SDN开发环境搭建以及Mininet编程

一、实验内容

搭建如下网络拓扑，并熟悉相关指令。

 

二、搭建开发环境

2.1 开发环境搭建

2.1.1下载ubuntu镜像文件

镜像下载地址 https://www.ubuntu.com/download/desktop

下载后的文件：ubuntu-18.04.2-desktop-amd64.iso

2.1.2安装虚拟机

打开VMware，创建新的虚拟机，选择自定义，点击下一步

选择自定义硬件，应用镜像文件

选择已下载好的镜像文件

点击关闭后完成，VMware就会生成刚才安装的Ubuntu虚拟机：

2.2 应用软件安装

2.2.1安装mininet

安装mininet的方法具体有很多种，由于本地采用的是VM和Ubuntu虚拟机的环境，所以本次实验采用源码安装的方式。

要从源代码本地安装，首先需要获取源代码：

sudo apt-get update
sudo apt-get install git
sudo git clone git://github.com/mininet/mininet

下载源代码后，安装Mininet的命令是：

sudo ./mininet/util/install.sh -a

(-a：安装Mininet VM中包含的所有内容，包括Open vSwitch等依赖项以及OpenFlow wireshark dissector和POX等附加项。默认情况下，这些工具将构建在主目录中创建的目录中。)

安装完成后，测试基本的Mininet功能：

sudo apt install net-tools(不安装net-tools会提示找不到所需要的可执行的ifconfig)

sudo mn --test pingall

2.2.2安装ryu

使用pip命令安装：

sudo apt install python-pip
pip install ryu

2.2.3获取Open vSwitch源代码

Open vSwitch源代码的规范位置是它的Git存储库，您可以将其克隆到名为“ovs”的目录中：

sudo git clone https://github.com/openvswitch/ovs.git

三、搭建网络环境

3.1 启动ryu控制器

ryu-manager --verbose ryu.app.simple_switch_13

3.2 启动mininet搭建网络拓扑

搭建网络topo，由于所要求的网络拓扑结构为比较简单的线性拓扑，可以直接使用--topo linear，x构建，选用Open vSwitch交换机：--switch ovsk。启动mininet：

mn --topo linear,2 --mac --switch ovsk --controller remote

这时候就可以看到mininet已经连接到ryu控制器了：

至此，所要求的网络环境已经搭建完成，对其进行简单的测试，在mininet的控制命令行里执行pingall：

四、实验步骤

4.1 使用wireshark抓取OpenFlow消息

（1）在安装mininet时已经安装了wireshark，于是只需要在主机启动wireshark：

sudo wireshark 

等待一会wireshark便会启动：

（2）在mininet的控制命令行中执行：

h1 ping -c 4 h2

（2）wireshark中选择监听any，过滤器filter中输入openflow_v4即可抓取交换机s1与控制器c0之间的openflow消息：

4.2 OpenFlow报文分析

4.2.1 packet-in消息

(1) 当交换机收到一个数据包后，并未与流表中匹配成功，那么交换机就会将数据封装在Packer-in消息中，发送给控制器处理。此时数据包会被缓存在交换机中等待处理。

交换机流表所指示的action列表中包含转发给控制器的动作（Output=Controller），此时数据不会被缓存在控制器中。

(2)In_port数据包进入交换机的入端口号

Reason为packet-in事件的产生原因

同时，从reason的消息格式也可以看出触发packet-in的两种情况：OFPR_NO_MATCH和OFPR_ACTION。

4.2.2 packet-out消息

(1)当控制器希望交换机发送某个数据包，其使用Packet_out消息。例子：arp报文在广播的时候，在交换机中不能直接将arp广播，而是，将其封装在Packet_out里面，交换机泛洪的是Packet_out。

(2)控制器向一个交换机发送packet-out消息，buffer_id=-1，data段为某种特殊数据包，actions为从交换机的某个端口进行转发，如果发出这个数据包的端口另一端也连接一个Open vSwitch交换机，对端的交换机会产生一个packet-in消息将这个特殊的数据包包上交给控制器，从而控制器他侧到一条链路的存在（控制器实现链路发现，就是依靠packet-out消息）。

(3)当控制器断电或者交换机与控制器之间的连接断开，则交换机会寻找备用控制器，当无法找到备用控制器时便会进入紧急模式（交换机初始化时也是在这个模式下），在紧急模式下，交换机默认将所有接受到的数据包丢弃。

4.2.3 echo-request消息，echo-reply消息

 

echo消息为对称的消息，作用譬如心跳机制，定期给另一方发送echo-request消息，另一方需要给予echo-reply消息回应，确保控制器与交换机的连接状态。双方发送的echo消息只有OpenFlow报文头部，每一个request和reply的请求transcation的ID相同。

4.2.4 flow-mod消息

Flow-Mod消息用开添加、删除、修改openflow交换机的消息； Flow-Mod消息共有5种类型：ADD、DEKETE、DELETE-STRICT、MODIFY、MODIFY-STRICT。Flow_mod这个消息是OpenFlow中最重要的消息，用来添加、删除、修改OpenFlow交换机的流表信息。当交换机收到一个无法处理的数据包，封装到Packet_in消息转发给控制器后，控制器可以发送一个Flow_mod消息下发一个流表到交换机，并且指定该数据包按照此流表项的action处理。

Flow_mod消息包含四个部分：OpenFlow报文头、Flow_mod固定字段、Match字段和Instruction字段。分别用来标识该消息的类型、流表项的内容等。

4.3 测试主机连通性

先使主机1可以ping 通主机2，主机2也可以ping 通主机1。

4.4 操作流表项

然后对流表进行操作，使主机1不能ping 通主机2，主机2也不能ping 通主机1。

查看s1中已经存在的流表项：

ovs-ofctl dump-flows s1

4.4.1删除流表项

执行删除命令：

ovs-ofctl del-flows s1 in_port='s1-eth2'＂

可见交换机s1流表中in_port='s1-eth2'的流表项已经删除，再执行：h1 ping h2

在删除流表项之后，h1已无法ping通h2。

4.4.2修改流表项

执行添加流表项命令：（注意add-flow后面不加s）

ovs-ofctl add-flow s1 'in_port="s1-eth1",dl_src=00:00:00:00:00:01, dl_dst=00:00:00:00:00:02 actions=drop'

修改流表项之后，h1 ping h2

4.5 修改流表项

限制该主机1一定时间（比如一分钟）内再次与主机2通信。限制时间过后，主机1可以与主机2通信。

由于流表具有存活时间，设置错误的流表使其无法通信，再通过hard_timeout定期删除流表，删除流表后又可以通信。

idle_timeout，空闲时间，如值为 10，表示若某条流表在最近 10s 内没有被匹配过则删除。

hard_timeout，存活时间，如值为 10，则从该流表被安装经过 10s 后无论被使用情况如何，立即被删除。

idle_age，未命中时间，如值为 10，表示已经有 10s 没有匹配到过这条流表了。当这个值等于 idle_timeout 时，这条流表就真的失效了。

duration，流表年龄，指的是流表自从安装到交换机上总共所经过的时间。

因此可以通过修改流表设置，使主机1和主机2无法通信，具体实施的是以下三种方法。

4.5.1将接收到的数据包丢弃

sudo ovs-ofctl add-flow s1 "hard_timeout=60,actions=drop"

4.5.2设置一个错误端口

sudo ovs-ofctl add-flow s1 "hard_timeout=60,actions=output:100"

4.5.3设置错误ip地址

sudo ovs-ofctl add-flow s1 "hard_timeout=60,actions=mod_nw_src: 192.168.1.111"

设置hard_timeout=60

一分钟后，主机1和主机2又可以实现通信

五、问题与分析

问题1：执行mn命令构建网络拓扑时出现：“Unable to contact the remote cotroller at 127.0.0.1:6633”。

分析：在搭建网络拓扑之前没有启动ryu控制器，导致无法连接到控制器。

问题2：利用在mininet的控制命令行里执行Python脚本添加host、link、swtich之后原来的主机与新增的主机无法ping通。

分析：（1）在增加一个host之后，需要给它配置IP以及虚拟网卡信息；（2）新增的switch与控制器之间没有添加网桥，需要在xterm c0中执行添加网桥的命令“ovs-vsctl add-br s3”以及添加相应的端口“ovs-vsctl add-port s3 s3-eth0”等。

问题3：删除有三个端口的交换机流表项之后只能添加三条流表项。

分析：（1）添加流表项时执行的命令

ovs-ofctl add-flow s1“in_port=s1-eth1,actions=output:s1-eth2”
ovs-ofctl add-flow s1“in_port=s1-eth1,actions=output:s1-eth3”

（2）在in_port相同的情况下，流表里面只会保存最新的一条流表项，解决方法就是修改命令为ovs-ofctl add-flow s1“in_port=s1-eth1,actions=output:s1-eth2,s1-eth3” 。