Openflow协议通信流程解读.docx
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Openflow协议通信流程解读
Openflow协议通信流程解读
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。
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。
switch组成与传统交换机的差异
switch组成
switch由一个SecureChannel和一个flowtable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。
SecureChannel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。
Flowtable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。
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。
Openflow通信流程
以下教程环境为:
mininet+自编简单控制器
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。
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。
OFPT_ERROR
说到OFPT_ERROR,我们不妨先了解一下。
ofp_error_type={0:
"OFPET_HELLO_FAILED",
1:
"OFPET_BAD_REQUEST",
2:
"OFPET_BAD_ACTION",
3:
"OFPET_FLOW_MOD_FAILED",
4:
"OFPET_PORT_MOD_FAILED",
5:
"OFPET_QUEUE_OP_FAILED"}
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:
OFPT_ERROR
TYPE:
CODE:
[PAYLOAD]具体的错误信息。
如TYPE:
0CODE:
0为:
*OFPHFC_INCOMPATIBLE*
具体对应的关系,请自行查看OF协议。
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。
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
Withoutdata
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。
classofp_features_reply(Packet):
name="OpenFlowSwitchFeaturesReply"
fields_desc=[BitFieldLenField('datapath_id',None,64,length_of='varfield'),
BitFieldLenField('n_buffers',None,32,length_of='varfield'),
XByteField("n_tables",0),
X3BytesField("pad",0),
#features
BitField("NOTDEFINED",0,24),
BitField("OFPC_ARP_MATCH_IP",0,1),#1<<7MatchIPaddressinARPpackets
BitField("OFPC_QUEUE_STATS",0,1),#1<<6Queuestatistics
BitField("OFPC_IP_STREAM",0,1),#1<<5CanreassembleIPfragments
BitField("OFPC_RESERVED",0,1),#1<<4Reserved,mustbezero
BitField("OFPC_STP",0,1),#1<<3802.1dspanningtree
BitField("OFPC_PORT_STATS",0,1),#1<<2Portstatistics
BitField("OFPC_TABLE_STATS",0,1),#1<<1Tablestatistics
BitField("OFPC_FLOW_STATS",0,1),#1<<0Flowstatistics
BitFieldLenField('actions',None,32,length_of='varfield'),
]
bind_layers(ofp_header,ofp_features_reply,type=6)
以上的结构是交换机的features,紧跟在后面的是端口的结构:
classofp_phy_port(Packet):
name="OpenFlowPort"
fields_desc=[ShortEnumField("port_no",0,ofp_port),
MACField("hw_addr","00:
00:
00:
00:
00:
00"),
StrFixedLenField("port_name",None,length=16),
BitField("not_defined",0,25),
BitField("OFPPC_NO_PACKET_IN",0,1),
BitField("OFPPC_NO_FWD",0,1),
BitField("OFPPC_NO_FLOOD",0,1),
BitField("OFPPC_NO_RECV_STP",0,1),
BitField("OFPPC_NO_RECV",0,1),
BitField("OFPPC_NO_STP",0,1),
BitField("OFPPC_PORT_DOWN",0,1),
#uint32_tforstate
BitField("else",0,31),
BitField("OFPPS_LINK_DOWN",0,1),
#uint32_tforCurrentfeatures
BitField("not_defined",0,20),
BitField("OFPPF_PAUSE_ASYM",0,1),
BitField("OFPPF_PAUSE",0,1),
BitField("OFPPF_AUTONEG",0,1),
BitField("OFPPF_FIBER",0,1),
BitField("OFPPF_COPPER",0,1),
BitField("OFPPF_10GB_FD",0,1),
BitField("OFPPF_1GB_FD",0,1),
BitField("OFPPF_1GB_HD",0,1),
BitField("OFPPF_100MB_FD",0,1),
BitField("OFPPF_100MB_HD",0,1),
BitField("OFPPF_10MB_FD",0,1),
BitField("OFPPF_10MB_HD",0,1),
#uint32_tforfeaturesbeingadvisedbytheport
BitField("advertised",0,32),
#uint32_tforfeaturessupportedbytheport
BitField("supported",0,32),
#uint32_tforfeaturesadvertisedbypeer
BitField("peer",0,32)]
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。
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。
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,而是,将其封装在packet_out里面,交换机泛洪的是packet_out。
我个人观点,这个数据包,是一个兼容性之的数据包,为了实现信令,不得不处理arp,但是arp又不能直接处理,所以将其封装在packet_out,从而能够在of的sw中传播,从而在openflow里实现arp等IP网的功能。
OFPT_FLOW_MOD
OFPT_FLOW_MOD是整一个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。
flow_mod=of.ofp_header(type=14,length=72)/of.ofp_flow_wildcards(OFPFW_NW_TOS=1,
OFPFW_DL_VLAN_PCP=1,
OFPFW_NW_DST_MASK=0,
OFPFW_NW_SRC_MASK=0,
OFPFW_TP_DST=1,
OFPFW_TP_SRC=1,
OFPFW_NW_PROTO=1,
OFPFW_DL_TYPE=1,
OFPFW_DL_VLAN=1,
OFPFW_IN_PORT=1,
OFPFW_DL_DST=1,
OFPFW_DL_SRC=1)\
/of.ofp_match(in_port=msg.payload.payload.payload.in_port,
dl_src=pkt_parsed.src,
dl_dst=pkt_parsed.dst,
dl_type=pkt_parsed.type,
dl_vlan=pkt_parsed.payload.vlan,
nw_tos=pkt_parsed.payload.tos,
nw_proto=pkt_parsed.payload.proto,
nw_src=pkt_parsed.payload.src,
nw_dst=pkt_parsed.payload.dst,
tp_src=0,
tp_dst=0)\
/of.ofp_flow_mod(cookie=0,
command=0,
idle_timeout=10,
hard_timeout=30,
out_port=msg.payload.payload.payload.payload.port,
buffer_id=buffer_id,
flags=1)
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几乎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0×0800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。
classofp_flow_mod(Packet):
name="OpenFlowFlowModify"
fields_desc=[BitField("cookie",0,64),#Opaquecontroller-issuedidentifier
ShortEnumField("command",0,ofp_flow_mod_command),
ShortField("idle_timeout",60),
ShortField("hard_timeout",0),
ShortField("priority",0),
IntField("buffer_id",0),
ShortField("out_port",0),
#flagsareimportant,the1<<0bitisOFPFF_SEND_FLOW_REM,sendOFPT_FLOW_REMOVED
#1<<1bitisOFPFF_CHECK_OVERLAP,checkingiftheentries'fieldoverlaps(amongsamepriority)
#1<<2bitisOFPFF_EMERG,usedonlyswitchdisconnectedwithcontroller)
ShortField("flags",0)]
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
ofp_flow_mod_command={0:
"OFPFC_ADD",#Newflow
1:
"OFPFC_MODIFY",#Modifyallmatchingflows
2:
"OFPFC_MODIFY_STRICT",#Modifyentrystrictlymatchingwildcards
3:
"OFPFC_DELETE",#Deleteallmatchingflows
4:
"OFPFC_DELETE_STRICT"}#Strictlymatchwildcardsandpriority
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:
ofp_port={0xff00:
"OFPP_MAX",
0xfff8:
"OFPP_IN_PORT",
0xfff9:
"OFPP_TABLE",
0xfffa:
"OFPP_NORMAL",
0xfffb:
"OFPP_FLOOD",
0xfffc:
"OFPP_ALL",
0xfffd:
"OFPP_CONTROLLER",
0xfffe:
"OFPP_LOCAL",
0xffff:
"OFPP_NONE"}
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。
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:
ForwardandDrop
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:
ofp_action_header(type=0)/ofp_action_output(type=0,port=oxfffb,len=8)
具体的action类型如下:
ofp_action_type={0:
"OFPAT_OUTPUT",
1:
"OFPAT_SET_VLAN_VID",
2:
"OFPAT_SET_VLAN_PCP",
3:
"OFPAT_STRIP_VLAN",
4:
"OFPAT_SET_DL_SRC",
5:
"OFPAT_SET_DL_DST",
6:
"OFPAT_SET_NW_SRC",
7:
"OFPAT_SET_NW_DST",
8:
"OFPAT_SET_NW_TOS",
9:
"OFPAT_SET_TP_SRC",
10:
"OFPAT_SET_TP_DST",
11:
"OFPAT_ENQUEUE"
}
action不仅仅会出现在flow_mod中,也会出现在如stats_reply中。
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