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。
