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2 <manpage program="ovn-architecture" section="7" title="OVN Architecture">
3   <h1>Name</h1>
4   <p>ovn-architecture -- Open Virtual Network architecture</p>
5
6   <h1>Description</h1>
7
8   <p>
9     OVN, the Open Virtual Network, is a system to support virtual network
10     abstraction.  OVN complements the existing capabilities of OVS to add
11     native support for virtual network abstractions, such as virtual L2 and L3
12     overlays and security groups.  Services such as DHCP are also desirable
13     features.  Just like OVS, OVN's design goal is to have a production-quality
14     implementation that can operate at significant scale.
15   </p>
16
17   <p>
18     An OVN deployment consists of several components:
19   </p>
20
21   <ul>
22     <li>
23       <p>
24         A <dfn>Cloud Management System</dfn> (<dfn>CMS</dfn>), which is
25         OVN's ultimate client (via its users and administrators).  OVN
26         integration requires installing a CMS-specific plugin and
27         related software (see below).  OVN initially targets OpenStack
28         as CMS.
29       </p>
30
31       <p>
32         We generally speak of ``the'' CMS, but one can imagine scenarios in
33         which multiple CMSes manage different parts of an OVN deployment.
34       </p>
35     </li>
36
37     <li>
38       An OVN Database physical or virtual node (or, eventually, cluster)
39       installed in a central location.
40     </li>
41
42     <li>
43       One or more (usually many) <dfn>hypervisors</dfn>.  Hypervisors must run
44       Open vSwitch and implement the interface described in
45       <code>IntegrationGuide.md</code> in the OVS source tree.  Any hypervisor
46       platform supported by Open vSwitch is acceptable.
47     </li>
48
49     <li>
50       <p>
51         Zero or more <dfn>gateways</dfn>.  A gateway extends a tunnel-based
52         logical network into a physical network by bidirectionally forwarding
53         packets between tunnels and a physical Ethernet port.  This allows
54         non-virtualized machines to participate in logical networks.  A gateway
55         may be a physical host, a virtual machine, or an ASIC-based hardware
56         switch that supports the <code>vtep</code>(5) schema.  (Support for the
57         latter will come later in OVN implementation.)
58       </p>
59
60       <p>
61         Hypervisors and gateways are together called <dfn>transport node</dfn>
62         or <dfn>chassis</dfn>.
63       </p>
64     </li>
65   </ul>
66
67   <p>
68     The diagram below shows how the major components of OVN and related
69     software interact.  Starting at the top of the diagram, we have:
70   </p>
71
72   <ul>
73     <li>
74       The Cloud Management System, as defined above.
75     </li>
76
77     <li>
78       <p>
79         The <dfn>OVN/CMS Plugin</dfn> is the component of the CMS that
80         interfaces to OVN.  In OpenStack, this is a Neutron plugin.
81         The plugin's main purpose is to translate the CMS's notion of logical
82         network configuration, stored in the CMS's configuration database in a
83         CMS-specific format, into an intermediate representation understood by
84         OVN.
85       </p>
86
87       <p>
88         This component is necessarily CMS-specific, so a new plugin needs to be
89         developed for each CMS that is integrated with OVN.  All of the
90         components below this one in the diagram are CMS-independent.
91       </p>
92     </li>
93
94     <li>
95       <p>
96         The <dfn>OVN Northbound Database</dfn> receives the intermediate
97         representation of logical network configuration passed down by the
98         OVN/CMS Plugin.  The database schema is meant to be ``impedance
99         matched'' with the concepts used in a CMS, so that it directly supports
100         notions of logical switches, routers, ACLs, and so on.  See
101         <code>ovn-nb</code>(5) for details.
102       </p>
103
104       <p>
105         The OVN Northbound Database has only two clients: the OVN/CMS Plugin
106         above it and <code>ovn-northd</code> below it.
107       </p>
108     </li>
109
110     <li>
111       <code>ovn-northd</code>(8) connects to the OVN Northbound Database
112       above it and the OVN Southbound Database below it.  It translates the
113       logical network configuration in terms of conventional network
114       concepts, taken from the OVN Northbound Database, into logical
115       datapath flows in the OVN Southbound Database below it.
116     </li>
117
118     <li>
119       <p>
120     The <dfn>OVN Southbound Database</dfn> is the center of the system.
121     Its clients are <code>ovn-northd</code>(8) above it and
122     <code>ovn-controller</code>(8) on every transport node below it.
123       </p>
124
125       <p>
126         The OVN Southbound Database contains three kinds of data: <dfn>Physical
127         Network</dfn> (PN) tables that specify how to reach hypervisor and
128         other nodes, <dfn>Logical Network</dfn> (LN) tables that describe the
129         logical network in terms of ``logical datapath flows,'' and
130         <dfn>Binding</dfn> tables that link logical network components'
131         locations to the physical network.  The hypervisors populate the PN and
132         Port_Binding tables, whereas <code>ovn-northd</code>(8) populates the
133         LN tables.
134       </p>
135
136       <p>
137     OVN Southbound Database performance must scale with the number of
138     transport nodes.  This will likely require some work on
139     <code>ovsdb-server</code>(1) as we encounter bottlenecks.
140     Clustering for availability may be needed.
141       </p>
142     </li>
143   </ul>
144
145   <p>
146     The remaining components are replicated onto each hypervisor:
147   </p>
148
149   <ul>
150     <li>
151       <code>ovn-controller</code>(8) is OVN's agent on each hypervisor and
152       software gateway.  Northbound, it connects to the OVN Southbound
153       Database to learn about OVN configuration and status and to
154       populate the PN table and the <code>Chassis</code> column in
155       <code>Binding</code> table with the hypervisor's status.
156       Southbound, it connects to <code>ovs-vswitchd</code>(8) as an
157       OpenFlow controller, for control over network traffic, and to the
158       local <code>ovsdb-server</code>(1) to allow it to monitor and
159       control Open vSwitch configuration.
160     </li>
161
162     <li>
163       <code>ovs-vswitchd</code>(8) and <code>ovsdb-server</code>(1) are
164       conventional components of Open vSwitch.
165     </li>
166   </ul>
167
168   <pre fixed="yes">
169                                   CMS
170                                    |
171                                    |
172                        +-----------|-----------+
173                        |           |           |
174                        |     OVN/CMS Plugin    |
175                        |           |           |
176                        |           |           |
177                        |   OVN Northbound DB   |
178                        |           |           |
179                        |           |           |
180                        |       ovn-northd      |
181                        |           |           |
182                        +-----------|-----------+
183                                    |
184                                    |
185                          +-------------------+
186                          | OVN Southbound DB |
187                          +-------------------+
188                                    |
189                                    |
190                 +------------------+------------------+
191                 |                  |                  |
192   HV 1          |                  |    HV n          |
193 +---------------|---------------+  .  +---------------|---------------+
194 |               |               |  .  |               |               |
195 |        ovn-controller         |  .  |        ovn-controller         |
196 |         |          |          |  .  |         |          |          |
197 |         |          |          |     |         |          |          |
198 |  ovs-vswitchd   ovsdb-server  |     |  ovs-vswitchd   ovsdb-server  |
199 |                               |     |                               |
200 +-------------------------------+     +-------------------------------+
201   </pre>
202
203   <h2>Chassis Setup</h2>
204
205   <p>
206     Each chassis in an OVN deployment must be configured with an Open vSwitch
207     bridge dedicated for OVN's use, called the <dfn>integration bridge</dfn>.
208     System startup scripts create this bridge prior to starting
209     <code>ovn-controller</code>.  The ports on the integration bridge include:
210   </p>
211
212   <ul>
213     <li>
214       On any chassis, tunnel ports that OVN uses to maintain logical network
215       connectivity.  <code>ovn-controller</code> adds, updates, and removes
216       these tunnel ports.
217     </li>
218
219     <li>
220       On a hypervisor, any VIFs that are to be attached to logical networks.
221       The hypervisor itself, or the integration between Open vSwitch and the
222       hypervisor (described in <code>IntegrationGuide.md</code>) takes care of
223       this.  (This is not part of OVN or new to OVN; this is pre-existing
224       integration work that has already been done on hypervisors that support
225       OVS.)
226     </li>
227
228     <li>
229       On a gateway, the physical port used for logical network connectivity.
230       System startup scripts add this port to the bridge prior to starting
231       <code>ovn-controller</code>.  This can be a patch port to another bridge,
232       instead of a physical port, in more sophisticated setups.
233     </li>
234   </ul>
235
236   <p>
237     Other ports should not be attached to the integration bridge.  In
238     particular, physical ports attached to the underlay network (as opposed to
239     gateway ports, which are physical ports attached to logical networks) must
240     not be attached to the integration bridge.  Underlay physical ports should
241     instead be attached to a separate Open vSwitch bridge (they need not be
242     attached to any bridge at all, in fact).
243   </p>
244
245   <p>
246     The integration bridge should be configured as described below.
247     The effect of each of these settings is documented in
248     <code>ovs-vswitchd.conf.db</code>(5):
249   </p>
250
251   <dl>
252     <dt><code>fail-mode=secure</code></dt>
253     <dd>
254       Avoids switching packets between isolated logical networks before
255       <code>ovn-controller</code> starts up.  See <code>Controller Failure
256       Settings</code> in <code>ovs-vsctl</code>(8) for more information.
257     </dd>
258
259     <dt><code>other-config:disable-in-band=true</code></dt>
260     <dd>
261       Suppresses in-band control flows for the integration bridge.  It would be
262       unusual for such flows to show up anyway, because OVN uses a local
263       controller (over a Unix domain socket) instead of a remote controller.
264       It's possible, however, for some other bridge in the same system to have
265       an in-band remote controller, and in that case this suppresses the flows
266       that in-band control would ordinarily set up.  See <code>In-Band
267       Control</code> in <code>DESIGN.md</code> for more information.
268     </dd>
269   </dl>
270
271   <p>
272     The customary name for the integration bridge is <code>br-int</code>, but
273     another name may be used.
274   </p>
275
276   <h2>Logical Networks</h2>
277
278   <p>
279     A <dfn>logical network</dfn> implements the same concepts as physical
280     networks, but they are insulated from the physical network with tunnels or
281     other encapsulations.  This allows logical networks to have separate IP and
282     other address spaces that overlap, without conflicting, with those used for
283     physical networks.  Logical network topologies can be arranged without
284     regard for the topologies of the physical networks on which they run.
285   </p>
286
287   <p>
288     Logical network concepts in OVN include:
289   </p>
290
291   <ul>
292     <li>
293       <dfn>Logical switches</dfn>, the logical version of Ethernet switches.
294     </li>
295
296     <li>
297       <dfn>Logical routers</dfn>, the logical version of IP routers.  Logical
298       switches and routers can be connected into sophisticated topologies.
299     </li>
300
301     <li>
302       <dfn>Logical datapaths</dfn> are the logical version of an OpenFlow
303       switch.  Logical switches and routers are both implemented as logical
304       datapaths.
305     </li>
306   </ul>
307
308   <h2>Life Cycle of a VIF</h2>
309
310   <p>
311     Tables and their schemas presented in isolation are difficult to
312     understand.  Here's an example.
313   </p>
314
315   <p>
316     A VIF on a hypervisor is a virtual network interface attached either
317     to a VM or a container running directly on that hypervisor (This is
318     different from the interface of a container running inside a VM).
319   </p>
320
321   <p>
322     The steps in this example refer often to details of the OVN and OVN
323     Northbound database schemas.  Please see <code>ovn-sb</code>(5) and
324     <code>ovn-nb</code>(5), respectively, for the full story on these
325     databases.
326   </p>
327
328   <ol>
329     <li>
330       A VIF's life cycle begins when a CMS administrator creates a new VIF
331       using the CMS user interface or API and adds it to a switch (one
332       implemented by OVN as a logical switch).  The CMS updates its own
333       configuration.  This includes associating unique, persistent identifier
334       <var>vif-id</var> and Ethernet address <var>mac</var> with the VIF.
335     </li>
336
337     <li>
338       The CMS plugin updates the OVN Northbound database to include the new
339       VIF, by adding a row to the <code>Logical_Port</code> table.  In the new
340       row, <code>name</code> is <var>vif-id</var>, <code>mac</code> is
341       <var>mac</var>, <code>switch</code> points to the OVN logical switch's
342       Logical_Switch record, and other columns are initialized appropriately.
343     </li>
344
345     <li>
346       <code>ovn-northd</code> receives the OVN Northbound database update.  In
347       turn, it makes the corresponding updates to the OVN Southbound database,
348       by adding rows to the OVN Southbound database <code>Logical_Flow</code>
349       table to reflect the new port, e.g. add a flow to recognize that packets
350       destined to the new port's MAC address should be delivered to it, and
351       update the flow that delivers broadcast and multicast packets to include
352       the new port.  It also creates a record in the <code>Binding</code> table
353       and populates all its columns except the column that identifies the
354       <code>chassis</code>.
355     </li>
356
357     <li>
358       On every hypervisor, <code>ovn-controller</code> receives the
359       <code>Logical_Flow</code> table updates that <code>ovn-northd</code> made
360       in the previous step.  As long as the VM that owns the VIF is powered
361       off, <code>ovn-controller</code> cannot do much; it cannot, for example,
362       arrange to send packets to or receive packets from the VIF, because the
363       VIF does not actually exist anywhere.
364     </li>
365
366     <li>
367       Eventually, a user powers on the VM that owns the VIF.  On the hypervisor
368       where the VM is powered on, the integration between the hypervisor and
369       Open vSwitch (described in <code>IntegrationGuide.md</code>) adds the VIF
370       to the OVN integration bridge and stores <var>vif-id</var> in
371       <code>external-ids</code>:<code>iface-id</code> to indicate that the
372       interface is an instantiation of the new VIF.  (None of this code is new
373       in OVN; this is pre-existing integration work that has already been done
374       on hypervisors that support OVS.)
375     </li>
376
377     <li>
378       On the hypervisor where the VM is powered on, <code>ovn-controller</code>
379       notices <code>external-ids</code>:<code>iface-id</code> in the new
380       Interface.  In response, it updates the local hypervisor's OpenFlow
381       tables so that packets to and from the VIF are properly handled.
382       Afterward, in the OVN Southbound DB, it updates the
383       <code>Binding</code> table's <code>chassis</code> column for the
384       row that links the logical port from
385       <code>external-ids</code>:<code>iface-id</code> to the hypervisor.
386     </li>
387
388     <li>
389       Some CMS systems, including OpenStack, fully start a VM only when its
390       networking is ready.  To support this, <code>ovn-northd</code> notices
391       the <code>chassis</code> column updated for the row in
392       <code>Binding</code> table and pushes this upward by updating the
393       <ref column="up" table="Logical_Port" db="OVN_NB"/> column in the OVN
394       Northbound database's <ref table="Logical_Port" db="OVN_NB"/> table to
395       indicate that the VIF is now up.  The CMS, if it uses this feature, can
396       then
397       react by allowing the VM's execution to proceed.
398     </li>
399
400     <li>
401       On every hypervisor but the one where the VIF resides,
402       <code>ovn-controller</code> notices the completely populated row in the
403       <code>Binding</code> table.  This provides <code>ovn-controller</code>
404       the physical location of the logical port, so each instance updates the
405       OpenFlow tables of its switch (based on logical datapath flows in the OVN
406       DB <code>Logical_Flow</code> table) so that packets to and from the VIF
407       can be properly handled via tunnels.
408     </li>
409
410     <li>
411       Eventually, a user powers off the VM that owns the VIF.  On the
412       hypervisor where the VM was powered off, the VIF is deleted from the OVN
413       integration bridge.
414     </li>
415
416     <li>
417       On the hypervisor where the VM was powered off,
418       <code>ovn-controller</code> notices that the VIF was deleted.  In
419       response, it removes the <code>Chassis</code> column content in the
420       <code>Binding</code> table for the logical port.
421     </li>
422
423     <li>
424       On every hypervisor, <code>ovn-controller</code> notices the empty
425       <code>Chassis</code> column in the <code>Binding</code> table's row
426       for the logical port.  This means that <code>ovn-controller</code> no
427       longer knows the physical location of the logical port, so each instance
428       updates its OpenFlow table to reflect that.
429     </li>
430
431     <li>
432       Eventually, when the VIF (or its entire VM) is no longer needed by
433       anyone, an administrator deletes the VIF using the CMS user interface or
434       API.  The CMS updates its own configuration.
435     </li>
436
437     <li>
438       The CMS plugin removes the VIF from the OVN Northbound database,
439       by deleting its row in the <code>Logical_Port</code> table.
440     </li>
441
442     <li>
443       <code>ovn-northd</code> receives the OVN Northbound update and in turn
444       updates the OVN Southbound database accordingly, by removing or updating
445       the rows from the OVN Southbound database <code>Logical_Flow</code> table
446       and <code>Binding</code> table that were related to the now-destroyed
447       VIF.
448     </li>
449
450     <li>
451       On every hypervisor, <code>ovn-controller</code> receives the
452       <code>Logical_Flow</code> table updates that <code>ovn-northd</code> made
453       in the previous step.  <code>ovn-controller</code> updates OpenFlow
454       tables to reflect the update, although there may not be much to do, since
455       the VIF had already become unreachable when it was removed from the
456       <code>Binding</code> table in a previous step.
457     </li>
458   </ol>
459
460   <h2>Life Cycle of a container interface inside a VM</h2>
461
462   <p>
463     OVN provides virtual network abstractions by converting information
464     written in OVN_NB database to OpenFlow flows in each hypervisor.  Secure
465     virtual networking for multi-tenants can only be provided if OVN controller
466     is the only entity that can modify flows in Open vSwitch.  When the
467     Open vSwitch integration bridge resides in the hypervisor, it is a
468     fair assumption to make that tenant workloads running inside VMs cannot
469     make any changes to Open vSwitch flows.
470   </p>
471
472   <p>
473     If the infrastructure provider trusts the applications inside the
474     containers not to break out and modify the Open vSwitch flows, then
475     containers can be run in hypervisors.  This is also the case when
476     containers are run inside the VMs and Open vSwitch integration bridge
477     with flows added by OVN controller resides in the same VM.  For both
478     the above cases, the workflow is the same as explained with an example
479     in the previous section ("Life Cycle of a VIF").
480   </p>
481
482   <p>
483     This section talks about the life cycle of a container interface (CIF)
484     when containers are created in the VMs and the Open vSwitch integration
485     bridge resides inside the hypervisor.  In this case, even if a container
486     application breaks out, other tenants are not affected because the
487     containers running inside the VMs cannot modify the flows in the
488     Open vSwitch integration bridge.
489   </p>
490
491   <p>
492     When multiple containers are created inside a VM, there are multiple
493     CIFs associated with them.  The network traffic associated with these
494     CIFs need to reach the Open vSwitch integration bridge running in the
495     hypervisor for OVN to support virtual network abstractions.  OVN should
496     also be able to distinguish network traffic coming from different CIFs.
497     There are two ways to distinguish network traffic of CIFs.
498   </p>
499
500   <p>
501     One way is to provide one VIF for every CIF (1:1 model).  This means that
502     there could be a lot of network devices in the hypervisor.  This would slow
503     down OVS because of all the additional CPU cycles needed for the management
504     of all the VIFs.  It would also mean that the entity creating the
505     containers in a VM should also be able to create the corresponding VIFs in
506     the hypervisor.
507   </p>
508
509   <p>
510     The second way is to provide a single VIF for all the CIFs (1:many model).
511     OVN could then distinguish network traffic coming from different CIFs via
512     a tag written in every packet.  OVN uses this mechanism and uses VLAN as
513     the tagging mechanism.
514   </p>
515
516   <ol>
517     <li>
518       A CIF's life cycle begins when a container is spawned inside a VM by
519       the either the same CMS that created the VM or a tenant that owns that VM
520       or even a container Orchestration System that is different than the CMS
521       that initially created the VM.  Whoever the entity is, it will need to
522       know the <var>vif-id</var> that is associated with the network interface
523       of the VM through which the container interface's network traffic is
524       expected to go through.  The entity that creates the container interface
525       will also need to choose an unused VLAN inside that VM.
526     </li>
527
528     <li>
529       The container spawning entity (either directly or through the CMS that
530       manages the underlying infrastructure) updates the OVN Northbound
531       database to include the new CIF, by adding a row to the
532       <code>Logical_Port</code> table.  In the new row, <code>name</code> is
533       any unique identifier, <code>parent_name</code> is the <var>vif-id</var>
534       of the VM through which the CIF's network traffic is expected to go
535       through and the <code>tag</code> is the VLAN tag that identifies the
536       network traffic of that CIF.
537     </li>
538
539     <li>
540       <code>ovn-northd</code> receives the OVN Northbound database update.  In
541       turn, it makes the corresponding updates to the OVN Southbound database,
542       by adding rows to the OVN Southbound database's <code>Logical_Flow</code>
543       table to reflect the new port and also by creating a new row in the
544       <code>Binding</code> table and populating all its columns except the
545       column that identifies the <code>chassis</code>.
546     </li>
547
548     <li>
549       On every hypervisor, <code>ovn-controller</code> subscribes to the
550       changes in the <code>Binding</code> table.  When a new row is created
551       by <code>ovn-northd</code> that includes a value in
552       <code>parent_port</code> column of <code>Binding</code> table, the
553       <code>ovn-controller</code> in the hypervisor whose OVN integration bridge
554       has that same value in <var>vif-id</var> in
555       <code>external-ids</code>:<code>iface-id</code>
556       updates the local hypervisor's OpenFlow tables so that packets to and
557       from the VIF with the particular VLAN <code>tag</code> are properly
558       handled.  Afterward it updates the <code>chassis</code> column of
559       the <code>Binding</code> to reflect the physical location.
560     </li>
561
562     <li>
563       One can only start the application inside the container after the
564       underlying network is ready.  To support this, <code>ovn-northd</code>
565       notices the updated <code>chassis</code> column in <code>Binding</code>
566       table and updates the <ref column="up" table="Logical_Port"
567       db="OVN_NB"/> column in the OVN Northbound database's
568       <ref table="Logical_Port" db="OVN_NB"/> table to indicate that the
569       CIF is now up.  The entity responsible to start the container application
570       queries this value and starts the application.
571     </li>
572
573     <li>
574       Eventually the entity that created and started the container, stops it.
575       The entity, through the CMS (or directly) deletes its row in the
576       <code>Logical_Port</code> table.
577     </li>
578
579     <li>
580       <code>ovn-northd</code> receives the OVN Northbound update and in turn
581       updates the OVN Southbound database accordingly, by removing or updating
582       the rows from the OVN Southbound database <code>Logical_Flow</code> table
583       that were related to the now-destroyed CIF.  It also deletes the row in
584       the <code>Binding</code> table for that CIF.
585     </li>
586
587     <li>
588       On every hypervisor, <code>ovn-controller</code> receives the
589       <code>Logical_Flow</code> table updates that <code>ovn-northd</code> made
590       in the previous step.  <code>ovn-controller</code> updates OpenFlow
591       tables to reflect the update.
592     </li>
593   </ol>
594
595   <h2>Life Cycle of a Packet</h2>
596
597   <p>
598     This section describes how a packet travels from one virtual machine or
599     container to another through OVN.  This description focuses on the physical
600     treatment of a packet; for a description of the logical life cycle of a
601     packet, please refer to the <code>Logical_Flow</code> table in
602     <code>ovn-sb</code>(5).
603   </p>
604
605   <p>
606     This section mentions several data and metadata fields, for clarity
607     summarized here:
608   </p>
609
610   <dl>
611     <dt>tunnel key</dt>
612     <dd>
613       When OVN encapsulates a packet in Geneve or another tunnel, it attaches
614       extra data to it to allow the receiving OVN instance to process it
615       correctly.  This takes different forms depending on the particular
616       encapsulation, but in each case we refer to it here as the ``tunnel
617       key.''  See <code>Tunnel Encapsulations</code>, below, for details.
618     </dd>
619
620     <dt>logical datapath field</dt>
621     <dd>
622       A field that denotes the logical datapath through which a packet is being
623       processed.  OVN uses the field that OpenFlow 1.1+ simply (and
624       confusingly) calls ``metadata'' to store the logical datapath.  (This
625       field is passed across tunnels as part of the tunnel key.)
626     </dd>
627
628     <dt>logical input port field</dt>
629     <dd>
630       A field that denotes the logical port from which the packet entered the
631       logical datapath.  OVN stores this in a Nicira extension register.  (This
632       field is passed across tunnels as part of the tunnel key.)
633     </dd>
634
635     <dt>logical output port field</dt>
636     <dd>
637       A field that denotes the logical port from which the packet will leave
638       the logical datapath.  This is initialized to 0 at the beginning of the
639       logical ingress pipeline.  OVN stores this in a Nicira extension
640       register.  (This field is passed across tunnels as part of the tunnel
641       key.)
642     </dd>
643
644     <dt>VLAN ID</dt>
645     <dd>
646       The VLAN ID is used as an interface between OVN and containers nested
647       inside a VM (see <code>Life Cycle of a container interface inside a
648       VM</code>, above, for more information).
649     </dd>
650   </dl>
651
652   <p>
653     Initially, a VM or container on the ingress hypervisor sends a packet on a
654     port attached to the OVN integration bridge.  Then:
655   </p>
656
657   <ol>
658     <li>
659       <p>
660         OpenFlow table 0 performs physical-to-logical translation.  It matches
661         the packet's ingress port.  Its actions annotate the packet with
662         logical metadata, by setting the logical datapath field to identify the
663         logical datapath that the packet is traversing and the logical input
664         port field to identify the ingress port.  Then it resubmits to table 16
665         to enter the logical ingress pipeline.
666       </p>
667
668       <p>
669         Packets that originate from a container nested within a VM are treated
670         in a slightly different way.  The originating container can be
671         distinguished based on the VIF-specific VLAN ID, so the
672         physical-to-logical translation flows additionally match on VLAN ID and
673         the actions strip the VLAN header.  Following this step, OVN treats
674         packets from containers just like any other packets.
675       </p>
676
677       <p>
678         Table 0 also processes packets that arrive from other chassis.  It
679         distinguishes them from other packets by ingress port, which is a
680         tunnel.  As with packets just entering the OVN pipeline, the actions
681         annotate these packets with logical datapath and logical ingress port
682         metadata.  In addition, the actions set the logical output port field,
683         which is available because in OVN tunneling occurs after the logical
684         output port is known.  These three pieces of information are obtained
685         from the tunnel encapsulation metadata (see <code>Tunnel
686         Encapsulations</code> for encoding details).  Then the actions resubmit
687         to table 33 to enter the logical egress pipeline.
688       </p>
689     </li>
690
691     <li>
692       <p>
693         OpenFlow tables 16 through 31 execute the logical ingress pipeline from
694         the <code>Logical_Flow</code> table in the OVN Southbound database.
695         These tables are expressed entirely in terms of logical concepts like
696         logical ports and logical datapaths.  A big part of
697         <code>ovn-controller</code>'s job is to translate them into equivalent
698         OpenFlow (in particular it translates the table numbers:
699         <code>Logical_Flow</code> tables 0 through 15 become OpenFlow tables 16
700         through 31).  For a given packet, the logical ingress pipeline
701         eventually executes zero or more <code>output</code> actions:
702       </p>
703
704       <ul>
705         <li>
706           If the pipeline executes no <code>output</code> actions at all, the
707           packet is effectively dropped.
708         </li>
709
710         <li>
711           Most commonly, the pipeline executes one <code>output</code> action,
712           which <code>ovn-controller</code> implements by resubmitting the
713           packet to table 32.
714         </li>
715
716         <li>
717           If the pipeline can execute more than one <code>output</code> action,
718           then each one is separately resubmitted to table 32.  This can be
719           used to send multiple copies of the packet to multiple ports.  (If
720           the packet was not modified between the <code>output</code> actions,
721           and some of the copies are destined to the same hypervisor, then
722           using a logical multicast output port would save bandwidth between
723           hypervisors.)
724         </li>
725       </ul>
726     </li>
727
728     <li>
729       <p>
730         OpenFlow tables 32 through 47 implement the <code>output</code> action
731         in the logical ingress pipeline.  Specifically, table 32 handles
732         packets to remote hypervisors, table 33 handles packets to the local
733         hypervisor, and table 34 discards packets whose logical ingress and
734         egress port are the same.
735       </p>
736
737       <p>
738         Each flow in table 32 matches on a logical output port for unicast or
739         multicast logical ports that include a logical port on a remote
740         hypervisor.  Each flow's actions implement sending a packet to the port
741         it matches.  For unicast logical output ports on remote hypervisors,
742         the actions set the tunnel key to the correct value, then send the
743         packet on the tunnel port to the correct hypervisor.  (When the remote
744         hypervisor receives the packet, table 0 there will recognize it as a
745         tunneled packet and pass it along to table 33.)  For multicast logical
746         output ports, the actions send one copy of the packet to each remote
747         hypervisor, in the same way as for unicast destinations.  If a
748         multicast group includes a logical port or ports on the local
749         hypervisor, then its actions also resubmit to table 33.  Table 32 also
750         includes a fallback flow that resubmits to table 33 if there is no
751         other match.
752       </p>
753
754       <p>
755         Flows in table 33 resemble those in table 32 but for logical ports that
756         reside locally rather than remotely.  For unicast logical output ports
757         on the local hypervisor, the actions just resubmit to table 34.  For
758         multicast output ports that include one or more logical ports on the
759         local hypervisor, for each such logical port <var>P</var>, the actions
760         change the logical output port to <var>P</var>, then resubmit to table
761         34.
762       </p>
763
764       <p>
765         Table 34 matches and drops packets for which the logical input and
766         output ports are the same.  It resubmits other packets to table 48.
767       </p>
768     </li>
769
770     <li>
771       <p>
772         OpenFlow tables 48 through 63 execute the logical egress pipeline from
773         the <code>Logical_Flow</code> table in the OVN Southbound database.
774         The egress pipeline can perform a final stage of validation before
775         packet delivery.  Eventually, it may execute an <code>output</code>
776         action, which <code>ovn-controller</code> implements by resubmitting to
777         table 64.  A packet for which the pipeline never executes
778         <code>output</code> is effectively dropped (although it may have been
779         transmitted through a tunnel across a physical network).
780       </p>
781
782       <p>
783         The egress pipeline cannot change the logical output port or cause
784         further tunneling.
785       </p>
786     </li>
787
788     <li>
789       <p>
790         OpenFlow table 64 performs logical-to-physical translation, the
791         opposite of table 0.  It matches the packet's logical egress port.  Its
792         actions output the packet to the port attached to the OVN integration
793         bridge that represents that logical port.  If the logical egress port
794         is a container nested with a VM, then before sending the packet the
795         actions push on a VLAN header with an appropriate VLAN ID.
796       </p>
797     </li>
798   </ol>
799
800   <h1>Design Decisions</h1>
801
802   <h2>Tunnel Encapsulations</h2>
803
804   <p>
805     OVN annotates logical network packets that it sends from one hypervisor to
806     another with the following three pieces of metadata, which are encoded in
807     an encapsulation-specific fashion:
808   </p>
809
810   <ul>
811     <li>
812       24-bit logical datapath identifier, from the <code>tunnel_key</code>
813       column in the OVN Southbound <code>Datapath_Binding</code> table.
814     </li>
815
816     <li>
817       15-bit logical ingress port identifier.  ID 0 is reserved for internal
818       use within OVN.  IDs 1 through 32767, inclusive, may be assigned to
819       logical ports (see the <code>tunnel_key</code> column in the OVN
820       Southbound <code>Port_Binding</code> table).
821     </li>
822
823     <li>
824       16-bit logical egress port identifier.  IDs 0 through 32767 have the same
825       meaning as for logical ingress ports.  IDs 32768 through 65535,
826       inclusive, may be assigned to logical multicast groups (see the
827       <code>tunnel_key</code> column in the OVN Southbound
828       <code>Multicast_Group</code> table).
829     </li>
830   </ul>
831
832   <p>
833     For hypervisor-to-hypervisor traffic, OVN supports only Geneve and STT
834     encapsulations, for the following reasons:
835   </p>
836
837   <ul>
838     <li>
839       Only STT and Geneve support the large amounts of metadata (over 32 bits
840       per packet) that OVN uses (as described above).
841     </li>
842
843     <li>
844       STT and Geneve use randomized UDP or TCP source ports that allows
845       efficient distribution among multiple paths in environments that use ECMP
846       in their underlay.
847     </li>
848
849     <li>
850       NICs are available to offload STT and Geneve encapsulation and
851       decapsulation.
852     </li>
853   </ul>
854
855   <p>
856     Due to its flexibility, the preferred encapsulation between hypervisors is
857     Geneve.  For Geneve encapsulation, OVN transmits the logical datapath
858     identifier in the Geneve VNI.
859
860     <!-- Keep the following in sync with ovn/controller/physical.h. -->
861     OVN transmits the logical ingress and logical egress ports in a TLV with
862     class 0xffff, type 0, and a 32-bit value encoded as follows, from MSB to
863     LSB:
864   </p>
865
866   <diagram>
867     <header name="">
868       <bits name="rsv" above="1" below="0" width=".25"/>
869       <bits name="ingress port" above="15" width=".75"/>
870       <bits name="egress port" above="16" width=".75"/>
871     </header>
872   </diagram>
873
874   <p>
875     Environments whose NICs lack Geneve offload may prefer STT encapsulation
876     for performance reasons.  For STT encapsulation, OVN encodes all three
877     pieces of logical metadata in the STT 64-bit tunnel ID as follows, from MSB
878     to LSB:
879   </p>
880
881   <diagram>
882     <header name="">
883       <bits name="reserved" above="9" below="0" width=".5"/>
884       <bits name="ingress port" above="15" width=".75"/>
885       <bits name="egress port" above="16" width=".75"/>
886       <bits name="datapath" above="24" width="1.25"/>
887     </header>
888   </diagram>
889
890   <p>
891     For connecting to gateways, in addition to Geneve and STT, OVN supports
892     VXLAN, because only VXLAN support is common on top-of-rack (ToR) switches.
893     Currently, gateways have a feature set that matches the capabilities as
894     defined by the VTEP schema, so fewer bits of metadata are necessary.  In
895     the future, gateways that do not support encapsulations with large amounts
896     of metadata may continue to have a reduced feature set.
897   </p>
898 </manpage>