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SDN 學習筆記(二): OpenFlow 1.0 介紹

SDN 學習筆記第二篇

前言

想要深入了解一個協定的內容，看規格書是最快的，因為剛開始學習 SDN 相關的知識，所以目前正在讀OpenFlow1.0相關的內容，這篇文章會先主要介紹OpenFlow 1.0的架構，以及一些 spec 的整理.

之後也會整理一些 OpenFlow 1.3版本的內容，並且簡單描述跟 OpenFlow 1.0的差異。

為什麼會著重在1.0與1.3兩個版本呢？

1.0版本與之後的版本不兼容，所以1.0要最先介紹。 1.0以及1.3版本被選為長期支持的穩定版本 1.3為目前的主流版本，多數支持OpenFlow的硬體是支援OpenFlow1.3

參考資料: OpenFlow 協定演進

OpenFlow 1.0 架構

OpenFlow 1.0 spec 架構圖

Flow Table

在 OpenFlow Switch 中存放轉發規則的表稱之為 Flow Table

OpenFlow 1.0 中每個Switch只能存放一個Flow Table

Flow Table中每個項目被稱為 Flow Entry 在 OpenFlow 1.0 中，每個 Flow Entry 中都包含三個部份

  • Header Fields
  • Counters
  • Actions

Header Fields

OpenFlow 1.0 協定中共有12種可供匹配的條件， IP部份只支援IPv4。

分別如下，僅列出條列，細節說明請參考 OpenFlow 1.0 spec

  • L1
    • Ingress Port: 封包進入 Switch 的Port
  • L2
    • Ether source: 來源Mac Address
    • Ether dst: 目標Mac Address
    • Ether type: 乙太類型
    • VLAN ID
    • VLAN priority
  • L3
  • L4
    • TCP/UDP source port
    • TCP/UDP dst port

Counters

Counter 會針對每張 Flow Table, 每條 Flow entry, 每個 switch 上的 port 以及每個佇列分別紀錄一些相關資訊。

Actions

每一個 Flow entry 都伴隨著0或者多個 actions， actions代表今天封包匹配某個 Header fields 的條件成功之後會執行的動作。

假設匹配成功之後發現沒有設置 actions， 此時 Switch 就會把封包丟棄(dropped)，匹配成功之後執行 actions list 必定會按照原本的順序依序執行。

  • 如果 Controller 將 Flow entry 寫入 Switch 時，Swich 不支援某些 actions，則會被拒絕寫入 Switch 並且返回錯誤。
  • 當 Controller 在與 Switch 做連結時，Switch 就會告知 Controller 哪些 Optional Action 指令是它支援的。

Switch 並不需要支援所有在 spec 裡面提及的 action， 只有標注 Required Action 的才是一定要支援的，標注 Optional Action 的則是選用。

Required Action: Forward(轉發封包)

轉發除了要支援基本的 Switch port 之外， 也要支援以下的 virtual port。

也有兩個 Optional Action 的 virtual port， Switch 可以自行選擇要不要支援。

Required Action: Drop(丟棄封包)

除了可以設定 Drop action 之外， 假設今天有 Flow entry 沒有設定 action，switch 也會預設把封包丟棄。

Optional Action: Enqueue

Enqueue 可以將封包轉發至某個特定 port 的 queue 中，便於支援QoS。

Optional Action: Modify-Field(修改封包)

基本上最有彈性的 Modify-Field 雖然是標注為 Optional Action，但是 spec 有提到此功能可以大大提昇 OpenFlow 的實用性，基本上所有支援 OpenFlow 的 Switch 都會支援。

Matching

Packet flow in an OpenFlow switch: 封包處理流程

Parse header fields步驟會按照下方的圖表進行

封包會按照 flow entry 的優先度依序進行匹配

  • 匹配成功
    • 更新 Counter，並且按照 actions 去執行
    • 假設匹配到的 flow entry 並沒有設置 actions， 則丟棄此封包
    • 假設沒有匹配到任何符合條件的 flow entry，則將封包轉發至 Controller

解析封包獲得 Header field 用以檢索符合的 Flow entry

解析步驟可以簡單劃分成底下四點

  • 初始化 Headers
    • 設置 Ingress Port
    • 設置 Ethernet src, dst, type
    • 其餘欄位設成0
  • 根據 Eth type 填寫 Header
    • Eth type: 0x8100(802.1q)
      • 設置 VLAN ID 跟 優先度
    • Eth type: 0x0806(ARP) => Optional
      • 設置 IPv4 src, dst
    • Eth type: 0x0800(Ipv4)
      • 設置 IPv4 src, dst, toc
  • 根據 IPv4 封包來確定是TCP/UDP/ICMP協定
  • 寫入TCP/UDP/ICMP協定資料

Secure Channel

作為連結 Switch 與 Controller 的橋樑。

OpenFlow Protocol Message

記得,OpenFlow 是定義 Controller 與 Switch 溝通的通訊協定

OpenFlow 協定訊息分成三大類

  • Controller-to-Switch: 此類消息通常由 Controller 主動發出
  • Asynchronous: 此類消息通常由 Switch 主動發出
  • Symmetric: 此類消息 Controller 以及 Switch 都可以發出

Controller-to-Switch

  • Features

    Features message 是初始化建立 TLS 連線時由 Controller 發送， 要求 Switch 回覆它支援的 Option 功能。

  • Configuration

    Controller 可以用 Configuration message 來設置或者查詢 Switch 的配置訊息。

  • Modify-State

    Modify-State message 可以用來新增/修改/刪除位在 Switch 上的 Flow Table，也可以拿來設置 Switch 上 port 的屬性。

  • Read-State

    Read-State message 用來讀取 Switch's Flow Table 狀態/統計資料以及 port 的狀態。

  • Send-Packet

    Send-Packet message 用來傳送資料到指定 Switch 的 port。

  • Barrier

    OFPT_BARRIER_REQUEST、OFPT_BARRIER_REPLY。

Asynchronous

  • Packet-in

    Packet-in message 會在兩種情況觸發, 轉送封包去 Controller。

    • 沒有 match 到任何的 Flow entry
    • match 到的 Flow entry 有著 packet-in action

    假設 Switch 還有足夠的 memory 去緩衝 packet 資料，Switch 會傳送部份的 packet header (默認128 bytes) 以及 buffer ID 給 Controller。

    對於不支援緩存的 Switch 或者 memory 空間不足的情況，Packet-in 事件會把完整的 packet 轉送給 Controller。

  • Flow-Removed

    在 Controller 傳送 flow modify message 時， 在封包裡面可以選擇填入 idle timeout, hard timeout。

    • idle timeout: Counter 會紀錄 flow entry 最後被 match 的時間點，如果超過就刪除。
    • hard timeout: Counter 會紀錄 flow entry 被建立的時間，如果超過就刪除。

    Flow-Removed message 會在 Switch 刪除某條 Flow entry 時被觸發，傳訊告知Controller。

  • Post-status

    在 Switch port 狀態改變時，傳送狀態更新給 Controller。

  • Error

    Switch 回傳錯誤訊息。

Symmetric

  • Hello

    初始化 OpenFlow 連線時使用。

  • Echo

    Echo request/reply messages 可以由 Controller 或者 Switch 發起 request，收到的一方必須回覆 reply，可以藉此測試延遲，頻寬還有連線的狀況。

  • Vendor

    自定義訊息

結語

在 OpenFlow 規格書中通常分成前半部份的規範以及後半部份的協議實作

規範通常是講解觀念部份，後半部的協議通常探討實現規範的細節，本文章只有大概介紹一下規範讓讀者可以快速的了解 OpenFlow 的概要。

目前主流的 OpenFlow 版本為 OpenFlow 1.3 ，相較於 OpenFlow 1.0 增加了很多方便的新功能， 所以大概看過 OpenFlow 1.0 之後建議將閱讀重心放在1.3版本。

關於 OpenFlow 1.3 我在網路上找資料的時候有找到中文的全文翻譯，很推薦搭配著原文的規格書一起看， 連結在此: OpenFlow 1.3。

後續的實作都會採用1.3版本為主， 建議先大概看一輪上述的1.3文檔再繼續接下來的練習。

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