基于DPU的Openstack裸金屬服務(wù)網(wǎng)絡(luò)解決方案

1.? 方案背景和挑戰(zhàn)

裸金屬服務(wù)器作為一類特別設(shè)計的計算類云服務(wù)，向最終用戶提供了云端部署的專屬物理服務(wù)器，這意味著最終用戶不再需要與其他租戶共享硬件資源，從而確保了資源的獨占性、性能的最優(yōu)化以及數(shù)據(jù)的最高級別安全。

裸金屬服務(wù)器作為云上資源的重要部分，其網(wǎng)絡(luò)需要與云主機(jī)和容器同樣連接在VPC下，并且能夠像云主機(jī)和容器一樣使用云上的網(wǎng)絡(luò)功能和能力。

當(dāng)前，基于OpenStack的裸金屬服務(wù)實現(xiàn)主要依賴于Ironic組件，并通過OpenStack的Neutron網(wǎng)絡(luò)組件來實現(xiàn)裸金屬服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接。在該方案下，裸金屬服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)使用的是物理網(wǎng)卡，因此網(wǎng)絡(luò)配置依賴于物理上的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>（例如需要知道裸金屬網(wǎng)卡連接到交換機(jī)的端口編號），物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接完成后就確定了，為了實現(xiàn) VPC 等網(wǎng)絡(luò)功能，需要對裸金屬服務(wù)器的上聯(lián)交換機(jī)做一些動態(tài)配置，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的切換。

Neutron原本是為虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計的，因此在應(yīng)用于裸金屬服務(wù)時，便暴露出了不足之處，帶來了一系列的問題與挑戰(zhàn)，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

a. 網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜性增加，提高了管理難度

- VLAN支持要求：Ironic的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)需要物理交換機(jī)的VLAN支持，并且要實現(xiàn)VLAN和VPC的匹配和轉(zhuǎn)換，以確保裸金屬服務(wù)器能夠正確地接入網(wǎng)絡(luò)。這不僅增加了網(wǎng)絡(luò)配置的復(fù)雜性，也提高了管理難度。

- 拓?fù)湟螅何锢砭W(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰軌蛑С諺LAN的劃分和管理，這可能涉及到復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置和維護(hù)。

b. SDN集成困難，降低網(wǎng)絡(luò)性能

- 流量轉(zhuǎn)換需求：在裸金屬場景下，直接使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)存在困難。通常需要將網(wǎng)絡(luò)流量引導(dǎo)到一個特定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這不僅會降低網(wǎng)絡(luò)性能，還會增加網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度。

- 性能與管理權(quán)衡：這種流量轉(zhuǎn)換機(jī)制可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，同時也增加了網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)的工作量。

c. 安全組實現(xiàn)困難，增加運維成本

- 安全組規(guī)則不適用：傳統(tǒng)裸金屬服務(wù)器直接連接到物理交換機(jī)，導(dǎo)致OpenStack的安全組規(guī)則無法直接應(yīng)用于裸金屬服務(wù)器。安全組是OpenStack中用于控制網(wǎng)絡(luò)流量的安全機(jī)制，其規(guī)則定義了允許或拒絕的網(wǎng)絡(luò)流量類型。

- 交換機(jī)防火墻規(guī)則影響：如果嘗試通過物理交換機(jī)的防火墻規(guī)則來實現(xiàn)類似的安全控制，可能會影響到其他業(yè)務(wù)的正常運行，并且會大幅增加運維成本。

d. 網(wǎng)卡熱插拔支持不足，限制了系統(tǒng)靈活性

- 物理限制：傳統(tǒng)裸金屬服務(wù)器的物理網(wǎng)卡不支持熱插拔功能。這意味著在不關(guān)閉服務(wù)器的情況下，無法添加或移除網(wǎng)絡(luò)適配器，這限制了系統(tǒng)的靈活性和服務(wù)的可用性。

- 維護(hù)與更新挑戰(zhàn)：缺乏熱插拔支持使得網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和更新變得更加困難，可能需要計劃停機(jī)時間，從而影響服務(wù)的連續(xù)性和用戶體驗。

基于OpenStack的裸金屬服務(wù)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，雖然借助Ironic和Neutron組件獲得了良好的表現(xiàn)，但在網(wǎng)絡(luò)管理、SDN集成、安全組應(yīng)用以及網(wǎng)卡熱插拔支持等方面仍面臨一系列挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)需要通過技術(shù)創(chuàng)新和架構(gòu)優(yōu)化來逐步解決，以提高裸金屬服務(wù)的性能、安全性和管理效率。

2.? 方案介紹

2.1. 整體方案架構(gòu)

為了解決上文提到的問題與挑戰(zhàn)，本方案創(chuàng)新性的引入了DPU組件，并仍然使用Openstack Ironic node資源來管理裸金屬實例。在開源Ironic組件（ironic-api、ironic-conductor）之外，我們自研了Ironic-dpu-agent組件，運行在每個裸金屬節(jié)點的DPU Soc中，用于管理裸金屬實例的存儲、網(wǎng)絡(luò)資源。

整體方案架構(gòu)如下圖：

各組件作用如下：

• Ironic-api：裸金屬rest api服務(wù)。
• Ironic-conductor：裸金屬實例的任務(wù)控制服務(wù)，負(fù)責(zé)裸金屬開關(guān)機(jī)、重啟、部署等任務(wù)。
• Ironic-dpu-agent：運行在DPU Soc上，與Ironic-conductor通過RPC通信，負(fù)責(zé)管理本節(jié)點裸金屬實例的存儲、網(wǎng)絡(luò)資源。
• Neutron-server：OpenStack網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為裸金屬實例提供network、subnet、port管理功能。

2.2. 方案詳細(xì)描述

在基于DPU的OpenStack裸金屬網(wǎng)絡(luò)方案中，裸金屬服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)配置完全由DPU卡負(fù)責(zé)，裸金屬服務(wù)器本身不需要任何傳統(tǒng)的物理網(wǎng)卡。DPU卡為裸金屬服務(wù)器提供物理功能（PF）、虛擬功能（VF）或可分割功能（SF）設(shè)備，作為網(wǎng)絡(luò)接口。這些網(wǎng)絡(luò)接口完全由DPU的系統(tǒng)級芯片（SOC）側(cè)的Open vSwitch（OVS）進(jìn)行配置，無需依賴外部物理交換機(jī)即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。

在該方案中，DPU負(fù)責(zé)處理包括VXLAN、Geneve等在內(nèi)的各種虛擬網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠支持虛擬機(jī)與裸金屬服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)互通，保證靈活且高效的網(wǎng)絡(luò)連接。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜喕寺憬饘俜?wù)器的部署流程，因為服務(wù)器無需依賴外部交換設(shè)備，所有的網(wǎng)絡(luò)管理和配置工作都在DPU卡上完成，大大減少了對傳統(tǒng)物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的依賴。

在控制節(jié)點上，OpenStack的Neutron組件負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的管理，并通過OVN（Open Virtual Network）來與DPU通信。DPU的SOC上運行著OVS（Open vSwitch），這是整個方案中負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)發(fā)和管理的關(guān)鍵組件。同時，DPU的SOC側(cè)還運行著OVN控制器（ovn-controller）和Ironic-dpu-agent，分別負(fù)責(zé)虛擬網(wǎng)絡(luò)的控制和裸金屬網(wǎng)絡(luò)的管理。

OVN控制器：負(fù)責(zé)與Neutron進(jìn)行通信，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求配置OVS，實現(xiàn)裸金屬服務(wù)器與虛擬機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連接。

Ironic-dpu-agent：這是Ironic服務(wù)的一個代理，它通過控制和配置OVS上的端口，管理DPU網(wǎng)絡(luò)資源，負(fù)責(zé)為裸金屬服務(wù)器分配和管理網(wǎng)絡(luò)接口。

在這個架構(gòu)下，DPU卡上提供的PF、VF等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過其代表接口（pfRep和vfRep）連接到OVS。裸金屬服務(wù)器通過這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與DPU卡通信，進(jìn)而連接到整個虛擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。OVS通過在SOC上運行的p0和p1端口負(fù)責(zé)管理所有的網(wǎng)絡(luò)流量，從而使裸金屬服務(wù)器能夠無縫地加入虛擬網(wǎng)絡(luò)。

這種架構(gòu)極大地提升了裸金屬服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)性能，同時減少了對外部交換機(jī)的依賴，降低了部署成本和復(fù)雜度。在實際應(yīng)用中，這種基于DPU的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以大幅提高數(shù)據(jù)中心的資源利用率，并為多租戶環(huán)境下的虛擬機(jī)和裸金屬服務(wù)器提供高效、安全的網(wǎng)絡(luò)隔離和互通。

裸金屬node節(jié)點綁定創(chuàng)建的虛擬port，Neutron Server 通過 OVN Plugin 將端口信息寫入 OVN NB DB，當(dāng)Ironic-dpu-agent 獲得node綁定port信息后，配置OVS的interface中的iface-id，然后通過ovn-controller下發(fā)流表，跟虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)流標(biāo)下發(fā)方式一致。

網(wǎng)卡熱插拔

在原生Ironic中，可以實現(xiàn)一定程度網(wǎng)卡熱插拔，但是要求機(jī)器上有冗余的網(wǎng)卡設(shè)備，這些網(wǎng)卡設(shè)備可以在需要的時候被啟用/禁用。這種方式也有一些缺陷，一方面這不夠靈活，不同的用戶需求不一樣，冗余多少塊網(wǎng)卡不便于確定。另一方面，如果冗余的網(wǎng)卡沒有得到使用，造成了資源浪費。

在基于 DPU 的方案中，如前文所述，裸金屬的網(wǎng)卡是由DPU的 PF/VF/SF 設(shè)備提供的，而 DPU 往往提供了大量的 VF/SF（數(shù)百個以上），足夠滿足用戶的需求。那么網(wǎng)卡的熱插拔就變成了 PF/VF/SF 設(shè)備的動態(tài)插拔和配置問題，這仍然是由 Ironic-dpu-agent組件完成的。

3.? 測試與驗證

3.1.? 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

以下是示例網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?/p>

其中，普通業(yè)務(wù)流量和存儲流量最好劃分VLAN。BMC 帶外管理網(wǎng)和千兆管理網(wǎng)需要打通，測試時也可簡單用同一個網(wǎng)絡(luò)。

3.2.? 軟件環(huán)境

依賴以下軟件環(huán)境：

3.3.? 測試用例及結(jié)果

3.3.1.??創(chuàng)建資源

• 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、子網(wǎng)、路由器、鏈接路由器和子網(wǎng)

• 創(chuàng)建flavor

• 創(chuàng)建鏡像

• 創(chuàng)建node

3.3.2.? 創(chuàng)建裸金屬服務(wù)器實例

創(chuàng)建裸金屬實例與創(chuàng)建虛擬機(jī)操作流程一致，選擇裸金屬的flavor即可：

3.3.3.??安全組

創(chuàng)建裸金屬實例與創(chuàng)建虛擬機(jī)安全組添加一樣，創(chuàng)建port的時候選擇一個安全組即可：

3.3.4.??連通性驗證

在同一個net01下創(chuàng)建VM、BM，然后驗證BM和VM的網(wǎng)絡(luò)互通情況

創(chuàng)建VM：

登錄通過bmc登錄裸機(jī)bm-01驗證：

3.3.5.??網(wǎng)卡熱插拔

先卸載port，再添加port：

4.? 方案總結(jié)

DPU賦能的Openstack裸金屬網(wǎng)絡(luò)解決方案，在以下幾個方面具有顯著優(yōu)勢：

1)Overlay網(wǎng)絡(luò)終結(jié)在DPU側(cè)，降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性：通過在DPU側(cè)終結(jié)Overlay網(wǎng)絡(luò)，可以減少中間網(wǎng)絡(luò)元素，擺脫了對物理交換機(jī)的依賴，簡化整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)。這種方式不僅降低了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，提高了網(wǎng)絡(luò)的可管理性，還減少了設(shè)備成本和運維成本，使整個網(wǎng)絡(luò)更加經(jīng)濟(jì)高效。

2)支持統(tǒng)一的SDN控制器，提升網(wǎng)絡(luò)靈活性和響應(yīng)速度：采用統(tǒng)一的SDN控制器實現(xiàn)策略下發(fā)和調(diào)度，SDN網(wǎng)絡(luò)不僅支持VLAN還可以使用Vxlan和Geneve，擺脫VLAN網(wǎng)絡(luò)4096的限制。同時，有效簡化SDN軟件架構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和響應(yīng)速度，降低維護(hù)和管理的復(fù)雜性。

3)通過SDN實現(xiàn)安全組，降低運維成本：通過SDN網(wǎng)絡(luò)的ACL功能，可以在不依賴物理交換機(jī)的情況下實現(xiàn)安全組功能。這樣可以直接在DPU上應(yīng)用安全規(guī)則，而不需要通過物理交換機(jī)的防火墻規(guī)則，從而避免對其他業(yè)務(wù)的影響并降低運維成本。

4)支持網(wǎng)絡(luò)接口熱插拔，提升網(wǎng)絡(luò)設(shè)備靈活性：利用DPU的動態(tài)特性，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的熱插拔。這意味著在不影響服務(wù)器運行的情況下，可以增加新的網(wǎng)絡(luò)接口或移除現(xiàn)有接口，從而提高系統(tǒng)的靈活性和服務(wù)的可用性。

綜上所述，DPU驅(qū)動的Openstack裸金屬網(wǎng)絡(luò)方案通過一系列創(chuàng)新設(shè)計，不僅提高了網(wǎng)絡(luò)的可管理性、可擴(kuò)展性和安全性，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和服務(wù)的可用性，從而為裸金屬服務(wù)器提供了更加強(qiáng)大和高效的網(wǎng)絡(luò)支持。

本方案來自于中科馭數(shù)軟件研發(fā)團(tuán)隊，團(tuán)隊核心由一群在云計算、數(shù)據(jù)中心架構(gòu)、高性能計算領(lǐng)域深耕多年的業(yè)界資深架構(gòu)師和技術(shù)專家組成，不僅擁有豐富的實戰(zhàn)經(jīng)驗，還對行業(yè)趨勢具備敏銳的洞察力，該團(tuán)隊致力于探索、設(shè)計、開發(fā)、推廣可落地的高性能云計算解決方案，幫助最終客戶加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升業(yè)務(wù)效能，同時降低運營成本。