Day-07: 透過SNAT與DNAT 連至Internet

2023 iThome 鐵人賽

DAY 7

DevOps

在OpenStack Neutron的ovn-networking裡挖呀挖呀挖系列第 7 篇

15th鐵人賽 ovn

ogre0403

2023-09-08 07:42:25

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在過去的一周，我們都著著重在如何透過OVN建立邏輯網路，並且理解邏輯網路間是否能夠連通。但是如果一個邏輯網路如果無法連上Internet，在目前的世界上，無法連到Internet的話，也沒多大的功用。在虛擬網路裡，要連到Internet上，都是採用NAT，而NAT又分為SNAT與DNAT。今天我們就要來學習一下，在OVN的架構下，一個虛擬網路，要如何用SNAT與DNAT連到Internet。

建立網路拓樸

延續之前幾天的實驗環境，今天的架構會將前幾天的觀念全部統整起來，要完成的環境如圖。主要有幾個步驟

建立一個一般的logical switch (ls0)
建立一個localnet type的logical switch (ls-out)，連接eth0的實體網路
建立一個logical router連接二個switch (ls0與ls-out)
設定logical router的default route，以及要由那一個chassis出Internet。

我們的實驗環境是透用Vagrant和VirtualBox建立二個VM做測試。建立的二個VM對外連線都是依靠eth0，而VM的eth0是採用VirtualBox的NAT網路模式。在這個模式下，二個VM都有自己的NAT網路與gateway，所以二個VM是無法透過eth0互相通信，細節可以參考VirtualBox的官方對於 Virtual Networking的比較。也是因為這個因素，稍後的NAT實驗，會有一些地方稍微要多想一下。

再來，我們就一步一步來了解每一個動作的原理吧。

建立連接ns1的logical switch

這一步是建立一個虛擬網路用的logical switch, 從第一天開始，每天都在做一樣的事，應該不默生了。忘了的話，可以回去複習Day-02: 虛擬機器網路卡連至邏輯交換器的內容喔。

這一步要注意的是，因為要讓虛擬網路的namespace能夠上網，所以，在建立namespace時，要指定default gateway. 而這個default gateway就是等下要建立的logical router。如此一來，namespace要上網時，就會把logical router當做gateway出去。這是不是和一般的網路知識沒什麼二樣呢?

create-ns ns1 192.168.2.100 192.168.2.254
create-ovn-ls-and-lsp ls0 ns1
assign-iface-to-ovn-lsp ls0 ns1

建立連接實體網路的localnet logical switch

因為要讓在邏輯網路上的namespace可以上網，必需要透過可以對外連線的實體網路幫我們達到這件事。所以，我們建立一個localnet的logical switch, 用來連接hypervisor上的eth0。如果忘了localnet是什麼，一樣可以回去複習昨天才提過的Day-06: 連接虛擬與實體網路的localnet switch
。

create-ovn-ls-and-lsp ls-out
add-localnet-port ls-out flat0

#run on hypervisor
add-bridge-mapping eth0 flat0

今天建立bridge-mapping的動作，只有在hypervisor上進行，controller上則不做；而昨天的在建立localnet時，我們是在所有的節點上都做bridge-mapping。原因是因為我們今天的架構，只打算透過一個hypervisor出去Internet，所以只在Hypervisor上做即可。

另一個原因則是稍早提到的，因為二個VM的eth0實際上是無法互通，讓controller也做bridge-mapping，對於這個實驗沒什麼差別，這邊就不做了，有興趣的夥伴可以試試看，看看能不能體會間的差異，這就留給大家做練習吧。

在做這一步時，請特別注意，一定不要用eth0連到hypervisor。如果你是用vagrant ssh hypervisor，就是用eth0連線，請務必用別的interface連到hypervisor再執行這一步。因為這一步會將eth0放到be-eth0這個新建的bridge上，一旦放到上去後，原先在eth0的連線就會中斷。在add-bridge-mapping這個function，做了
...
ifconfig $1 0
dhclient $br_name
這是移除eth0的IP後，再讓br-eth0重新取得10.0.2.0/24網段的IP，hypervisor才有正常上網的功能，否則，等一下namespace是無法上網的喔。

建立logical route 連接二個logical switch

再來，就是建立一個logical router將二個logical switch連起來。與ls0相連的那端，要使用第一步所用的192.168.2.0/24 這個網段；與ls-out相連的那端，則要使用VirtualBox的eth0所使用的10.0.2.0/24 。

create-ovn-lr r0
connect-ovn-lr-to-ls r0 ls0    192.168.2.254
connect-ovn-lr-to-ls r0 ls-out 10.0.2.254

設定logical router由透過那一個Chassis出去網際網路

再來，要設定logical router的default route。這裡可以看到，我們將10.0.2.2設為default gateway，而這個IP就是VirtualBox NAT的default gateway。另外，也設定logical router會將hypervisor這個節點做出口的chassis。

到這一步，已經將整個邏輯網路都設定好了，但還差最後一個設定，就是NAT的規則。在 OVN的NAT機制，有支援SNAT與DNAT，我們來看要如何設定。

set_outgoing_chassis r0 ls-out hypervisor 10.0.2.2

#實際上ovn-nbctl的指令
#CHASSIS=`ovn-sbctl --columns=name -f json find chassis hostname=$3 | jq -r .data[][]`
#ovn-nbctl lrp-set-gateway-chassis $1-$2 ${CHASSIS}
#ovn-nbctl lr-route-add $1 "0.0.0.0/0" $4

SNAT

SNAT可以將一整個網段透過一個External IP做為出口上網，行為就像是家裡的IP分享器一樣。這邊就是將VirtualBox NAT 的10.0.2.0/24這個網段中，取10.0.2.254做為External IP。

set_snat_rule r0 192.168.2.0/24 10.0.2.200

#實際上的ovn-nbctl 指令
#ovn-nbctl -- --id=@nat create nat type="snat" logical_ip=$2 external_ip=$3 -- add logical_router $1 nat @nat

設定好後，可以查目前logical router上的nat規則。

ovn-nbctl lr-nat-list r0

TYPE             EXTERNAL_IP        LOGICAL_IP            EXTERNAL_MAC         LOGICAL_PORT
snat             10.0.2.200         192.168.100.0/24

在controller上的ns1裡面，確認可以對外連線。

#on controller
ip netns exec ns1 ping 8.8.8.8

DNAT

DNAT可以將指定一個External IP對應到一個內部的IP，如此一來，除了可以上網之外，外部也可以透過這個External IP進行連線。DNAT的設定和SNAT非常類似，但最大的差異再於，DNAT是將一個External IP對應到一個內部IP。

set_dnat_rule r0 192.168.2.100 10.0.2.100

#實際上的ovn-nbctl 指令
#ovn-nbctl -- --id=@nat create nat type="dnat_and_snat" logical_ip=$2 external_ip=$3 -- add logical_router $1 nat @nat

設定好後，可以查目前logical router上的nat規則，多了一個DNAT將10.0.2.200對應至192.168.100.100。

ovn-nbctl lr-nat-list r0

TYPE             EXTERNAL_IP        LOGICAL_IP            EXTERNAL_MAC         LOGICAL_PORT
dnat_and_snat    10.0.2.100         192.168.2.100
snat             10.0.2.200         192.168.2.0/24

在controller上的ns1裡面，確認可以對外連線。在hypervisor上，確認可以透過DNAT的10.0.2.200連通。

#在 controller 上測試 ns1 可以對外
ip netns exec ns1 ping 8.8.8.8

#在 hypervisor 上測試可由 DNAT的external ip連到ns1
ping -c 4 10.0.2.100

在測試DNAT時，一定要從hypervisor，從controller一定不會通喔。原因在於，現在是將hypervisor做為gateway chassis，所以hypervisor的eth0對於namespace ns1來說，才是實質意義上的External Network。所以從controller上去進DNAT的IP是不會通的。當然，如果你要將controller做為gateway chassis，也是可以的，就讓你自己試試看。

來看看SNAT的封包如何走

依今天的實驗架構，在controller上的ns1, 必需經過hypervisor上的eth0，才能連到Internet. 再依前幾天的說明，controller和hypervisor間，是透過GENEVE來傳送封裝後的封包，我們在controller與hypervisor上透過tcpdump來驗證吧。

在controller上的ns1，可和Internet通信。

#controller
ovs-tcpdump -i veth-ns1-br  icmp

13:27:43.945275 IP 192.168.2.100 > dns.google: ICMP echo request, id 12998, seq 1, length 64
13:27:44.014730 IP dns.google > 192.168.2.100: ICMP echo reply, id 12998, seq 1, length 64

在controller上的eth1，確實有看到由ns1要往Internet的GEVENE封包，要送往hypervisor

#controller

tcpdump -vvneei eth1 'udp port 6081'

13:27:43.945304 08:00:27:2d:eb:c5 > 08:00:27:83:ca:fe, ethertype IPv4 (0x0800), length 156: (tos 0x0, ttl 64, id 47229, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 142)
    192.168.33.10.17070 > 192.168.33.20.6081: [bad udp cksum 0xc3fa -> 0xe79c!] Geneve, Flags [C], vni 0x6, proto TEB (0x6558), options [class Open Virtual Networking (OVN) (0x102) type 0x80(C) len 8 data 00010003]
	02:00:c9:18:b0:5d > 52:54:00:12:35:02, ethertype IPv4 (0x0800), length 98: (tos 0x0, ttl 63, id 34113, offset 0, flags [DF], proto ICMP (1), length 84)
    192.168.2.100 > 8.8.8.8: ICMP echo request, id 12998, seq 1, length 64
    
13:27:44.011388 08:00:27:83:ca:fe > 08:00:27:2d:eb:c5, ethertype IPv4 (0x0800), length 156: (tos 0x0, ttl 64, id 43126, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 142)
    192.168.33.20.23544 > 192.168.33.10.6081: [udp sum ok] Geneve, Flags [C], vni 0x4, proto TEB (0x6558), options [class Open Virtual Networking (OVN) (0x102) type 0x80(C) len 8 data 00020001]
	02:00:cc:fa:fb:3d > 4e:26:4a:c5:a9:55, ethertype IPv4 (0x0800), length 98: (tos 0x0, ttl 61, id 3591, offset 0, flags [DF], proto ICMP (1), length 84)
    8.8.8.8 > 192.168.2.100: ICMP echo reply, id 12998, seq 1, length 64

在hypervisor上收到controller送過來的GEVENE封包。

#hypervisor
tcpdump -vvneei eth1 'udp port 6081'

13:27:48.488846 08:00:27:2d:eb:c5 > 08:00:27:83:ca:fe, ethertype IPv4 (0x0800), length 156: (tos 0x0, ttl 64, id 47229, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 142)
    192.168.33.10.17070 > 192.168.33.20.6081: [udp sum ok] Geneve, Flags [C], vni 0x6, proto TEB (0x6558), options [class Open Virtual Networking (OVN) (0x102) type 0x80(C) len 8 data 00010003]
	02:00:c9:18:b0:5d > 52:54:00:12:35:02, ethertype IPv4 (0x0800), length 98: (tos 0x0, ttl 63, id 34113, offset 0, flags [DF], proto ICMP (1), length 84)
    192.168.2.100 > 8.8.8.8: ICMP echo request, id 12998, seq 1, length 64
    
13:27:48.553949 08:00:27:83:ca:fe > 08:00:27:2d:eb:c5, ethertype IPv4 (0x0800), length 156: (tos 0x0, ttl 64, id 43126, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 142)
    192.168.33.20.23544 > 192.168.33.10.6081: [bad udp cksum 0xc3fa -> 0xc6b8!] Geneve, Flags [C], vni 0x4, proto TEB (0x6558), options [class Open Virtual Networking (OVN) (0x102) type 0x80(C) len 8 data 00020001]
	02:00:cc:fa:fb:3d > 4e:26:4a:c5:a9:55, ethertype IPv4 (0x0800), length 98: (tos 0x0, ttl 61, id 3591, offset 0, flags [DF], proto ICMP (1), length 84)
    8.8.8.8 > 192.168.2.100: ICMP echo reply, id 12998, seq 1, length 64

在hypervisor的eth0，抓到送到Internet的封包，注意到這裡的來源IP, 已經被換成SNAT中設定的External IP。

#hypervisor
tcpdump -i eth0 icmp

13:27:48.492478 IP 10.0.2.200 > dns.google: ICMP echo request, id 12998, seq 1, length 64
13:27:48.552449 IP dns.google > 10.0.2.200: ICMP echo reply, id 12998, seq 1, length 64

來看看DNAT的封包如何走

ns1 ping Internet

和SNAT完全相同的驗證，可以看到DNAT模式的封包，也是由hypervisor送出。唯獨External IP，是換成DNAT時所設定的External IP。

#controller

ovs-tcpdump -i veth-ns1-br  icmp

13:41:24.391918 IP 192.168.2.100 > dns.google: ICMP echo request, id 2285, seq 1, length 64
13:41:24.467388 IP dns.google > 192.168.2.100: ICMP echo reply, id 2285, seq 1, length 64

#controller

tcpdump -vvneei eth1 'udp port 6081'

13:41:24.391942 08:00:27:2d:eb:c5 > 08:00:27:83:ca:fe, ethertype IPv4 (0x0800), length 156: (tos 0x0, ttl 64, id 62260, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 142)
    192.168.33.10.28509 > 192.168.33.20.6081: [bad udp cksum 0xc3fa -> 0x29c5!] Geneve, Flags [C], vni 0x5, proto TEB (0x6558), options [class Open Virtual Networking (OVN) (0x102) type 0x80(C) len 8 data 00010003]
	02:00:ba:fe:50:a0 > 52:54:00:12:35:02, ethertype IPv4 (0x0800), length 98: (tos 0x0, ttl 63, id 7277, offset 0, flags [DF], proto ICMP (1), length 84)
    192.168.2.100 > 8.8.8.8: ICMP echo request, id 2285, seq 1, length 64
    
13:41:24.462684 08:00:27:83:ca:fe > 08:00:27:2d:eb:c5, ethertype IPv4 (0x0800), length 156: (tos 0x0, ttl 64, id 35889, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 142)
    192.168.33.20.39302 > 192.168.33.10.6081: [udp sum ok] Geneve, Flags [C], vni 0x3, proto TEB (0x6558), options [class Open Virtual Networking (OVN) (0x102) type 0x80(C) len 8 data 00020001]
	02:00:da:c1:50:36 > 16:80:0d:09:d2:9b, ethertype IPv4 (0x0800), length 98: (tos 0x0, ttl 61, id 61, offset 0, flags [DF], proto ICMP (1), length 84)
    8.8.8.8 > 192.168.2.100: ICMP echo reply, id 2285, seq 1, length 64

#hypervisor
tcpdump -vvneei eth1 'udp port 6081'

13:41:23.840551 08:00:27:2d:eb:c5 > 08:00:27:83:ca:fe, ethertype IPv4 (0x0800), length 156: (tos 0x0, ttl 64, id 62260, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 142)
    192.168.33.10.28509 > 192.168.33.20.6081: [udp sum ok] Geneve, Flags [C], vni 0x5, proto TEB (0x6558), options [class Open Virtual Networking (OVN) (0x102) type 0x80(C) len 8 data 00010003]
	02:00:ba:fe:50:a0 > 52:54:00:12:35:02, ethertype IPv4 (0x0800), length 98: (tos 0x0, ttl 63, id 7277, offset 0, flags [DF], proto ICMP (1), length 84)
    192.168.2.100 > 8.8.8.8: ICMP echo request, id 2285, seq 1, length 64
    
13:41:23.910323 08:00:27:83:ca:fe > 08:00:27:2d:eb:c5, ethertype IPv4 (0x0800), length 156: (tos 0x0, ttl 64, id 35889, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 142)
    192.168.33.20.39302 > 192.168.33.10.6081: [bad udp cksum 0xc3fa -> 0x7387!] Geneve, Flags [C], vni 0x3, proto TEB (0x6558), options [class Open Virtual Networking (OVN) (0x102) type 0x80(C) len 8 data 00020001]
	02:00:da:c1:50:36 > 16:80:0d:09:d2:9b, ethertype IPv4 (0x0800), length 98: (tos 0x0, ttl 61, id 61, offset 0, flags [DF], proto ICMP (1), length 84)
    8.8.8.8 > 192.168.2.100: ICMP echo reply, id 2285, seq 1, length 64

#hypervisor
tcpdump -i eth0 icmp

13:41:23.853145 IP 10.0.2.100 > dns.google: ICMP echo request, id 2285, seq 1, length 64
13:41:23.906749 IP dns.google > 10.0.2.100: ICMP echo reply, id 2285, seq 1, length 64

hypervisor ping ns1

最後一步，我們來驗證從hypervisor上，是如何和controller上的ns1通訊。在hypervisor上要和10.0.2.100 這個IP通訊時，我們可以看到hypervisor上的GEVENE封包，在送出前，已經被轉換回192.168.2.100這個內部的IP。

#hypervisor
tcpdump -vvneei eth1 'udp port 6081'

13:48:43.716118 08:00:27:83:ca:fe > 08:00:27:2d:eb:c5, ethertype IPv4 (0x0800), length 156: (tos 0x0, ttl 64, id 30362, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 142)
    192.168.33.20.40555 > 192.168.33.10.6081: [bad udp cksum 0xc3fa -> 0x6ea2!] Geneve, Flags [C], vni 0x3, proto TEB (0x6558), options [class Open Virtual Networking (OVN) (0x102) type 0x80(C) len 8 data 00020001]
	02:00:da:c1:50:36 > 16:80:0d:09:d2:9b, ethertype IPv4 (0x0800), length 98: (tos 0x0, ttl 63, id 33295, offset 0, flags [DF], proto ICMP (1), length 84)
    10.0.2.15 > 192.168.2.100: ICMP echo request, id 7, seq 1, length 64

13:48:43.726039 08:00:27:2d:eb:c5 > 08:00:27:83:ca:fe, ethertype IPv4 (0x0800), length 156: (tos 0x0, ttl 64, id 27441, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 142)
    192.168.33.10.6132 > 192.168.33.20.6081: [udp sum ok] Geneve, Flags [C], vni 0x5, proto TEB (0x6558), options [class Open Virtual Networking (OVN) (0x102) type 0x80(C) len 8 data 00010003]
	02:00:ba:fe:50:a0 > 08:00:27:44:4c:ed, ethertype IPv4 (0x0800), length 98: (tos 0x0, ttl 63, id 62716, offset 0, flags [none], proto ICMP (1), length 84)
    192.168.2.100 > 10.0.2.15: ICMP echo reply, id 7, seq 1, length 64

#controller

tcpdump -vvneei eth1 'udp port 6081'

13:48:44.387843 08:00:27:83:ca:fe > 08:00:27:2d:eb:c5, ethertype IPv4 (0x0800), length 156: (tos 0x0, ttl 64, id 30362, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 142)
    192.168.33.20.40555 > 192.168.33.10.6081: [udp sum ok] Geneve, Flags [C], vni 0x3, proto TEB (0x6558), options [class Open Virtual Networking (OVN) (0x102) type 0x80(C) len 8 data 00020001]
	02:00:da:c1:50:36 > 16:80:0d:09:d2:9b, ethertype IPv4 (0x0800), length 98: (tos 0x0, ttl 63, id 33295, offset 0, flags [DF], proto ICMP (1), length 84)
    10.0.2.15 > 192.168.2.100: ICMP echo request, id 7, seq 1, length 64
    
13:48:44.394261 08:00:27:2d:eb:c5 > 08:00:27:83:ca:fe, ethertype IPv4 (0x0800), length 156: (tos 0x0, ttl 64, id 27441, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 142)
    192.168.33.10.6132 > 192.168.33.20.6081: [bad udp cksum 0xc3fa -> 0x8c65!] Geneve, Flags [C], vni 0x5, proto TEB (0x6558), options [class Open Virtual Networking (OVN) (0x102) type 0x80(C) len 8 data 00010003]
	02:00:ba:fe:50:a0 > 08:00:27:44:4c:ed, ethertype IPv4 (0x0800), length 98: (tos 0x0, ttl 63, id 62716, offset 0, flags [none], proto ICMP (1), length 84)
    192.168.2.100 > 10.0.2.15: ICMP echo reply, id 7, seq 1, length 64

在controller上的ns1裡，我們可以看到來自hypervisor的10.0.2.15的封包。

#controller

ovs-tcpdump -i veth-ns1-br  icmp

13:48:21.366638 IP 10.0.2.15 > 192.168.2.100: ICMP echo request, id 6, seq 1, length 64
13:48:21.367617 IP 192.168.2.100 > 10.0.2.15: ICMP echo reply, id 6, seq 1, length 64

到此，我們已經把目前學過的所有OVN的觀念都結合起來，再搭配上今天學到的在OVN裡怎麼設定NAT，就可以完成一個基本功能都有的虛擬網路。這樣一步一步拆解下來，是不是清楚多了呢?