SDN学习之实现环路通信

在对OpenFlow协议有了一定了解以后,开始尝试如何通过Ryu控制器实现网络中的通信。根据协议,我们知道,当数据信息首次传输到交换机时,由于交换机不存在该数据信息所对应的流表,因此,会触发PacketIn消息,即交换机会将数据信息打包后,通过相应的交换机-控制器的专用通道将数据信息描述之后,传输给控制器,控制器在对数据包进行解析之后,根据相应的逻辑(基于底层网络协议),给交换机添加相应的流表,在这之后,数据包会根据新添加的流表传输给下一个交换机或者目的地址。

下面给出相应的交互流程:

从图中可以看到,左边的PC,假设为h1,右边为h2。首先,下方的控制器与交换机进行了hello以及switch_features两个事件消息的交换,这是交换机与控制器在初始阶段就要做的,与当前是否有数据通过交换机不相关,通过这两个消息事件的处理,控制器能知道交换机的特征信息,这是OpenFlow协议内的部分内容,基础的交互顺序在我之前写的OpenFlow协议中有提到过。然后呢,当数据从h1发往h2的时候,在通信的初始阶段,由于交换机中并没有添加相应的流表以及对应的主机h2的地址,因此,交换机这个时候并不知道该数据要发往哪里,这个时候,就会触发Packet_in消息,这个消息只在相应的数据包到达某台交换机时触发的。然后控制器通过过数据的解析,得出该数据包要发往的方向,给交换机添加相应的流表,出发add_flow事件,这个时候,数据包就可以通过添加的流表,走向h2了。

在知道具体的通信原理之后,就可以撰写代码实现,无环路下的主机之间的通信了,这里,最具有代表性的就是ryu自带的app中的simple_switch_13.py文件了,以下是该文件的代码:

  1 from ryu.base import app_manager   #继承ryu.base.app_manager
  2 from ryu.controller import ofp_event  #继承ryu.controller.ofp_event
  3 from ryu.controller.handler import CONFIG_DISPATCHER, MAIN_DISPATCHER  #继承ryu.controller.handler.CONFIG_DISPATCHER, MAIN_DISPATCHER
  4 from ryu.controller.handler import set_ev_cls   #继承ryu.controller.handler.set_ev_cls
  5 from ryu.ofproto import ofproto_v1_3    #继承ryu.ofproto.ofproto_v1_3
  6 from ryu.lib.packet import packet    #继承ryu.lib.packet.packet
  7 from ryu.lib.packet import ethernet   #继承ryu.lib.packet.ethernet
  8 from ryu.lib.packet import ether_types  #继承ryu.lib.packet.ether_types+63652020
  9 
 10 class SimpleSwitch13(app_manager.RyuApp):
 11     OFP_VERSIONS = [ofproto_v1_3.OFP_VERSION]   #用于指定OpenFlow的版本,这里指定OpenFlow的版本为1.3版
 12                                                 #定义版本以后,mac_to_port也已经被指定
 13     #初始化环境变量
 14     def __init__(self, *args, **kwargs):
 15         super(SimpleSwitch13, self).__init__(*args, **kwargs)
 16         self.mac_to_port = {}
 17     
 18     #Event Handler是一个拥有事件物件(Event Object)作为参数
 19     #并使用"ryu.controller.handler.set_ev_cls"来修饰decorator函数
 20     #set_ev_cls用于指定事件类别得以接受讯息和交换机状态作为参数
 21     #时间类别命名名称的规则为ryu.controller.ofp_event.EventOFP + <OpenFlow讯息名称>
 22     #如Packet-in讯息的状态下的时间为EventOFPPacketIn
 23     
 24     #部分名称的作用
 25     #ryu.controller.handler.HANDSHAKE_DISPATCHER  交换HELLO信息
 26     #ryu.controller.handler.CONFIG_DISPATCHER   接收SwitchFeatures讯息
 27     #ryu.controller.handler.MAIN_DISPATCHER   一般状态
 28     #ryu.controller.handler.DEAD_DISPATCHER  连线中断
 29     @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPSwitchFeatures, CONFIG_DISPATCHER)
 30     def switch_features_handler(self, ev):
 31         datapath = ev.msg.datapath     #此讯息用于存储OpenFlow交换机的ryu.controller.controller.Datapath类别所对应的实体
 32         ofproto = datapath.ofproto
 33         parser = datapath.ofproto_parser
 34         
 35         #ev.msg是用来存储对应事件的OpenFlow讯息类别实体。在这个例子中,则是ryu.ofproto.ofproto_v1_3_parser.OFPSwitchFeatures
 36         #Datapath类别是用来处理OpenFlow交换机的重要讯息,例如执行与交换机的通信和触发接收讯息的事件
 37         
 38         match = parser.OFPMatch()   #为了match所有封包,需要产生一个空的match
 39         actions = [parser.OFPActionOutput(ofproto.OFPP_CONTROLLER,
 40                                           ofproto.OFPCML_NO_BUFFER)]
 41         #为了将封包转送到Controller连接埠,OFPActionOutput类别的实例也会被产生
 42         #指定OFPP_Controller为封包目的地
 43         #设定OFPCML_NO_BUFFER为max_len以便接下来的封包传送
 44         self.add_flow(datapath, 0, match, actions)
 45         #设定Table-miss Flow Entry的优先权为0(最低优先权)
 46         #然后执行add_flow()方法以发送Flow Mod讯息
 47         
 48         #交换机本身不仅仅使用Switch features讯息,
 49         #还使用事件处理以取得新增Table-miss Flow Entry的时间点
 50         #Table-miss Flow Entry的优先权为0(最低优先权),而且此Entry可以match所有的封包
 51         #这个Entry的Instruction通常指定为output action
 52     
 53     #定义add_flow()函数,用于新增Flow Entry
 54     def add_flow(self, datapath, priority, match, actions, buffer_id=None):
 55         ofproto = datapath.ofproto
 56         parser = datapath.ofproto_parser
 57 
 58         inst = [parser.OFPInstructionActions(ofproto.OFPIT_APPLY_ACTIONS,
 59                                              actions)]
 60         #APPLY_ACTIONS是用来设定那些必须立即执行的action所使用的
 61         
 62         if buffer_id:
 63             mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, buffer_id=buffer_id,
 64                                     priority=priority, match=match,
 65                                     instructions=inst)
 66         else:
 67             mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, priority=priority,
 68                                     match=match, instructions=inst)
 69         #OFPFlowMod类别中参数的预设值
 70         #datapath:openflow交换机以及flow table的操作都是通过datapath类别的实体来进行。
 71         #在一般的情况下,会由事件传递给事件管理的讯息中取得,如Packet-In
 72         #cookie(0): controller所设定存储的资料,在Entry的更新或者删除时所需要使用的资料存放地
 73         #并作为过滤器使用,而且不可以作为封包处理的参数
 74         #cookie_mask():Entry的更新或删除时,若是该值为非零,则作为指定Entry的cookie使用
 75         #table_id(0):使用Flow Entry的Table ID
 76         #idle_timeout:flow entry 的有效期限,以秒为单位
 77         #hard_timeout:flow entry的有效期限,但在超过时间限后不会重新归零计算
 78         #priority:优先权,值越大,优先权限越高
 79         #out_put(0):OFPFC_DELETE 和 OFPFC_DELETE_STRICT 命令用來指定输出位置的参数。
 80         #命令为 OFPFC_ADD、 OFPFC_MODIFY、OFPFC_MODIFY_STRICT 时可以忽略。
 81         #若要制定无效,指定输出为OFPP_ANY
 82         #out_group(0):与上相同,作为一个输出位置,但是转到特定的group,若无效,使用OFPG_ANY
 83         
 84 
 85         #通过FlowMod讯息将Flow Entry新增到Flow table中
 86         datapath.send_msg(mod)
 87         #使用OFPFlowMod所产生的实体通过datapath,send_msg()来发送讯息至交换机
 88     
 89     #Packet-In事件接收处理位置目的地的封包
 90     @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPPacketIn, MAIN_DISPATCHER)
 91     #OFPPacketIn类别的常用属性
 92     #match: ryu.ofproto.ofproto_v1_3_parser.OFPMatch类别的实体,用来存储接收封包的meta讯息
 93     #data:接收封包本身的binary资料
 94     #tatal_len:接收封包的资料长度
 95     #buffer_id:接受封包的内容。
 96     #若存在OpenFlow交换机上时所指定的ID,如果在没有buffer的状态下,则设定ryu.ofproto.ofproto_v1_3.OFP_NO_BUFFER
 97     
 98     #更新MAC地址表
 99     def _packet_in_handler(self, ev):
100         # If you hit this you might want to increase
101         # the "miss_send_length" of your switch
102         if ev.msg.msg_len < ev.msg.total_len:
103             self.logger.debug("packet truncated: only %s of %s bytes",
104                               ev.msg.msg_len, ev.msg.total_len)
105         msg = ev.msg
106         datapath = msg.datapath
107         ofproto = datapath.ofproto
108         parser = datapath.ofproto_parser
109         in_port = msg.match['in_port']
110         #从OFPPacketIn类别的match得到接收埠(in_port)的讯息。
111         #目的MAC地址和来源MAC地址分别使用Ryu的封包函数库,从接收到封包的Ethernet header取得
112         
113         pkt = packet.Packet(msg.data)
114         eth = pkt.get_protocols(ethernet.ethernet)[0]
115 
116         if eth.ethertype == ether_types.ETH_TYPE_LLDP:
117             return
118         dst = eth.dst
119         src = eth.src
120 
121         dpid = datapath.id 
122         #是同datapath.id来确认MAC地址表和每个交换机之间的识别来应对连接到多个OpenFlow交换机
123         self.mac_to_port.setdefault(dpid, {})
124 
125         self.logger.info("packet in %s %s %s %s", dpid, src, dst, in_port)
126 
127         # learn a mac address to avoid FLOOD next time.
128         self.mac_to_port[dpid][src] = in_port
129         #借此得知目的MAC地址表和来源MAC地址,更新MAC地址表
130         
131         
132         if dst in self.mac_to_port[dpid]:
133             out_port = self.mac_to_port[dpid][dst]
134         else:
135             out_port = ofproto.OFPP_FLOOD
136 
137         actions = [parser.OFPActionOutput(ofproto.OFPP_IN_PORT)]
138         #判断转送封包的连接埠
139         #若目的MAC地址存在于MAC地址表,则判断该连接埠的号码作为输出
140         #反之若不存在MAC地址表
141         #则ActionOutput类别的尸体并生成flooding(OFPP_FLOOD)给目的连接埠使用
142         
143         #转送封包
144         #在MAC位置表中找寻目的MAC地址,若有则发送Packet-in讯息,并转送封包
145         # install a flow to avoid packet_in next time
146         if out_port != ofproto.OFPP_FLOOD:
147             match = parser.OFPMatch(in_port=in_port, eth_dst=dst)
148             # verify if we have a valid buffer_id, if yes avoid to send both
149             # flow_mod & packet_out
150             if msg.buffer_id != ofproto.OFP_NO_BUFFER:
151                 self.add_flow(datapath, 1, match, actions, msg.buffer_id)
152                 return
153             else:
154                 self.add_flow(datapath, 1, match, actions)
155         data = None
156         if msg.buffer_id == ofproto.OFP_NO_BUFFER:
157             data = msg.data
158 
159         out = parser.OFPPacketOut(datapath=datapath, buffer_id=msg.buffer_id,
160                                   in_port=in_port, actions=actions, data=data)
161         datapath.send_msg(out)
162         
163         #buffer_id:指定openflow交换机上封包对应的缓冲区,若不需要,则指定为OFP_NO_BUFFER
164         #in_port:制定接收到的连接埠号,如果不想使用,就制定为OFPP_CONTROLLER

通过对该代码进行分析,我们可以得到核心的内容,就是,代码中的mac_to_port{}字典,是我们进行路由的依据,它记录了数据包在网络中传输时,经过的交换机的dpid、源目mac地址以及对应的in_port以及out_port的端口号。数据的路由,就是依据它来采取相应的转发action的。

此外,在对sdn网络进行基础的实验的时候,我们会遇到传统网络中最容易遇到的一个问题,网络风暴。这个问题的产生,是由于数据包在网络中的arp广播产生的,对网络的带宽、资源的占有具有很大的损害。

如何解决这个问题,是我们实现环形网络正常通信,所需要面对的基础问题之一。

在此之前,我参考了李呈大神写的arp代理http://www.sdnlab.com/2318.html ,但是,发现这个代码无法正常的在我的环境下运行。不过,他的思路,却给了我很大的启发,结合simple_switch中的代码,我发现,如果单一的实现换路通信,其实只需要在数据包到达每个交换机,进行mac学习的时候,判断当前mac_to_port字典中是否存在过相应的交换机信息,若存在,则判断其进入端口是否相同,若不相同,则发生环路风暴,对该数据包进行丢包操作,这样就能做到环路中的正常通信。附上相应的代码:

  1 from ryu.base import app_manager
  2 from ryu.controller import ofp_event
  3 from ryu.controller.handler import CONFIG_DISPATCHER, MAIN_DISPATCHER
  4 from ryu.controller.handler import set_ev_cls
  5 from ryu.ofproto import ofproto_v1_3
  6 from ryu.lib.packet import packet
  7 from ryu.lib.packet import ethernet
  8 from ryu.lib.packet import tcp
  9 from ryu.lib.packet import ether_types
 10 from ryu.lib.packet import arp
 11 
 12 class ARP_PROXY_13(app_manager.RyuApp):
 13     OFP_VERSIONS = [ofproto_v1_3.OFP_VERSION]
 14 
 15     def __init__(self, *args, **kwargs):
 16         super(ARP_PROXY_13, self).__init__(*args, **kwargs)
 17         self.mac_to_port = {}
 18 
 19     @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPSwitchFeatures, CONFIG_DISPATCHER)
 20     def switch_features_handler(self, ev):
 21         datapath = ev.msg.datapath
 22         ofproto = datapath.ofproto
 23         parser = datapath.ofproto_parser
 24  
 25         match = parser.OFPMatch()
 26         actions = [parser.OFPActionOutput(ofproto.OFPP_CONTROLLER,
 27                                           ofproto.OFPCML_NO_BUFFER)]
 28         self.add_flow(datapath, 0, match, actions)
 29  
 30     def add_flow(self, datapath, priority, match, actions, buffer_id=None):
 31         ofproto = datapath.ofproto
 32         parser = datapath.ofproto_parser
 33  
 34         inst = [parser.OFPInstructionActions(ofproto.OFPIT_APPLY_ACTIONS,
 35                                              actions)]
 36  
 37         if buffer_id:
 38           mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, buffer_id=buffer_id,
 39                              priority=priority, match=match,
 40                              instructions=inst)
 41         else:
 42             mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, priority=priority,
 43                              match=match, instructions=inst)
 44         datapath.send_msg(mod)
 45 
 46 #mac learning
 47     def mac_learning(self, datapath, src, in_port):
 48         self.mac_to_port.setdefault((datapath,datapath.id), {})
 49         # learn a mac address to avoid FLOOD next time.
 50         if src in self.mac_to_port[(datapath,datapath.id)]:
 51             if in_port != self.mac_to_port[(datapath,datapath.id)][src]:
 52                 return False
 53         else:
 54             self.mac_to_port[(datapath,datapath.id)][src] = in_port
 55             return True
 56  
 57     @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPPacketIn, MAIN_DISPATCHER)
 58     def _packet_in_handler(self, ev):
 59         msg = ev.msg
 60         datapath = msg.datapath
 61         ofproto = datapath.ofproto
 62         parser = datapath.ofproto_parser
 63         in_port = msg.match['in_port']
 64  
 65         pkt = packet.Packet(msg.data)
 66  
 67         eth = pkt.get_protocols(ethernet.ethernet)[0]
 68 
 69         if eth.ethertype == ether_types.ETH_TYPE_LLDP:
 70             match = parser.OFPMatch(eth_type=eth.ethertype)
 71             actions = []
 72             self.add_flow(datapath, 10, match, actions)
 73             return
 74 
 75         if eth.ethertype == ether_types.ETH_TYPE_IPV6:
 76             match = parser.OFPMatch(eth_type=eth.ethertype)
 77             actions = []
 78             self.add_flow(datapath, 10, match, actions)
 79             return
 80 
 81         dst = eth.dst
 82         src = eth.src
 83         dpid = datapath.id
 84 
 85 
 86         self.logger.info("packet in %s %s %s %s", dpid, src, dst, in_port)
 87         self.mac_learning(datapath, src, in_port)
 88 
 89         if dst in self.mac_to_port[(datapath,datapath.id)]:
 90             out_port = self.mac_to_port[(datapath,datapath.id)][dst]
 91         else:
 92             if self.mac_learning(datapath, src, in_port) is False:
 93                 out_port = ofproto.OFPPC_NO_RECV
 94             else:
 95                 out_port = ofproto.OFPP_FLOOD
 96  
 97         actions = [parser.OFPActionOutput(out_port)]
 98  
 99         if out_port != ofproto.OFPP_FLOOD:
100             match = parser.OFPMatch(in_port=in_port, eth_dst=dst)
101             if msg.buffer_id != ofproto.OFP_NO_BUFFER:
102                 self.add_flow(datapath, 10, match, actions, msg.buffer_id)
103                 return
104             else:
105                 self.add_flow(datapath, 10, match, actions)
106  
107         data = None
108         if msg.buffer_id == ofproto.OFP_NO_BUFFER:
109             data = msg.data
110         out = parser.OFPPacketOut(datapath=datapath, buffer_id=msg.buffer_id,
111                                   in_port=in_port, actions=actions, data=data)
112         datapath.send_msg(out)

重点在mac learning这个模块的代码,根据这个代码,就可以实现网络的环路通信。

posted @ 2017-06-02 18:54  守功  阅读(4350)  评论(2编辑  收藏  举报