| .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 | 
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| Open vSwitch datapath developer documentation | 
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| The Open vSwitch kernel module allows flexible userspace control over | 
| flow-level packet processing on selected network devices.  It can be | 
| used to implement a plain Ethernet switch, network device bonding, | 
| VLAN processing, network access control, flow-based network control, | 
| and so on. | 
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| The kernel module implements multiple "datapaths" (analogous to | 
| bridges), each of which can have multiple "vports" (analogous to ports | 
| within a bridge).  Each datapath also has associated with it a "flow | 
| table" that userspace populates with "flows" that map from keys based | 
| on packet headers and metadata to sets of actions.  The most common | 
| action forwards the packet to another vport; other actions are also | 
| implemented. | 
|   | 
| When a packet arrives on a vport, the kernel module processes it by | 
| extracting its flow key and looking it up in the flow table.  If there | 
| is a matching flow, it executes the associated actions.  If there is | 
| no match, it queues the packet to userspace for processing (as part of | 
| its processing, userspace will likely set up a flow to handle further | 
| packets of the same type entirely in-kernel). | 
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| Flow key compatibility | 
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| Network protocols evolve over time.  New protocols become important | 
| and existing protocols lose their prominence.  For the Open vSwitch | 
| kernel module to remain relevant, it must be possible for newer | 
| versions to parse additional protocols as part of the flow key.  It | 
| might even be desirable, someday, to drop support for parsing | 
| protocols that have become obsolete.  Therefore, the Netlink interface | 
| to Open vSwitch is designed to allow carefully written userspace | 
| applications to work with any version of the flow key, past or future. | 
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| To support this forward and backward compatibility, whenever the | 
| kernel module passes a packet to userspace, it also passes along the | 
| flow key that it parsed from the packet.  Userspace then extracts its | 
| own notion of a flow key from the packet and compares it against the | 
| kernel-provided version: | 
|   | 
|     - If userspace's notion of the flow key for the packet matches the | 
|       kernel's, then nothing special is necessary. | 
|   | 
|     - If the kernel's flow key includes more fields than the userspace | 
|       version of the flow key, for example if the kernel decoded IPv6 | 
|       headers but userspace stopped at the Ethernet type (because it | 
|       does not understand IPv6), then again nothing special is | 
|       necessary.  Userspace can still set up a flow in the usual way, | 
|       as long as it uses the kernel-provided flow key to do it. | 
|   | 
|     - If the userspace flow key includes more fields than the | 
|       kernel's, for example if userspace decoded an IPv6 header but | 
|       the kernel stopped at the Ethernet type, then userspace can | 
|       forward the packet manually, without setting up a flow in the | 
|       kernel.  This case is bad for performance because every packet | 
|       that the kernel considers part of the flow must go to userspace, | 
|       but the forwarding behavior is correct.  (If userspace can | 
|       determine that the values of the extra fields would not affect | 
|       forwarding behavior, then it could set up a flow anyway.) | 
|   | 
| How flow keys evolve over time is important to making this work, so | 
| the following sections go into detail. | 
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|   | 
| Flow key format | 
| --------------- | 
|   | 
| A flow key is passed over a Netlink socket as a sequence of Netlink | 
| attributes.  Some attributes represent packet metadata, defined as any | 
| information about a packet that cannot be extracted from the packet | 
| itself, e.g. the vport on which the packet was received.  Most | 
| attributes, however, are extracted from headers within the packet, | 
| e.g. source and destination addresses from Ethernet, IP, or TCP | 
| headers. | 
|   | 
| The <linux/openvswitch.h> header file defines the exact format of the | 
| flow key attributes.  For informal explanatory purposes here, we write | 
| them as comma-separated strings, with parentheses indicating arguments | 
| and nesting.  For example, the following could represent a flow key | 
| corresponding to a TCP packet that arrived on vport 1:: | 
|   | 
|     in_port(1), eth(src=e0:91:f5:21:d0:b2, dst=00:02:e3:0f:80:a4), | 
|     eth_type(0x0800), ipv4(src=172.16.0.20, dst=172.18.0.52, proto=17, tos=0, | 
|     frag=no), tcp(src=49163, dst=80) | 
|   | 
| Often we ellipsize arguments not important to the discussion, e.g.:: | 
|   | 
|     in_port(1), eth(...), eth_type(0x0800), ipv4(...), tcp(...) | 
|   | 
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| Wildcarded flow key format | 
| -------------------------- | 
|   | 
| A wildcarded flow is described with two sequences of Netlink attributes | 
| passed over the Netlink socket. A flow key, exactly as described above, and an | 
| optional corresponding flow mask. | 
|   | 
| A wildcarded flow can represent a group of exact match flows. Each '1' bit | 
| in the mask specifies a exact match with the corresponding bit in the flow key. | 
| A '0' bit specifies a don't care bit, which will match either a '1' or '0' bit | 
| of a incoming packet. Using wildcarded flow can improve the flow set up rate | 
| by reduce the number of new flows need to be processed by the user space program. | 
|   | 
| Support for the mask Netlink attribute is optional for both the kernel and user | 
| space program. The kernel can ignore the mask attribute, installing an exact | 
| match flow, or reduce the number of don't care bits in the kernel to less than | 
| what was specified by the user space program. In this case, variations in bits | 
| that the kernel does not implement will simply result in additional flow setups. | 
| The kernel module will also work with user space programs that neither support | 
| nor supply flow mask attributes. | 
|   | 
| Since the kernel may ignore or modify wildcard bits, it can be difficult for | 
| the userspace program to know exactly what matches are installed. There are | 
| two possible approaches: reactively install flows as they miss the kernel | 
| flow table (and therefore not attempt to determine wildcard changes at all) | 
| or use the kernel's response messages to determine the installed wildcards. | 
|   | 
| When interacting with userspace, the kernel should maintain the match portion | 
| of the key exactly as originally installed. This will provides a handle to | 
| identify the flow for all future operations. However, when reporting the | 
| mask of an installed flow, the mask should include any restrictions imposed | 
| by the kernel. | 
|   | 
| The behavior when using overlapping wildcarded flows is undefined. It is the | 
| responsibility of the user space program to ensure that any incoming packet | 
| can match at most one flow, wildcarded or not. The current implementation | 
| performs best-effort detection of overlapping wildcarded flows and may reject | 
| some but not all of them. However, this behavior may change in future versions. | 
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| Unique flow identifiers | 
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| An alternative to using the original match portion of a key as the handle for | 
| flow identification is a unique flow identifier, or "UFID". UFIDs are optional | 
| for both the kernel and user space program. | 
|   | 
| User space programs that support UFID are expected to provide it during flow | 
| setup in addition to the flow, then refer to the flow using the UFID for all | 
| future operations. The kernel is not required to index flows by the original | 
| flow key if a UFID is specified. | 
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| Basic rule for evolving flow keys | 
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| Some care is needed to really maintain forward and backward | 
| compatibility for applications that follow the rules listed under | 
| "Flow key compatibility" above. | 
|   | 
| The basic rule is obvious:: | 
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|     ================================================================== | 
|     New network protocol support must only supplement existing flow | 
|     key attributes.  It must not change the meaning of already defined | 
|     flow key attributes. | 
|     ================================================================== | 
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| This rule does have less-obvious consequences so it is worth working | 
| through a few examples.  Suppose, for example, that the kernel module | 
| did not already implement VLAN parsing.  Instead, it just interpreted | 
| the 802.1Q TPID (0x8100) as the Ethertype then stopped parsing the | 
| packet.  The flow key for any packet with an 802.1Q header would look | 
| essentially like this, ignoring metadata:: | 
|   | 
|     eth(...), eth_type(0x8100) | 
|   | 
| Naively, to add VLAN support, it makes sense to add a new "vlan" flow | 
| key attribute to contain the VLAN tag, then continue to decode the | 
| encapsulated headers beyond the VLAN tag using the existing field | 
| definitions.  With this change, a TCP packet in VLAN 10 would have a | 
| flow key much like this:: | 
|   | 
|     eth(...), vlan(vid=10, pcp=0), eth_type(0x0800), ip(proto=6, ...), tcp(...) | 
|   | 
| But this change would negatively affect a userspace application that | 
| has not been updated to understand the new "vlan" flow key attribute. | 
| The application could, following the flow compatibility rules above, | 
| ignore the "vlan" attribute that it does not understand and therefore | 
| assume that the flow contained IP packets.  This is a bad assumption | 
| (the flow only contains IP packets if one parses and skips over the | 
| 802.1Q header) and it could cause the application's behavior to change | 
| across kernel versions even though it follows the compatibility rules. | 
|   | 
| The solution is to use a set of nested attributes.  This is, for | 
| example, why 802.1Q support uses nested attributes.  A TCP packet in | 
| VLAN 10 is actually expressed as:: | 
|   | 
|     eth(...), eth_type(0x8100), vlan(vid=10, pcp=0), encap(eth_type(0x0800), | 
|     ip(proto=6, ...), tcp(...))) | 
|   | 
| Notice how the "eth_type", "ip", and "tcp" flow key attributes are | 
| nested inside the "encap" attribute.  Thus, an application that does | 
| not understand the "vlan" key will not see either of those attributes | 
| and therefore will not misinterpret them.  (Also, the outer eth_type | 
| is still 0x8100, not changed to 0x0800.) | 
|   | 
| Handling malformed packets | 
| -------------------------- | 
|   | 
| Don't drop packets in the kernel for malformed protocol headers, bad | 
| checksums, etc.  This would prevent userspace from implementing a | 
| simple Ethernet switch that forwards every packet. | 
|   | 
| Instead, in such a case, include an attribute with "empty" content. | 
| It doesn't matter if the empty content could be valid protocol values, | 
| as long as those values are rarely seen in practice, because userspace | 
| can always forward all packets with those values to userspace and | 
| handle them individually. | 
|   | 
| For example, consider a packet that contains an IP header that | 
| indicates protocol 6 for TCP, but which is truncated just after the IP | 
| header, so that the TCP header is missing.  The flow key for this | 
| packet would include a tcp attribute with all-zero src and dst, like | 
| this:: | 
|   | 
|     eth(...), eth_type(0x0800), ip(proto=6, ...), tcp(src=0, dst=0) | 
|   | 
| As another example, consider a packet with an Ethernet type of 0x8100, | 
| indicating that a VLAN TCI should follow, but which is truncated just | 
| after the Ethernet type.  The flow key for this packet would include | 
| an all-zero-bits vlan and an empty encap attribute, like this:: | 
|   | 
|     eth(...), eth_type(0x8100), vlan(0), encap() | 
|   | 
| Unlike a TCP packet with source and destination ports 0, an | 
| all-zero-bits VLAN TCI is not that rare, so the CFI bit (aka | 
| VLAN_TAG_PRESENT inside the kernel) is ordinarily set in a vlan | 
| attribute expressly to allow this situation to be distinguished. | 
| Thus, the flow key in this second example unambiguously indicates a | 
| missing or malformed VLAN TCI. | 
|   | 
| Other rules | 
| ----------- | 
|   | 
| The other rules for flow keys are much less subtle: | 
|   | 
|     - Duplicate attributes are not allowed at a given nesting level. | 
|   | 
|     - Ordering of attributes is not significant. | 
|   | 
|     - When the kernel sends a given flow key to userspace, it always | 
|       composes it the same way.  This allows userspace to hash and | 
|       compare entire flow keys that it may not be able to fully | 
|       interpret. |