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SDN 技术指南(二):OpenFlow

RiboseYim
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发布于 2017/08/27 10:52
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  • Background:为什么需要 SDN
  • SDN的主要解决方案
  • SDN的整体应用架构

History: OpenFlow != SDN

OpenFlow 最早由斯坦福大学提出,目前知识产权由开放网络基金会(Open Networking Foundation,ONF)持有。 SDN 和 OpenFlow 两个概念经常会被混淆和误读。这也难怪,从历史上看,两者还这是你中有我、我中有你。首先,作为一个开放的协议,OpenFlow 协议是众多 SDN 控制器解决方案的实现基础;另外,定义 SDN 概念和架构背后的许多重要人物开始在 OpenFlow 领域取得了突破,进而推动 SDN 概念走向成熟。

OpenFlow is a key protocol in many SDN solutions.

在传统的网络交换设备中,转发平面(通常采用专门的芯片以提高性能)与控制平面(分布地部署在网络的各个节点)是紧密耦合的,被集成实现在单独的设备中。当然,从另一个角度看这样的设计也有合理性,至少能提高单个节点的灵活性和容灾能力。但是众多厂商各自为政,更出于技术保密、保持市场的考虑,对于开放接口供用户调用、建立行业标准的兴趣不大。OpenFlow 协议的推出突破了传统壁垒,有利于增加用户侧的话语权,所以 Google、Facebook 等企业是 OpenFlow 协议最坚强的拥趸,他们的数据中心都在使用 OpenFlow 协议,并倡议发起成立 ONF 来推动这个技术。

  • 1995: Sun Microsystems 在1995年就提出软件定义网络的概念(在公开 JAVA 编程语言之后不久)
  • 2006: Martin Casado(a PhD students at Stanford)及其团队首次提出了一个集中式安全控制的框架
  • 2008: OpenFlow paper 《Architectural Support for Security Management in Enterprise Networks》 (人物: Nick McKeownScott ShenkerDan Boneh
  • 2009: Stanford 发布 OpenFlow V1.0.0 ; Martin Casado co-founds Nicira (主导 Open vSwitch)
  • 2010: Guido Appenzeller co-founds Big Switch Networks (head of clean slate lab at Stanford)
  • 2011: Open Networking Foundation is formed
  • Oct 2011: First Open Networking Summit.
  • July 2012: VMware buys Nicira for $1.26B
  • Nov 6, 2013: Cisco buys Insieme for $838M

OpenFlow 的版本问题

OpenFlow 协议简单来说就是把路由器的控制平面(Control Plane,管理路由表、负责网络配置和系统管理等)从转发平面(Forward Plane,转发决策和输出链路调度等)中分离出来,以软件方式实现。从第一个正式商用版本 v1.0 开始,OpenFlow 有先后推出了v1.1,v1.2,v1.3,v1.4 等,版本之间存在不兼容的内容, OpenFlow 交换机或者其它解决方案也存在版本支持不尽相同的情况,版本兼容的问题需要尤其关注。

  • OpenFlow V1.0 (2009)

  • OpenFlow V1.1 (2011) Ethernet/IP only. Single Flow Table. Did not cover MPLS, Q-in-Q, ECMP, and efficient Multicast.

  • OpenFlow V1.2 (2011) IPv6 Support: Matching fields include IPv6 source address, destination address, protocol number, traffic class. ICMPv6 type, ICMPv6 code, IPv6 neighbor discovery header fields, and IPv6 flow labels. TLV Matching Multiple controller

  • OpenFlow V1.3 (2012) IPv6 extension headers: Can check if Hop-by-hop, Router, Fragmentation, Destination options, Authentication, Encrypted Security Payload (ESP), unknown extension headers are present MPLS Bottom-of-Stack bit matching MAC-in-MAC Multiple channels between switch and controller

  • OpenFlow V1.4 (2013) Optical ports: Configure and monitor transmit and receive frequencies of lasers and their power Improved Extensibility: Type-Length-Value (TLV) encodings at most places Extended Experimenter Extension API: Can easily add ports, tables, queues, instructions, actions, etc.

OpenFlow的工作原理

OpenFlow is a communications protocol.

OpenFlow 提供了一个在 SDN 控制器和网络设备(如交换机)之间通讯的标准协议。他允许由 SDN 控制器下发到转发规则(forwarding rules)、安全规则(security rules)到底层网络交换机,完成路由决策、流量控制。OpenFlow 协议相当于一种共同语言,所以SDN 控制器和交换机都需要实现OpenFlow 协议,以便他们能够理解 OpenFlow 消息(message)。

SDN 控制器和交换机之间需要建立通讯连接才能进行配置、管理和监控。通讯连接基于 TCP (或者 TLS)协议之上,监听 6653 端口 。初始化模式:1)网络交换机发起,发送连接请求到控制器 2)控制器发起,交换机需要设置被动模式( passive mode)开启监听。 无论使用哪种模式,一旦通讯连接建立,OpenFlow 消息将通过 TCP/TLS 连接传递。

基于 OpenFlow 消息,该协议还可以支持网络交换机监控:为了监控网络交换机,OpenFlow 协议提供了从交换机抓取网络统计信息、事件消息的请求/响应报文,方便控制器获得从交换机一侧感知人工操作和失败信息的能力,包括流移除事件,端口状态 UP/DOWN 变化等。为了能够支持第三方厂商可以在 OpenFlow 交换机上执行特定的任务,OpenFlow 协议提供可扩展的自定义消息结构,允许控制器和交换机之间传递信息。那是怎样的 OpenFlow 被许多SDN应用程序用来提供简单的网络控制和管理解决方案。

流表(Flow Table)

网络交换机将 SDN 控制器下发的所有规则存储于流表(flow table),例如:

  • ACL 策略(configuring ACL rules)
  • 安全策略(security policy rules)
  • QoS 限速策略(QoS rate limiting bandwidth rules)
  • 路由策略(routing rules)
  • 端口镜像策略(port mirroring rules)
  • 包变更策略(packet modification rules)

大体上,流(flow)中包含三种类型的信息:

  1. Match fields:他们将定义在包头字段:L2(源目的地 以太网地址,VLAN ID,VLAN优先级等),L3(IPv4和IPv6 源目的地 地址、协议类型、DSCP、等),L4领域(TCP/UDP/SCTP源目的端口),ARP ICMP字段,字段,MPLS域等等。
  2. Actions:他们将定义一个包是否符合特定条件。例如丢弃(drop),转发到交换机的指定端口,修改数据包(push/pop VLAN ID,push/pop 标签,递增/递减IP TTL),转发到特殊端口的序列等。
  3. 计数器:记录由多少数据包匹配到当前flow

OpenFlow 协议定义了多种消息来完成交换机和控制机通讯,例如:

  • 连接设置消息(connection setup messages)
  • 配置消息(configuration messages)
  • 交换机统计信息消息(switch statistics messages)
  • 连接监测消息(keep-alive messages)
  • 异步事件消息(asynchronous events messages)
  • 发生错误消息(error messages)

支持 OpenFlow 的开源交换机:Open vSwitch

OpenFlow Switches including Open vSwitch.

市场中支持 OpenFlow 的硬件交换机包括 VMware 推出的vSwitch、vDS等虚拟交换机,Cisco与VMware合作发布了基于VMware kernel API开发的分布式虚拟交换机Nexus 1000V(功能对应于VMware的vDS),Citrix 迫于Open vSwitch快速追赶,推出了的Distributed Virtual Switch解决方案,这些方案都是收费的。

除了硬件交换机还可以通过软件支持并实现虚拟机互联,Open vSwitch(Open Source Virtual Switch)就是是一款基于软件实现的开源虚拟交换机。它采用 C 语言编写,遵循 Apache 2.0 许可。OpenStack 在2011年启动 Quantum 项目,引入了Open vSwitch 发展 Open Stack Network 。随着 OpenStack 社区的快速壮大,Open vSwitch 在虚拟交换机的领先优势逐步确立。

Open vSwitch 内部分为用户态和内核态。用户层(态)为守护程序实现了交换机和流表,是Open vSwitch的核心,提供了一些组件去管理交换机,实现数据库,对内核进行直接管理。主要包含三个守护进程:ovs-vswitched,ovsdb-server和ovs-brcompatd。openvswitch_mod.ko是内核态的主要模块,完成数据包的查找、转发、修改等操作,一个数据流的后续数据包到达OVS后将直接交由内核态,使用openvswitch_mod.ko中的处理函数对数据包进行处理。

Open vSwitch 的要点如下:

  • 支持的操作系统(Linux, Ubuntu, Debian,FreeBSD 和 NetBSD)
  • 支持云计算平台管理系统集成,例如:OpenStack, openQRM, OpenNebula, 和 oVirt
  • 支持虚拟化部署( hypervisor),共享硬件资源
  • 支持云平台 Xen XenServer 6.0 ,也支持 Proxmox VE, VirtualBox, Xen KVM
  • 提供开发工具包:Data Plane Development Kit (DPDK)
  • 支持虚拟机通讯/监控流量统计信息,例如 NetFlow(Cisco,RFC 3954)、sFlow(RFC 3176)、NetStream(Huawei)、IPFIX(RFC 7011),详见 《浅谈基于数据分析的网络态势感知》
  • SPAN(Switched Port Analyzer ), RSPAN( Remote Switch Port Analyzer):可以发送一份流量的拷贝给连接安全设备的交换机端口
  • GRE-tunneled mirrors: 远程监控
  • LACP、VLAN、IGMP、LLDP、BFD、STP、RSTP、QoS、HFSC
  • Complete IPv6 (Internet Protocol version 6) support
  • Support for multiple tunneling protocols, including GRE、VXLAN 、STT、IPsec
  • 接口编程语言支持:C 、Python
  • Multi-table forwarding pipeline with a flow-caching engine
  • Intel 拥有一个自己的 Open vSwitch 版本

例如,下面 Open vSwitch 的命令是和控制器建立初始化连接(TCP),控制器 IP (192.168.56.101) 端口(6653):

ovs-vsctl set-controller <sampleBridgeName> tcp:192.168.56.101:6653

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