【sdn】openflow1.3学习笔记（一）

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【sdn】openflow1.3学习笔记（一）

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前言

   在这篇文章里我们了解一下openflow1.3的全部特性

一、什么是openflow

   SDN的一个核心思想就是“转发、控制分离”，要实现转、控分离，就需要在控制器与转发器之间建立一个通信接口标准，允许控制器直接访问和控制转发器的转发平面。OpenFlow引入了“流表”的概念，转发器通过流表来指导数据包的转发。控制器正是通过OpenFlow提供的接口在转发器上部署相应的流表，从而实现对转发平面的控制。

二、名词解释

• Packet: 一种因特网框架，包含包头和负载。
• Port: packet 进入和流出的地方，可以为物理口、switch定义的逻辑口 或者 openflow协议规定的保留端口。
• Pipeline: openflow 交换机内的整个流表中的一段流，用于进行包的匹配、转发 与 修改。
• Flow Table: 容纳多段流的一张总表。
• Flow Entry: 流表中用于匹配和处理数据包的元素。它包含一组用于匹配数据包的匹配字段，一个用于匹配优先级的优先级，一组用于跟踪数据包的计数器，以及一组用于应用的指令。
• Match Field: 数据包匹配的字段，包括数据包头、入站端口、以及元数据值。匹配字段可以是通配符(匹配任何值) 在某些情况下是位掩码。
• Metadata: 一组可以带掩码的数据，用于在不同的表之间传递数据。
• Instruction: 当包命中flow entry时，instruction可以修改pipeline的处理流程，
     例如：将信息包定向到另一个流表，或者包含要添加到操作集的一组操作，或者包含   要立即应用到信息包的一组操作。
• Action: 可以操作包发往某个port，或者修改包，action可以作用于instruction中 也可以作用于group的bucket中。
     例如：递减包中的TTL值
• Action Set: 关联包的一组动作，可以在每个flow table处理完包时进行一个累积，当instruction组操作包退出pipeline时执行。
• Group``: 包含一个或多个action bucket` 的组。
• Action Bucket: 内含多个action的聚合，action bucket 作用于group内。
• Tag: 可以通过push和pop操作向header中添加或清除的一个标记。
• Outermost Tag: 最靠近packet进入时候的标签。
• Controller: 使用OpenFlow协议与OpenFlow交换机交互的一个控制器。
• Meter: 负责控制交换机上面包的流速，如果包的流速超过meter预设的阈值，则会触发meter band去进行丢包处理，也被称为Rate Limiter。

三、openflow消息类型

   通道中传输的OpenFlow消息类型包括以下三种：

• Controller-to-Switch消息：由控制器发出、OpenFlow交换机接收并处理的消息，主要用来管理或获取OpenFlow交换机状态。
• Asynchronous消息：由OpenFlow交换机发给控制器，用来将网络事件或者交换机状态变化更新到控制器。
• Symmetric消息：可由OpenFlow交换机发出也可由控制器发出，也不必通过请求建立，主要用来建立连接、检测对方是否在线等。

四、openflow组件

OpenFlow port

OpenFlow port可以连接：

• 物理口
• 由switch定义的逻辑口
• 保留端口

物理口就相当于实际存在的网口，逻辑口是switch定义出来的一个虚拟的口，
其中 物理口 和 逻辑口的区别在于， 逻辑口的packet会多出一个tunnel ID 的元数据，当逻辑的packet 进行 packet-in 传给控制器时，会把逻辑口的physical_port和logic_port一并上报。
保留端口用于和控制器、泛洪、或者发往非OpenFlow交换机

openflow pipeline

pipeline 流程:

1. 在当前table根据匹配域和优先级选择一条flow；
2. 执行该flow内的动作（包括：修改包，更新field、执行action、更新元数据）；
3. 发往下一张table。

flow 结构

   flow 结构

• match fields: 匹配数据包，匹配的字段包含inport，header，以及前面table写入的元数据；
• priority: 优先级，数字越大，优先级越高；
• counters: 计数器，记录经过这条flow的包数量；
• instructions 执行动作或者管道处理；
• timeouts: 一条flow的存活时间；
• cookie: 由控制器创建的一个不透明的数据，用于过滤flow的一个标记。

   flow 过期

• idle_timeout: 当一段时间(idle_timeout)内不再收到packet，则删除该flow；
• hard_timeout: 从下发此条flow开始的一段时间(hard_timeout)后，强制删除该flow。

match

当packet未匹配上流的行为有：

• 通过通道上报到controller
• 直接drop
• 进入到下一个table进行匹配

group

   group 结构

• group identifier: group 的一个uint32唯一标识
• group type: 用于辨别该group的模式（all、select、indirect、fast failover）
• counters: 计数器，记录过这个group的包的数量
• action buckets: 一组bucket的有序列表，每个bucket又有一系列的动作以及对应参数

   group 模式

• all: 包会被克隆，发往group内所有的bucket里被执行；
• select: 包只会选择group内一个bucket进行执行，选择方式根据switch上的选择算法，通过这种方式进行负载均衡；
• indirect: group内只有一个bucket，这样做的好处是能够让多条flow，都来执行相同的bucket，能够更好的进行收敛；
• fast failover: 执行第一个有效的bucket，每一个bucket都和控制其存活状态的特定的端口或者group相关联，这种模式的好处在于，可以不通过controller来让switch自己进行流量转发的重新定向，这种group模式必须实现一个存活机制。

Meter

   meter 结构

• meter identifier: meter的uint32唯一标识符
• meter bands: 每个meter band 标记了band 的带宽，以及包的处理方式
• counters: 计数器，统计通过的包数量

   meter bands 结构

• band type: 标记包要如何处理；
• rate: 标记着meter band能够选择的最低速率，用于指导meter如何选择去meter band；
• counters: 标记 meter band 处理过的包数量；
• type specific arguments: 一些 band 的可选参数：
  - drop: 可以用来定义一个速率限制 band；
  - dscp remark 降低报文的IP头中DSCP字段的丢弃优先级，可以被用作定义一个DiffServ策略器；

Instructions

   每一个Flow Entry里都包含有一系列的Instructions，这些Instructions会在与该Flow Entry成功匹配的数据包上执行，进而导致数据包头信息的修改、Action Set的更新或者改变Pipeline Processing的处理行为。

• Meter meter_id：将数据包直接转发给指定的Meter处理。
• Apply-Actions action(s)：立即对数据包执行指定的action(s)，而不是将这些action(s)更新到Actions Set中。这些action(s)可能会修改数据包的信息，它们以Action List的形式组织。
• Clear-Actions：立即清除Actions Set中的所有action(s)。
• Write-Actions action(s)：将指定的action(s)合并到当前的Actions Set中；如果给定类型的action当前已经存在于Actions Set中，那么会覆写，否则直接加入。
• Write-Metadata metadata/mask：将指定的metadata值写到当前的Metadata值域中。
• Goto-Table next-table-id：指定了在Pipeline Processing中的下一张Flow Table。这里的table-id必须大于当前的Flow Table id，并且Pipeline的最后一张Flow Table中不能含有这个指令；如果仅有一张Flow Table的OpenFlow Switch也不能支持该指令。

   每一个Flow Entry里每种类型（如上列表）的Instruction最多只能有一个，并且这些Instructins必须得按照上述列表的顺序来依次执行。往往在实际上，唯一的限制就是 Meter 指令必须在 Apply-Actions 指令前执行，Clear-Actions 指令必须在 Write-Actions 指令前执行，Goto-Table 必须放在最后执行。
   一个OpenFlow Swtich必须拒绝它不能支持的Instructions的Flow Entry，并且发出一个unsupported flow error给Remote Controller。Flow Tables可能会不支持每一个match，每一个instruction或者每一个action。

Action Set

   Action Set是与每个数据包相关联的，初始时是一个空集合；一个Flow Entry可以通过Write-Actions或者Clear-Actions指令来修改Action Set，这个Action Set会在不同的Flow Table之间进行传递，当一个Flow Entry的Instructions里不包含Goto-Table指令时，那么整个Pipeline Processing就会在此Flow Entry停止，然后开始执行与该数据包关联的Action Set里所有的action(s)。

   同样地，一个Action Set里每种类型的action最多只有一个，action类型大致如下所示：

• copy TTL inwards：在数据包上执行copy TTL inwards操作。
• pop：pop出数据包里所有的tag。
• push-MPLS：push MPLS tag到数据包里。
• push-PBB：push PBB tag到数据包里。
• push-VLAN：push VLAN tag到数据包里。
• copy TTL outwards：在数据包上执行copy TTL outwards操作。
• decrement TTL：降低数据包的TTL。
• set：在数据包上执行set-fields操作。
• qos：执行与qos相关的操作，比如set_queue。
• group：转到指定的Group Table里继续执行其Action Bucket里的action(s)。
• output：如果没有group action指定，那么将数据包转发到指定的port里。

   Apply-Actions指令会触发立即执行Action Set里的action(s)，并且这些action(s)必须按照上述列表的顺序来依次执行，而不管这些action(s)加入到Action Set的顺序，另外output action一定要是最后执行的；如果一个Action Set里同时存在output action和group action，那么此时group action将优先被执行，而output action将会被忽略，反之，如果一个Action Set里都不存在output action和group action，那么该数据包将会被丢弃。如果OpenFlow Switch支持的情况下，Group Action Bucket是可以递归执行的，即Action Bucket是可以继续指定另一个Group。

Action List

   Apply-Actions指令和packet-out消息都包含有一个Action List，这些Action List里的action(s)会依照上文列表的顺序依次执行，并且执行的结果会立即累积地反映到数据包信息里，比如Action List里有两个push-VLAN的action，那么这两个VLAN tag都会被加入到数据包头里。如果Action List里包含有output action，那么基于当前状态的数据包会被克隆一份，进而该克隆体被转发到指定的port里；如果Action List里包含有group action，那么同样地基于当前状态的数据包会被克隆一份，进而该克隆体被转发到指定的Group里。
   当数据包的Apply-Actions指令执行完成后，Pipeline会继续在修改过的数据包上继续执行后续的处理，而Action Set不会因为Action List的执行被修改。

Actions

  OpenFlow Switch并不需要支持所有的Action类型，但是下面加黑的类型必须得支持：

• Output：该action指将一个数据包转发到指定的OpenFlow Ports。
• Set-Queue：该action指为一个数据包设置一个queue id。当一个数据包通过output action转发到某个port时，该queue id 决定了该数据包被放在哪个queue用来调度转发，此方式可以用来实现QoS支持。
• Drop：没有显示的action来表示丢弃数据包，作为替代方案，如果一个数据包的Action Set里没有output action，那么将此数据包将会被丢弃。
• Group：将数据包转发到指定的Group继续处理。
• Push-Tag / Pop-Tag：Switch应该有能力支持 ( VLAN MPLS PBB ) 的push-tag/pop-tag的操作：
• Set-Fields：不同的set-fields action以其不同的field type来唯一标识，通过它可以修改数据包头的某些值域信息，比如VLAN tag的修改等。
• Change-TTL：该action可以修改数据包头的IPv4 TTL，IPv6 Hop Limit 或者 MPLS TTL等信息

参考

https://opennetworking.org/wp-content/uploads/2014/10/openflow-spec-v1.3.0.pdf
https://info.support.huawei.com/info-finder/encyclopedia/zh/OpenFlow.html
https://www.cnblogs.com/CasonChan/p/4626099.html