vswitchd/INTERNALS

   1                        ========================
   2                         ovs-vswitchd Internals
   3                        ========================
   4
   5 This document describes some of the internals of the ovs-vswitchd
   6 process.  It is not complete.  It tends to be updated on demand, so if
   7 you have questions about the vswitchd implementation, ask them and
   8 perhaps we'll add some appropriate documentation here.
   9
  10 Most of the ovs-vswitchd implementation is in vswitchd/bridge.c, so
  11 code references below should be assumed to refer to that file except
  12 as otherwise specified.
  13
  14 Bonding
  15 =======
  16
  17 Bonding allows two or more interfaces (the "slaves") to share network
  18 traffic.  From a high-level point of view, bonded interfaces act like
  19 a single port, but they have the bandwidth of multiple network
  20 devices, e.g. two 1 GB physical interfaces act like a single 2 GB
  21 interface.  Bonds also increase robustness: the bonded port does not
  22 go down as long as at least one of its slaves is up.
  23
  24 In vswitchd, a bond always has at least two slaves (and may have
  25 more).  If a configuration error, etc. would cause a bond to have only
  26 one slave, the port becomes an ordinary port, not a bonded port, and
  27 none of the special features of bonded ports described in this section
  28 apply.
  29
  30 There are many forms of bonding, but ovs-vswitchd currently implements
  31 only a single kind, called "source load balancing" or SLB bonding.
  32 SLB bonding divides traffic among the slaves based on the Ethernet
  33 source address.  This is useful only if the traffic over the bond has
  34 multiple Ethernet source addresses, for example if network traffic
  35 from multiple VMs are multiplexed over the bond.
  36
  37 Enabling and Disabling Slaves
  38 -----------------------------
  39
  40 When a bond is created, a slave is initially enabled or disabled based
  41 on whether carrier is detected on the NIC (see iface_create()).  After
  42 that, a slave is disabled if its carrier goes down for a period of
  43 time longer than the downdelay, and it is enabled if carrier comes up
  44 for longer than the updelay (see bond_link_status_update()).  There is
  45 one exception where the updelay is skipped: if no slaves at all are
  46 currently enabled, then the first slave on which carrier comes up is
  47 enabled immediately.
  48
  49 The updelay should be set to a time longer than the STP forwarding
  50 delay of the physical switch to which the bond port is connected (if
  51 STP is enabled on that switch).  Otherwise, the slave will be enabled,
  52 and load may be shifted to it, before the physical switch starts
  53 forwarding packets on that port, which can cause some data to be
  54 "blackholed" for a time.  The exception for a single enabled slave
  55 does not cause any problem in this regard because when no slaves are
  56 enabled all output packets are blackholed anyway.
  57
  58 When a slave becomes disabled, the vswitch immediately chooses a new
  59 output port for traffic that was destined for that slave (see
  60 bond_enable_slave()).  It also sends a "gratuitous learning packet" on
  61 the bond port (on the newly chosen slave) for each MAC address that
  62 the vswitch has learned on a port other than the bond (see
  63 bond_send_learning_packets()), to teach the physical switch that the
  64 new slave should be used in place of the one that is now disabled.
  65 (This behavior probably makes sense only for a vswitch that has only
  66 one port (the bond) connected to a physical switch; vswitchd should
  67 probably provide a way to disable or configure it in other scenarios.)
  68
  69 Bond Packet Input
  70 -----------------
  71
  72 Bonding accepts unicast packets on any bond slave.  This can
  73 occasionally cause packet duplication for the first few packets sent
  74 to a given MAC, if the physical switch attached to the bond is
  75 flooding packets to that MAC because it has not yet learned the
  76 correct slave for that MAC.
  77
  78 Bonding only accepts multicast (and broadcast) packets on a single
  79 bond slave (the "active slave") at any given time.  Multicast packets
  80 received on other slaves are dropped.  Otherwise, every multicast
  81 packet would be duplicated, once for every bond slave, because the
  82 physical switch attached to the bond will flood those packets.
  83
  84 Bonding also drops received packets when the vswitch has learned that
  85 the packet's MAC is on a port other than the bond port itself.  This is
  86 because it is likely that the vswitch itself sent the packet out the
  87 bond port on a different slave and is now receiving the packet back.
  88 This occurs when the packet is multicast or the physical switch has not
  89 yet learned the MAC and is flooding it.  However, the vswitch makes an
  90 exception to this rule for broadcast ARP replies, which indicate that
  91 the MAC has moved to another switch, probably due to VM migration.
  92 (ARP replies are normally unicast, so this exception does not match
  93 normal ARP replies.  It will match the learning packets sent on bond
  94 fail-over.)
  95
  96 The active slave is simply the first slave to be enabled after the
  97 bond is created (see bond_choose_active_iface()).  If the active slave
  98 is disabled, then a new active slave is chosen among the slaves that
  99 remain active.  Currently due to the way that configuration works,
 100 this tends to be the remaining slave whose interface name is first
 101 alphabetically, but this is by no means guaranteed.
 102
 103 Bond Packet Output
 104 ------------------
 105
 106 When a packet is sent out a bond port, the bond slave actually used is
 107 selected based on the packet's source MAC and VLAN tag (see
 108 choose_output_iface()).  In particular, the source MAC and VLAN tag
 109 are hashed into one of 256 values, and that value is looked up in a
 110 hash table (the "bond hash") kept in the "bond_hash" member of struct
 111 port.  The hash table entry identifies a bond slave.  If no bond slave
 112 has yet been chosen for that hash table entry, vswitchd chooses one
 113 arbitrarily.
 114
 115 Every 10 seconds, vswitchd rebalances the bond slaves (see
 116 bond_rebalance_port()).  To rebalance, vswitchd examines the
 117 statistics for the number of bytes transmitted by each slave over
 118 approximately the past minute, with data sent more recently weighted
 119 more heavily than data sent less recently.  It considers each of the
 120 slaves in order from most-loaded to least-loaded.  If highly loaded
 121 slave H is significantly more heavily loaded than the least-loaded
 122 slave L, and slave H carries at least two hashes, then vswitchd shifts
 123 one of H's hashes to L.  However, vswitchd will only shift a hash from
 124 H to L if it will decrease the ratio of the load between H and L by at
 125 least 0.1.
 126
 127 Currently, "significantly more loaded" means that H must carry at
 128 least 1 Mbps more traffic, and that traffic must be at least 3%
 129 greater than L's.
 130
 131 Bond Balance Modes
 132 ------------------
 133
 134 Each bond balancing mode has different considerations, described
 135 below.
 136
 137 LACP Bonding
 138 ------------
 139
 140 LACP bonding requires the remote switch to implement LACP, but it is
 141 otherwise very simple in that, after LACP negotiation is complete,
 142 there is no need for special handling of received packets.
 143
 144 SLB Bonding
 145 -----------
 146
 147 SLB bonding allows a limited form of load balancing without the remote
 148 switch's knowledge or cooperation.  The basics of SLB are simple.  SLB
 149 assigns each source MAC+VLAN pair to a link and transmits all packets
 150 from that MAC+VLAN through that link.  Learning in the remote switch
 151 causes it to send packets to that MAC+VLAN through the same link.
 152
 153 SLB bonding has the following complications:
 154
 155    0. When the remote switch has not learned the MAC for the
 156       destination of a unicast packet and hence floods the packet to
 157       all of the links on the SLB bond, Open vSwitch will forward
 158       duplicate packets, one per link, to each other switch port.
 159
 160       Open vSwitch does not solve this problem.
 161
 162    1. When the remote switch receives a multicast or broadcast packet
 163       from a port not on the SLB bond, it will forward it to all of
 164       the links in the SLB bond.  This would cause packet duplication
 165       if not handled specially.
 166
 167       Open vSwitch avoids packet duplication by accepting multicast
 168       and broadcast packets on only the active slave, and dropping
 169       multicast and broadcast packets on all other slaves.
 170
 171    2. When Open vSwitch forwards a multicast or broadcast packet to a
 172       link in the SLB bond other than the active slave, the remote
 173       switch will forward it to all of the other links in the SLB
 174       bond, including the active slave.  Without special handling,
 175       this would mean that Open vSwitch would forward a second copy of
 176       the packet to each switch port (other than the bond), including
 177       the port that originated the packet.
 178
 179       Open vSwitch deals with this case by dropping packets received
 180       on any SLB bonded link that have a source MAC+VLAN that has been
 181       learned on any other port.  (This means that SLB as implemented
 182       in Open vSwitch relies critically on MAC learning.  Notably, SLB
 183       is incompatible with the "flood_vlans" feature.)
 184
 185    3. Suppose that a MAC+VLAN moves to an SLB bond from another port
 186       (e.g. when a VM is migrated from this hypervisor to a different
 187       one).  Without additional special handling, Open vSwitch will
 188       not notice until the MAC learning entry expires, up to 60
 189       seconds later as a consequence of rule #2.
 190
 191       Open vSwitch avoids a 60-second delay by listening for
 192       gratuitous ARPs, which VMs commonly emit upon migration.  As an
 193       exception to rule #2, a gratuitous ARP received on an SLB bond
 194       is not dropped and updates the MAC learning table in the usual
 195       way.  (If a move does not trigger a gratuitous ARP, or if the
 196       gratuitous ARP is lost in the network, then a 60-second delay
 197       still occurs.)
 198
 199    4. Suppose that a MAC+VLAN moves from an SLB bond to another port
 200       (e.g. when a VM is migrated from a different hypervisor to this
 201       one), that the MAC+VLAN emits a gratuitous ARP, and that Open
 202       vSwitch forwards that gratuitous ARP to a link in the SLB bond
 203       other than the active slave.  The remote switch will forward the
 204       gratuitous ARP to all of the other links in the SLB bond,
 205       including the active slave.  Without additional special
 206       handling, this would mean that Open vSwitch would learn that the
 207       MAC+VLAN was located on the SLB bond, as a consequence of rule
 208       #3.
 209
 210       Open vSwitch avoids this problem by "locking" the MAC learning
 211       table entry for a MAC+VLAN from which a gratuitous ARP was
 212       received from a non-SLB bond port.  For 5 seconds, a locked MAC
 213       learning table entry will not be updated based on a gratuitous
 214       ARP received on a SLB bond.