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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 may create this bridge prior to starting
209     <code>ovn-controller</code> if desired.  If this bridge does not exist when
210     ovn-controller starts, it will be created automatically with the default
211     configuration suggested below.  The ports on the integration bridge include:
212   </p>
213
214   <ul>
215     <li>
216       On any chassis, tunnel ports that OVN uses to maintain logical network
217       connectivity.  <code>ovn-controller</code> adds, updates, and removes
218       these tunnel ports.
219     </li>
220
221     <li>
222       On a hypervisor, any VIFs that are to be attached to logical networks.
223       The hypervisor itself, or the integration between Open vSwitch and the
224       hypervisor (described in <code>IntegrationGuide.md</code>) takes care of
225       this.  (This is not part of OVN or new to OVN; this is pre-existing
226       integration work that has already been done on hypervisors that support
227       OVS.)
228     </li>
229
230     <li>
231       On a gateway, the physical port used for logical network connectivity.
232       System startup scripts add this port to the bridge prior to starting
233       <code>ovn-controller</code>.  This can be a patch port to another bridge,
234       instead of a physical port, in more sophisticated setups.
235     </li>
236   </ul>
237
238   <p>
239     Other ports should not be attached to the integration bridge.  In
240     particular, physical ports attached to the underlay network (as opposed to
241     gateway ports, which are physical ports attached to logical networks) must
242     not be attached to the integration bridge.  Underlay physical ports should
243     instead be attached to a separate Open vSwitch bridge (they need not be
244     attached to any bridge at all, in fact).
245   </p>
246
247   <p>
248     The integration bridge should be configured as described below.
249     The effect of each of these settings is documented in
250     <code>ovs-vswitchd.conf.db</code>(5):
251   </p>
252
253   <!-- Keep the following in sync with create_br_int() in
254        ovn/controller/ovn-controller.c. -->
255   <dl>
256     <dt><code>fail-mode=secure</code></dt>
257     <dd>
258       Avoids switching packets between isolated logical networks before
259       <code>ovn-controller</code> starts up.  See <code>Controller Failure
260       Settings</code> in <code>ovs-vsctl</code>(8) for more information.
261     </dd>
262
263     <dt><code>other-config:disable-in-band=true</code></dt>
264     <dd>
265       Suppresses in-band control flows for the integration bridge.  It would be
266       unusual for such flows to show up anyway, because OVN uses a local
267       controller (over a Unix domain socket) instead of a remote controller.
268       It's possible, however, for some other bridge in the same system to have
269       an in-band remote controller, and in that case this suppresses the flows
270       that in-band control would ordinarily set up.  See <code>In-Band
271       Control</code> in <code>DESIGN.md</code> for more information.
272     </dd>
273   </dl>
274
275   <p>
276     The customary name for the integration bridge is <code>br-int</code>, but
277     another name may be used.
278   </p>
279
280   <h2>Logical Networks</h2>
281
282   <p>
283     A <dfn>logical network</dfn> implements the same concepts as physical
284     networks, but they are insulated from the physical network with tunnels or
285     other encapsulations.  This allows logical networks to have separate IP and
286     other address spaces that overlap, without conflicting, with those used for
287     physical networks.  Logical network topologies can be arranged without
288     regard for the topologies of the physical networks on which they run.
289   </p>
290
291   <p>
292     Logical network concepts in OVN include:
293   </p>
294
295   <ul>
296     <li>
297       <dfn>Logical switches</dfn>, the logical version of Ethernet switches.
298     </li>
299
300     <li>
301       <dfn>Logical routers</dfn>, the logical version of IP routers.  Logical
302       switches and routers can be connected into sophisticated topologies.
303     </li>
304
305     <li>
306       <dfn>Logical datapaths</dfn> are the logical version of an OpenFlow
307       switch.  Logical switches and routers are both implemented as logical
308       datapaths.
309     </li>
310   </ul>
311
312   <h2>Life Cycle of a VIF</h2>
313
314   <p>
315     Tables and their schemas presented in isolation are difficult to
316     understand.  Here's an example.
317   </p>
318
319   <p>
320     A VIF on a hypervisor is a virtual network interface attached either
321     to a VM or a container running directly on that hypervisor (This is
322     different from the interface of a container running inside a VM).
323   </p>
324
325   <p>
326     The steps in this example refer often to details of the OVN and OVN
327     Northbound database schemas.  Please see <code>ovn-sb</code>(5) and
328     <code>ovn-nb</code>(5), respectively, for the full story on these
329     databases.
330   </p>
331
332   <ol>
333     <li>
334       A VIF's life cycle begins when a CMS administrator creates a new VIF
335       using the CMS user interface or API and adds it to a switch (one
336       implemented by OVN as a logical switch).  The CMS updates its own
337       configuration.  This includes associating unique, persistent identifier
338       <var>vif-id</var> and Ethernet address <var>mac</var> with the VIF.
339     </li>
340
341     <li>
342       The CMS plugin updates the OVN Northbound database to include the new
343       VIF, by adding a row to the <code>Logical_Port</code> table.  In the new
344       row, <code>name</code> is <var>vif-id</var>, <code>mac</code> is
345       <var>mac</var>, <code>switch</code> points to the OVN logical switch's
346       Logical_Switch record, and other columns are initialized appropriately.
347     </li>
348
349     <li>
350       <code>ovn-northd</code> receives the OVN Northbound database update.  In
351       turn, it makes the corresponding updates to the OVN Southbound database,
352       by adding rows to the OVN Southbound database <code>Logical_Flow</code>
353       table to reflect the new port, e.g. add a flow to recognize that packets
354       destined to the new port's MAC address should be delivered to it, and
355       update the flow that delivers broadcast and multicast packets to include
356       the new port.  It also creates a record in the <code>Binding</code> table
357       and populates all its columns except the column that identifies the
358       <code>chassis</code>.
359     </li>
360
361     <li>
362       On every hypervisor, <code>ovn-controller</code> receives the
363       <code>Logical_Flow</code> table updates that <code>ovn-northd</code> made
364       in the previous step.  As long as the VM that owns the VIF is powered
365       off, <code>ovn-controller</code> cannot do much; it cannot, for example,
366       arrange to send packets to or receive packets from the VIF, because the
367       VIF does not actually exist anywhere.
368     </li>
369
370     <li>
371       Eventually, a user powers on the VM that owns the VIF.  On the hypervisor
372       where the VM is powered on, the integration between the hypervisor and
373       Open vSwitch (described in <code>IntegrationGuide.md</code>) adds the VIF
374       to the OVN integration bridge and stores <var>vif-id</var> in
375       <code>external-ids</code>:<code>iface-id</code> to indicate that the
376       interface is an instantiation of the new VIF.  (None of this code is new
377       in OVN; this is pre-existing integration work that has already been done
378       on hypervisors that support OVS.)
379     </li>
380
381     <li>
382       On the hypervisor where the VM is powered on, <code>ovn-controller</code>
383       notices <code>external-ids</code>:<code>iface-id</code> in the new
384       Interface.  In response, it updates the local hypervisor's OpenFlow
385       tables so that packets to and from the VIF are properly handled.
386       Afterward, in the OVN Southbound DB, it updates the
387       <code>Binding</code> table's <code>chassis</code> column for the
388       row that links the logical port from
389       <code>external-ids</code>:<code>iface-id</code> to the hypervisor.
390     </li>
391
392     <li>
393       Some CMS systems, including OpenStack, fully start a VM only when its
394       networking is ready.  To support this, <code>ovn-northd</code> notices
395       the <code>chassis</code> column updated for the row in
396       <code>Binding</code> table and pushes this upward by updating the
397       <ref column="up" table="Logical_Port" db="OVN_NB"/> column in the OVN
398       Northbound database's <ref table="Logical_Port" db="OVN_NB"/> table to
399       indicate that the VIF is now up.  The CMS, if it uses this feature, can
400       then
401       react by allowing the VM's execution to proceed.
402     </li>
403
404     <li>
405       On every hypervisor but the one where the VIF resides,
406       <code>ovn-controller</code> notices the completely populated row in the
407       <code>Binding</code> table.  This provides <code>ovn-controller</code>
408       the physical location of the logical port, so each instance updates the
409       OpenFlow tables of its switch (based on logical datapath flows in the OVN
410       DB <code>Logical_Flow</code> table) so that packets to and from the VIF
411       can be properly handled via tunnels.
412     </li>
413
414     <li>
415       Eventually, a user powers off the VM that owns the VIF.  On the
416       hypervisor where the VM was powered off, the VIF is deleted from the OVN
417       integration bridge.
418     </li>
419
420     <li>
421       On the hypervisor where the VM was powered off,
422       <code>ovn-controller</code> notices that the VIF was deleted.  In
423       response, it removes the <code>Chassis</code> column content in the
424       <code>Binding</code> table for the logical port.
425     </li>
426
427     <li>
428       On every hypervisor, <code>ovn-controller</code> notices the empty
429       <code>Chassis</code> column in the <code>Binding</code> table's row
430       for the logical port.  This means that <code>ovn-controller</code> no
431       longer knows the physical location of the logical port, so each instance
432       updates its OpenFlow table to reflect that.
433     </li>
434
435     <li>
436       Eventually, when the VIF (or its entire VM) is no longer needed by
437       anyone, an administrator deletes the VIF using the CMS user interface or
438       API.  The CMS updates its own configuration.
439     </li>
440
441     <li>
442       The CMS plugin removes the VIF from the OVN Northbound database,
443       by deleting its row in the <code>Logical_Port</code> table.
444     </li>
445
446     <li>
447       <code>ovn-northd</code> receives the OVN Northbound update and in turn
448       updates the OVN Southbound database accordingly, by removing or updating
449       the rows from the OVN Southbound database <code>Logical_Flow</code> table
450       and <code>Binding</code> table that were related to the now-destroyed
451       VIF.
452     </li>
453
454     <li>
455       On every hypervisor, <code>ovn-controller</code> receives the
456       <code>Logical_Flow</code> table updates that <code>ovn-northd</code> made
457       in the previous step.  <code>ovn-controller</code> updates OpenFlow
458       tables to reflect the update, although there may not be much to do, since
459       the VIF had already become unreachable when it was removed from the
460       <code>Binding</code> table in a previous step.
461     </li>
462   </ol>
463
464   <h2>Life Cycle of a Container Interface Inside a VM</h2>
465
466   <p>
467     OVN provides virtual network abstractions by converting information
468     written in OVN_NB database to OpenFlow flows in each hypervisor.  Secure
469     virtual networking for multi-tenants can only be provided if OVN controller
470     is the only entity that can modify flows in Open vSwitch.  When the
471     Open vSwitch integration bridge resides in the hypervisor, it is a
472     fair assumption to make that tenant workloads running inside VMs cannot
473     make any changes to Open vSwitch flows.
474   </p>
475
476   <p>
477     If the infrastructure provider trusts the applications inside the
478     containers not to break out and modify the Open vSwitch flows, then
479     containers can be run in hypervisors.  This is also the case when
480     containers are run inside the VMs and Open vSwitch integration bridge
481     with flows added by OVN controller resides in the same VM.  For both
482     the above cases, the workflow is the same as explained with an example
483     in the previous section ("Life Cycle of a VIF").
484   </p>
485
486   <p>
487     This section talks about the life cycle of a container interface (CIF)
488     when containers are created in the VMs and the Open vSwitch integration
489     bridge resides inside the hypervisor.  In this case, even if a container
490     application breaks out, other tenants are not affected because the
491     containers running inside the VMs cannot modify the flows in the
492     Open vSwitch integration bridge.
493   </p>
494
495   <p>
496     When multiple containers are created inside a VM, there are multiple
497     CIFs associated with them.  The network traffic associated with these
498     CIFs need to reach the Open vSwitch integration bridge running in the
499     hypervisor for OVN to support virtual network abstractions.  OVN should
500     also be able to distinguish network traffic coming from different CIFs.
501     There are two ways to distinguish network traffic of CIFs.
502   </p>
503
504   <p>
505     One way is to provide one VIF for every CIF (1:1 model).  This means that
506     there could be a lot of network devices in the hypervisor.  This would slow
507     down OVS because of all the additional CPU cycles needed for the management
508     of all the VIFs.  It would also mean that the entity creating the
509     containers in a VM should also be able to create the corresponding VIFs in
510     the hypervisor.
511   </p>
512
513   <p>
514     The second way is to provide a single VIF for all the CIFs (1:many model).
515     OVN could then distinguish network traffic coming from different CIFs via
516     a tag written in every packet.  OVN uses this mechanism and uses VLAN as
517     the tagging mechanism.
518   </p>
519
520   <ol>
521     <li>
522       A CIF's life cycle begins when a container is spawned inside a VM by
523       the either the same CMS that created the VM or a tenant that owns that VM
524       or even a container Orchestration System that is different than the CMS
525       that initially created the VM.  Whoever the entity is, it will need to
526       know the <var>vif-id</var> that is associated with the network interface
527       of the VM through which the container interface's network traffic is
528       expected to go through.  The entity that creates the container interface
529       will also need to choose an unused VLAN inside that VM.
530     </li>
531
532     <li>
533       The container spawning entity (either directly or through the CMS that
534       manages the underlying infrastructure) updates the OVN Northbound
535       database to include the new CIF, by adding a row to the
536       <code>Logical_Port</code> table.  In the new row, <code>name</code> is
537       any unique identifier, <code>parent_name</code> is the <var>vif-id</var>
538       of the VM through which the CIF's network traffic is expected to go
539       through and the <code>tag</code> is the VLAN tag that identifies the
540       network traffic of that CIF.
541     </li>
542
543     <li>
544       <code>ovn-northd</code> receives the OVN Northbound database update.  In
545       turn, it makes the corresponding updates to the OVN Southbound database,
546       by adding rows to the OVN Southbound database's <code>Logical_Flow</code>
547       table to reflect the new port and also by creating a new row in the
548       <code>Binding</code> table and populating all its columns except the
549       column that identifies the <code>chassis</code>.
550     </li>
551
552     <li>
553       On every hypervisor, <code>ovn-controller</code> subscribes to the
554       changes in the <code>Binding</code> table.  When a new row is created
555       by <code>ovn-northd</code> that includes a value in
556       <code>parent_port</code> column of <code>Binding</code> table, the
557       <code>ovn-controller</code> in the hypervisor whose OVN integration bridge
558       has that same value in <var>vif-id</var> in
559       <code>external-ids</code>:<code>iface-id</code>
560       updates the local hypervisor's OpenFlow tables so that packets to and
561       from the VIF with the particular VLAN <code>tag</code> are properly
562       handled.  Afterward it updates the <code>chassis</code> column of
563       the <code>Binding</code> to reflect the physical location.
564     </li>
565
566     <li>
567       One can only start the application inside the container after the
568       underlying network is ready.  To support this, <code>ovn-northd</code>
569       notices the updated <code>chassis</code> column in <code>Binding</code>
570       table and updates the <ref column="up" table="Logical_Port"
571       db="OVN_NB"/> column in the OVN Northbound database's
572       <ref table="Logical_Port" db="OVN_NB"/> table to indicate that the
573       CIF is now up.  The entity responsible to start the container application
574       queries this value and starts the application.
575     </li>
576
577     <li>
578       Eventually the entity that created and started the container, stops it.
579       The entity, through the CMS (or directly) deletes its row in the
580       <code>Logical_Port</code> table.
581     </li>
582
583     <li>
584       <code>ovn-northd</code> receives the OVN Northbound update and in turn
585       updates the OVN Southbound database accordingly, by removing or updating
586       the rows from the OVN Southbound database <code>Logical_Flow</code> table
587       that were related to the now-destroyed CIF.  It also deletes the row in
588       the <code>Binding</code> table for that CIF.
589     </li>
590
591     <li>
592       On every hypervisor, <code>ovn-controller</code> receives the
593       <code>Logical_Flow</code> table updates that <code>ovn-northd</code> made
594       in the previous step.  <code>ovn-controller</code> updates OpenFlow
595       tables to reflect the update.
596     </li>
597   </ol>
598
599   <h2>Architectural Physical Life Cycle of a Packet</h2>
600
601   <p>
602     This section describes how a packet travels from one virtual machine or
603     container to another through OVN.  This description focuses on the physical
604     treatment of a packet; for a description of the logical life cycle of a
605     packet, please refer to the <code>Logical_Flow</code> table in
606     <code>ovn-sb</code>(5).
607   </p>
608
609   <p>
610     This section mentions several data and metadata fields, for clarity
611     summarized here:
612   </p>
613
614   <dl>
615     <dt>tunnel key</dt>
616     <dd>
617       When OVN encapsulates a packet in Geneve or another tunnel, it attaches
618       extra data to it to allow the receiving OVN instance to process it
619       correctly.  This takes different forms depending on the particular
620       encapsulation, but in each case we refer to it here as the ``tunnel
621       key.''  See <code>Tunnel Encapsulations</code>, below, for details.
622     </dd>
623
624     <dt>logical datapath field</dt>
625     <dd>
626       A field that denotes the logical datapath through which a packet is being
627       processed.
628       <!-- Keep the following in sync with MFF_LOG_DATAPATH in
629            ovn/lib/logical-fields.h. -->
630       OVN uses the field that OpenFlow 1.1+ simply (and confusingly) calls
631       ``metadata'' to store the logical datapath.  (This field is passed across
632       tunnels as part of the tunnel key.)
633     </dd>
634
635     <dt>logical input port field</dt>
636     <dd>
637       <p>
638         A field that denotes the logical port from which the packet
639         entered the logical datapath.
640         <!-- Keep the following in sync with MFF_LOG_INPORT in
641              ovn/lib/logical-fields.h. -->
642         OVN stores this in Nicira extension register number 6.
643       </p>
644
645       <p>
646         Geneve and STT tunnels pass this field as part of the tunnel key.
647         Although VXLAN tunnels do not explicitly carry a logical input port,
648         OVN only uses VXLAN to communicate with gateways that from OVN's
649         perspective consist of only a single logical port, so that OVN can set
650         the logical input port field to this one on ingress to the OVN logical
651         pipeline.
652       </p>
653     </dd>
654
655     <dt>logical output port field</dt>
656     <dd>
657       <p>
658         A field that denotes the logical port from which the packet will
659         leave the logical datapath.  This is initialized to 0 at the
660         beginning of the logical ingress pipeline.
661         <!-- Keep the following in sync with MFF_LOG_OUTPORT in
662              ovn/lib/logical-fields.h. -->
663         OVN stores this in Nicira extension register number 7.
664       </p>
665
666       <p>
667         Geneve and STT tunnels pass this field as part of the tunnel key.
668         VXLAN tunnels do not transmit the logical output port field.
669       </p>
670     </dd>
671
672     <dt>conntrack zone field</dt>
673     <dd>
674       A field that denotes the connection tracking zone.  The value only
675       has local significance and is not meaningful between chassis.
676       This is initialized to 0 at the beginning of the logical ingress
677       pipeline.  OVN stores this in Nicira extension register number 5.
678     </dd>
679
680     <dt>VLAN ID</dt>
681     <dd>
682       The VLAN ID is used as an interface between OVN and containers nested
683       inside a VM (see <code>Life Cycle of a container interface inside a
684       VM</code>, above, for more information).
685     </dd>
686   </dl>
687
688   <p>
689     Initially, a VM or container on the ingress hypervisor sends a packet on a
690     port attached to the OVN integration bridge.  Then:
691   </p>
692
693   <ol>
694     <li>
695       <p>
696         OpenFlow table 0 performs physical-to-logical translation.  It matches
697         the packet's ingress port.  Its actions annotate the packet with
698         logical metadata, by setting the logical datapath field to identify the
699         logical datapath that the packet is traversing and the logical input
700         port field to identify the ingress port.  Then it resubmits to table 16
701         to enter the logical ingress pipeline.
702       </p>
703
704       <p>
705         Packets that originate from a container nested within a VM are treated
706         in a slightly different way.  The originating container can be
707         distinguished based on the VIF-specific VLAN ID, so the
708         physical-to-logical translation flows additionally match on VLAN ID and
709         the actions strip the VLAN header.  Following this step, OVN treats
710         packets from containers just like any other packets.
711       </p>
712
713       <p>
714         Table 0 also processes packets that arrive from other chassis.  It
715         distinguishes them from other packets by ingress port, which is a
716         tunnel.  As with packets just entering the OVN pipeline, the actions
717         annotate these packets with logical datapath and logical ingress port
718         metadata.  In addition, the actions set the logical output port field,
719         which is available because in OVN tunneling occurs after the logical
720         output port is known.  These three pieces of information are obtained
721         from the tunnel encapsulation metadata (see <code>Tunnel
722         Encapsulations</code> for encoding details).  Then the actions resubmit
723         to table 33 to enter the logical egress pipeline.
724       </p>
725     </li>
726
727     <li>
728       <p>
729         OpenFlow tables 16 through 31 execute the logical ingress pipeline from
730         the <code>Logical_Flow</code> table in the OVN Southbound database.
731         These tables are expressed entirely in terms of logical concepts like
732         logical ports and logical datapaths.  A big part of
733         <code>ovn-controller</code>'s job is to translate them into equivalent
734         OpenFlow (in particular it translates the table numbers:
735         <code>Logical_Flow</code> tables 0 through 15 become OpenFlow tables 16
736         through 31).  For a given packet, the logical ingress pipeline
737         eventually executes zero or more <code>output</code> actions:
738       </p>
739
740       <ul>
741         <li>
742           If the pipeline executes no <code>output</code> actions at all, the
743           packet is effectively dropped.
744         </li>
745
746         <li>
747           Most commonly, the pipeline executes one <code>output</code> action,
748           which <code>ovn-controller</code> implements by resubmitting the
749           packet to table 32.
750         </li>
751
752         <li>
753           If the pipeline can execute more than one <code>output</code> action,
754           then each one is separately resubmitted to table 32.  This can be
755           used to send multiple copies of the packet to multiple ports.  (If
756           the packet was not modified between the <code>output</code> actions,
757           and some of the copies are destined to the same hypervisor, then
758           using a logical multicast output port would save bandwidth between
759           hypervisors.)
760         </li>
761       </ul>
762     </li>
763
764     <li>
765       <p>
766         OpenFlow tables 32 through 47 implement the <code>output</code> action
767         in the logical ingress pipeline.  Specifically, table 32 handles
768         packets to remote hypervisors, table 33 handles packets to the local
769         hypervisor, and table 34 discards packets whose logical ingress and
770         egress port are the same.
771       </p>
772
773       <p>
774         Logical patch ports are a special case.  Logical patch ports do not
775         have a physical location and effectively reside on every hypervisor.
776         Thus, flow table 33, for output to ports on the local hypervisor,
777         naturally implements output to unicast logical patch ports too.
778         However, applying the same logic to a logical patch port that is part
779         of a logical multicast group yields packet duplication, because each
780         hypervisor that contains a logical port in the multicast group will
781         also output the packet to the logical patch port.  Thus, multicast
782         groups implement output to logical patch ports in table 32.
783       </p>
784
785       <p>
786         Each flow in table 32 matches on a logical output port for unicast or
787         multicast logical ports that include a logical port on a remote
788         hypervisor.  Each flow's actions implement sending a packet to the port
789         it matches.  For unicast logical output ports on remote hypervisors,
790         the actions set the tunnel key to the correct value, then send the
791         packet on the tunnel port to the correct hypervisor.  (When the remote
792         hypervisor receives the packet, table 0 there will recognize it as a
793         tunneled packet and pass it along to table 33.)  For multicast logical
794         output ports, the actions send one copy of the packet to each remote
795         hypervisor, in the same way as for unicast destinations.  If a
796         multicast group includes a logical port or ports on the local
797         hypervisor, then its actions also resubmit to table 33.  Table 32 also
798         includes a fallback flow that resubmits to table 33 if there is no
799         other match.
800       </p>
801
802       <p>
803         Flows in table 33 resemble those in table 32 but for logical ports that
804         reside locally rather than remotely.  For unicast logical output ports
805         on the local hypervisor, the actions just resubmit to table 34.  For
806         multicast output ports that include one or more logical ports on the
807         local hypervisor, for each such logical port <var>P</var>, the actions
808         change the logical output port to <var>P</var>, then resubmit to table
809         34.
810       </p>
811
812       <p>
813         Table 34 matches and drops packets for which the logical input and
814         output ports are the same.  It resubmits other packets to table 48.
815       </p>
816     </li>
817
818     <li>
819       <p>
820         OpenFlow tables 48 through 63 execute the logical egress pipeline from
821         the <code>Logical_Flow</code> table in the OVN Southbound database.
822         The egress pipeline can perform a final stage of validation before
823         packet delivery.  Eventually, it may execute an <code>output</code>
824         action, which <code>ovn-controller</code> implements by resubmitting to
825         table 64.  A packet for which the pipeline never executes
826         <code>output</code> is effectively dropped (although it may have been
827         transmitted through a tunnel across a physical network).
828       </p>
829
830       <p>
831         The egress pipeline cannot change the logical output port or cause
832         further tunneling.
833       </p>
834     </li>
835
836     <li>
837       <p>
838         OpenFlow table 64 performs logical-to-physical translation, the
839         opposite of table 0.  It matches the packet's logical egress port.  Its
840         actions output the packet to the port attached to the OVN integration
841         bridge that represents that logical port.  If the logical egress port
842         is a container nested with a VM, then before sending the packet the
843         actions push on a VLAN header with an appropriate VLAN ID.
844       </p>
845
846       <p>
847         If the logical egress port is a logical patch port, then table 64
848         outputs to an OVS patch port that represents the logical patch port.
849         The packet re-enters the OpenFlow flow table from the OVS patch port's
850         peer in table 0, which identifies the logical datapath and logical
851         input port based on the OVS patch port's OpenFlow port number.
852       </p>
853     </li>
854   </ol>
855
856   <h2>Life Cycle of a VTEP gateway</h2>
857
858   <p>
859     A gateway is a chassis that forwards traffic between the OVN-managed
860     part of a logical network and a physical VLAN,  extending a
861     tunnel-based logical network into a physical network.
862   </p>
863
864   <p>
865     The steps below refer often to details of the OVN and VTEP database
866     schemas.  Please see <code>ovn-sb</code>(5), <code>ovn-nb</code>(5)
867     and <code>vtep</code>(5), respectively, for the full story on these
868     databases.
869   </p>
870
871   <ol>
872     <li>
873       A VTEP gateway's life cycle begins with the administrator registering
874       the VTEP gateway as a <code>Physical_Switch</code> table entry in the
875       <code>VTEP</code> database.  The <code>ovn-controller-vtep</code>
876       connected to this VTEP database, will recognize the new VTEP gateway
877       and create a new <code>Chassis</code> table entry for it in the
878       <code>OVN_Southbound</code> database.
879     </li>
880
881     <li>
882       The administrator can then create a new <code>Logical_Switch</code>
883       table entry, and bind a particular vlan on a VTEP gateway's port to
884       any VTEP logical switch.  Once a VTEP logical switch is bound to
885       a VTEP gateway, the <code>ovn-controller-vtep</code> will detect
886       it and add its name to the <var>vtep_logical_switches</var>
887       column of the <code>Chassis</code> table in the <code>
888       OVN_Southbound</code> database.  Note, the <var>tunnel_key</var>
889       column of VTEP logical switch is not filled at creation.  The
890       <code>ovn-controller-vtep</code> will set the column when the
891       correponding vtep logical switch is bound to an OVN logical network.
892     </li>
893
894     <li>
895       Now, the administrator can use the CMS to add a VTEP logical switch
896       to the OVN logical network.  To do that, the CMS must first create a
897       new <code>Logical_Port</code> table entry in the <code>
898       OVN_Northbound</code> database.  Then, the <var>type</var> column
899       of this entry must be set to "vtep".  Next, the <var>
900       vtep-logical-switch</var> and <var>vtep-physical-switch</var> keys
901       in the <var>options</var> column must also be specified, since
902       multiple VTEP gateways can attach to the same VTEP logical switch.
903     </li>
904
905     <li>
906       The newly created logical port in the <code>OVN_Northbound</code>
907       database and its configuration will be passed down to the <code>
908       OVN_Southbound</code> database as a new <code>Port_Binding</code>
909       table entry.  The <code>ovn-controller-vtep</code> will recognize the
910       change and bind the logical port to the corresponding VTEP gateway
911       chassis.  Configuration of binding the same VTEP logical switch to
912       a different OVN logical networks is not allowed and a warning will be
913       generated in the log.
914     </li>
915
916     <li>
917       Beside binding to the VTEP gateway chassis, the <code>
918       ovn-controller-vtep</code> will update the <var>tunnel_key</var>
919       column of the VTEP logical switch to the corresponding <code>
920       Datapath_Binding</code> table entry's <var>tunnel_key</var> for the
921       bound OVN logical network.
922     </li>
923
924     <li>
925       Next, the <code>ovn-controller-vtep</code> will keep reacting to the
926       configuration change in the <code>Port_Binding</code> in the
927       <code>OVN_Northbound</code> database, and updating the
928       <code>Ucast_Macs_Remote</code> table in the <code>VTEP</code> database.
929       This allows the VTEP gateway to understand where to forward the unicast
930       traffic coming from the extended external network.
931     </li>
932
933     <li>
934       Eventually, the VTEP gateway's life cycle ends when the administrator
935       unregisters the VTEP gateway from the <code>VTEP</code> database.
936       The <code>ovn-controller-vtep</code> will recognize the event and
937       remove all related configurations (<code>Chassis</code> table entry
938       and port bindings) in the <code>OVN_Southbound</code> database.
939     </li>
940
941     <li>
942       When the <code>ovn-controller-vtep</code> is terminated, all related
943       configurations in the <code>OVN_Southbound</code> database and
944       the <code>VTEP</code> database will be cleaned, including
945       <code>Chassis</code> table entries for all registered VTEP gateways
946       and their port bindings, and all <code>Ucast_Macs_Remote</code> table
947       entries and the <code>Logical_Switch</code> tunnel keys.
948     </li>
949   </ol>
950
951   <h1>Design Decisions</h1>
952
953   <h2>Tunnel Encapsulations</h2>
954
955   <p>
956     OVN annotates logical network packets that it sends from one hypervisor to
957     another with the following three pieces of metadata, which are encoded in
958     an encapsulation-specific fashion:
959   </p>
960
961   <ul>
962     <li>
963       24-bit logical datapath identifier, from the <code>tunnel_key</code>
964       column in the OVN Southbound <code>Datapath_Binding</code> table.
965     </li>
966
967     <li>
968       15-bit logical ingress port identifier.  ID 0 is reserved for internal
969       use within OVN.  IDs 1 through 32767, inclusive, may be assigned to
970       logical ports (see the <code>tunnel_key</code> column in the OVN
971       Southbound <code>Port_Binding</code> table).
972     </li>
973
974     <li>
975       16-bit logical egress port identifier.  IDs 0 through 32767 have the same
976       meaning as for logical ingress ports.  IDs 32768 through 65535,
977       inclusive, may be assigned to logical multicast groups (see the
978       <code>tunnel_key</code> column in the OVN Southbound
979       <code>Multicast_Group</code> table).
980     </li>
981   </ul>
982
983   <p>
984     For hypervisor-to-hypervisor traffic, OVN supports only Geneve and STT
985     encapsulations, for the following reasons:
986   </p>
987
988   <ul>
989     <li>
990       Only STT and Geneve support the large amounts of metadata (over 32 bits
991       per packet) that OVN uses (as described above).
992     </li>
993
994     <li>
995       STT and Geneve use randomized UDP or TCP source ports that allows
996       efficient distribution among multiple paths in environments that use ECMP
997       in their underlay.
998     </li>
999
1000     <li>
1001       NICs are available to offload STT and Geneve encapsulation and
1002       decapsulation.
1003     </li>
1004   </ul>
1005
1006   <p>
1007     Due to its flexibility, the preferred encapsulation between hypervisors is
1008     Geneve.  For Geneve encapsulation, OVN transmits the logical datapath
1009     identifier in the Geneve VNI.
1010
1011     <!-- Keep the following in sync with ovn/controller/physical.h. -->
1012     OVN transmits the logical ingress and logical egress ports in a TLV with
1013     class 0x0102, type 0, and a 32-bit value encoded as follows, from MSB to
1014     LSB:
1015   </p>
1016
1017   <diagram>
1018     <header name="">
1019       <bits name="rsv" above="1" below="0" width=".25"/>
1020       <bits name="ingress port" above="15" width=".75"/>
1021       <bits name="egress port" above="16" width=".75"/>
1022     </header>
1023   </diagram>
1024
1025   <p>
1026     Environments whose NICs lack Geneve offload may prefer STT encapsulation
1027     for performance reasons.  For STT encapsulation, OVN encodes all three
1028     pieces of logical metadata in the STT 64-bit tunnel ID as follows, from MSB
1029     to LSB:
1030   </p>
1031
1032   <diagram>
1033     <header name="">
1034       <bits name="reserved" above="9" below="0" width=".5"/>
1035       <bits name="ingress port" above="15" width=".75"/>
1036       <bits name="egress port" above="16" width=".75"/>
1037       <bits name="datapath" above="24" width="1.25"/>
1038     </header>
1039   </diagram>
1040
1041   <p>
1042     For connecting to gateways, in addition to Geneve and STT, OVN supports
1043     VXLAN, because only VXLAN support is common on top-of-rack (ToR) switches.
1044     Currently, gateways have a feature set that matches the capabilities as
1045     defined by the VTEP schema, so fewer bits of metadata are necessary.  In
1046     the future, gateways that do not support encapsulations with large amounts
1047     of metadata may continue to have a reduced feature set.
1048   </p>
1049 </manpage>