OpenFlow 介绍

OpenFlow 是一种网络通信协议，属于 数据链路层，能够控制网络交换器或路由器的转发平面，借此改变网络数据包所走的网络路径。OpenFlow 被认为是第一个软件定义网络标准之一。本文主要参考 OpenFlow v1.5.1 协议进行解析。

简介

OpenFlow 在 SDN 中的角色：SDN 控制平面与数据平面之间提供通信接口标准，目的是实现SDN网络的转发与控制分离架构

工作原理

传统网络

通过 路由表 和 MAC 地址转发数据包

基于 OpenFlow 的 SDN 网络

• SDN 控制器 通过使用 OpenFlow 协议来管理交换机，如下发流表、获取交换机上的端口、流量的统计信息等
• OpenFlow 交换机 查询 流表 转发数据包
  • 支持 OpenFlow 的交换机中包含多个 Flow table，通过 Flow table 过滤数据包并执行与 flow 相匹配的表项中的 Instructions

基本概念

• Flow（流） 是具有相同特征的数据包集合，流具有方向性，一般源MAC、目的MAC分别相同的数据包集合称为一条流
• Flow Table（流表） 是 OpenFlow 交换机收到流后进行抓发的规则表，相当于二层的 Mac 地址表和三层的路由表，OpenFlow 1.1 之后支持多张流表
  • 流表由 流表项（Flow Entry） 组成
  • Flow table 中的条目有优先级，过滤数据包时按照优先级（priority）从高到底依次匹配
• Group Table（组表） 是由若干条组表项（Group Entry）组成，具有将多个端口定义为一个组的能力，从而实现广播、多播，负载均衡、链路聚合、故障转移等
  • 有多个 group entry 组成
• Meter Table（计量表） 对流进行测量，从而为流提供QoS功能，如限速、DiffServ
  • 每台 OpenFlow 交换机只有一张计量表（Meter Table），由若干计量表项（Meter Entry）组成，每个计量表项可以定义一至多个计量带（Meter Band），计量带定义了带宽阈值和数据包处理方式（丢弃、DSCP标记）

流表项（Flow Entry）

MatchFields	Priority	Counters	Instructions	Timeouts	Cookie	Flags

• Match Fields（匹配域）：用于匹配数据包，是流表匹配的依据，如根据 源IP地址 + 目的IP地址 匹配一条流

• Priority（优先级）：表示该流表项的优先程度，越大优先级越高
• Counters（计数器）：当流表匹配时更新，用于统计流信息
• Instructions（指令）：修改 action set 或 pipeline processing
  • Action 包括：
    • Apply-Actions(Optional)
    • Clear-Actions(Required)
    • Write-Actions(Required)
    • Write-Metadata(Optional)
    • Stat-Trigger(Optional)
    • Goto-Table(Required)
  • Actios 包括，OpenFlow 交换机需要实现下述的 Required Action:
    • Required Action: Output port no. The Output action forwards a packet to a specified OpenFlow port (see 4.1) where it starts egress processing.
    • Required Action: Group group id. Process the packet through the specified group (see 5.10). The exact interpretation depends on group type.
    • Required Action: Drop. There is no explicit action to represent drops.
    • Optional Action: Set-Queue queue id. The set-queue action sets the queue id for a packet.
    • Optional Action: Meter meter id. Direct packet to the specified meter.
    • Optional Action: Push-Tag/Pop-Tag ethertype. Switches may support the ability to push/pop tags as shown in Table 2
    • Optional Action: Set-Field field type value. The various Set-Field actions are identified by their field type and modify the values of respective header fields in the packet
    • Optional Action: Copy-Field src field type dst field type. The Copy-Field action may copy data between any header or pipeline fields.
    • Optional Action: Change-TTL ttl. The various Change-TTL actions modify the values of the IPv4 TTL, IPv6 Hop Limit or MPLS TTL in the packet.

• Timeouts（超时时间）：流被交换机标记为失效的最长时间，或最大阻塞时间
• Cookie：由控制器设置的数值，用来统计流过滤、修改和删除的请求，processing packets 中未被使用
• Flags（标志）：用于流表项管理，例如 OFPFF_SEND_FLOW_REM 标志会触发流删除该流条目的消息

其中，流表项（Flow Entry）由 MatchFields 和 Priority 形成联合主键。

Group entry

Group Identifier	Group Type	Counters	Action	Buckets

• group identifier: a 32 bit unsigned integer uniquely identifying the group on the OpenFlow switch.
• group type: to determine group semantics (see Section 5.10.1).
  • Required: indirect: Execute the one defined bucket in this group.
  • Required: all: Execute all buckets in the group.
  • Optional: select: Execute one bucket in the group.
  • Optional: fast failover: Execute the first live bucket.
• counters: updated when packets are processed by a group.
• action buckets: an ordered list of action buckets, where each action bucket contains a set of actions to execute and associated parameters. The actions in a bucket are always applied as an action set (see 5.6).

Pipeline Processing

流水线上，多个flow table按照其数字编号从小到大排列着（table0, table1, … table N），进入交换机的数据包都是从pipeline的第一个flow table（即 table0）开始处理，对table0中的条目一条一条开始匹配

• 如果匹配成功则执行相应的action（这些动作可能导致从flow table跳到group table中）
• 若果所有条目都没有成功匹配，则根据table自身的不同配置执行相应的处理 Table Miss Flow Entry
  • drop
  • Goto-Table
  • 转发给控制器

Meter Table

Meter Identifier	Meter Bands	Counters

• meter identifier: a 32 bit unsigned integer uniquely identifying the meter
• meter bands: an unordered list of meter bands, where each meter band specifies the rate of the band and the way to process the packet
• counters: updated when packets are processed by a meter

OpenFlow 流表下发方式

• Proactive：在 OpenFlow 交换机预置路由表，数据包没有到达 OpenFlow 交换机前，SDN 控制器就行 OpenFlow 交换机主动下发流表
• Reactive：按需下发流表，若数据包经过 OpenFlow 交换机没有查到所需的流表，会产生 Packet-In 消息询问 SDN 控制器，SDN 控制器计算路由后下发流表到 OpenFlow 交换机

示例

• 在 Open vSwitch 中验证 OpenFlow 流表