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openstack neutron L3 HA

作者:Liping Mao  发表于:2014-08-20
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最近Assaf Muller写了一篇关于Neutron L3 HA的文章很不错。

建议看原文,地址如下:

http://assafmuller.wordpress.com/category/ml2/



大致翻译如下:

L3 Agent Low Availability(L3 agent的低可用性)
目前,在Openstack中,你只能用多个网络节点达到负载分流,但是做不到HA。假设我们有3个网络节点,创建的一些虚拟路由会被分配到这三个节点上。然而,如果某一个节点down掉了,所有在这个节点上的虚拟路由器会中断服务。在Icehouse的neutron中还没有build-in的解决方案。



A Detour to the DHCP Agent(看看DHCP Agent是怎么做的)
DHCP是完全不同的情况。DHCP协议支持多个DHCP Server拥有相同的pool同时共存。
通过修改以下配置:
neutron.conf:
dhcp_agents_per_network = X

你就会将每个network的DHCP分配到X个DHCP agents。所以,如果你部署了3个网络节点,并且设置了dhcp_agents_per_network=2,那么每个neutron的network会被这3个网络节点中的2个DHCP agents服务。那么这是如何工作的呢?


首先我们看一下在实体机的情况下是怎么做的。当server连入到10.0.0.0/24子网时,它会广播出DHCP discover。两个DHCP Servers dnsmasq1和dnsmasq2(或者其他的DHCP Server实现)会收到广播包,之后回复一个offer ip是10.0.0.2。假设第一台dnsmasq1的response被server先收到,它就会广播request 10.0.0.2,并且指定dnsmasq1的ip 10.0.0.253 。两台DHCP server都会收到广播包,但是只有dnsmasq1会回复ACK。由于所有的DHCP通信都是通过广播,那么dnsmasq2也会收到ACK,可以标记10.0.0.2被AA:BB:CC:11:22:33使用了,就不会将此IP分配给其他Server了。总的来说,因为clients和servers所有的通信都是通过广播,这样就只需要简单的部署多个DHCP server就能达到HA的效果了。
在Neutron的情况下,MAC和IP的绑定关系是在创建port时设置好的。因此,所有的dnsmasq都会在收到请求前就知道MAC(AA:BB:CC:11:22:33)和IP(10.0.0.2)绑定了。可以看出DHCP HA是在协议层面就支持的。



Back to the Lowly Available L3 Agent(回到L3 Agent的低可用性)
L3 agent目前和DHCP的情况不同,那么如果需要做HA是怎么做的呢?

使用外部的Cluster技术(Pacemaker / Corosync)指定一个Standby网络节点,当active网络节点发生问题时,L3agent会起到standby节点上。两个节点拥有相同的hostname。
另一个方案是写一个脚本作为cron job,它会调用api获得哪些L3 agents死了,然后将属于这些L3 agents的虚拟路由reschedule到其他L3 agents。

在Juno里面Kevin Benton写了一个neutron内置的reschedule,代码是:https://review.openstack.org/#/c/110893/


Rescheduling Routers Takes a Long, Long Time(rescheduling虚拟路由会花很长时间。。。)
所有的这些都需要很长的时间将虚拟路由reschedule到新的L3 agent。如果有上千个虚拟路由的话那failover可能需要以小时计的down time。



Distributed Virtual Router(分布式虚拟路由)
这里有些文档说明它是如何工作的:
http://specs.openstack.org/openstack/neutron-specs/specs/juno/neutron-ovs-dvr.html 
https://docs.google.com/document/d/1jCmraZGirmXq5V1MtRqhjdZCbUfiwBhRkUjDXGt5QUQ/ 
https://docs.google.com/document/d/1depasJSnGZPOnRLxEC_PYsVLcGVFXZLqP52RFTe21BE/


它主要是将路由移至计算节点:
DVR只处理Floating IPs, 默认网关的SNAT还是在网络节点的L3 agent上做。
DVR目前不支持VLAN模式,只能同tunnels和L2pop启用时工作。
在每一个计算节点上都需要连接到外部网络。
总的来说,如果你的部署是基于havana或者icehouse,那DVR会需要对你的部署有比较大的改动。而L3 HA会更贴近你当前的部署。


理想情况下,你应该使用DVR+L3 HA 。 Floating IP将被你计算节点直接路由,网关SNAT的traffic将会走网络节点带HA的L3 agent。



Layer 3 High Availability(L3的高可用性)
在Juno里,我们使用keepalived做L3的HA。 Keepalived内部使用的是VRRP,那么首先我们看一下VRRP。



What is VRRP, how does it work in the physical world?(什么是VRRP,它是如何工作的)

VRRP是为了解决网络默认网关的HA的问题。那么是怎么做的呢?当我们在有两台路由的网络拓扑中,你可以指定一半的server是第一个路由的IP地址,另外一半server指定到第二个路由的IP地址。


这样可以提供负载分流,但是如果一个路由器down了就有问题了。自然的就会想到使用一个虚拟IP作为server的默认网关。当Master的路由down了之后,standby的路由器不会收到从Master发出的VRRP hello包,这样就会导致standbys的路由器的一次选举,获胜者将作为新的Master。新的Master将使用VIP,并需要发出gratuitous ARP用于刷新servers的ARP cache,交换机也会知道此虚拟MAC从旧的port移动至了新的port。




通过这样做了之后,默认路由会改为新的Active的路由,但是没有实现负载分流。那么如何同时做到负载分流呢?可以通过VRRP groups,一半的servers使用第一个VIP,另一半的servers使用第二个VIP。这样的话任意的路由 down掉之后就会移至另一台路由。



细心的读者可能会想到一个问题,如果路由的external网络连接断了会怎么样呢?他还会是active的路由吗?其实VRRP是有能力监控external网络,这样就可以把external网络断掉的路由器标示为failure。


Note:对于IP地址,有下面两种可行的方案:
1. 每个路由器都拥有自己的IP地址,VIP在master作为additional或者secondary IP。
2. 只有VIP一个地址,只有master有IP地址,slaves没有IP地址。


VRRP – The Dry Facts(VRRP基本知识)

1. 直接通过IP协议封装。
2. master使用组播地址224.0.0.18 MAC地址为01-00-5E-00-00-12发送给standby节点Hello消息。
3. 虚拟MAC的地址是00-00-5E-00-01-{VRID}, 因此在同一个广播域中有256个VRIDs(0到255)。
4. 选举的过程使用的是用户设定的priority值,范围是1-255, 数值越大优先级越高。
5. 抢占式(preemptive)选举,这和其他的网络协议一样,当优先级高的路由器加入或者从错误状态中恢复时,会抢占成为master。
6. 非抢占式(non-preemptive)选举,当优先级高的路由器加入或者从错误状态中恢复时,不会抢占成为master,还是维持slave的状态。
7. hello消息的周期是可配置的,如果standby在3倍周期内没有收到hello消息就会发起选举。


Back to Neutron-land(回来看neutron的情况)

L3 HA会在每一个router的namespace中启动一个keepalived。不同的router通过专用的HA网络通信。每一个tenant一个有一个专用的HA网络。HA网络和一般的网络没什么不同,只是它本身没有属于某个tenant,所以在CLI和GUI中是看不到的。HA routers在namespace中,有一个‘HA‘ device:当一个HA router被创建时,它会被schedule到多个网络节点,每个namespace都会通过HA device连接到HA网络。Keepalived的控制流就是通过HA device转发的。以下是router namespace的"ip addr"输出:
[stack@vpn-6-88 ~]$ sudo ip netns exec qrouter-b30064f9-414e-4c98-ab42-646197c74020 ip address
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default 
    ...
2794: ha-45249562-ec: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN group default 
    link/ether 12:34:56:78:2b:5d brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 169.254.0.2/24 brd 169.254.0.255 scope global ha-54b92d86-4f
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::1034:56ff:fe78:2b5d/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever
2795: qr-dc9d93c6-e2: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN group default 
    link/ether ca:fe:de:ad:be:ef brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 10.0.0.1/24 scope global qr-0d51eced-0f
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::c8fe:deff:fead:beef/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever
2796: qg-843de7e6-8f: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN group default 
    link/ether ca:fe:de:ad:be:ef brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 19.4.4.4/24 scope global qg-75688938-8d
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::c8fe:deff:fead:beef/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever

这是master的输出,在另一个网络节点上会有同样的ha, qr 和qg,但是他们没有IP。同时也没有floating ip并且路由表为空。 他们是作为配置项写在keepalived的配置文件中的。当keepalived检测到master down掉时,这些地址将会被配置上去。这里是keepalived.conf的例子:
vrrp_sync_group VG_1 {
    group {
        VR_1
    }
    notify_backup "/path/to/notify_backup.sh"
    notify_master "/path/to/notify_master.sh"
    notify_fault "/path/to/notify_fault.sh"
}
vrrp_instance VR_1 {
    state BACKUP
    interface ha-45249562-ec
    virtual_router_id 1
    priority 50
    nopreempt
    advert_int 2
    track_interface {
        ha-45249562-ec
    }
    virtual_ipaddress {
        19.4.4.4/24 dev qg-843de7e6-8f
    }
    virtual_ipaddress_excluded {
        10.0.0.1/24 dev qr-dc9d93c6-e2
    }
    virtual_routes {
        0.0.0.0/0 via 19.4.4.1 dev qg-843de7e6-8f
    }
}


这里的notify脚本是什么呢?这些脚本是keepalived在状态转换为master、backup或者fault时执行的。这里是转换为master的脚本例子:
#!/usr/bin/env bash
neutron-ns-metadata-proxy --pid_file=/tmp/tmpp_6Lcx/tmpllLzNs/external/pids/b30064f9-414e-4c98-ab42-646197c74020/pid --metadata_proxy_socket=/tmp/tmpp_6Lcx/tmpllLzNs/metadata_proxy --router_id=b30064f9-414e-4c98-ab42-646197c74020 --state_path=/opt/openstack/neutron --metadata_port=9697 --debug --verbose
echo -n master > /tmp/tmpp_6Lcx/tmpllLzNs/ha_confs/b30064f9-414e-4c98-ab42-646197c74020/state

这个脚本仅仅是启动了neutron-ns-metadata-proxy,再将状态写到了状态文件中(状态文件之后会被L3读取)。backup和fault脚本会kill neutron-ns-metadata-proxy进程,并记录对应状态。这意味着neutron-ns-metadata-proxy只会在master上存在。


* Aren’t We Forgetting the Metadata Agent?(我们忘了Metadata agent了吗?)

你只需要将其(neutron-metadata-agent)在每个网络节点上跑着就可以了。


Future Work & Limitations(将来的工作和目前的限制)
1. TCP连接 -- 目前的实现中,TCP sessions会在failover的时候中断。理想情况下,使用conntrackd应该可以做到sessions在failover时不中断。
2. Master Router在哪里? 目前管理员不知道master在哪个网络节点中,计划是agents上报这个信息,然后通过API暴露出去。
3. 当需要维护一个网络节点时,我们所有Master能够放弃Master状态,这样可以加快failover。
4. 通知l2pop VIP的移动。Master节点会拥有VIP,但是Standby会存在同样的neutron port和MAC地址。这会对L2pop产生不利影响,因为它认为MAC地址是只存在于网络的某一位置的。解决这个问题的计划是:当agent检测到VRRP状态发生变化时,发送RPC消息,也就是说当一个路由变为Master时,Controller会收到消息并通知L2pop更新。
5. FW, VPN和LB,与DVR和L3 HA集成时都有问题,在Kilo版本中会深入去看。
6. 每个tenant有1个HA网络,这就限制了每个tenant有255个HA Router,因为VRID在同一广播域中有255个的限制。

Usage & Configuration(使用和配置)
neutron.conf:
l3_ha = True
max_l3_agents_per_router = 2
min_l3_agents_per_router = 2

l3_ha=Ture表示所有的虚拟路由都是HA模式的,默认为false
你可以设置HA Router被schedule到max和min数目的网络节点数。比如你有4个网络节点,你设置了max和min为2,那么每个HA router会被schedule到两个L3 agent上。当你的网络节点个数小于min时,HA路由会创建失败。

CLI可以覆盖l3_ha的配置(必须拥有admin权限):
neutron router-create --ha=<True | False> router1

References
BP: 
https://blueprints.launchpad.net/neutron/+spec/l3-high-availability
spec: 
http://specs.openstack.org/openstack/neutron-specs/specs/juno/l3-high-availability.html
How to test: 
https://docs.google.com/document/d/1P2OnlKAGMeSZTbGENNAKOse6B2TRXJ8keUMVvtUCUSM/edit#heading=h.xjip6aepu7ug
Code: 
https://review.openstack.org/#/q/topic:bp/l3-high-availability,n,z
Wiki:
https://wiki.openstack.org/wiki/Neutron/L3_High_Availability_VRRP
Section in Neutron L3 sub team wiki (Including overview of patch dependencies and future work):
https://wiki.openstack.org/wiki/Meetings/Neutron-L3-Subteam#Blueprint:_l3-high-availability_.28safchain.2C_amuller.29