为了提供Docker与Neutron的连接。将Neutron的网络服务带给docker。随着容器的发展，容器网络的发展也出现了分歧。主要分为两派，一个是Docker原生的CNM（Container Network Model），另一个是兼容性更好的CNI（Container Network Interface）。Kuryr相应的也出现了两个分支，一个是kuryr-libnetwork（CNM），另一个是kuryr-kubernetes（CNI）。

Kuryr 在Libnetwork中如何工作

kuryr-libnetwork是运行在Libnetwork框架下的一个plugin。要理解kuryr-libnetwork如何工作，首先要看一下Libnetwork。Libnetwork是从Docker Engine和libcontainer中将网络逻辑模块化之后独立出来的的项目，并且替代了原有的Docker Engine网络子系统。Libnetwork定义了一个灵活的模型，使用local或者remote driver来向container提供网络服务。kuryr-libnetwork就是Libnetwork的一个remote driver实现，现在已经成为Docker官网推荐的一个remote driver。

Libnetwork的driver可以看是Docker的一个plugin，与Docker的其他plugin共用一套plugin管理框架。也就是说，Libnetwork的remote driver与Docker Engine中的其他plugin用一样的方式激活，并使用同样的协议。有关Libnetwork remote driver需要实现的接口在Libnetwork的Git上都有详细的描述。

kuryr-libnetwork需要做的就是实现这些接口。可以从kuryr-libnetwork的代码中看出来。Libnetwork通过调用remote driver的Plugin.Activate接口，来查看remote driver实现了什么内容。从kuryr-libnetwork的代码中能看到，它实现了两个功能：NetworkDriver, IPAMDriver.

@app.route('/Plugin.Activate', methods=['POST'])
def plugin_activate():
    """Returns the list of the implemented drivers.
    This function returns the list of the implemented drivers defaults to
    ``[NetworkDriver, IpamDriver]`` in the handshake of the remote driver,
    which happens right before the first request against Kuryr.
    See the following link for more details about the spec:
    docker/libnetwork  # noqa
    """
    app.logger.debug("Received /Plugin.Activate")
    return flask.jsonify(const.SCHEMA['PLUGIN_ACTIVATE'])

Kuryr是怎么作为remote driver注册到Libnetwork中呢？这个问题应该这样看，Libnetwork是怎样发现Kuryr的？这要依赖于Docker的plugin discovery机制。当用户或者容器需要使用Docker的plugin的时候，他/它只需要指定plugin的名字。Docker会在相应的目录中查找与plugin名字相同的文件，文件中定义了如何连接该plugin。

如果用devstack安装kuryr-libnetwork，devstack的脚本会在/usr/lib/docker/plugins/kuryr创建一个文件夹，里面的文件内容也很简单，默认是：http://127.0.0.1:23750。也就是说，kuryr-libnetwork实际上就起了一个http server，这个http server提供了Libnetwork所需的所有接口。Docker找到有这样的文件之后，就通过文件的内容与Kuryr进行通信。

所以Libnetwork与Kuryr的交互是这样：

• Libnetwork：有人要用一个叫Kuryr的plugin，让我找找看。哦，Kuryr你好，你有什么功能？

• Kuryr：我有NetworkDriver, IpamDriver这些功能，怎样，开心吗？

Kuryr如何与Neutron连接

上面讲的Kuryr如何与Docker Libnetwork连接。再来看看Kuryr如何与OpenStack Neutron对接。由于同是OpenStack阵营下的项目，并且都是Python语言开发的，所以，没有悬念，Kuryr用neutronclient与Neutron连接。所以总体来看，Kuryr的工作方式如下：

由于Kuryr跟下面实际的L2实现中间还隔了个Neutron，所以Kuryr不是太依赖L2的实现。上图是Gal Sagie列出的Kuryr支持的一些Neutron L2实现方式。在此之外，我试过kuryr-libnetwork和Dragonflow的集成，并没有太多需要注意的地方，有机会可以专门说说这个。

接下来看看Kuryr-libnetwork如何在Neutron和Docker中间做一个courier。由于北向是Libnetwork，南向是Neutron，所以可以想象，kuryr-libnetwork做的事情就是接收Libnetwork的资源模型，转化成Neutron的资源模型。先来看看Libnetwork的资源模型，也就前面说过的容器网络两派之一CNM。CNM由三个数据模型组成：

• Network Sandbox：定义了容器的网络配置

• Endpoint：容器用来接入网络的网卡，存在于Sandbox中，一个Sandbox中可以有多个Endpoint

• Network：相当于一个Switch，Endpoint接入在Network上。不同的Network之间是隔离的。

对应Neutron，Endpoint是Neutron中的Port，而Network是Neutron中的Subnet。为什么Network对应的不是Neutron中的Network？可能是因为Libnetwork与Neutron的网络定义的区别的，不过至少在一个Neutron Network中只有一个Subnet时，两者在名字上是能对应的。

除此之外，Kuryr还依赖OpenStack Neutron中的另一个特性：subnetpool。Subnetpool是Neutron里面的一个纯逻辑概念，它能够保证所有在subnetpool中的subnet，IP地址段不重合。Kuryr借助这个特性保证了由其提供的Docker Network，IP地址是唯一的。
Kuryr将Libnetwork发来的请求转换成相应的Neutron的请求，发送给Neutron。

Kuryr连通容器网络与虚机网络

但是实际网络的连通，没法通过Neutron的API来告诉Neutron怎么做，Neutron不知道容器的网络怎么接出来，也不提供这样的API。这部分需要Kuryr自己来完成，这也就是Kuryr的Magic所在（否则跟一个代理有什么区别）。最后来看看这部分吧。

当Docker创建一个容器，并且需要创建Endpoint的时候，请求发送到了作为Libnetwork的remote driver---Kuryr上。Kuryr接到这个请求首先会创建Neutron port：

neutron_port, subnets = _create_or_update_port(
    neutron_network_id, endpoint_id, interface_cidrv4,
    interface_cidrv6, interface_mac)

之后会根据配置文件的内容，调用相应的driver，目前支持的driver有veth，用来连接主机容器网络，另一个是nested，用来连接虚机内的容器网络。当然，这里的主机，虚机都是相对OpenStack来说的，严格的说，OpenStack的主机也可以是一个虚机，例如我的开发环境。接下来以veth driver为例来说明。先看代码吧：

    try:
        with ip.create(ifname=host_ifname, kind=KIND,
                       reuse=True, peer=container_ifname) as host_veth:
            if not utils.is_up(host_veth):
                host_veth.up()
        with ip.interfaces[container_ifname] as container_veth:
            utils._configure_container_iface(
                container_veth, subnets,
                fixed_ips=port.get(utils.FIXED_IP_KEY),
                mtu=mtu, hwaddr=port[utils.MAC_ADDRESS_KEY].lower())
    except pyroute2.CreateException:
        raise exceptions.VethCreationFailure(
            'Virtual device creation failed.')
    except pyroute2.CommitException:
        raise exceptions.VethCreationFailure(
            'Could not configure the container virtual device networking.')
    try:
        stdout, stderr = _configure_host_iface(
            host_ifname, endpoint_id, port_id,
            port['network_id'], port.get('project_id') or port['tenant_id'],
            port[utils.MAC_ADDRESS_KEY],
            kind=port.get(constants.VIF_TYPE_KEY),
            details=port.get(constants.VIF_DETAILS_KEY))
    except Exception:
        with excutils.save_and_reraise_exception():
            utils.remove_device(host_ifname)

与Docker网络中的bridge模式类似，Driver首先创建了一个veth pair对，两个网卡，其中一块是container interface，用来接在容器的network namespace，并通过调用_configure_container_iface来进行配置；另一块是host interface，通过调用_configure_host_iface接入到Neutron的L2拓扑中。

Host interface的处理方式是专门为OpenStack Neutron定制的。这里需要注意的是，不同的SDN底层的L2拓扑是不一样的，OpenVswitch，LinuxBridge，Midonet等等。Kuryr是怎么来支持不同的L2底层？首先，注意看OpenStack Neutron的port信息，可以发现有这么一个属性：binding:vif_type。这个属性表示了该port是处于什么样的L2底层。Kuryr针对不同的L2实现了一些shell脚本，用来将指定的网卡接入到Neutron的L2拓扑中，这些脚本位于/usr/libexec/kuryr目录下，它们与binding:vif_type的值一一对应。所以，Kuryr要做的就是读取Neutron port信息，找到对应的shell脚本，通过调用shell，将veth pair中的host interface接入到OpenStack Neutron的L2 拓扑中。接入之后，容器实际上与虚机处于一个L2网络，自然能与虚机通讯。另一方面，也可以使用Neutron提供的各种服务，Security group，QoS等等。

目前kuryr支持的L2网络类型有：bridge iovisor midonet ovs tap unbound

等等，这跟OpenStack Nova使用Neutron的方式是不是很像。Nova调用Neutron API创建port，Nova实际的创建网卡，绑定到虚机中。

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