Neutron分析（4）—— neutron-dhcp-agent

一.概述

neutron dhcp为租户网络提供DHCP服务，即IP地址动态分配，另外还会提供metadata请求服务。

3个主要的部件：
DHCP agent scheduler：负责DHCP agent与network的调度
DHCP agent：为租户网络提供DHCP的功能，提供metadata request服务。
DHCP driver：即dnsmasq，用于管理DHCP server。

二.REST API

neutron dhcp提供2类REST API接口，这两类API都是extension API。

一种是 Agent Management Extension API：

另一种是agent调度：

三.总体架构

根据整个dhcp处理的流程，dhcp模块主要由Neutron api、core plugin（如linux bridge plugin，ovs
plugin等）、dhcp agent scheduler、dhcp agent、dhcp driver（dnsmasq）构成。

架构图如下：

对应架构图中数字，有以下几个接口：
1.network/subnet/port的操作
2.agent management/agent scheduler的操作
3.network/subnet/port操作会发送rpc请求到dhcp agent。
4.agentscheduler db发送rpc请求到dhcp agent。
5.dhcp agent通过DhcpPluginApi发送rpc请求到core plugin，操作相应的数据库。
6.dhcp agent调用dhcp driver进行dhcp相关操作。

四.代码分析

neutron-dhcp-agent的入口为neutron.agent.dhcp_agent:main，跟l3-agent的启动方式是类似的，都是以Service启动；Manager类为DhcpAgentWithStateReport，汇报DHCPAgent的状态。

def main():

    register_options()

    common_config.init(sys.argv[1:])

    config.setup_logging(cfg.CONF)

    server = neutron_service.Service.create(

        binary='neutron-dhcp-agent',

        topic=topics.DHCP_AGENT,

        report_interval=cfg.CONF.AGENT.report_interval,

        manager='neutron.agent.dhcp_agent.DhcpAgentWithStateReport')

    service.launch(server).wait()

DhcpAgentWithStateReport继承自DhcpAgent，用于汇报DHCPAgent的状态

        if report_interval:

            self.heartbeat = loopingcall.FixedIntervalLoopingCall(

                self._report_state)

            self.heartbeat.start(interval=report_interval)

_report_state就是从self.cache中取出当前状态，然后构造一个report_state的message发到q-plugin topic的消息队列上。

下面看下DhcpAgent初始化过程：

    def __init__(self, host=None):

        super(DhcpAgent, self).__init__(host=host)

        self.needs_resync_reasons = []

        self.conf = cfg.CONF

        # Agent cache of the current network state

        self.cache = NetworkCache()

        self.root_helper = config.get_root_helper(self.conf)

        # dhcp_driver currently is neutron.agent.linux.dhcp.Dnsmasq

        self.dhcp_driver_cls = importutils.import_class(self.conf.dhcp_driver)

        ctx = context.get_admin_context_without_session()

        # init plugin rpc

        self.plugin_rpc = DhcpPluginApi(topics.PLUGIN,  # topic is q-plugin，提供DHCP相关的创建、查询、更新、删除接口

                                        ctx, self.conf.use_namespaces)

        # create dhcp dir to store dhcp info: /var/lib/neutron/dhcp/

        # these files are used for Dnsmasq

        dhcp_dir = os.path.dirname("/%s/dhcp/" % self.conf.state_path)

        if not os.path.isdir(dhcp_dir):

            os.makedirs(dhcp_dir, 0o755)

        self.dhcp_version = self.dhcp_driver_cls.check_version()

        # query existing_dhcp_networks from driver and then save them into self.cache

        self._populate_networks_cache()

DhcpPluginApi创建了topic为q-plugin的处理方法，dhcp-agent外部可以通过DhcpAgentNotifyAPI来调用这些接口:

class DhcpAgentNotifyAPI(n_rpc.RpcProxy):

    """API for plugin to notify DHCP agent."""

    BASE_RPC_API_VERSION = '1.0'

    # It seems dhcp agent does not support bulk operation

    VALID_RESOURCES = ['network', 'subnet', 'port']

    VALID_METHOD_NAMES = ['network.create.end',

                          'network.update.end',

                          'network.delete.end',

                          'subnet.create.end',

                          'subnet.update.end',

                          'subnet.delete.end',

                          'port.create.end',

                          'port.update.end',

                          'port.delete.end']

neutron.agent.linux.dhcp.Dnsmasq

DhcpAgent通过self.dhcp_driver_cls = importutils.import_class(self.conf.dhcp_driver)注册了Dnsmasq这个Driver，并在需要的时候调用driver的相应接口:

    def call_driver(self, action, network, **action_kwargs):

        """Invoke an action on a DHCP driver instance."""

        LOG.debug(_('Calling driver for network: %(net)s action: %(action)s'),

                  {'net': network.id, 'action': action})

        try:

            # the Driver expects something that is duck typed similar to

            # the base models.

            driver = self.dhcp_driver_cls(self.conf,

                                          network,

                                          self.root_helper,

                                          self.dhcp_version,

                                          self.plugin_rpc)

            getattr(driver, action)(**action_kwargs)

            return True

Dnsmasq会通过/var/lib/neutron/dhcp/目录下的配置文件启动dnsmasq进程，在DHCP更新的时候，更新这些配置文件并reload配置。

dnsmasq --no-hosts --no-resolv --strict-order

--bind-interfaces --interface=tap746570b9-2b --except-interface=lo

--pid-file=/var/lib/quantum/dhcp/3e16cd2f-c693-49b4-91a7-2a65912ec152/pid

--dhcp-hostsfile=/var/lib/quantum/dhcp/3e16cd2f-c693-49b4-91a7-2a65912ec152/host

--dhcp-optsfile=/var/lib/quantum/dhcp/3e16cd2f-c693-49b4-91a7-2a65912ec152/opts

--dhcp-script=/usr/bin/quantum-dhcp-agent-dnsmasq-lease-update --leasefile-ro

--dhcp-range=set:tag0,12.0.0.192,static,120s

--conf-file= --domain=openstacklocal

--bind-interfaces --interface=tap746570b9-2b 

主要选项：
--except-interface=lo 使多个dnsmasq实例可以同时运行在同一台主机上并监听不同的interface

--dhcp-hostsfile=/var/lib/quantum/dhcp/3e16cd2f-c693-49b4-91a7-2a65912ec152/host 读取IP与虚拟机的静态映射关系，该文件改变后dnsmasq会自动重新加载，不需要重启

--dhcp-optsfile=/var/lib/quantum/dhcp/3e16cd2f-c693-49b4-91a7-2a65912ec152/opts  指定DNS服务器地址等选项

--dhcp-script=/usr/bin/quantum-dhcp-agent-dnsmasq-lease-update --leasefile-ro  lease信息更新与通知

--dhcp-range=set:tag0,12.0.0.192,static,120s  重点在于static参数，该参数限制dnsmasq只能为dhcp-hostsfile包含的主机提供DHCP服务

既然Dnsmasq是根据/var/lib/neutron/dhcp/目录下的配置文件启动的，那么这些配置文件是如何创建和更新的呢？

（1）创建过程

dhcp agent在收到network_create_end后，会启动一个dhcp（dnsmasq）进程服务这个新网络。

（2）更新过程

dhcp agent会调用dhcp_driver.reload_allocations来更新配置文件。reload_allocations会根据新网络配置重新生成配置文件。

dhcp agent会在收到如下4种消息时调用reload_allocations

port_update_end
port_delete_end
subnet_update_end
subnet_delete_end

上面这些通知消息在neturon rest API的前端实现中发出，具体代码在neutron.api.v2.base.py中

#Controller

notifier_method = self._resource + '.create.end'

notifier_method = self._resource + '.delete.end'

notifier_method = self._resource + '.update.end'

可以看到针对每种resource(network, subnet, port)，都会有相应的消息发出。dhcp agent根据这些消息来决定何时重新加载dnsmasp配置文件。

dhcp agent scheduler

通过dhcp agent scheduler,系统中可以部署多个dhcp agent：

1）增加可用性(HA, high availability)，避免单点失败(SOF, single point of failure)
2）增加性能，多个dhcp agent可以安装在多台机器上，同时服务。

如何调度dhcp agent

调度算法通过network_scheduler_driver配置，默认是neutron.scheduler.dhcp_agent_scheduler.ChanceScheduler
class ChanceScheduler(object):
"""Allocate a DHCP agent for a network in a random way.
More sophisticated scheduler (similar to filter scheduler in nova?)
can be introduced later.
"""
可以看出，这个实现采用了随机分配算法。

如何调用dhcp agent scheduler

通过neutron.api.rpc.agentnotifiers.dhcp_rpc_agent_api.py中

def notify(self, context, data, method_name): 发送消息时，会调用
self._notify_agents，有代码
schedule_required = method == 'port_create_end'
if schedule_required:
agents = self._schedule_network(admin_ctx, network, agents)

可以看到当系统中有新的port创建后，会调用dhcp agent scheduler分配dhcp agent。

dhcp服务的启动

    def after_start(self):

        self.run()

        LOG.info(_("DHCP agent started"))

    def run(self):

        """Activate the DHCP agent."""

        # 根据系统中的网络配置，启动dhcp服务器进程(dnsmasq)。

        # sync_state()在dhcp agent启动后运行一次。

        self.sync_state()

        # 周期性调用sync_state()

        # dhcp agent会缓存一些网路的信息，通过该任务和neutron同步网络信息，更新本地缓存。

        self.periodic_resync()

neutron的各种插件实现(core plugin or service plugin)都继承于db包下的对象，这些object实现了对相应资源数据模型的操作。

五.类图

六.数据库
DHCP agent的信息会存放在neutron数据库的agents表中：

mysql> desc agents;

+---------------------+---------------+------+-----+---------+-------+

+---------------------+---------------+------+-----+---------+-------+

| id | varchar(36) | NO | PRI | NULL | |

| agent_type | varchar(255) | NO | | NULL | |

| binary | varchar(255) | NO | | NULL | |

| topic | varchar(255) | NO | | NULL | |

| host | varchar(255) | NO | | NULL | |

| admin_state_up | tinyint(1) | NO | | NULL | |

| created_at | datetime | NO | | NULL | |

| started_at | datetime | NO | | NULL | |

| heartbeat_timestamp | datetime | NO | | NULL | |

| description | varchar(255) | YES | | NULL | |

| configurations | varchar(4095) | NO | | NULL | |

+---------------------+---------------+------+-----+---------+-------+

DHCP agent和network绑定关系存储在networkdhcpagentbindings中：

mysql> desc networkdhcpagentbindings;

+---------------+-------------+------+-----+---------+-------+

+---------------+-------------+------+-----+---------+-------+

| network_id | varchar(36) | NO | PRI | NULL | |

| dhcp_agent_id | varchar(36) | NO | PRI | NULL | |

+---------------+-------------+------+-----+---------+-------+

agents和networkdhcpagentbindings通过dhcp agent id建立引用关系。

网络，子网和端口信息分别存储在数据库的networks,subnets和ports表中。dhcp agent需要获取这些信息生成dnsmasq的配置信息，并将这些信息存储在/var/lib/neutron/dhcp/目录下。当neutron-server有需要添加/修改/删除dhcp相关配置时，会将消息发送到队列dhcp_agent.hostname或dhcp_agent_fanout_id，dhcp agent收到消息后进行相应dhcp的配置。

参考：

http://squarey.me/cloud-virtualization/neutron-dhcp-analyse.html

http://blog.csdn.net/matt_mao/article/details/19552381

http://blog.csdn.net/anyaas/article/details/17322085