OpenFlow 交换机与控制器交互步骤

Posted 2020-12-31 multhree

1. Hello
控制器与交互及互相发送 Hello 消息。Hello消息中只包含有OpenFlow Header，其中的 type 字段为 OFPT_HELLO，version 字段为发送方所支持的最高版本 OpenFlow 。这时候会出现两种情况：

• 双方都支持 OpenFlow ，则选取 Hello 消息中最低版本的协议作为通信协议
  
• 如果其中有一方不支持 OpenFlow 协议版本，则发送 Error 消息后断开连接

如果双方 OpenFlow 版本可以兼容，则 OpenFlow 连接建立成功。
Q1：Hello 消息是使用什么协议传输？TCP？UDP？
Q2：所有的网络协议在升级的时候都必须向前兼容更低版本的协议？

2. Features Request
OpenFlow 连接建立之后，就像你刚到手一部新手机，你最想知道的就是手机的配置如何一样，控制器最需要获得交换机的特性信息，交换机的特性信息包括交换机的 ID（DPID），交换机缓冲区数量，交换机端口及端口属性等等。
控制器向交换机发送 Features Request 消息查询交换机特性，Features Request 消息只包含 OpenFlow Header，其中 type 字段为 OFPT_FEATURES_REQUEST。

3. Features Reply
交换机在收到控制器发出的 Features Request 消息后返回 Features Request 消息，Features 消息包括 OpenFlow Header 和 Features Reply Message。后者结构如下:

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*/
};

Q3：uint8_t pad[3] 这一字段的作用是什么？为了保证整个结构体长度是 64bits 的整数倍？

ofp_capabilities 结构如下：

ofp_actions_type 结构如下：

ofp_phy_port 结构如下：

struct ofp_phy_port{
    uint16_t port_no; /*物理端口的编号*/
    uint8_t hw_addr[OFP_EHT_ALEN]; /*MAC地址*/
    char name[OFP_MAX_PORT_NAME_LEN]; /*端口的名称*/
    uint32_t config; /*端口配置，见 ofp_port_config*/ 
    uint32_t state; /*端口状态，见ofp_port_state*/
    uint32_t curr; /*物理属性*/
    uint32_t advertised; /*物理属性*/
    uint32_t supported; /*物理属性*/
    uint32_t peer; /*物理属性*/
};

ofp_port_config 和 ofp_port_state 结构如下：

4. Set config
知道了交换机的特性之后就要配置交换机了。OpenFlow 交换机只有两个属性需要控制器配置：

• 第一个属性为 flags，用来指示交换机如何才处理 IP 分片数据包。
  
• 第二个属性为 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。
  

5. Packet-in
有两种情况会触发交换机向控制器发送 Packet-in 消息：

• 当交换机收到一个数据包后，查找流表。如果流表中有匹配条目，则交换机按照流表所指示的 action 列表处理数据包。如果没有，则交换机将数据包封装在 Packet-in 消息中发送给控制器处理，注意这时候数据包仍然会被放进缓冲区等待处理而不是被丢弃。
  
• 数据包在流表中有匹配的条目，但是其中所指示的 action 列表中包含转发给控制器的动作（Output = CONTROLLER），注意这时候数据包不会被放进缓冲区。
  Packet-in消息格式如下：

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*/
};

ofp_packet_in_reason 结构如下：

enum ofp_packet_in_reason {
    OFPR_NO_MACTH  /*没有匹配的条目*/
    OFPR_ACTION   /*action列表中包含转发给控制器的动作*/
};

6. Flow-Mod / Packet-out
当控制器收到 Packet-in 消息时有两种响应的方式:
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。
Flow-Model 消息共有五种类型：

• ADD，用来添加一条新的流表项
• DELETE，用来删除所有符合一定条件的流表项
• DELETE-STRICT，用来删除某一条指定的流表项
• MODIFY，用来修改所有符合一定条件的流表项
• MODIFY-STRICT，用来修改某一条指定的流表项
  Flow-Mod 消息格式：

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*/
};

Packet-Out
并不是所有的数据包都需要 向交换机中添加一条流表项来匹配处理，网络中有些数据包出现的数量很少（如ARP、 IGMP等），没必要通过流表项来指定这一类数据包的处理方法。此时可以使用 Packet-Out 消息，高速交换机某一个数据包如何处理。

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*/
}

Flow-Mod 是指定一类数据包的处理方法，而 Packet-Out 则是指定某一个数据包的处理方法。不仅如此，Packet-Out 消息还可以让交换机产生一个数据包并按照 action 列表处理。

总结

基于 OpenFlow 的 SDN 工作流程，如下图：