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  • OpenFlow通信流程解读

    1 前言

    接触了这么久的SDN，OpenFlow协议前前后后也读过好多遍，但是一直没有时间总结一下自己的一些见解。现在有时间了，就写一写自己对OpenFlow协议通信流程的一些理解。

    2 SDN中Switch和controller

    在SDN中很重要的两个实体是Switch跟Controller。Controller在网络中相当于上帝，可以知道网络中所有的消息，可以给交换机下发指令。Switch就是一个实现Controller指令的实体，只不过这个交换机跟传统的交换机不一样，他的转发规则由流表指定，而流表由控制器发送。

    2.1 switch组成与传统交换机的差异

    switch组成

    switch由一个Secure Channel和一个flow table组成，of1.3之后table变成多级流表，有256级。而of1.0中table只在table0中。

    • Secure Channel是与控制器通信的模块，switch和controller之间的连接时通过socket连接实现。
    • Flow table里面存放这数据的转发规则，是switch的交换转发模块。数据进入switch之后，在table中寻找对应的flow进行匹配，并执行相应的action，若无匹配的flow则产生packet_in（后面有讲）

    of中sw与传统交换机的差异

    • 匹配层次高达4层，可以匹配到端口，而传统交换机只是2层的设备。
    • 运行of协议，实现许多路由器的功能，比如组播。
    • 求补充！！（如果你知道，请告诉我，非常感谢！）

    OpenFlow的switch可以从以下方式获得

    • 实体of交换机，目前市场上有一些厂商已经制造出of交换机，但是普遍反映价格较贵！性能最好。
    • 在实体机上安装OVS，OVS可以使计算机变成一个OpenFlow交换机。性能相对稳定。
    • 使用Mininet模拟环境。可以搭建许多交换机，任意拓扑，搭建拓扑具体教程本博客有一篇。性能依赖虚拟机的性能。

    2.2 controller组成

    控制器有许多种，不同的语言，如python写的pox、ryu，如java写的Floodlight等等。从功能层面controller分为以下几个模块：

    • 底层通信模块：OpenFlow中目前controller与switch之间使用的是socket连接，所以控制器底层的通信是socket。
    • OpenFlow协议。socket收到的数据的处理规则需按照OpenFlow协议去处理。
    • 上层应用：根据OpenFlow协议处理后的数据，开发上层应用，比如pox中就l2_learning、l3_learning等应用。更多的应用需要用户自己去开发。

    3 OpenFlow通信流程

    以下教程环境为：Mininet+自编简单控制器+scapy封装

    3.1 建立连接

    首先启动Mininet，Mininet会自行启动一个default拓扑，你也可以自己建立你的拓扑。sw建立完成之后，会像controllerIP:controllerport发送数据。

    controller启动之后，监听指定端口，默认6633，但是好像以后的都改了，因为该端口被其他协议占用。

    3次握手之后，建立连接，这个是底层的通信，是整一套系统的基础设施。

    3.2 OFPT_HELLO

    创建socket之后，sw跟controller会彼此发送hello数据包。

    • 目的：协议协商。
    • 内容：本方支持的最高版本的协议
    • 成果：使用双方都支持的最低版本协议。
    • 成功：建立连接
    • 失败：OFPT_ERROR (TYPE:OFPT_HELLO_FAILED,CODE =0)，终止连接。

    3.3 OFPT_ERROR

    说到OFPT_ERROR,我们不妨先了解一下。

    错误类型如上所示。对应的type还会有对应的code。所以报错的格式为：

    如 TYPE:0 CODE:0为：OFPHFC_INCOMPATIBLE

    具体对应的关系，请自行查看OF协议。

    3.4 OFPT_ECHO

    • 分类：对称信息 OFPT_ECHO_REQUEST, OFPT_ECHO_REPLY
    • 作用：查询连接状态，确保通信通畅。

    当没有其他的数据包进行交换时，controller会定期循环给sw发送OFPT_ECHO_REQUEST。

    3.5 OFPT_FEATURES

    当sw跟controller完成连接之后，控制器会向交换机下发OFPT_FEATYRES_REQUEST的数据包，目的是请求交换机的信息。

    • 发送时间：连接建立完成之后
    • 发送数据：OFPT_FEATURES_REQUEST
    • 对称数据：OFPT_FEATURES_REPLY
    • 目的：获取交换机的信息

    OFPT_FEATURES_REQUEST

    • TYPE=5
    • Without data

    OFPT_FEATURES_REPLY

    • TYPE =6
    • [0:8]为header
    • [8:32]长度24byte为sw的features
    • [32:]长度与端口数成正比，存放port的信息。每一个port信息长度为48byte。

    以上的结构是交换机的features,紧跟在后面的是端口的结构：

    交换机和端口的配置信息在整一个通信过程起着至关的作用，因为所有关于的操作都需要从features里面提取相关的信息，如dpid、port_no，等在整个通信过程中多次被用到的重要数据。所以，对这两个数据结构了然于心，对于研究OpenFlow来说，至关重要。每一次交换机连到控制器，都会收到控制器的features_request,当sw将自己的features回复给控制器之后，控制器就对交换机有了一个全面的了解，从而为后面的控制提供的控制信息。

    3.6 OFPT_PACKET_IN

    在控制器获取完交换机的特性之后，交换机开始处理数据。

    对于进入交换机而没有匹配流表，不知道如何操作的数据包，交换机会将其封装在packet_in中发给controller。包含在packet_in中的数据可能是很多种类型，arp和icmp是最常见的类型。

    当然产生packet_in的原因不止一种，产生packet_in的原因主要有一下两种：

    • OFPR_NO_MATCH
    • OFPR_ACTION

    无法匹配的数据包会产生packet_in,action也可以指定将数据包发给packet_in,也就是说我们可以利用这一点，将需要的数据包发给控制器。

    packet_in事件之后，一般会触发两类事件：

    • packet_out
    • flow_mod

    如果是广播包，如arp，控制器一般会将其包装起来，封装成packet_out数据包，将其发给交换机，让其flood，flood操作是将数据包往除去in_port以外的所有端口发送数据包。

    3.7 OFPT_PACKET_OUT

    很多人不是特别了解packet_out的作用。

    • 作用：通过控制器发送交换机希望发送的数据
    • 例子：arp在广播的时候，在ofsw中不能直接将arp广播，需要上报控制器，控制器下发packet_out，指定交换机对该数据包做泛洪操作。

    PS：前一个版本此处有误：特此声明。packet_out的作用在与指导交换机做flood操作，并把ARP包广播出去，packet_out本身并不携带arp数据包。

    3.8 OFPT_FLOW_MOD

    OFPT_FLOW_MOD是整个OpenFlow协议中最重要的数据结构，没有之一。

    OFPT_FLOW_MOD由header+match+flow_mod+action[]组成。为了操作简单，以下的结构是将wildcards和match分开的形式，形成两个结构，在编程的时候能更方便一些。由于这个数据包很重要，所以，我将把这个数据包仔细拆分解读。

    OFP_HEADER

    header是所有数据包的报头，有三个参数：

    • type:类型
    • length:整个数据包的长度
    • xid：数据包的编号

    比如ofp_flow_mod的type就是14，具体的哪一种数据的类型将在文章最后给出。length最基本长度为72，每一个action长度为8。所以长度必定为8的倍数才是一个正确的数据长度。

    WILDCARDS

    这是从match域提取出来的前32bit。

    在of1.0中这里的0，1意义跟我们平时接触的如子网掩码等意义相反，如OFPFW_NW_DST_MASK=0则表示全匹配目标IP。如果为63，则表示不匹配IP。为什么拿这个举例？原因就在于，他的长度是6bit，最大是63，需要将数值转变成对应2进制数值才是我们想要的匹配规则，且注意，1是忽略，0是匹配。如果wildcards全0，则表示由match精确指定，即所有12元组都匹配。

    当然高兴的是，在1.3的时候，这个逻辑改成了正常的与逻辑。即1为使能匹配，0为默认不匹配。

    MATCH

    这个数据结构会出现在机会所有重要的数据包中，因为他存的就是控制信息。

    如有packet_in引发的下发流表，则match部分应对应填上对应的数据，这样下发的流表才是正确的。

    但是在下发的时候还需要注意许多细节，比如：

    • 并不是所有的数据包都有vlan_tag。如0x0800就是纯IP，并没有携带vlan_tag，所以填充式应根据packet_in的具体情况填充。
    • 并不是所有的数据都有四层端口，所以四层的源端口，目的端口都不是任何时候都能由packet_in去填充的。不去管就好了，默认的会填充一个默认值，匹配的时候不去匹配4层端口就没有问题。

    FLOW_MOD

    这里面的信息也是至关重要的。

    command里面的类型决定了flow_mod的操作是添加，修改还是删除等。类型如下

    例如：如果要添加一条新流，command=0。

    两个时间参数idle_timeout & idle_timeout：

    • idle_timeout:如值为10，则某条流在10秒之内没有被匹配，则删除，可以称之为活跃时间吧。
    • hard_timeout:如值为30，则30秒到达的时候，一定删除这条流，即使他还活跃，即被匹配。

    priority

    priority是流的优先级的字段，字数越大则优先级越高，存放在号数越小的table中。

    buffer_id

    由交换机指定的buffei_id，准确的说是由dpid指定的。如果是手动下发的流，buffer_id应填-1，即0xffff,告诉交换机这个数据包并没有缓存在队列中。

    out_port

    指定流的出口，但是这个出口并不是直接指导流转发的，至少我是这么觉得，指导流转发的出口会在action里面添加，这个端口是为了在flow_removed的时候查询，并返回控制器的作用。（求纠正！）

    有一些端口是很特殊的，如flood、local等。具体分类如下：

    如果你不知道端口是多少，最好填flood,也就是0xfffb。

    flags

    在上面的注释中也说得比较清楚了。如果没有特殊用处，请将他置1，因为这样能让交换机在删除一条流的时候给交换机上报flow_removed信息。

    3.9 ACTION

    action是OpenFlow里面最重要的结构。对，他也是最重要的。每一条流都必须指定必要的action,不然匹配上之后，没有指定action，交换机会默认执行drop操作。

    action有2种类型：

    • 必备行动：Forward and Drop
    • 选择行动：FLOOD、NALMAL 等

    如添加output就是一个必须要添加的action。每一个action最好有一个action_header()，然后再接一个实体。如：

    具体的action类型如下：

    action不仅仅会出现在flow_mod中，也会出现在如stats_reply中。

    3.10 OFPT_BARRIER_REQUEST && REPLY

    这个数据包可以的作用很简单，交换机在收到OFPT_BARRIER_REQUEST的时候，会回复控制器一个OFPT_BARRIER_REPLY。我们默认数据下发的顺序不会在传输中发生变化，在进入消息队列之后处理也是按照FIFO进行的，那么只要在flow_mod之后发送这个数据，当收到reply之后，交换机默认flow已经写成功。也许你会问他只是保证了flow_mod命令执行了，写入的结果如何并没有保证，如何确定确实写入流表了呢？

    • 如果非逻辑错误，那么交换机在处理flow_mod的时候会报错。所以我们会知道写入结果。
    • 如果是逻辑错误，那么会写进去，但是逻辑错误应该是人的问题，所以barrier还是有他的功能的。

    3.11 OFPT_FLOW_REMOVED

    如果flow_mod的flags填成1，则该流在失效之后会回复控制器一条OFPT_FLOW_REMOVED信息。

    • 结构：header()/wildcards()/match()/flow_removed()
    • 作用：在流失效的时候回复控制器，并携带若干统计数据。

    其实的duration_sec是流存在的时间，单位为秒，duration_nsec单位为纳秒。

    3.12 OFPT_STATS_REQUEST && REPLY

    以上的数据都是通信过程中必须的部分。还有一些数据包是为了某些目的而设计的，如OFPT_STATS_REQUEST && REPLY可以获得统计信息，我们可以利用统计信息做的事情就太多了。如：负载平衡， 流量监控等基于流量的操作。

    OFPT_STATS_REQUEST

    OFPT_STATS_REQUEST类型有很多，回复的类型也很多。

    Type

    • 0：请求交换机版本信息，制造商家等信息。
    • 1：单流请求信息
    • 2：多流请求信息
    • 3：流表请求信息
    • 4：端口信息请求
    • 5：队列请求信息
    • 6：vendor请求信息，有时候没有定义。

    OFPT_STATS_REPLY

    每一种请求信息都会对应一种回复信息。我们只介绍最重要的flow_stats_reply。

    • 结构：header(type=17)/reply_header()/flow_stats/wildcards/match/ flow_stats_data
    • 作用：携带流的统计信息，如通过的数据包个数，字节数。

    ofp_flow_stats(body[4:8])里面会有的table_id字段表明该流存放在哪一个流表里。flow_stats_data里面有packet_count和byte_count是最有价值的字段，流量统计就是由这两个字段提供的信息。如想统计某条流的速率：前后两个reply的字节数相减除以duration_time只差就可以求得速率。由速率我们可以做很多基于流量的app，如流量监控，负载均衡等等。

    值得注意的是，在这些数据之后，其实还有一些action，但是目前我还没有查看这些action到底是干什么用的。

    4 后续

    写到这里，我使用到的数据包都写了一遍，其他的报文其实道理也是一样的。如OFPT_GET_CONFIG_REQUEST和REPLY，道理应该和stats一样，只是数据结构不一样罢了。不再多说。

    最后把我们用的一些比较多的信息帖出来让大家更好的学习。
    ERROR
    在调试的过程中遇到错误是再所难免的，前面也提到了error的结构。这里就贴一下type跟code吧。
    Type

    相关的code：

    谢谢我的两个师傅richardzhao,kimi带我走进OpenFlow的世界。整篇文档均为牧紫星原创，转载请声明告知。希望能给你带来一些帮助。
     
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  • 原文地址：https://www.cnblogs.com/liuhongru/p/11179455.html
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