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SDN 學習筆記(二): OpenFlow 1.0 介紹

davidlei included in SDN
   552 words   3 minutes 

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

https://imgur.com/AioLuDj.jpg OpenFlow 1.0 spec 架構圖

Flow Table

https://imgur.com/YazXiG6.jpg

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

https://i.imgur.com/3BGpIr4.png

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。

https://i.imgur.com/exsmUoB.png

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。

https://i.imgur.com/tgv3Nbj.png

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

https://i.imgur.com/UdCjSyJ.png

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。

https://i.imgur.com/8L2cErK.png

Matching

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

https://i.imgur.com/QD4VWvh.png

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

https://i.imgur.com/wJHVTOf.png

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。

Reference

Updated on 2021-08-13
 network, SDN
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