OpenFlow是什么？

        OpenFlow，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（forwarding plane），借此改变网络数据包所走的网络路径。OpenFlow应用于SDN架构中控制器和转发器之间的通信。软件定义网络（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。

        形象来说，SDN中的SDN控制器是SDN网络的“大脑”，它将信息传递给交换机/路由器的“下方”（通过南向API）和“上方”（通过北向API）的应用和业务逻辑。最近，随着组织部署更多的SDN网络，SDN控制器的任务是使用通用应用程序接口（如OpenFlow和开放式虚拟交换机数据库（OVSDB））在SDN控制器域之间进行联合。

OpenFlow的起源与发展

        OpenFlow起源于斯坦福大学的Clean Slate项目，该项目的目标是要“重塑互联网”，旨在改变设计已略显不合时宜，且难以进化发展的现有网络基础架构。在2006年，斯坦福的学生Martin Casado领导了一个关于网络安全与管理的项目，试图通过一个集中式的控制器，让网络管理员方便地定义基于网络流的安全控制策略，并将这些安全策略应用到各种网络设备中，从而实现对整个网络通讯的安全控制。

        受此项目启发，Clean Slate项目的负责人Nick McKeown教授及其团队发现，如果将传统网络设备的数据转发和路由控制两个功能模块相分离，通过集中式的控制器（Controller）以标准化的接口对各种网络设备进行管理和配置，那么这将为网络资源的设计、管理和使用提供更多的可能性，从而更容易推动网络的革新与发展。于是，他们便提出了OpenFlow的概念，并且于2008年发表了题为《OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks》的论文，首次详细地介绍了OpenFlow的原理和应用场景。

        2009年，基于OpenFlow，该研究团队进一步提出了SDN（Software Defined Network，软件定义网络）的概念，引起了行业的广泛关注和重视。2011年，由Google、Facebook、微软等公司共同发起成立了一个对SDN影响深远的组织ONF（Open Networking Foundation），致力于发展SDN。ONF将OpenFlow定义为SDN架构的控制层和转发层之间的第一个南向标准通信接口，并加大OpenFlow的标准化力度。

OpenFlow在SDN中的位置

自2009年底发布第一个正式版本v1.0以来，OpenFlow协议已经经历了1.1、1.2、1.3以及最新发布的1.5等版本的演进过程。目前使用和支持最多的是OpenFlow1.0和OpenFlow1.3版本。

OpenFlow的工作原理

                整个OpenFlow协议架构由控制器（Controller）、OpenFlow交换机（OpenFlow Switch）、以及安全通道（Secure Channel）组成。控制器对网络进行集中控制，实现控制层的功能；OpenFlow交换机负责数据层的转发，与控制器之间通过安全通道进行消息交互，实现表项下发、状态上报等功能。

OpenFlow协议架构

OpenFlow控制器

        OpenFlow控制器位于SDN架构中的控制层，是SDN的“大脑”，通过OpenFlow协议指导设备的转发。目前主流的OpenFlow控制器分为两大类：开源控制器和厂商开发的商用控制器。常见的开源控制器例如NOX/POX、OpenDaylight等。厂商的商用控制器有Huawei的iMaster NCE等。

OpenFlow安全通道

        安全通道就是连接OpenFlow交换机与控制器的信道，负责在OpenFlow交换机和控制器之间建立安全链接。控制器通过这个通道来控制和管理交换机，同时接收来自交换机的反馈。

        通过OpenFlow安全通道的信息交互必须按照OpenFlow协议规定的格式来执行，通常采用TLS（Transport Layer Security）加密，在一些OpenFlow版本中（1.1及以上），有时也会通过TCP明文来实现。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。

OpenFlow交换机

        OpenFlow交换机是整个OpenFlow网络的核心部件，主要负责数据层的转发。OpenFlow交换机可以是物理的交换机/路由器，也可以是虚拟化的交换机/路由器。按照对OpenFlow的支持程度，OpenFlow交换机可以分为两类：

• OpenFlow专用交换机：一个标准的OpenFlow设备，仅支持OpenFlow转发。他不支持现有的商用交换机上的正常处理流程，所有经过该交换机的数据都按照OpenFlow的模式进行转发。
• OpenFlow兼容型交换机：既支持OpenFlow转发，也支持正常二三层转发。这是在商业交换机的基础上添加流表、安全通道和OpenFlow协议来获得了OpenFlow特性的交换机。

        OpenFlow交换机在实际转发过程中，依赖于流表（Flow Table）。流表是OpenFlow交换机进行数据转发的策略表项集合，指示交换机如何处理流量，所有进入交换机的报文都按照流表进行转发。流表本身的生成、维护、下发完全由控制器来实现。

流表项的组成

        在传统网络设备中，交换机/路由器的数据转发需要依赖设备中保存的二层MAC地址转发表、三层IP地址路由表以及传输层的端口号等。OpenFlow交换机中使用的“流表”也是如此，不过他的表项并非是指普通的IP五元组，而是整合了网络中各个层次的网络配置信息，由一些关键字和执行动作组成的灵活规则。

        OpenFlow流表的每个流表项都由匹配域（Match Fields）、处理指令（Instructions）等部分组成。流表项中最为重要的部分就是匹配域和指令，当OpenFlow交换机收到一个数据包，将包头解析后与流表中流表项的匹配域进行匹配，匹配成功则执行指令。

        流表项的结构随着OpenFlow版本的演进不断丰富，不同协议版本的流表项结构如下。

流表项组成

多级流表与流水线处理

        OpenFlow v1.0采用单流表匹配模式，这种模式虽然简单，但是当网络需求越来越复杂时，各种策略放在同一张表中显得十分臃肿。这使得控制平面的管理变得十分困难，而且随着流表长度与数目的增加，对硬件性能要求也越来越高。

        从OpenFlow v1.1开始引入了多级流表和流水线处理机制，当报文进入交换机后，从序号最小的流表开始依次匹配，报文通过跳转指令跳转至后续某一流表继续进行匹配，这样就构成了一条流水线。多级流表的出现一方面能够实现对数据包的复杂处理，另一方面又能有效降低单张流表的长度，提高查表效率。

多级流表处理流程

流表下发方式

OpenFlow流表的下发分可以是主动（Proactive）的，也可以是被动（Reactive）的：

• 主动模式下，控制器将自己收集的流表信息主动下发给OpenFlow交换机，随后交换机可以直接根据流表进行转发。
• 被动模式下，OpenFlow交换机收到一个报文而查流表失败时，会发送消息询问控制器，由控制器进行决策该如何转发，并计算、下发相应的流表。被动模式的好处是交换机无需维护全部的流表，只有当实际的流量产生时才向控制器获取流表记录并存储，当老化定时器超时后可以删除相应的流表，因此可以大大节省交换机芯片空间。

OpenFlow消息

消息按照发送的位置可分为三大类，每一大类中有若干子消息

• Controller-to-Switch消息：SDN控制器主动发送给OpenFlow交换机的消息

  • Features：用于获取交换机特性
  • Configuration：用来配置和查询交换机参数
  • Modify-State：用来修改交换机状态信息（增删改流表项、组表项等）
    • Table-Mod消息
    • Flow-Mod消息（流表操作，添加、删除、修改流表项）
    • Group-Mod消息
    • Port-Mod消息
    • Meter-Mod消息
  • Read-State：用来读取交换机状态信息（当前配置、统计信息等）
    • Port-Stats消息
    • Flow-Stats消息
    • …
  • Packet-Out：用来指定交换机将数据包从指定端口转发出去
  • Barrier：在不同消息之间使用，确保操作顺序执行
  • Role Request：控制器用于询问或设置自身在交换机中的角色，常用于交换机与多控制器连接的场景
  • Asynchronous-Configuration：控制器设置异步消息过滤器，只接收感兴趣的异步消息，一般在多控制器场景下使用

• Asynchronous（异步）消息：OpenFlow交换机主动发送给SDN控制器的异步消息

  • Packet-In：将数据包交给控制器处理，一般流表匹配中出现Table-Miss时或流表项显示指定将数据包交给控制器时，触发该消息
  • Flow-Removed：通知控制器，流表项被删除；流表项超时或控制器删除流表项时触发该消息（需要在交换机配置时使能该消息）
  • Port-status ：通知控制器，交换机端口状态发生变化
  • Role-status：通知控制器，控制器在交换机中的角色发送变化
  • Controller-Status：通知控制器，OpenFlow通道状态发生变化
  • Flow-monitor：通知控制器，流表发送变化

• Symmetric（对称）消息：可由SDN控制器或OpenFlow交换机主动发送的消息
  • Hello：建立控制器与交换机之间的OpenFlow通道
  • Echo：检测交换机与控制器之间的连接状态或测量OpenFlow通道的时延和带宽
  • Error：用于通告错误
  • Experiment：用于实验，测试新特性

Openflow实验

一、实验目的

1.能够运用 wireshark 对 OpenFlow 协议数据交互过程进行抓包；

2.能够借助包解析工具，分析与解释 OpenFlow协议的数据包交互过程与机制。

二、实验环境

1.下载虚拟机软件Oracle VisualBox；

2.在虚拟机中安装Ubuntu 20.04 Desktop amd64，并完整安装Mininet；

三、实验要求

搭建下图所示拓扑，完成相关 IP 配置，并实现主机与主机之间的 IP 通信。用抓包软件获取控制器与交换机之间的通信数据包。

（二）配置网段与IP地址

（三）保存拓扑为Python文件

（四）从另外一个终端输入sudo wireshark并选择any开启抓包软件，并在当前终端输入sudo +刚保存的Python文件打开拓扑，执行pingall命令并查看抓包信息。

（五）查看过滤后的抓包结果，分析OpenFlow协议中交换机与控制器的信息交互过程

四.实验实现过程

（一）搭建拓扑

        首先进入用户模式，搭建打开拓扑界面

        然后搭建下图所示拓扑，完成相关 IP 配置，并实现主机与主机之间的 IP 通信。用抓包软件获取控制器与交换机之间的通信数据包。

（二）配置网段与IP

1. 配置网段

2.配置h1 h2 h3 h4 的ip地址

（三）保存拓扑为python文件

（四）从另外一个终端输入sudo wireshark并选择any开启抓包软件，并在当前终端输入sudo +刚保存的Python文件打开拓扑，执行pingall命令并查看抓包信息。

运行文件

可以看到全部连接成功，成功运行！

（五）查看过滤后的抓包结果，分析OpenFlow协议中交换机与控制器的信息交互过程

源端口6633     目的端口41142

源端口41142     目的端口6633     此处协议为openflow1.5

OFPT_FEATURES_REQUEST        源端口6633   目的端口41142  从控制器到交换机

OFPT_SET_CONFIG        源端口6633           目的端口41142  从控制器到交换机

OFPT_RORT_STATUS        源端口41142     目的端口6633 从交换机到控制器

OFPT_FEATURES_REPLY         源端口41142  目的端口6633  从交换机到控制器

OFPT_PACKET_IN        源端口41142   目的端口6633  从交换机到控制器

OFPT_PACKET_OUT        源端口6633   目的端口41142 从控制器到交换机

OFPT_FLOW_MOD        源端口6633 目的端口41146  从控制器到交换机

结语

        在整篇文章中，我们深入探讨了 OpenFlow 的基本概念、其特性、它与 SDN 的关系、其架构、实际示例和实际实现过程。 OpenFlow 在现代网络技术中扮演着非常重要的角色，其灵活性和效率受到许多公司和组织的赞赏。

       特别是，集中管理网络和灵活更改网络配置的能力是 OpenFlow 的一大吸引力。 此外，与 SDN 的集成可实现更高效的网络控制。

        OpenFlow的技术将在未来继续发展。 我想关注最新的趋势和应用实例，并期待未来网络技术的发展。

       最后，如果您正在考虑实现 OpenFlow，我们希望本文对您有所帮助。 使用准确的信息和适当的程序来建立有效的网络。