Neutron 深入浅出解析

Neutron 是 OpenStack 云平台中负责网络即服务（NaaS）的核心组件。它取代了早期 Nova-Network 的简单网络模型，为租户提供了丰富的、可编程的虚拟网络功能，实现了对网络拓扑的灵活定义和管理 。

一、 核心概念

理解 Neutron 前，需掌握其定义的几个核心资源对象：

二、 架构与组件

Neutron 采用插件化、松耦合的架构，分为控制平面和数据平面，具有良好的可扩展性 。

1. 控制平面

负责接收、验证 API 请求，并将网络配置信息持久化到数据库中。核心是 neutron-server 进程。

• API 层： 提供 RESTful API，接收用户对网络、子网、端口、路由器等资源的创建、查询、更新、删除（CRUD）请求。
• 插件层 (Plugin)： 是 Neutron 的核心扩展点。它处理 API 请求的业务逻辑，并将抽象的网络配置转换为具体后端技术能理解的模型。最常用的是 ML2 (Modular Layer 2) 插件，它通过驱动（Driver）机制支持多种网络技术（如 VLAN, VXLAN, GRE）和多种虚拟交换机（如 Linux Bridge, Open vSwitch）。
• 数据库： 存储所有 Neutron 管理的网络资源状态和配置信息。

2. 数据平面

负责在计算节点和网络节点上执行具体的网络配置，实现数据包的转发、隔离、路由等功能。由运行在各节点上的 Agent（代理） 实现。

• L2 Agent (二层代理)： 在每个计算节点和网络节点上运行，负责根据控制平面的指令配置本地的虚拟交换机（如 openvswitch-agent 或 linuxbridge-agent），创建网桥、端口、VLAN/VXLAN 隧道等 。
• L3 Agent (三层代理)： 通常运行在专用的网络节点上。它负责创建和管理虚拟路由器（Router），在 Linux Network Namespace 中运行，实现子网间路由、浮动 IP（Floating IP）和 SNAT/DNAT 功能 。
• DHCP Agent (DHCP 代理)： 为虚拟网络提供 DHCP 服务。它会为每个需要 DHCP 服务的网络创建一个独立的 Network Namespace，并在其中运行 dnsmasq 进程，为虚拟机自动分配 IP 地址 。
• 元数据代理 (Metadata Agent)： 为虚拟机提供访问 OpenStack 元数据服务（如获取 SSH 公钥、用户数据等）的通道。

控制平面与数据平面之间通过 消息队列 (如 RabbitMQ) 进行异步通信。neutron-server 将需要执行的任务（如创建端口）放入队列，相应的 Agent 从队列中取出任务并执行，然后将执行结果反馈回去 。

三、 工作流程示例：创建一个 VXLAN 网络并启动虚拟机

以下流程结合了架构中各组件的协作 ：

1. 用户发起请求： 租户通过 Horizon 面板或 CLI 命令请求创建一个 VXLAN 类型的网络 net1 和一个子网 subnet1。
2. 控制平面处理：
   • neutron-server 的 API 层接收请求。
   • ML2 插件校验请求，并将网络配置（类型为 VXLAN，分配一个 VNI）写入数据库。
   • ML2 插件通过消息队列，向所有相关的计算节点和网络节点的 openvswitch-agent 发送“创建网络 net1”的 RPC 消息。
3. 数据平面执行：
   • 各节点的 openvswitch-agent 收到消息后，在本地的 OVS 中创建一个新的网桥（如 br-int 上关联一个新的 VXLAN 端口），并建立到其他节点的 VXLAN 隧道。
   • 如果子网开启了 DHCP，Neutron 会调度一个 dhcp-agent。该 Agent 会创建一个名为 dhcp-<network-id> 的 Network Namespace，在其中启动 dnsmasq 服务，并配置好 IP 地址和路由 。
4. 启动虚拟机：
   • 用户通过 Nova 启动一个虚拟机，并指定其连接到 net1。
   • Nova 向 Neutron 请求为虚拟机分配一个端口。
   • Neutron 在数据库中创建端口记录，分配 MAC 和 IP 地址，并通过消息队列通知计算节点上的 openvswitch-agent。
   • 该 Agent 在 OVS 网桥上创建虚拟端口（tap 设备），并将其与虚拟机的虚拟网卡连接。
   • 虚拟机启动后，通过 DHCP（由 dhcp-agent 提供）或静态配置获得 IP 地址，即可在 net1 内通信。

四、 网络类型与模型

Neutron 支持多种网络类型以满足不同场景 ：

Neutron 的网络实现模型主要分为两种：

• 提供商网络 (Provider Network)： 由管理员创建，直接映射到底层物理网络基础设施（如特定的物理网卡或 VLAN）。租户通常只能使用，不能创建。
• 租户网络 (Tenant Network)： 由租户自己创建和管理的虚拟网络。Neutron 负责其全生命周期管理，租户无需关心底层物理拓扑。上述的 VXLAN 网络就是典型的租户网络。

五、 基本操作示例

以下通过 OpenStack CLI 演示 Neutron（现多使用 openstack network 命令）的基本使用：

# 1. 创建一个租户网络 (VXLAN类型)
openstack network create --share --provider-network-type vxlan tenant_net

# 2. 在网络上创建一个子网
openstack subnet create --network tenant_net \
                        --subnet-range 10.1.0.0/24 \
                        --gateway 10.1.0.1 \
                        --dns-nameserver 8.8.8.8 \
                        tenant_subnet

# 3. 创建一个路由器
openstack router create my_router

# 4. 将路由器的内部接口连接到子网
openstack router add subnet my_router tenant_subnet

# 5. 设置路由器的外部网关（连接到名为`public`的提供商网络）
openstack router set --external-gateway public my_router

# 6. 启动一个虚拟机并连接到该网络
openstack server create --flavor m1.small \
                        --image cirros \
                        --nic net-id=$(openstack network show tenant_net -f value -c id) \
                        vm1

总结：Neutron 通过其清晰的分层架构（控制平面与数据平面分离）、插件化设计（ML2）和代理模型，将复杂的网络功能抽象为简单的 API，使得云管理员和租户能够像管理计算和存储资源一样，灵活、动态地定义和管理云中的虚拟网络，是构建复杂、多租户云环境网络的基石 。

参考来源

• openstack——Neutron基本架构详解
• OpenStack Neutron 架构详解
• Neutron 项目使用教程
• OpenStack核心组件-neutron
• Neutron原理详解
• Neutron dhcp实现