資料中心網路技術 project2 實作一簡單的網路系統

交大資料中心網路技術 project 2，在這個 project 將會學到如何使用 Mininet 和 SDN controller (RYU) 來實作一簡單的網路系統。

Demo日期: 3/22 19:45

介紹

SDN Switch

Server1 要送封包給 Server2
首先，SDN switch 會檢查 flow table
接著，如果沒有符合的資訊在 flow table，則 switch 會將封包轉送給 controller，稱為 packet-in
最後，Controller 會決定 action，並送封包回去給 switch (packet-out)後在 flow table 新增項目。

Mininet

Mininet 建立一真實的「虛擬網路」，執行真實的 kernel、switch和 application code。
它在 linux kernel 上運行一終端主機、交換器、路由器和鏈結的 collection。
交換器是 OpenFlow-enabled

Ryu

為 SDN controller
Ryu 支援 OpenFlow 1.0~1.5
Ryu 可以和 OpenStack 協同工作以進行雲端計算
由 Python 撰寫
參考書

如何執行

建立 VM，如何建立就不再贅述，這邊使用的是 Ubuntu 20.04
安裝 Mininet
安裝 Ryu
執行 Mininet 和 Ryu 共同協作一簡單的 SDN 網路系統
研讀 SDN controller 的 sample code (參考上面的參考書第二章)

安裝 Mininet

安裝 git

1	sudo apt-get install -y git

需先將 https 改為 git

1	git config --global url."https://".insteadOf git://

Clone Mininet repo

1	git clone git://github.com/mininet/mininet

安裝 Mininet (約3~7分鐘)
1
2
cd mininet/util
sudo ./install.sh -a
測試 Mininet 是否安裝成功
1
sudo mn --test pingall

安裝 Ryu

安裝需要的套件
1
sudo apt-get install -y python3-pip

安裝 Ryu

1
2
3

git clone git://github.com/osrg/ryu.git
cd ryu
sudo pip3 install .

測試 Ryu
1
ryu-manager

執行 Mininet

建立 tree topology

1	sudo mn --controller=remote,ip=127.0.0.1 --topo tree,depth=3

執行 Ryu

找到 Ryu 安裝目錄
1
pip show ryu
前往 ryu 安裝目錄

執行 sample code: simple_switch_13.py

1	ryu-manager ryu/app/simple_switch_13.py

在 Mininet 執行 `pingall`

執行 pingall

simple_switch_13.py 如何運作

Switching Hub

Switching Hub 有很多功能，這邊測試的交換器只具有以下簡單功能:

知道連接到埠的主機 MAC 位址並將其保留在 MAC address table 中。
當接收到發送已知主機的封包時，將它們傳送到連接到主機的埠。
當接收到發送未知主機的封包時，執行 flooding。
以下利用 Ryu 實作一 switch。

Switching Hub by OpenFlow

OpenFlow switches 可以透過接收來自 Ryu 等 OpenFlow controller 的指令來執行以下操作:

重寫接收封包的位址或從指定埠傳輸封包。
將接收到的封包傳送到控制器 (Packet-In）。
轉送控制器從指定埠轉送的封包 (Packet-Out)。

首先，需要使用 Packet-In 功能來學習 MAC 位址。控制器可以使用 Packet-In 功能從交換機接收封包。交換器分析接收到的封包以了解主機的MAC位址和連接埠的資訊。

學習後，交換器將接收到的封包轉送出去。交換器會檢查封包的目的 MAC 地址是否屬於學習到的主機。根據檢查結果，交換器會執行以下處理。

如果是已經學習過的主機: 使用 Packet-Out 功能從連接埠傳送封包
如果是未知主機: 使用 Packet-Out 功能執行 flooding。

實際操作前的觀念

初始化
- flow table 為空的初始狀態。
- 假設主機 A 連接到埠 1，主機 B 連接到埠 4，主機 C 連接到埠 3。
A -> B
- 當封包從主機 A 發送到主機 B 時，會發送 Packet-In 訊息，並通過埠 1 學習主機 A 的 MAC 位址。由於尚未找到主機 B 的埠，因此封包被 flooding 並由主機 B 和主機 C 接收。
- Packet-In
  1
  2
  3
  in-port: 1
  eth-dst: Host B
  eth-src: Host A
- Packet-Out
  1
  action: OUTPUT:Flooding
B -> A
- 當封包從主機 B -> A 時，會在 flow table 中增加一個 entry，並將封包傳送到埠 1。因此不會被主機 C 收到。
- Packet-In
  1
  2
  3
  in-port: 4
  eth-dst: Host A
  eth-src: Host B
- Packet-Out
  1
  action: OUTPUT:Port 1
A -> B
- 再一次 A-> B，會在 flow table 中增加一個 entry，並且封包也會傳送到埠 4。
- Packet-In
  1
  2
  3
  in-port: 1
  eth-dst: Host B
  eth-src: Host A
- Packet-Out
  1
  action: OUTPUT:Port 4

實際操作

利用 simple_switch_13.py 實作，尚有 simple_switch.py (OpenFlow 1.0) 和 simple_switch_12.py (OpenFlow 1.2)，依據 OpenFlow 的版本決定，所以這邊是以 OpenFlow 1.3 實現。

from ryu.base import app_manager
from ryu.controller import ofp_event
from ryu.controller.handler import CONFIG_DISPATCHER, MAIN_DISPATCHER
from ryu.controller.handler import set_ev_cls
from ryu.ofproto import ofproto_v1_3
from ryu.lib.packet import packet
from ryu.lib.packet import ethernet

class ExampleSwitch13(app_manager.RyuApp):
    OFP_VERSIONS = [ofproto_v1_3.OFP_VERSION]

    def __init__(self, *args, **kwargs):
        super(ExampleSwitch13, self).__init__(*args, **kwargs)
        # initialize mac address table.
        self.mac_to_port = {}

    @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPSwitchFeatures, CONFIG_DISPATCHER)
    def switch_features_handler(self, ev):
        datapath = ev.msg.datapath
        ofproto = datapath.ofproto
        parser = datapath.ofproto_parser

        # install the table-miss flow entry.
        match = parser.OFPMatch()
        actions = [parser.OFPActionOutput(ofproto.OFPP_CONTROLLER,
        ofproto.OFPCML_NO_BUFFER)]

        self.add_flow(datapath, 0, match, actions)

    def add_flow(self, datapath, priority, match, actions):
        ofproto = datapath.ofproto
        parser = datapath.ofproto_parser

        # construct flow_mod message and send it.
        inst = [parser.OFPInstructionActions(ofproto.OFPIT_APPLY_ACTIONS,
        actions)]
        mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, priority=priority,
        match=match, instructions=inst)
        datapath.send_msg(mod)

    @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPPacketIn, MAIN_DISPATCHER)
    def _packet_in_handler(self, ev):
        msg = ev.msg
        datapath = msg.datapath
        ofproto = datapath.ofproto
        parser = datapath.ofproto_parser

        # get Datapath ID to identify OpenFlow switches.
        dpid = datapath.id
        self.mac_to_port.setdefault(dpid, {})

        # analyse the received packets using the packet library.
        pkt = packet.Packet(msg.data)
        eth_pkt = pkt.get_protocol(ethernet.ethernet)
        dst = eth_pkt.dst
        src = eth_pkt.src

        # get the received port number from packet_in message.
        in_port = msg.match['in_port']

        self.logger.info("packet in %s %s %s %s", dpid, src, dst, in_port)

        # learn a mac address to avoid FLOOD next time.
        self.mac_to_port[dpid][src] = in_port

        # if the destination mac address is already learned,
        # decide which port to output the packet, otherwise FLOOD.
        if dst in self.mac_to_port[dpid]:
            out_port = self.mac_to_port[dpid][dst]
        else:
            out_port = ofproto.OFPP_FLOOD

        # construct action list.
        actions = [parser.OFPActionOutput(out_port)]

        # install a flow to avoid packet_in next time.
        if out_port != ofproto.OFPP_FLOOD:
            match = parser.OFPMatch(in_port=in_port, eth_dst=dst)
            self.add_flow(datapath, 1, match, actions)
            
        # construct packet_out message and send it.
        out = parser.OFPPacketOut(datapath=datapath,
                                buffer_id=ofproto.OFP_NO_BUFFER,
                                in_port=in_port, actions=actions,
                                data=msg.data)
        datapath.send_msg(out)

Class 定義和初始化
為了實作 Ryu

要繼承 ryu.base.app_manager.RyuApp。
設定 OFP_VERSIONS 指定為 OpenFlow 1.3。

MAC address table mac_to_port 也要定義。
在 OpenFlow 中，定義 OpenFlow 交換器與控制器間通訊所需的握手過程。但由於 Ryu 的框架負責處理這些程序，因此無需了解。

# 繼承於 app_manager.RyuApp
class ExampleSwitch13(app_manager.RyuApp):
  # 使用 OpenFlow 1.3
  OFP_VERSIONS = [ofproto_v1_3.OFP_VERSION]

  # 初始化設定
  def __init__(self, *args, **kwargs):
    super(ExampleSwitch13, self).__init__(*args, **kwargs)
    # 定義 MAC address table
    self.mac_to_port = {}
# ...

事件處理器(Event Handler)

使用 Ryu 時，當接收到 OpenFlow 訊息時，會產生與該訊息相對應的事件。Ryu App. 實現了一個與希望接收的訊息相對應的事件處理器。

事件處理器定義一個具有事件對象(event object)的函數，並使用 ryu.controller.handler.set_ev_cls decorator 進行 decorate。(decorate 是什麼有待補充，我也不太了解細節)

set_ev_cls 為指定事件類別和 OpenFlow 交換器的狀態。

事件類別為 ryu.controller.ofp_event.EventOFP + <OpenFlow Message name>。例如，在 Packet-In 訊息的情況下，會變成 EventOFPPacketIn。

Definition Explanation

ryu.controller.handler.HANDSHAKE_DISPATCHER 交換 HELLO 訊息

ryu.controller.handler.CONFIG_DISPATCHER 等待接收 SwitchFeatures 訊息

ryu.controller.handler.MAIN_DISPATCHER 正常狀態

ryu.controller.handler.DEAD_DISPATCHER 取消連接

Definition	Explanation
ryu.controller.handler.HANDSHAKE_DISPATCHER	交換 HELLO 訊息
ryu.controller.handler.CONFIG_DISPATCHER	等待接收 SwitchFeatures 訊息
ryu.controller.handler.MAIN_DISPATCHER	正常狀態
ryu.controller.handler.DEAD_DISPATCHER	取消連接

新增表格遺失(Table-miss)的 Flow entry

與 OpenFlow 交換器握手後，將表格遺失的 flow entry 新增到 flow table 中，以準備接收 Packet-In 訊息。

在接收到 Switch Features(Features Reply)訊息後，新增表格遺失的 flow entry。

# 指定事件類別和 OpenFlow 交換器狀態
@set_ev_cls(ofp_event.EventOFPSwitchFeatures, CONFIG_DISPATCHER)
def switch_features_handler(self, ev):
  datapath = ev.msg.datapath
  ofproto = datapath.ofproto
  parser = datapath.ofproto_parser
# ...

在 ev.msg 中，存儲了事件對應的 OpenFlow 訊息類別的實例。在這種情況下他是 ryu.ofproto.ofproto_v1_3_parser.OFPSwitchFeatures。
在 msg.datapath 中，存儲發出此訊息 OpenFlow 交換器對應的 ryu.controller.controller.Datapath 類別的實例。
Datapath 類執行重要的處理，例如與 OpenFlow 交換器的實際通訊以及與接收到的訊息對應的事件發布。

Ryu 應用程序使用的主要屬性如下:

屬性名	解釋
id	連接的 OpenFlow switch ID (data path ID)。
ofproto	表示支持正在使用的 OpenFlow 版本的 ofproto 模組。在 OpenFlow 1.3 形式的情況下，將遵守模組 `ryu.ofproto.ofproto_v1_3`。
ofproto_parser	同 ofproto，表示 ofproto_parser 模組。在 OpenFlow 1.3 形式的情況下，將遵守模組 `ryu.ofproto.ofproto_v1_3_parser`。

Ryu 中使用 Datapath class 的主要方法如下:
- send_msg(msg)
  發送 OpenFlow 消息。 msg 是 ryu.ofproto.ofproto_parser.MsgBase 的子類別，對應於發送 OpenFlow 訊息。

交換集線器本身並不特別使用接收到的 Switch Features 訊息。而是作為一個事件處理，以獲得新增 Table-miss flow entry 的時間。

def switch_features_handler(self, ev):
# ...
  # install the table-miss flow entry.
  # 產生一空匹配以匹配封包，並用 OFPMatch 表示
  match = parser.OFPMatch()
  actions = [parser.OFPActionOutput(ofproto.OFPP_CONTROLLER,
  ofproto.OFPCML_NO_BUFFER)]
  self.add_flow(datapath, 0, match, actions)

Table-miss flow entry 有最低 (0) 優先權，並且該 entry 匹配所有封包。在該 entry 的指令中，通過指定輸出到控制器埠的動作，如果接收到的封包與任何正常 flow entry 不匹配，則發出 Packet-In。
產生一個空匹配(match)以匹配所有封包。匹配用 OFPMatch 類別表示。
接下來，產生 OUTPUT action class (OFPActionOutput) 的實例以傳送到控制器埠。控制器被指定為輸出目的地，並且 OFPCML_NO_BUFFER 被指定為 max_len 以便將所有封包發送到控制器。
最後，為優先權指定為 0(最低)並執行 add_flow() 方法以發送 Flow Mod 訊息。add_flow() 方法在後面會解釋。

Packet-in Massage

建立 Packet-In 事件處理器來處理未知目的地的封包事件

@set_ev_cls(ofp_event.EventOFPPacketIn, MAIN_DISPATCHER)
def _packet_in_handler(self, ev):
  msg = ev.msg
  datapath = msg.datapath
  ofproto = datapath.ofproto
  parser = datapath.ofproto_parser
# ...

常用的 OFPPacketIn class 屬性:

屬性名	解釋
match	`ryu.ofproto.ofproto_v1_3_parser.OFPMatch` class 實例，其中設置了接收封包的 meta 訊息。
data	代表接收到封包的二元資料
total_len	封包資料長度
buffer_id	當接收封包在 OpenFlow switch 中緩衝時，代表為其 ID; 若沒有緩衝，則設置 `ryu.ofproto.ofproto_v1_3.OFP_NO_BUFFER`

更新 MAC Address Table

def _packet_in_handler(self, ev):
# ...
  # get the received port number from packet_in message.
  in_port = msg.match['in_port']
  self.logger.info("packet in %s %s %s %s", dpid, src, dst, in_port)
  # learn a mac address to avoid FLOOD next time.
  self.mac_to_port[dpid][src] = in_port
# ...

從 OFPPacketIn match 取得接收埠(in_port)，目的端 MAC 位址和發送端 MAC 位址是使用 Ryu 的封包庫從接收到的封包中的以太 header 中獲得。
依獲取的發送端 MAC 位址和接收埠，更新MAC address table。
為了支持多個 OpenFlow switches 的連線，MAC address table 用來管理每個 OpenFlow switch，並且用 data path ID 代表他們的身分。

Judging the Transfer Destination Port

當 MAC address table 中存在目的 MAC 位址時，使用對應的埠。如果未找到，則生成為輸出埠特定泛洪 (OFPP_FLOOD) 的 OUTPUT action class的實例。

def _packet_in_handler(self, ev):
# ...
  # if the destination mac address is already learned,
  # decide which port to output the packet, otherwise FLOOD.
  # 如果 MAC address table 有就傳，沒有就 flooding。
  if dst in self.mac_to_port[dpid]:
    out_port = self.mac_to_port[dpid][dst]
  else:
    out_port = ofproto.OFPP_FLOOD
  # construct action list.
  actions = [parser.OFPActionOutput(out_port)]
  # install a flow to avoid packet_in next time.
  if out_port != ofproto.OFPP_FLOOD:
    match = parser.OFPMatch(in_port=in_port, eth_dst=dst)
    self.add_flow(datapath, 1, match, actions)
# ...

如果找到目的 MAC 位址，則在 OpenFlow switch 的 flow table 中新增一個entry。
與新增 Table-miss flow entry 一樣，指定 match 和 action，並執行 add_flow() 以新增 flow entry。
與 Table-miss flow entry 不同，這次設置 match 的條件。這次交換集線器的實現，已經指定了接收埠 (in_port) 和目的 MAC 位址 (eth_dst)。例如，埠1 接收到發往主機 B 的封包是目標。
本次 flow entry 的優先權指定為 1，值越大優先權越高，因此此處新增的 flow entry 將在Table-miss flow entry 之前進行評估。
根據包含上述 action 的總結，將以下 flow entry 加到flow table 中。
- 封包 -> B (目的地 MAC 位址是 B) 接收從埠4 到埠1。
Hint: 在 OpenFlow 中，選項中規定了一個稱為 NORMAL 的邏輯輸出埠，當為輸出埠指定 NORMAL 時，交換器的 L2/L3 功能用於處理封包。代表通過指示將所有封包輸出到 NORMAL 埠，可以使交換器作為交換集線器運行。並用 OpenFlow 實現每個處理。

Adding Processing of Flow Entry

Packet-In 處理程序的處理尚未完成，下面是新增 flow entry 的方法。

def add_flow(self, datapath, priority, match, actions):
  ofproto = datapath.ofproto
  parser = datapath.ofproto_parser

  # construct flow_mod message and send it.
  inst = [parser.OFPInstructionActions(ofproto.OFPIT_APPLY_ACTIONS,
  actions)]
# ...

對於 flow entry，設置表示目標封包條件的 match，以及表示對封包的操作、entry 優先級和有效時間的指令。
在交換集線器實現中，Apply Actions 用於指令設置，以便立即使用指定的 action。

最後，通過發出 Flow Mod 訊息將 entry 新增到 flow table 中。

def add_flow(self, datapath, priority, match, actions):
# ...
  mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, priority=priority,
  match=match, instructions=inst)
  datapath.send_msg(mod)

Flow Mod 訊息對應的 class 是 OFPFlowMod class。生成 OFPFlowMod class 的實例，並使用 Datapath.send_msg() 方法將消息發送到 OpenFlow 交換器。
OFPFlowMod class 的建構子有很多參數。通常可以直接用預設值，括號內是預設值。
- datapath

Packet Transfer

回到 Packet-In 處理器，並解釋最後的處理。

無論是否從 MAC address table 中找到目的 MAC 位址，最後都會發出 Packet-Out 訊息並傳送接收到的封包。

def _packet_in_handler(self, ev):
# ...
  # construct packet_out message and send it.
  out = parser.OFPPacketOut(datapath=datapath,
                            buffer_id=ofproto.OFP_NO_BUFFER,
                            in_port=in_port, actions=actions,
                            data=msg.data)
  datapath.send_msg(out)

KENKEN

[資料中心網路技術] Project2 實作一簡單的網路系統

資料中心網路技術 project2 實作一簡單的網路系統

介紹

SDN Switch

Mininet

Ryu

如何執行

安裝 Mininet

安裝 Ryu

執行 Mininet

執行 Ryu

在 Mininet 執行 `pingall`

simple_switch_13.py 如何運作

Switching Hub

Switching Hub by OpenFlow

實際操作前的觀念

實際操作

資料中心網路技術 project2 實作一簡單的網路系統

介紹

SDN Switch

Mininet

Ryu

如何執行

安裝 Mininet

安裝 Ryu

執行 Mininet

執行 Ryu

在 Mininet 執行 pingall

simple_switch_13.py 如何運作

Switching Hub

Switching Hub by OpenFlow

實際操作前的觀念

實際操作

在 Mininet 執行 `pingall`