2019 SDN第3次上机作业

0.报文类型与含义

1.Controller-to-Switch 报文

Cortoller-to-Switch是由控制器初始化并下发给交换机的报文类型，其可能会要求交换机回复对应的报文，此类型报文包含的主要报文类型介绍如下。

●Features: Features类型的报文分为Request和Reply两种，其中控制器可以主动初始化并发送Feature Request报文，请求交换机回复其特性信息，其报文只有数据报头，没有消息体(Body)。交换机在收到Features Request 报文之后，将通过Features Reply 报文回复交换机的特性和交换机端口的特性信息。通常，控制器会在交换机的OpenFlow连接建立完成之后马上发送个请求报文来获取交换机的特征信息。

●Configuration: 其包含请求、回复和设置三种报文。控制器可以设置和请求交换机的配置信息，交换机则需执行配置和回复配置报文。

●Modify-State: 修改状态型报文由控制器下发，用于修改交换机的流表、组表、Meter表及端口状态。

●Read-State: 读取状态信息由控制器发出，用于获取交换机的状态信息，包括流表、组表、Meter Table及端口的统计信息。

●Packet-out: Packet-out 类型报文由控制器发出，用于将数据包发送到交换机的指定端口。Packet-out报文般用于响应Packet-in报文的处理，经常跟随在Flow-mod报文之后，用于指挥交换机将缓存数据发送或直接发送数据。Packet-out必须携带一个 Buffer id来定位缓存在交换机上的数据，当Buffer_id为-1时，表明该数据包没有被交换机缓存。此外，Packet-out还需要携带指导数据处理的动作集，如果动作集为空则交换机会将数据包丢弃。

●Barrier: Barriers Request/Reply用于确保操作顺序执行。控制器可以向交换机发送Request报文。交换机接收到Request报文之后，将Request报文之前所有的报文处理完成之后，处理Barrier Request请求:回复控制器一个Barrier Reply报文，其报文ID和请求报文一致，告知控制器在Barrier Request报文之前到来的报文已经处理完成。Barrier 类型的报文类似于设置一个障碍或者触发器，用来告知控制Barrier之前的动作均已执行，其通常用来确保动作执行顺序，保持策略一致性。

●Role-Request: 此类型报文用于控制器请求其自身在交换机端的角色，也可以用于设置控制器的角色。一般用于交换机与多控制器有连接的场景。

●Asynchronous-Configuration: 异步配置报文可以用来设置异步报文的过滤器，从而使得在多控制器场景下，控制器可以选择性过滤异步报文，只接收感兴趣的报文。一般在OpenFlow连接建立完成之后进行设置。

2.Asynchronous 报文

Asynhronous报文是由交换机异步发送给控制器的报文，无须等待控制器请求。交换机通过异步报文告知控制器新数据包的到达和交换机状态的改变。主要的异步报文类型描述如下。

●Packet-in:将数据包发送给控制器。在支持单流表的OpanFlow协议版本中，触发Paket-in的原因可能是流表项的动作指导，也可能是因为匹配不到流表项。但在高版本的多级流表设计下，将默认下发一条Table-Miss流表项，其匹配域均为空，任何报文都能匹配成功。Table-Miss的作用是将匹配其他流表失败的数据发送给控制器。若交换机配置信息中指示将数据包缓存在交换机中，则Packet-in报文还将携带着指定长度的数据包数据及其在交换机上缓存的Buffer_id携带的数据包默认长度是128字节。若交换机不爱存数据包，则由Paket-in报文携带全部数据并发送给控制器。Packet-in 报文通常会触发Packet-out报文或者Flow-mod报文。

●Flow-Removed:当OPFFF_SEND_FLOW_ REM标志位被置位时，交换机将会在流表项失效时通知控制器流表项被移除的消息。触发流表项失效的原因可以是控制器主动删除或者流表项超时。

●Port-status:当端口配置或者状态发生变化时，用于告知控制器端口状态发生改变。

●Role-status:当控制器的角色发生变化时，交换机告知控制器其角色变化。

●Controller- Status: 当OpenFlow连接发生变化时，告知控制器这个变化。

●Flow-monitor:告知控制器流表的改变。控制器可以设置一系列监视器来追踪流表的变化。

3.Symmetric 报文

Symmetric可以由控制器和交换机双方任意一方发送，无须得到对方的许可或邀请。主要类型的介绍如下。

●Hello: Hello报文用于交换机和控制器之间的OpenFlow通道建立初期，用于协商版本等内容。
●Echo: Echo Request/Reply可以由交换机和控制器任意一方发出。每个Request报文都需要一个 Reply报文回复。其主要用于保持连接的活性，但同时也支持携带消息内容，可用于时延或带宽测试。
●Error:错误报文用于交换机或控制器，告知对方错误。一般而言，多被用于交换机告知控制器请求发生的错误。
●Experimenter:实验报文是提供OpenFlow报文功能范围之外功能的标准方式，可以用于实验场景。

摘自《重构网络: SDN 架构与实现》

1. 利用Mininet仿真平台构建如下图所示的网络拓扑，配置主机h1和h2的IP地址（h1:10.0.0.1，h2:10.0.0.2），测试两台主机之间的网络连通性

构建如下拓扑

设置支持的协议，勾选启动CLI

成功创建拓扑，验证当前的网络连通性与网络拓扑结构

2. 利用Wireshark工具，捕获拓扑中交换机与控制器之间的通信数据，对OpenFlow协议类型的各类报文（hello, features_request, features_reply, set_config, packet_in, packet_out等）进行分析，对照wireshark截图写出你的分析内容

Hello

控制器6633端口（我最高能支持OpenFlow 1.0） ---> 交换机32770端口

交换机32770端口（我最高能支持OpenFlow 1.3）--- 控制器6633端口

兼容最低可执行版本，因此双方建立连接，使用Openflow1.0

Features request

控制器6633端口（我需要你的特征信息） ---> 交换机32770端口

Set Config

控制器6633端口（请按照我给你的flag和max bytes of packet进行配置） ---> 交换机32770端口

Features reply

交换机32770端口（这是我的特征信息，请查收）--- 控制器6633端口

Features 消息包括 OpenFlow Header 和 Features Reply Message
对照Features Reply Message结构

struct ofp_switch_features{
    struct ofp_header header;
    uint64_t datapath_id; /*唯一标识 id 号*/
    uint32_t n_buffers; /*交缓冲区可以缓存的最大数据包个数*/
    uint8_t n_tables; /*流表数量*/
    uint8_t pad[3]; /*align to 64 bits*/
    uint32_t capabilities; /*支持的特殊功能，具体见 ofp_capabilities*/
    uint32_t actions; /*支持的动作，具体见 ofp_actions_type*/
    struct ofp_phy_port ports[0]; /*物理端口描述列表，具体见 ofp_phy_port*/
};

对抓取到的报文，逐项查看报文内容；
唯一标识 id 号为0x0000000000000001，
交缓冲区可以缓存的最大数据包个数为256个，
流表数量为254，
s1交换机告诉控制器它有三个端口和它们各自的配置信息。

Frame 22: 244 bytes on wire (1952 bits), 244 bytes captured (1952 bits) on interface 0
Linux cooked capture
Internet Protocol Version 4, Src: 127.0.0.1, Dst: 127.0.0.1
Transmission Control Protocol, Src Port: 32770, Dst Port: 6633, Seq: 9, Ack: 29, Len: 176
OpenFlow 1.0
    .000 0001 = Version: 1.0 (0x01)
    Type: OFPT_FEATURES_REPLY (6)
    Length: 176
    Transaction ID: 791665523
    Datapath unique ID: 0x0000000000000001
        MAC addr: 00:00:00_00:00:00 (00:00:00:00:00:00)
        Implementers part: 0x0001
    n_buffers: 256
    n_tables: 254
    Pad: 000000
    capabilities: 0x000000c7
        .... .... .... .... .... .... .... ...1 = Flow statistics: True
        .... .... .... .... .... .... .... ..1. = Table statistics: True
        .... .... .... .... .... .... .... .1.. = Port statistics: True
        .... .... .... .... .... .... .... 0... = Group statistics: False
        .... .... .... .... .... .... ..0. .... = Can reassemble IP fragments: False
        .... .... .... .... .... .... .1.. .... = Queue statistics: True
        .... .... .... .... .... ...0 .... .... = Switch will block looping ports: False
    actions: 0x00000fff
        .... .... .... .... .... .... .... ...1 = Output to switch port: True
        .... .... .... .... .... .... .... ..1. = Set the 802.1q VLAN id: True
        .... .... .... .... .... .... .... .1.. = Set the 802.1q priority: True
        .... .... .... .... .... .... .... 1... = Strip the 802.1q header: True
        .... .... .... .... .... .... ...1 .... = Ethernet source address: True
        .... .... .... .... .... .... ..1. .... = Ethernet destination address: True
        .... .... .... .... .... .... .1.. .... = IP source address: True
        .... .... .... .... .... .... 1... .... = IP destination address: True
        .... .... .... .... .... ...1 .... .... = IP ToS (DSCP field, 6 bits): True
        .... .... .... .... .... ..1. .... .... = TCP/UDP source port: True
        .... .... .... .... .... .1.. .... .... = TCP/UDP destination port: True
        .... .... .... .... .... 1... .... .... = Output to queue: True
    Port data 1
        Port number: 65534
        HW Address: be:94:c1:9f:8c:d0 (be:94:c1:9f:8c:d0)
        Port Name: s1
        Config flags: 0x00000001
            .... .... .... .... .... .... .... ...1 = Port is administratively down: True
            .... .... .... .... .... .... .... ..0. = Disable 802.1D spanning tree on port: False
            .... .... .... .... .... .... .... .0.. = Drop all packets except 802.1D spanning tree packets: False
            .... .... .... .... .... .... .... 0... = Drop received 802.1D STP packets: False
            .... .... .... .... .... .... ...0 .... = Do not include this port when flooding: False
            .... .... .... .... .... .... ..0. .... = Drop packets forwarded to port: False
            .... .... .... .... .... .... .0.. .... = Do not send packet-in msgs for port: False
        State flags: 0x00000001
            .... .... .... .... .... .... .... ...1 = No physical link present: True
        Current features: 0x00000000
            .... .... .... .... .... .... .... ...0 = 10 Mb half-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... .... ..0. = 10 Mb full-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... .... .0.. = 100 Mb half-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... .... 0... = 100 Mb full-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... ...0 .... = 1 Gb half-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... ..0. .... = 1 Gb full-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... .0.. .... = 10 Gb full-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... 0... .... = Copper medium: False
            .... .... .... .... .... ...0 .... .... = Fiber medium: False
            .... .... .... .... .... ..0. .... .... = Auto-negotiation: False
            .... .... .... .... .... .0.. .... .... = Pause: False
            .... .... .... .... .... 0... .... .... = Asymmetric pause: False
        Advertised features: 0x00000000
        Features supported: 0x00000000
        Features advertised by peer: 0x00000000
    Port data 2
        Port number: 1
        HW Address: c2:25:f9:bb:bb:03 (c2:25:f9:bb:bb:03)
        Port Name: s1-eth1
        Config flags: 0x00000000
            .... .... .... .... .... .... .... ...0 = Port is administratively down: False
            .... .... .... .... .... .... .... ..0. = Disable 802.1D spanning tree on port: False
            .... .... .... .... .... .... .... .0.. = Drop all packets except 802.1D spanning tree packets: False
            .... .... .... .... .... .... .... 0... = Drop received 802.1D STP packets: False
            .... .... .... .... .... .... ...0 .... = Do not include this port when flooding: False
            .... .... .... .... .... .... ..0. .... = Drop packets forwarded to port: False
            .... .... .... .... .... .... .0.. .... = Do not send packet-in msgs for port: False
        State flags: 0x00000000
            .... .... .... .... .... .... .... ...0 = No physical link present: False
        Current features: 0x000000c0
            .... .... .... .... .... .... .... ...0 = 10 Mb half-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... .... ..0. = 10 Mb full-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... .... .0.. = 100 Mb half-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... .... 0... = 100 Mb full-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... ...0 .... = 1 Gb half-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... ..0. .... = 1 Gb full-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... .1.. .... = 10 Gb full-duplex rate support: True
            .... .... .... .... .... .... 1... .... = Copper medium: True
            .... .... .... .... .... ...0 .... .... = Fiber medium: False
            .... .... .... .... .... ..0. .... .... = Auto-negotiation: False
            .... .... .... .... .... .0.. .... .... = Pause: False
            .... .... .... .... .... 0... .... .... = Asymmetric pause: False
        Advertised features: 0x00000000
        Features supported: 0x00000000
        Features advertised by peer: 0x00000000
    Port data 3
        Port number: 2
        HW Address: a6:f7:5f:b6:4f:16 (a6:f7:5f:b6:4f:16)
        Port Name: s1-eth2
        Config flags: 0x00000000
            .... .... .... .... .... .... .... ...0 = Port is administratively down: False
            .... .... .... .... .... .... .... ..0. = Disable 802.1D spanning tree on port: False
            .... .... .... .... .... .... .... .0.. = Drop all packets except 802.1D spanning tree packets: False
            .... .... .... .... .... .... .... 0... = Drop received 802.1D STP packets: False
            .... .... .... .... .... .... ...0 .... = Do not include this port when flooding: False
            .... .... .... .... .... .... ..0. .... = Drop packets forwarded to port: False
            .... .... .... .... .... .... .0.. .... = Do not send packet-in msgs for port: False
        State flags: 0x00000000
            .... .... .... .... .... .... .... ...0 = No physical link present: False
        Current features: 0x000000c0
            .... .... .... .... .... .... .... ...0 = 10 Mb half-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... .... ..0. = 10 Mb full-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... .... .0.. = 100 Mb half-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... .... 0... = 100 Mb full-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... ...0 .... = 1 Gb half-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... ..0. .... = 1 Gb full-duplex rate support: False
            .... .... .... .... .... .... .1.. .... = 10 Gb full-duplex rate support: True
            .... .... .... .... .... .... 1... .... = Copper medium: True
            .... .... .... .... .... ...0 .... .... = Fiber medium: False
            .... .... .... .... .... ..0. .... .... = Auto-negotiation: False
            .... .... .... .... .... .0.. .... .... = Pause: False
            .... .... .... .... .... 0... .... .... = Asymmetric pause: False
        Advertised features: 0x00000000
        Features supported: 0x00000000
        Features advertised by peer: 0x00000000

支持的动作

支持的特殊功能

Packet in

交换机32770端口（有数据包进来，请指示）--- 控制器6633端口

结合Packet_in的结构

struct ofp_packet_in {
    struct ofp_header header;
    uint32_t buffer_id; /*Packet-in消息所携带的数据包在交换机缓存区中的ID*/
    uint16_t total_len; /*data字段的长度*/
    uint16_t in_port; /*数据包进入交换机时的端口号*/
    uint8_t reason; /*发送Packet-in消息的原因，具体见 ofp_packet_in_reason*/
    uint8_t pad;
    uint8_t data[0]; /*携带的数据包*/
};

分析抓取的数据包，可知Packet-in消息所携带的数据包在交换机缓存区中的ID为0X00000102，data字段的长度为90，数据包进入交换机时的端口号为2，同时发现是因为交换机发现此时自己并没有匹配的流表（Reason: No matching flow (table-miss flow entry) (0)），所以要问控制器如何处理。

Packet out

控制器6633端口（请按照我给你的action进行处理） ---> 交换机32770端口

结合Packet_out的结构

struct ofp_packet_out {
    struct ofp_header header;
    uint32_t buffer_id; /*交换机缓存区id，如果为-1则指定的为packet-out消息携带的data字段*/
    uint16_t in_port; /*如果buffer_id为‐1，并且action列表中指定了Output=TABLE的动作,in_port将作为data段数据包的额外匹配信息进行流表查询*/
    uint16_t actions_len; /*action列表的长度，可以用来区分actions和data段*/
    struct ofp_action_header actions[0]; /*动作列表*/
    uint8_t data[0]; /*数据缓存区，可以存储一个以太网帧，可选*/
}

告诉输出到交换机的65531端口

接下来是另一台交换机（端口32772）与控制器（端口6633）的交互过程

h1 ping h2

Packet in

Flow_mod

结合flow_mod结构

struct ofp_flow_mod {
    struct ofp_header header;
    struct ofp_match match; /*流表的匹配域*/ 
    uint64_t cookie; /*流表项标识符*/
    uint16_t command; /*可以是ADD,DELETE,DELETE-STRICT,MODIFY,MODIFY-STRICT*/
    uint16_t idle_timeout; /*空闲超时时间*/
    uint16_t hard_timeout; /*最大生存时间*/
    uint16_t priority; /*优先级，优先级高的流表项优先匹配*/
    uint32_t buffer_id; /*缓存区ID ,用于指定缓存区中的一个数据包按这个消息的action列表处理*/  
    uint16_t out_port; /*如果这条消息是用于删除流表则需要提供额外的匹配参数*/
    uint16_t flags; /*标志位，可以用来指示流表删除后是否发送flow‐removed消息，添加流表时是否检查流表重复项，添加的流表项是否为应急流表项。*/
    struct ofp_action_header actions[0]; /*action列表*/
};

分析抓取的flow_mod数据包，控制器通过6633端口向交换机32870端口、交换机32868端口下发流表项，指导数据的转发处理
流表项标识符为0x0000000000000000，缓存区ID 分别为0x0000012c与0x0000012d，最大生存时间为60，空闲超时时间为60