floodlight路由机制分析

路由部分是floodlight最核心的机制，这两天仔细读了一下floodlight这部分的代码，总算有了大体上的了解，与各位分享。

本文中的floodlight（FL）与控制器/网络控制器（NC, nework controller ） 等术语等同，交换机（SW）默认为openflow-enabled switch，不再赘述。

首先谈一下SDN控制器的路由原理：当交换机收到一个不能被当前流表各条流匹配的数据包时，会把这个数据包以openflow的格式（PACKET_IN）发送给控制器。控制器经过路由决策后，同样以openflow的格式（PACKET_OUT）的方式将该数据包的下一跳信息回给该交换机。

如果学过最短路径计算的同学一定知道，两点之间的最短路径计算首先要知道任意两点之间是否相连，如果两者间有link相连还需知道其长度。所以总体而言，FL路由包括两部分：拓扑更新和路由计算，前者是定时事先完成的，形成一个全局的拓扑结构，后者是收到数据包后运行时完成的，根据拓扑生成路由策略。

首先看拓扑更新。SDN环境中拓扑是集中控制的，故FL需要了解全局的拓扑环境，所以FL在链路更新时自动更新拓扑。

1 链路更新

当交换机加入SDN环境后，控制器通过LLDP协议定时地获得该交换机与其他设备连接的link信息，然后添加或更新这些link(LinkDiscoveryManager.addOrUpdateLink())，最后将这些link更新的事件添加到updates队列中(LinkDiscoveryManager.handleLldp())。

2 拓扑更新

计算路由的关键在于路径更新和路由计算，该过程为：
2.1 启动 首先拓扑管理启动（TopologyManager.startUp()）时新起一个线程UpdateTopologyWorker，间隔500ms重复运行 。
2.2 更新拓扑 如果之前在第一步中有一些链路、交换机等更新，那么LDUpdates队列中会有元素，那么依次取出这些链路更新的元素（TopologyManager.updateTopology()/TopologyManager.applyUpdates()），判断其类型（如链路更新/删除、端口增加/删除），进行响应处理。
以链路更新为例，调用TopologyManager.addOrUpdateLink()方法，判断链路类型（多跳、单跳或隧道），再把link添加到相应交换机的端口中，如果是多跳的则再删除可能的单跳link
2.3 计算拓扑路径 每次新建一个实例（TopologyManager.createNewInstance()），初始化过程中计算拓扑路径（TopologyInstance.compute()），具体地：
2.3.1 归类 将现有所有相连的link置于同一个簇中，从而形成多个簇结构（identifyOpenflowDomains()）
2.3.2 建簇 遍历所有link（addLinksToOpenflowDomains()），如果link连接的是同一个簇，则将其加入该簇，所以该方法统计了所有簇内的link。FL这么做也是减少路由计算的开销，不然若干个大二层网络中共有n个节点，就需要n平方的存储开销，计算效率也会下降，如果将不相连的节点分开就减少了上述开销。
2.3.3 遍历所有簇 对于每个簇内sw，形成一个BroadcastTree结构（包括两个属性：cost记录到其他簇内sw的路径长度，links记录其他sw的link），最终将信息保存到destinationRootedTrees中（caculateShortestPathTreeInClusters ()和calculateBroadcastNodePortsInClusters()），核心思想就是使用dijkstra计算簇内任意两点的最短路径，保存到该点的cost和下一跳。
2.4 定义路径计算模式 这样，FL就获得了从一个点出发所有相连的所有路径和点。那么只要给定一个源SW节点和一个目的SW节点，那就能知道这两者间的最短路径长度和。早在2.3开始TopologyInstance在定期新建实例时，就定义了根据拓扑计算路径的方法：

  
pathcache = CacheBuilder.newBuilder().concurrencyLevel(4)
                  .maximumSize(1000L)
                    .build(
                            new CacheLoader<routeid, route="">() {
                                public Route load(RouteId rid) {
                                    return pathCacheLoader.load(rid);
                                }
                            });

这里的pathcache是一个类似hash表的结构，每当被调用get时执行pathCacheLoader.load(rid)，所以这里没有真正计算路由路径，只是一个注册回调。具体运行时在后面3.6中的getRoute方法中被调用：

result = pathcache.get(id);

在TopologyInstance.buildRoute方法实现该路由rid的计算：先确定目的sw，因为2.3.2中以获得源目的sw的最短路径，然后根据nexthoplinks迭代查找该路径上的所有sw，最终形成一个path。
虽然2.4中没有最终计算节点间的路径，但是2.3中使用dijkstra计算了任意两点间的距离，基本上已经完成了90%的路由计算功能，在大二层网络中这也是不小的开销。

3 路由计算

当完成拓扑计算后，FL在运行时可计算输入的数据包应走的路由。这里还需说明一下，FL的某些模块监听PACKET_IN数据包，Controller收到这个数据包后，会逐个通知这些模块，调用其receive方法：

for (IOFMessageListener listener : listeners) {
                        pktinProcTime.recordStartTimeComp(listener);
                        cmd = listener.receive(sw, m, bc);
                        pktinProcTime.recordEndTimeComp(listener);

                        if (Command.STOP.equals(cmd)) {
                            break;
                        }
                    }

那么回到路由计算这部分来，Controller会依次调用以下模块：
3.1 LinkDiscoveryManager链路处理模块，如果数据包是LLDP处理该消息，如步骤1中在此处会有处理；如果是正常的数据包则略过，所以这里忽略
3.2 TopologyManager拓扑管理模块，查看源端口在TopologyInstance是否允许转发
3.3 DeviceManager设备模块，通过源目SW的id和port相连的device找到源设备和目的设备，如找不到则放弃，否则暂存入一个上下文结构context
3.4 Firewall防火墙模块，判断该数据包的源目的主机是否可以通信，如不在规则表中则继续
3.5 LoadBalancer负载均衡模块，如是ARP数据包则查看是否在vipIPToId中，如不在则继续。这里关系不大，忽略。
3.6 ForwardBase路由模块，首先在上下文context查找之前模块是否已有路由策略，如无则检查是否数据包是广播的，如是则Flood。否则调用doForwardFlow，我们主要看这个方法，具体的，从上下文中获取3.3中解析的源目的主机信息，如果不在同一个iland上（我的理解是这两台主机在FL的知识库中没有路径，也许中间有别的传统方法相连，也许根本不相连），则Flood；如果在同一个端口，那就是同一台主机，则放弃；否则调用routingEngine.getRoute获得路由。这个才是最重要的，也是2.4中没有完成的最终部分，这里使用了TopologyInstance的getRoute方法，使用2.4的方法计算出路由路径，然后调用将路由所对应的路径推送给交换机，如果是多跳路径，则将路由策略推送给该路径上的所有交换机（ForwardBase.pushRoute()）。

最后给出一个场景吧，假定h1和h2是主机，s1、s2和s3是交换机，拓扑是h1-s1-s2-s3-h2。当h1 ping h2，首先h1发送ARP包，由于该数据包是广播的，那么最终ForwardBase会执行doFlood，所有交换机都会广播这个数据包，最后h2收到s3广播的的ARP请求后，向h1发送ARP响应。h1收到ARP响应后发送ping请求，该包在交换机以PACKET_IN的形式发送给floodlight，此时floodlight知道h1所在的交换机s3，所以调用doForwardFlow，计算出
s1到s3的路径s1->s2，s2->s3，然后将OFFlowMod命令发送给s1、s2和s3。最终数据包通过s1、s2和s3直接被发送到h2，搞定。

p.s.1 Floodlight在计算拓扑calculateShortestPathTreeInClusters时，首先会将所有的路径置为失效，然后在计算所有两点间距离，如果每次（间隔为500ms）存在一条链路变动，那么就需要重做所有计算，在大二层网络中会不会出现性能瓶颈？
p.s.2 Floodlight的计算出路由后，下发的流只包括源目的主机的mac，流的其他字段都是通配符，这么做的逻辑应该是“我只做路由和转发功能，别的不用控制”。这样会给北向的APP造成很大的麻烦，例如在做DDoS的防御时，需要检查每条流的目的端口，如果流的dst_transport_addr是*的话，显然无法检测攻击，甚至连FL自带的Firewall都力不从心。
p.s. 一般而言，交换机的端口与与其他端口相连，有两个对称的link。但TopologyManager中有一类特殊的端口broadcastDomainPorts，这类是广播端口，不是一般的端口，没有对称的link.