实验3：OpenFlow协议分析实践

（一）基本要求
1.搭建下图所示拓扑，完成相关 IP 配置，并实现主机与主机之间的 IP 通信。用抓包软件获取控制器与交换机之间的通信数据。

2.查看抓包结果，分析OpenFlow协议中交换机与控制器的消息交互过程，画出相关交互图或流程图。
流程图：
hello：
44548和6643相互发hello包，然后双方建立连接，并使用OpenFlow 1.0。


Features Request / Set Conig：
控制器6633端口（我需要你的特征信息） ---> 交换机44548端口

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44548端口

Port Status：
当交换机端口发生变化时，告知控制器相应的端口状态。

Features Reply：
⚫ datapath_id：唯一标识符；
⚫ n_buffers：交换机缓冲区可以缓存的最大数据包个数；
⚫ n_tables：流表数量；
⚫ pad：可以理解为填充值；
⚫ capabilities：支持的特殊功能；
⚫ actions：支持的动作；
⚫ port data：物理端口描述列表。
交换机44548端口（这是我的特征信息，请查收） ---> 控制器6633端口

Packet_in：
有两种情况：
• 交换机查找流表，发现没有匹配条目时
• 有匹配条目但是对应的action是OUTPUT=CONTROLLER时
交换机44548端口（有数据包进来，请指示）---> 控制器6633端口

Flow_mod：
控制器收到 Packet‐in 消息后，可以发送 Flow‐Mod 消息向交换机写一个流表项。并且将 Flow‐Mod 消息中的 buffer_id 字段设置为 Packet‐in 消息中的 buffer_id 值。从而控制器向交换机写入了一条与数据包相关的流表项，并且指定该数据包按照此流表项的 action 列表处理
分析抓取的flow_mod数据包，控制器通过6633端口向交换机44548端口
下发流表项，指导数据的转发处理


流程图：

Packet_out:
Packet-Out消息是从OpenFlow控制器向OpenFlow交换机发送的消息，是包含数据包发送命令的消息”。
若OpenFlow交换机的缓存中已存在数据包，而OpenFlow控制器发出“发送该数据包”的命令时，该消息指定了表示相应数据包的buffer_id。使用Packet-Out消息还可将OpenFlow控制器创建的数据包发送至OpenFlow交换机。此时，buffer_id置为-1，在Packet-Out消息的最后添加数据包数据。

3.回答问题：交换机与控制器建立通信时是使用TCP协议还是UDP协议？
答：是TCP协议。

（二）进阶要求
将抓包基础要求第2步的抓包结果对照OpenFlow源码，了解OpenFlow主要消息类型对应的数据结构定义。

  1. Hello
/* Header on all OpenFlow packets. */
struct ofp_header {
    uint8_t version;   //版本号 /* OFP_VERSION. */
    uint8_t type;      //消息类型 /* One of the OFPT_ constants. */
    uint16_t length;   //长度 /* Length including this ofp_header. */
    uint32_t xid;      //id /* Transaction id associated with this packet.
                           Replies use the same id as was in the request
                           to facilitate pairing. */
};
OFP_ASSERT(sizeof(struct ofp_header) == 8);

/* OFPT_HELLO.  This message has an empty body, but implementations must
 * ignore any data included in the body, to allow for future extensions. */
struct ofp_hello {
    struct ofp_header header;
};
  1. Features Request
struct ofp_header {
    uint8_t version;    /* OFP_VERSION. */
    uint8_t type;       /* One of the OFPT_ constants. */
    uint16_t length;    /* Length including this ofp_header. */
    uint32_t xid;       /* Transaction id associated with this packet.
                           Replies use the same id as was in the request
                           to facilitate pairing. */
};
  1. Features Reply
/* Switch features. */
struct ofp_switch_features {
    struct ofp_header header;
    uint64_t datapath_id;   //唯一标识ID号/* Datapath unique ID.  The lower 48-bits are for
                               a MAC address, while the upper 16-bits are
                               implementer-defined. */

    uint32_t n_buffers;    //缓冲区可缓存的最大数据包个数 /* Max packets buffered at once. */

    uint8_t n_tables;       //流表数量/* Number of tables supported by datapath. */
    uint8_t pad[3];         /* Align to 64-bits. */

    /* Features. */
    uint32_t capabilities;  //支持的特殊功能 /* Bitmap of support "ofp_capabilities". */
    uint32_t actions;       //支持的动作 /* Bitmap of supported "ofp_action_type"s. */

    /* Port info.*/
    struct ofp_phy_port ports[0]; //物理端口描述列表 /* Port definitions.  The number of ports
                                      is inferred from the length field in
                                      the header. */
};
OFP_ASSERT(sizeof(struct ofp_switch_features) == 32);

物理端口描述:

4.Set Config

enum ofp_config_flags {
    /* Handling of IP fragments. */
    OFPC_FRAG_NORMAL   = 0,  /* No special handling for fragments. */
    OFPC_FRAG_DROP     = 1,  /* Drop fragments. */
    OFPC_FRAG_REASM    = 2,  /* Reassemble (only if OFPC_IP_REASM set). */
    OFPC_FRAG_MASK     = 3
};
//flag不同的值代表不同的处理方式
/* Switch configuration. */
struct ofp_switch_config {
    struct ofp_header header;
    uint16_t flags;        //用来指示交换机如何处理 IP 分片数据包     /* OFPC_* flags. */
    uint16_t miss_send_len;  //用来指示当一个交换机无法处理的数据包到达时，将数据包发给控制器的最大字节数。   /* Max bytes of new flow that datapath should
                                   send to the controller. */
};
OFP_ASSERT(sizeof(struct ofp_switch_config) == 12);

5.Port Status

/* A physical port has changed in the datapath */
struct ofp_port_status {
    struct ofp_header header;
    uint8_t reason;          /* One of OFPPR_*. */
    uint8_t pad[7];          /* Align to 64-bits. */
    struct ofp_phy_port desc;
};
OFP_ASSERT(sizeof(struct ofp_port_status) == 64);
//这个是当交换机端口发生变化时，告知控制器相应的端口状态
//发生变化包括增加、删除、修改物理端口，则需发送port status来告知

6.Packet-in

/* Why is this packet being sent to the controller? */
enum ofp_packet_in_reason {
    OFPR_NO_MATCH,          /* No matching flow. */
    OFPR_ACTION             /* Action explicitly output to controller. */
};
//分析抓取的数据包，可以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
//第一行是没有匹配的条目，第二行是action列表中包含转发给控制器的动作。
//两种情况：1.交换机查找流表，发现没有匹配条目,但是这种包没有抓到过2.有匹配条目,对应的action是OUTPUT=CONTROLLER,固定收到向控制器发送包（分别是这上下两段代码）
/* Packet received on port (datapath -> controller). */
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  /* ID assigned by datapath. */
    uint16_t total_len;    //data字段的长度 /* Full length of frame. */
    uint16_t in_port;      //数据包进入交换机时的端口号 /* Port on which frame was received. */
    uint8_t reason;        //发送Packet-in消息的原因 /* Reason packet is being sent (one of OFPR_*) */
    uint8_t pad;
    uint8_t data[0];       //携带的数据包 /* Ethernet frame, halfway through 32-bit word,
                               so the IP header is 32-bit aligned.  The
                               amount of data is inferred from the length
                               field in the header.  Because of padding,
                               offsetof(struct ofp_packet_in, data) ==
                               sizeof(struct ofp_packet_in) - 2. */
};
OFP_ASSERT(sizeof(struct ofp_packet_in) == 20);

7.flow-Mod

/* Flow setup and teardown (controller -> datapath). */
struct ofp_flow_mod {
    struct ofp_header header;
    struct ofp_match match;    //流表的匹配域  /* Fields to match */
    uint64_t cookie;           // 流表项标识符 /* Opaque controller-issued identifier. */

    /* Flow actions. */
    uint16_t command;          //可以是ADD,DELETE,DELETE-STRICT,MODIFY,MODIFY-STRICT   /* One of OFPFC_*. */
    uint16_t idle_timeout;      //空闲超时时间  /* Idle time before discarding (seconds). */
    uint16_t hard_timeout;       //最大生存时间 /* Max time before discarding (seconds). */
    uint16_t priority;          //优先级，优先级高的流表项优先匹配  /* Priority level of flow entry. */
    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     /* Buffered packet to apply to (or -1).
                                     Not meaningful for OFPFC_DELETE*. */
    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     /* For OFPFC_DELETE* commands, require
                                     matching entries to include this as an
                                     output port.  A value of OFPP_NONE
                                     indicates no restriction. */
    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。    /* One of OFPFF_*. */
    struct ofp_action_header actions[0]; //action列表/* The action length is inferred
                                            from the length field in the
                                            header. */
};
OFP_ASSERT(sizeof(struct ofp_flow_mod) == 72);

8.Packet-out

/* Send packet (controller -> datapath). */
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    /* ID assigned by datapath (-1 if none). */
    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   /* Packet's input port (OFPP_NONE if none). */
    uint16_t actions_len;      //action列表的长度，可以用来区分actions和data段   /* Size of action array in bytes. */
    struct ofp_action_header actions[0]; //动作列表 /* Actions. */
    /* uint8_t data[0]; */   // 数据缓存区，可以存储一个以太网帧，可选    /* Packet data.  The length is inferred
                                     from the length field in the header.
                                     (Only meaningful if buffer_id == -1.) */
};
OFP_ASSERT(sizeof(struct ofp_packet_out) == 16);

个人总结
本次实验还算简单，经过这次实验，对这个OpenFlow 交换机与控制器交互过程我更加熟悉。对于hello，Features Request等各种数据格式的了解。对wireshark抓包的过程更加熟悉。进阶的时候需要打开openflow.h里面查看数据结构，代码量还是挺多的，在里面找结构有点困难，才很长的时间才找出主要消息类型的结构构成。
问题与解决
1、一开始先后顺序反了，先开启拓扑再开启wireshark,没找到hello数据包
2、hello有一个是openflow_v1有一个是openflow_v6,找了很久才找到。
3、一开始不知道flowmod需要pingall才可以抓到包。之后查阅资料才知道。

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