SDN拓扑发现原理

Posted 2022-01-31 安全防护技术

SDN网络链路发现

• 前言
• LLDP（Link Layer Discovery Protocol，链路层发现协议）
• OpenFlow中LLDP处理流程
• 网络中存在非OpenFlow设备时，如何去做链路发现？
• 参考

前言

SDN网络的一大特点就是资源由控制器集中管理，控制器管理网络，最基本的当然需要知道网络的拓扑，而网络拓扑可能时时发生变化，所以控制器需要时时监测。对于传统交换机，正常情况他们是通过LLDP等类似的邻居发现协议发现彼此网络设备，形成整网拓扑。OpenFlow的官方没有规定标准的拓扑发现方法，现在的OFDP（OpenFlow Discovery Protocol）利用的仍然是传统网络中的链路发现协议LLDP。而在SDN环境中，设备是无脑的，此时需要借助Openflow和LLDP同时工作，来保障Controller环境下能够对全网进行拓扑发现。

LLDP（Link Layer Discovery Protocol，链路层发现协议）

LLDP提供了一种标准的链路层发现方式，可以将本端设备的的主要能力、管理地址、设备标识、接口标识等信息组织成不同的TLV（Type/Length/Value，类型/长度/值），并封装在LLDPDU（Link Layer Discovery Protocol Data Unit，链路层发现协议数据单元）中发布给与自己直连的邻居，邻居收到这些信息后将其以标准MIB（Management Information Base，管理信息库）的形式保存起来，以供网络管理系统查询及判断链路的通信状况。
LLDP是一个信息发现与通告协议，LLDP的实体中维护了两个MIB库（管理信息库），一个local system MIB，用于维护本地相关设备MIB信息，一个remote system MIB，用于维护远端设备MIB信息。
LLDP通过PTOPO MIB、Enitity MIB、Interface MIB、Other MIB等库来维护local system MIB，并将本地的相关信息通告。当接收到其他设备的信息时就将其更新到remote system MIB中。

在传统以太网交换机中，交换机从自己的每个端口发送LLDP数据包，这个数据包不会被其他交换机转发，寿命只有一跳，LLDP负载被封装在以太网帧中，结构如下图，其中深灰色的即为LLDP负载，Chassis ID TLV, Port ID TLV和Time to live TLV三个是强制字段，分别代表交换机标识符（在局域网中是独一无二的），端口号和TTL。这个数据发出并被邻居节点收到之后进行解析，就可以知道这条链路的源目的交换机以及源目的接口。

OpenFlow中LLDP处理流程

在SDN网络中，由于控制器对域内的交换机进行集中控制，所以交换机是通过接收控制器发送的指令来完成LLDP帧的发送和接收。
假设现在有两个OpenFlow交换机连接在控制器上，如下图，简述拓扑发现步骤（以S1作为主体，S2的类似）：

1. SDN控制器构造PacketOut消息向S1的三个端口分别发送上图所示的LLDP数据包，其中将Chassis ID TLV和Port ID TLV分别置为S1的dpid和端口号；
2. 控制器向交换机S1中下发流表，流表规则为：将从Controller端口收到的LLDP数据包从他的对应端口发送出去；
3. 控制器向交换机S2中下发流表，流表规则为：将从非Controller接收到LLDP数据包发送给控制器；
4. 控制器通过解析LLDP数据包，得到链路的源交换机，源接口，通过收到的PacketIn消息知道目的交换机和目的接口；

如下图所示,

1. OpenFlow控制器向OpenFlow交换机2发送Packet-Out消息，以此来发送LLDP帧。
2. OpenFlow交换机2通过OpenFlow交换机1上连接的网络接口发送包含packet-Out消息中的LLDP帧。
3. OpenFlow交换机1接收来自openflow交换机2的LLDP帧后，将LLDP帧添加到Packet-In消息中，然后发送给OpenFlow控制器，OpenFlow控制器依据OpenFlow交换机1发来的Packet-In消息中所包含的信息，构建网络拓扑检测的数据库。

OpenFlow交换机不对LLDP帧做任何处理，而是由OpenFlow控制器进行网络拓扑检测。
LLDP与OpenFlow二者之间的关系仅仅是在OpenFlow框架内运用LLDP,即使OpenFlow规范中并未标明LLDP，该规范也支持LLDP，但并不意味着必须要用LLDP来进行网络拓扑检测，同样，利用IS-IS或OSPF也能实现网络拓扑检测。

网络中存在非OpenFlow设备时，如何去做链路发现？

基于LLDP消息的方法只能对于控制器直连的openflow交换机进行链路发现，如果网络中存在非openflow域，即两台openflow交换机通过其他多台非openflow交换机连接，此时需要其他的链路发现手段。在这种情况下，控制器还是会首先发送packet-out消息给与之相连的openflow交换机，先维护OpenFlow交换机直连场景的拓扑。但同时控制器会要求交换机发出广播包，广播包将被发往除交换机和控制器相连的端口之外的其他端口。广播包从openflow交换机发出后，如果网络中存在非openflow域，广播包将从这个网络域的一端进入并穿越，达到与该非openflow域连接的其他openflow交换机。因为在接收到广播包的openflow交换机中并没有对应的流表项可供广播包匹配，所以该广播包将被上传到控制器，从而告知控制器在网络中存在非openflow域。
如果控制器并没有收到上传的广播包，那么就可判断出整个网络都有openflow交换机组成。why？ 相连的都是openflow交换机时，会丢弃广播包？
（总结，控制器通过要求交换机发送广播包，广播包会穿过非openflow域，最后通过到达的openflow交换机上交控制器，由此获知存在非openflow域。）
说明OpenFlow交换机有处理广播的流表，而这些流表均是刚开始做LLDP探测时控制器下发的。

参考

H3C<LLDP技术介绍>
LLDP（链路层发现协议）和OpenFlow
提高SDN控制器的拓扑发现性能
SDN交换机的拓扑发现与ARP处理
获得SDN全网信息关键：链路发现技术