Ryu拓扑发现原理分析.docx

1、Ryu拓扑发现原理分析Ryu拓扑发现原理分析Ryu拓扑发现的核心模块是ryu/topology目录下的switches.py，拓扑发现的应用是同目录下的dumper.py。在dumper.py中，会利用_CONTEXTS来实例化switches.py中的Switches类，然后将拓扑发现的相关信息通过日志方式(LOG.debug)显示。启动命令如下所示：ryu-manager verbose observe-links ryu.topology.dumper 或者ryu-manager verbose observe-links ./ryu/topology/dumper.py其中verbos

2、e参数用于显示LOG.debug信息，observe-links用于指明拓扑发现。接下来对拓扑发现的核心模块switches.py进行分析。1. Port类存储端口相关信息，数据成员有：self.dpid = dpidself._ofproto = ofprotoself._config = ofpport.configself._state = ofpport.stateself.port_no = ofpport.port_noself.hw_addr = ofpport.hw_addrself.name = ofpport.name其中要特别注意的是dpid和port_no，即交换机ID

3、和端口号，这两个信息在下发流表项时很重要。2. Switch类存储交换机相关信息，数据成员有：self.dp = dpself.ports = 其中dp是Datapath类的实例，该类定义在在ryu/controller/controller.py，主要属性有：self.socket = socketself.address = addressself.is_active = Trueself.id = None # datapath_id is unknown yetself.ports = Noneports是一个由Port类实例组成的列表，存储该交换机的端口。3. Link类保存的是源端

4、口和目的端口(都是Port类实例)，数据成员有：self.src = srcself.dst = dst4. PortState类该类继承自dict，保存了从port_no(int型)到port(OFPPort类实例)的映射。该类主要用作self.port_state字典的值(键是dpid)，用于存储dpid对应的交换机的所有端口情况。OFPPort类定义在ryu/ofproto目录下对应的ofproto_v1_X_parser.py中(X代表版本号)，继承自一个namedtuple，保存有port_no等信息。5. PortData类保存每个端口与对应的LLDP报文数据，数据成员有：self

5、.is_down = is_downself.lldp_data = lldp_data(这是LLDP报文的数据)self.timestamp = Noneself.sent = 0每调用一次lldp_sent函数，便会把self.timestamp置为当前的时间(time.time()，并将self.sent加1;每调用一次lldp_received函数，便会把self.sent置为0。6.PortDataState类继承自dict类，保存从Port类到PortData类的映射。该类维护了一个类似双向循环链表的数据结构，并重写了_iter_()，使得遍历该类的实例(self.ports)时，

6、会按照该双向循环链表从哨兵节点(self._root)后一个节点开始遍历。包含一个add_port函数，传入port和lldp_data，port作键，构建的PortData类实例作为值。包含一个lldp_sent(self,port)函数，根据传入的port(Port类实例)获得对应的PortData类实例port_data，然后调用port_data.lldp_sent()(该函数会设置时间戳)，再调用self._move_last_key(port)，把该port移到类似双向循环链表的数据结构中哨兵节点的前面(相当于下次遍历的末尾);最后返回port_data。7. LinkState类

7、继承自dict，保存从Link类到时间戳的映射。数据成员self._map字典用于存储Link两端互相映射的关系。8. LLDPPacket类静态方法lldp_packet(dpid,port_no,dl_addr,ttl)用于构造LLDP报文，静态方法lldp_parse(data)用于解析LLDP包，并返回源DPID和源端口号。9. Switches类该类是Ryu拓扑发现的核心所在。Switches类是app_manager.RyuApp类的子类，当运行switches应用时会被实例化，其_init_函数主要包括：self.name = switchesself.dps = # datap

8、ath_id = Datapath classself.port_state = # datapath_id = portsself.ports = PortDataState() # Port class - PortData classself.links = LinkState() # Link class - timestampself.is_active = Trueself.dps字典用于保存dpid到Datapath类实例的映射，会在_register函数中添加新成员，_unregister函数中删除成员。遍历该字典可以得到连接的所有交换机。self.port_state字典中键

9、为dpid，值为PortState类型。遍历该字典可以得到所有交换机对应的端口情况。当交换机连接时，会检查交换机的id是否在self.port_state中，不在则创建PortState类实例，把交换机的所有端口号和端口存储到该实例中;交换机断开时，会从self.port_state中删除。self.ports是PortDataState类的实例，保存每个端口(Port类型)对应的LLDP报文数据(保存在PortData类实例中)，遍历self.ports用于发送LLDP报文。self.links是LinkState类的实例，保存所有连接(Link类型)到时间戳的映射。遍历self.links

10、的键即可得到所有交换机之间的连接情况。如果ryu-manager启动时加了observe-links参数，则下面的self.link_discovery将为真，从而执行if下面的语句：self.link_discovery = self.CONF.observe_linksif self.link_discovery:self.install_flow = self.CONF.install_lldp_flowself.explicit_drop = self.CONF.explicit_dropself.lldp_event = hub.Event()self.link_event = hu

11、b.Event()self.threads.append(hub.spawn(self.lldp_loop)self.threads.append(hub.spawn(self.link_loop)综上所述，该初始化函数_init_()主要是创建用于存储相关信息的数据结构，创建两个事件，然后调用hub.spawn创建两个新线程执行self.lldp_loop和self.link_loop两个函数。9.1 lldp_loop函数lldp_loop函数里是一个while循环，只要self.is_active为真，就一直循环执行。(close函数会把self.is_active置为False，该函数

12、在离开模块时自动被调用)。(1)执行self.lldp_event.clear()，将Event类实例lldp_event的_cond属性设为False，用于线程间同步。提到线程同步，常用的函数有：Event.wait()Event对象的wait的方法只有内部信号为真的时候才会很快的执行并完成返回。当Event对象的内部信号标识为假时，则wait方法一直等待其为真时才返回。同时可以对wait设置timeout，当达到timeout设置的时间的时候就可以完成返回或执行。Event.set()将标识位设为TureEvent.clear()将标识伴设为False。Event.isSet()判断标识位

13、是否为Ture。(2)创建ports_now和ports两个列表，分别存储尚未发送过LLDP报文的端口和已发送过LLDP报文并且超时的端口。(3)遍历self.ports(PortDataState类的实例)，获得key(Port类实例)和data(PortData类实例)，如果data.timestamp为None(该端口还没发送过LLDP报文)，则将key(端口)加入ports_now列表;否则，计算下次应该发送LLDP报文的时间expire，如果已经超时，则放到ports列表，否则就是还没到发送时间，停止遍历(发送LLDP报文时是按序发的，找到第一个未超时的端口，后面的端口肯定更没有超时

14、，因为后面端口上次发送LLDP是在前一端口之后，前一个都没超时后面的自然也没超时)。(4)遍历ports_now列表，对每个端口调用self.send_lldp_packet(port)，发送LLDP报文。send_lldp_packet函数执行过程如下：a. 调用PortDataState类的lldp_sent函数，该函数会设置时间戳，移动相应端口在双向循环链表中的位置，最后返回PortData类实例port_data;b. 如果该端口已经down掉，直接返回，否则执行下一步;c. 根据port.dpid得到对应的Datapath类实例dp，如果不存在，则直接返回，否则执行下一步;d. 发送

15、LLDP报文。具体地：(1)生成actions：从port.port_no端口发出消息;(2)生成PacketOut消息：datapath指定为上一步得到的dp，actions为前面的，data为步骤a中返回的port_data的lldp_data;(5)遍历ports列表，对每个端口调用self.send_lldp_packet(port)，发送LLDP报文。9.2 link_loop函数link_loop函数也是一个while循环，只要self.is_active为真，就一直循环执行;(1)执行self.link_event.clear()，将Event类实例link_event的_con

16、d属性设为False，用于线程间同步;(2)创建deleted列表;(3)遍历self.links(LinkState类实例)，获得link(Link类实例)和timestamp时间戳。如果已经超时，且该link对应的源端口是否在self.ports中，并且发送LLDP次数已超过self.LINK_LLDP_DROP，则添加到deleted列表中;(4)遍历deleted列表，执行：a. 对其中的每条需要删除的link调用link_down函数(该函数会删除self.links中link对应的项目，并删除self.links._map中link对应的项目)，并触发EventLinkDelete

17、事件。b. 得到link对应的反向link，如果反向link不在deleted列表中，则将self.links中反向link的时间戳置为超时的事件，并将对端端口从self.ports的双向循环链表中移动到哨兵节点的后面(下次检查的开头)，以便尽早检查反向link是否也断开了。9.3 state_change_handler该函数用于处理EventOFPStateChange事件，当交换机连接或者断开时会触发该事件。如果状态是MAIN_DISPATCHER：(1)从ev.datapath获得Datapath类实例dp，如果该dp的dpid已经在self.dps里有，则报出重复链接的警告。(2)调

18、用_register()，将dp.id和dp添加到self.dps中;如果该dp.id不在self.port_state中，则创建该dp.id对应的PortState实例，并遍历dp.ports.values，将所有port(OFPPort类型)添加到该PortState实例中。(3)调用_get_switch()，如果dp.id在self.dps中，则创建一个Switch类实例，并把self.port_state中对应的端口都添加到该实例中，最终返回该实例。(4)如果交换机没有重复连接，触发EventSwitchEnter事件。(5)如果没设置self.link_discovery，返回;否

19、则执行下一步。(6)如果设置了self.install_flow，则根据OpenFlow版本生成相应流表项，使得收到的LLDP报文(根据目的MAC地址匹配)上报给控制器。(7)如果交换机没有重复连接，则遍历(3)中得到的switch.ports的所有端口，如果端口port不是被保留的，则调用self._port_added(port)，该函数会调用LLDPPacket.lldp_packet()函数生成LLDP报文数据lldp_data(用于和“port.is_down()”一起构造PortData类实例)，然后调用PortDataState类的add_port(port,lldp_data)

20、。add_port()函数会检查port是否在self.ports中，不在则将该port添加到双向循环链表中哨兵节点的后面(下次检查的开头)，并把port和对应的PortData类实例(该端口对应的LLDP报文数据)添加到self.ports中。(8)调用self.lldp_event.set()如果状态是DEAD_DISPATCHER：(1)如果dp.id为None，即握手之前交换机就断开连接了，则直接返回;否则执行下一步。(2)调用_get_switch()获得Switch实例;(3)调用_unregister()，从self.dps和self.port_state中删除该dpid对应的数

21、据;(4)触发EventSwitchLeave事件。(5)如果没有设置link_discovery，返回;否则执行下一步。(6)遍历switch.ports中的每个端口port，如果不是保留端口，则调用PortDataState类的del_port()，将self.ports中port对应的数据删除;调用Switches类的_link_down()。_link_down函数执行如下操作：a. 调用LinkState类的port_deleted函数。在port_deleted函数里，首先调用get_peer()获得对端端口，然后生成两个Link对象(src-dst和dst-src)，并将这两个对

22、象从self.links中删除(反向Link可能不存在);删除src-dst和dst-src之间的映射(存储在_map字典中)。最后返回传入的port对应的对端port和传入的port本身。b. 根据返回的“传入的port对应的对端port和传入的port本身”，创建Link对象，触发EventLinkDelete事件(如果反向连接也存在，会触发两次EventLinkDelete事件)。c. 调用self.ports.move_front(dst)，该函数会从self.ports中得到dst对应的PortData类实例port_data，如果port_data不为None，则调用clear_t

23、imestamp函数将其timestamp属性置为None，并将dst移动到双向循环链表中哨兵节点的后面(下次检查的开头)。(7)调用self.lldp_event.set()。9.4 port_status_handler该函数用于处理EventOFPPortStatus事件，该事件是交换机主动发给控制器的。如果原因为“添加”：(1)在self.port_state里dp.id对应的PortState实例中添加该端口，并触发EventPortAdd事件。(2)如果没有设置self.link_discovery，则返回;否则执行下一步。(3)调用_get_port函数，该函数首先根据传入的dp

24、id得到Switch实例，然后遍历实例的ports列表，找到并返回传入的端口号对应的端口(Port类实例)。如果找到了端口并且端口不是保留的，则调用_port_added()，该函数会获得LLDP相关的数据部分(用于构造PortData类实例)，然后调用PortDataState类的add_port()，该函数会将Port和对应的PortData映射关系存储到self.ports中;调用self.lldp_event.set()。如果原因为“删除”：(1)在self.port_state里该dpid对应的PortState实例中删除该端口，并触发EventPortDelete事件。(2)如果没

25、有设置self.link_discovery，则返回;否则执行下一步。(3)调用_get_port函数，该函数首先根据传入的dpid得到Switch实例，然后遍历实例的ports列表，找到并返回传入的端口号对应的端口(Port类实例)。如果找到了端口并且端口不是保留的，则:a. 调用del_port()，将该端口及对应的PortData从self.ports删除;b. 调用_link_down()，该函数会调用LinkState类的port_deleted函数，并返回传入的port对应的对端port和传入的port本身。在port_deleted函数里，首先调用get_peer()获得对端端口

26、，然后生成两个Link对象(src-dst和dst-src)，并将这两个对象从self.links中删除(反向Link可能不存在);删除src-dst和dst-src之间的映射(存储在_map字典中)。根据返回的“传入的port对应的对端port和传入的port本身”，创建Link对象，触发EventLinkDelete事件(如果反向连接也存在，会触发两次EventLinkDelete事件)。调用self.ports.move_front();c. 调用self.lldp_event.set()。如果原因为“修改”：(1)修改self.port_state里该dpid对应的PortState实

27、例值，并触发EventPortModify事件。(2)如果没有设置self.link_discovery，则返回;否则执行下一步。(3)调用_get_port函数，该函数首先根据传入的dpid得到Switch实例，然后遍历实例的ports列表，找到并返回传入的端口号对应的端口(Port类实例)。如果找到了端口并且端口不是保留的：a. 调用PortDataState类的set_down()，该函数会调用Port类的is_down()，检测端口是否已关闭;获得Port对应的PortData实例，调用PortData的set_down函数，将对应的is_down修改为当前状态(布尔值);调用Port

28、Data的clear_timestamp()，将对应的timestamp修改为None。如果检测端口没有关闭，调用_move_front_key()。set_down函数返回是否已关闭的检测结果。如果检测结果是已关闭，则调用_link_down()。b. 调用self.lldp_event.set()。9.5 packet_in_handler该函数用于处理EventOFPPacketIn事件。(1)如果没有设置self.link_discovery，直接返回;否则执行下一步。(2)尝试调用LLDPPacket.lldp_parse(msg.data)来按照LLDP报文格式解码收到的报文，获得

29、源交换机dpid和源端口号(该LLDP报文从哪台交换机的哪个端口发出的)。如果不是LLDP报文格式，返回;否则执行下一步。(3)获得目的交换机的dpid和目的端口(上报Packet_In消息的交换机dpid和接收到LLDP报文的端口号)。(4)调用_get_port函数，得到源端口对应的Port类实例。如果不存在或者该实例的dpid跟目的dpid相同，则直接返回;否则执行下一步。(5)调用PortDataState类的lldp_received函数，该函数会再调用PortData类的lldp_received函数，将对应的self.sent值置为0。(6)调用_get_port函数，得到目的端

30、口对应的Port类实例。如果不存在该实例，则返回;否则执行下一步。(7)调用LinkState类的get_peer函数，得到源端口原先对应的目的端口。如果该目的端口存在，且与现在解析得到的目的端口不同，则说明原先的链路已断开，触发EventLinkDelete事件。(8)根据源端口和目的端口构造Link类实例，如果该实例不存在于self.links，则说明是新链路，触发EventLinkAdd事件。(9)调用LinkState类的update_link函数，该函数会将上一步构造的Link类实例加上时间戳存储到self.links中，并构造逆向链路，返回逆向链路是否在self.links中的布尔

31、值。如果逆向链路还不存在，那很有可能会马上存在，因此调用PortDataState类的move_front函数，将目的端口移动到双向循环链表中哨兵节点的后面(下次检查的头部)，尽早检查;调用self.lldp_event.set()。(10)如果设置了self.explicit_drop，则调用_drop_packet函数。10. 拓扑发现概述Switches类的初始化函数_init_()创建用于存储相关信息的数据结构(self.dps、self.port_state、self.ports和self.links)，创建两个事件(self.lldp_event 和self.link_event)

32、，然后调用hub.spawn创建两个新线程执行self.lldp_loop和self.link_loop两个函数。其他工作就交给事件触发和事件处理函数了。交换机连接时触发EventOFPStateChange事件，在对应的处理函数state_change_handler中会把连接上的交换机存储到self.dps中，并把交换机的端口情况存储到self.port_state中，并生成相应的LLDP报文数据，存储在self.ports中(键为Port类型，值为PortData类型，PortData类的数据成员lldp_data存储LLDP报文数据)。lldp_loop函数会不停遍历self.ports，并在需要的时候由send_lldp_packet函数执行发送LLDP