一、switching hub by openflow：
用Ryu实现一个有如下功能的switching hub。
• Learns the MAC address of the host connected to a port and retains it in the MAC address table.
• When receiving packets addressed to a host already learned, transfers them to the port connected to the host.
• When receiving packets addressed to an unknown host, performs flooding.
openflow交换机能够通过接收openflow控制器的的指令完成以下功能：
• Rewrites the address of received packets or transfers the packets from the specified port.
• Transfers the received packets to the controller (Packet-In).
• Transfers the packets forwarded by the controller from the specified port (Packet-Out).
以上几个功能结合起来，可以实现上面的switching hub。
总体代码：
from ryu.base import app_manager from ryu.controller import ofp_event from ryu.controller.handler import CONFIG_DISPATCHER, MAIN_DISPATCHER from ryu.controller.handler import set_ev_cls from ryu.ofproto import ofproto_v1_3 from ryu.lib.packet import packet from ryu.lib.packet import ethernet class ExampleSwitch13(app_manager.RyuApp): #继承ryu.base.app_manager.RyuApp OFP_VERSIONS = [ofproto_v1_3.OFP_VERSION] #指定openflow版本 def __init__(self, *args, **kwargs): super(ExampleSwitch13, self).__init__(*args, **kwargs) self.mac_to_port = {} # initialize mac address table. a dict(or map) #set_ev_cls装饰器以 事件类型 和 交换机状态 为参数 @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPSwitchFeatures, CONFIG_DISPATCHER) def switch_features_handler(self, ev): datapath = ev.msg.datapath #描述一个交换机 ofproto = datapath.ofproto #用于导出协商好版本的openflow定义的模块 parser = datapath.ofproto_parser #用于导出协商好版本的openflow编码器和解码器的模块 # install the table-miss flow entry. match = parser.OFPMatch() #ofproto_parser.OFPxxxx准备将要发送给交换机的消息 # OFPActionOutput(port,max_len)定义一个action，将数据包输出到指定port actions = [parser.OFPActionOutput(ofproto.OFPP_CONTROLLER, #输出端口指定为控制器端口 ofproto.OFPCML_NO_BUFFER)] #在ovs上不缓存packet，将收到的整个packet发送至controller self.add_flow(datapath, 0, match, actions) #添加Table-miss流表项 def add_flow(self, datapath, priority, match, actions): ofproto = datapath.ofproto parser = datapath.ofproto_parser # construct flow_mod message and send it. inst = [parser.OFPInstructionActions(ofproto.OFPIT_APPLY_ACTIONS,actions)] #instruction type = APPLY_ACTIONS,立即执行actions list mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, priority=priority, match=match, instructions=inst) datapath.send_msg(mod) @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPPacketIn, MAIN_DISPATCHER) def _packet_in_handler(self, ev): msg = ev.msg datapath = msg.datapath #交换机 ofproto = datapath.ofproto parser = datapath.ofproto_parser # get Datapath ID to identify OpenFlow switches. dpid = datapath.id #dpip区分交换机 self.mac_to_port.setdefault(dpid, {}) #设置该交换机的MAC地址表 # analyse the received packets using the packet library. pkt = packet.Packet(msg.data) # packet.Packet A packet decoder/encoder class. eth_pkt = pkt.get_protocol(ethernet.ethernet) #获得以太网的协议(头) dst = eth_pkt.dst src = eth_pkt.src # get the received port number from packet_in message. in_port = msg.match['in_port'] self.logger.info("packet in %s %s %s %s", dpid, src, dst, in_port) # learn a mac address to avoid FLOOD next time. self.mac_to_port[dpid][src] = in_port # if the destination mac address is already learned, # decide which port to output the packet, otherwise FLOOD. if dst in self.mac_to_port[dpid]: out_port = self.mac_to_port[dpid][dst] else: out_port = ofproto.OFPP_FLOOD #将输出端口指定为洪泛 # construct action list. actions = [parser.OFPActionOutput(out_port)] # install a flow to avoid packet_in next time. if out_port != ofproto.OFPP_FLOOD: #端口已学习，下发流表项 match = parser.OFPMatch(in_port=in_port, eth_dst=dst) self.add_flow(datapath, 1, match, actions) # construct packet_out message and send it. out = parser.OFPPacketOut(datapath=datapath, buffer_id=ofproto.OFP_NO_BUFFER, in_port=in_port, actions=actions, data=msg.data) datapath.send_msg(out) #send packetout
首先，控制器接收交换机发送的packet-in包学习MAC地址。则交换机分析接收到的数据包中的发送方和接收方主机的MAC地址以及接收到消息的端口信息，在自己的流表中进行匹配，若失配，则将这些信息通过packet-in传给控制器；若成功匹配，则根据流表项将数据包传到指定的端口，而控制器不介入。
当接收的数据包在交换机上失配，控制器通过packet-in进行学习，之后将接收到数据包进行传输：
1、若目的主机地址控制器已经学习到，则使用packet-out包向交换机下发流表项，交换机根据本该流表项从指定端口传出数据包。
2、若目的主机地址控制器未曾学习到，则使用packet-out包向交换机下发洪泛指令(flooding)，交换机将数据包从除源端口外的所有端口传出。
二、使用Ryu实现：
1、控制器类定义和初始化：
为了实现Ryu应用，
1）需要继承ryu.base.app_manager.RyuApp类，
2）通过OFP_VERSION指定Openflow的版本，
3）定义MAC地址表mac_to_port
class ExampleSwitch13(app_manager.RyuApp):
OFP_VERSIONS = [ofproto_v1_3.OFP_VERSION]
def __init__(self, *args, **kwargs):
super(ExampleSwitch13, self).__init__(*args, **kwargs)
# initialize mac address table.
self.mac_to_port = {}
# ...
2、事件处理(event handler)
使用Ryu控制器，当接收到Openflow消息时，产生一个与消息一致的事件。Ryu应用需要实现一个和应用期望收到信息相一致的event handler。
event handler是一个以事件对象为参数且使用ryu.controller.handler.set_ev_cls装饰器装饰的函数。set_ev_cls装饰器使用事件类型(event class)和Openflow交换机状态为参数。
事件类型以ryu.controller.ofp_event.EventOFP + <OpenFlow message name>命名。例：Packet-in message的事件类型为ofp_event.EventOFPPacketIn。
交换机状态(state)：
2.1 添加Table-miss Flow Entry
在控制器和交换机handshake之后，在流表中添加Table-miss Flow Entry以准备接收Packet-in消息。具体来说，是在接收到Switch Feature(Feature Reply) message后添加。
@set_ev_cls(ofp_event.EventOFPSwitchFeatures, CONFIG_DISPATCHER)
def switch_features_handler(self, ev):
datapath = ev.msg.datapath
ofproto = datapath.ofproto
parser = datapath.ofproto_parser
# ...
在ev.msg中存放着与事件一致的Openflow message的实例，此处message为ryu.ofproto.ofproto_v1_3_parser.OFPSwitchFeatures。
在msg.datapath中存放着与发出message的交换机一致的ryu.controller.controller.Datapath类的实例，这个类用于描述Openflow交换机。Datapath类承担着非常重要的任务：与交换机通信和保证event和message一致。datapath中常用的属性有：
Datapath类中被Ryu应用用到的主要的方法是：send_msg(msg)，用于发送Openflow message。其中msg是ryu.ofproto.ofproto_parser.MsgBase类的子类，与要发送的Openflow message一致。
Switching hub不会使用Switch Feature message本身，而是通过处理这个event得到一个添加Table-miss flow Entry的时机。
def switch_features_handler(self, ev):
# ...
# install the table-miss flow entry.
match = parser.OFPMatch()
actions = [parser.OFPActionOutput(ofproto.OFPP_CONTROLLER,
ofproto.OFPCML_NO_BUFFER)]
self.add_flow(datapath, 0, match, actions)
Table-miss flow entry拥有最低的优先级(0)，这个表项能够匹配上所有数据包，该表项的指令将output action指定为输出到控制器的端口，发出Packet-in消息。
首先，一个空匹配用来匹配所有数据包，OFPMatch类用作匹配。
然后，一个OUTPUT action类的实例OFPActionOutput生成并传输到控制器端口，控制器为output的目的地并且OFPCML_NO_BUFFER被设置为max_len(设置交换机的缓存)，用于接收所有数据包。
最后，通过add_flow()方法发送Flow Mod message，将Table-miss Flow Entry下发至交换机流表中。
2.2 Packet-in Message：
创建一个packet_in_handler用于接受收到的目的未知的数据包。
@set_ev_cls(ofp_event.EventOFPPacketIn, MAIN_DISPATCHER)
def _packet_in_handler(self, ev):
msg = ev.msg
datapath = msg.datapath
ofproto = datapath.ofproto
parser = datapath.ofproto_parser
# ...
ev.msg是event对应的message，此处为ryu.ofproto.ofproto_v1_3_parser.OFPPacketIn，其中常用属性有：
2.3 更新MAC地址表：
def _packet_in_handler(self, ev):
# ...
# get the received port number from packet_in message.
in_port = msg.match['in_port']
self.logger.info("packet in %s %s %s %s", dpid, src, dst, in_port)
# learn a mac address to avoid FLOOD next time.
self.mac_to_port[dpid][src] = in_port
# ...
使用OFPPacketIn中match方法获得in_port。目的MAC和源MAC通过Ryu’s packet library在接收到的数据包的以太网头部中获取。
为支持控制器与多个交换机连接，datapath ID用于区分不同的交换机。
2.4判断传输的目的端口：
当目的MAC地址存在于MAC地址表中时，目的MAC地址对应的端口号也在表中可以得到。如果目的MAC未知，OUTPUT action类的实例指定洪泛(OFPP_FLOOD)，并产生目的端口。
def _packet_in_handler(self, ev):
# ...
# if the destination mac address is already learned,
# decide which port to output the packet, otherwise FLOOD.
if dst in self.mac_to_port[dpid]:
out_port = self.mac_to_port[dpid][dst]
else:
out_port = ofproto.OFPP_FLOOD
# construct action list.
actions = [parser.OFPActionOutput(out_port)]
# install a flow to avoid packet_in next time.
if out_port != ofproto.OFPP_FLOOD:
match = parser.OFPMatch(in_port=in_port, eth_dst=dst)
self.add_flow(datapath, 1, match, actions)
# ...
如果目的地址已经被学习到，那么需要向交换机下发一条流表项，设置好匹配规则(match)、优先级和action，再调用add_flow()方法。这次优先级设为1，这条表项将在Table-miss flow entry之前进行参与匹配。
通过Openflow，让数据包都传输到指定端口，这样使Openflow switch表现得像一个switching hub(switching hub给我的感觉就是一个传统交换机)。
2.5添加流表项(add_flow)：
def add_flow(self, datapath, priority, match, actions):
ofproto = datapath.ofproto
parser = datapath.ofproto_parser
# construct flow_mod message and send it.
inst = [parser.OFPInstructionActions(ofproto.OFPIT_APPLY_ACTIONS,actions)]
# ...
对于要添加的表项，设置match用于指明目标数据包的条件(target packet conditions)、instruction用于指明在目标数据包上的操作、表项优先级和有效时间。
在上面代码中的APPLY_ACTIONS用于指明设置的action立即被使用。
最后发出Flow Mod message添加表项到流表。
def add_flow(self, datapath, priority, match, actions):
# ...
mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, priority=priority,
match=match, instructions=inst)
datapath.send_msg(mod)
Flow Mod message对应着OFPFlowMod类。将OFPFlowMod实例化并使用Datapath.send_msg()方法发送到Openflow交换机。
OFPFlowMod的构造器有很多参数，通常很多都有默认值：
1）datapath：Datapath的实例，通常从event对应的msg中获得。
2）cookie (0)：由控制器设置的可选参数，在更新或删除流表项是用作过滤。
3）cookie_mask (0)：在更新或删除流表项时，当该参数值非0时，用流表项的cookie值来过滤对目标表项的操作。
4）table_id (0)：用于指定操作的目标流表。
5）command (ofproto_v1_3.OFPFC_ADD)：用于指明进行什么操作：
6）idle_timeout (0)：指明表项的有效期，单位为秒，如果表项一直未被引用，当idle_timeout时间用完，该表项将被删除，当表项被引用时，该参数值重置。
7）hard_timeout (0)：指明表项的有效期，单位为秒，但是当表项被使用时参数值不会重置，时间用完则删除表项。
8）priority (0)：优先级。
9）buffer_id (ofproto_v1_3.OFP_NO_BUFFER)：指明数据包缓存到交换机哪个buffer。
10）out_port (0)：当command为OFPFC_DELETE或OFPFC_DELETE_STRICT时，输出端口将对目标表项进行过滤，若command为其它，则忽略该参数。将值设为OFPP_ANY，输出端口不进行过滤。
11）out_group (0)：功能与out_port相似，将值设为OFPG_ANY，输出端口不进行过滤。
12）flags (0)：下列flag可组合使用。
13）match (none)：指定match。
14）instructions ([])：指定指令列表。
2.6 数据包传输：
Packet-In handler最后一个步骤是数据包传输。
无论是否在MAC地址表中找到目的地址，最后都要发出Packet-out message并且交换机将传输收到的数据包。
def _packet_in_handler(self, ev):
# ...
# construct packet_out message and send it.
out = parser.OFPPacketOut(datapath=datapath,buffer_id=ofproto.OFP_NO_BUFFER,
in_port=in_port, actions=actions,data=msg.data)
datapath.send_msg(out)
Packet-out message对应OFPPacketOut类，其构造器的参数有：datapath、buffer_id、in_port、actions、data。
in_port：指定接收数据包的端口。
data：数据包的二进制数据，当buffer指定为OFP_NO_BUFFER时使用，当交换机上使用buffer时，可以忽略该参数。