一、實驗目的
- 能夠獨立部署RYU控制器
- 能夠理解RYU控制器實現軟件定義的集線器原理
- 能夠理解RYU控制器實現軟件定義的交換機原理
二、實驗環境
- 下載虛擬機軟件Oracle VisualBox或VMware
- 在虛擬機中安裝Ubuntu 20.04 Desktop amd64，並完整安裝Mininet
三、實驗要求
3.1 基本要求
3.1.1 完成Ryu控制器的安裝
- 在Ryu安裝目錄下執行
ryu --version結果截圖
3.1.2 搭建下圖所示SDN拓撲，協議使用Open Flow 1.0，並連接Ryu控制器
- 使用如下命令建立拓撲並連接Ryu控制器
#建立拓撲
sudo mn --topo=single,3 --mac --controller=remote,ip=127.0.0.1,port=6633 --switch ovsk,protocols=OpenFlow10
#連接Ryu控制器
ryu-manager ryu/ryu/app/gui_topology/gui_topology.py --observe-links
3.1.3 通過Ryu的圖形界面查看網絡拓撲
3.1.4 閱讀Ryu文檔的The First Application一節，運行並使用 tcpdump 驗證L2Switch，分析和POX的Hub模塊有何不同
- 閱讀文檔The First Application，自行編寫
L2Switch.py代碼並用命令ryu-manager L2Switch.py運行。L2Switch.py
from ryu.base import app_manager
from ryu.controller import ofp_event
from ryu.controller.handler import MAIN_DISPATCHER
from ryu.controller.handler import set_ev_cls
from ryu.ofproto import ofproto_v1_0
class L2Switch(app_manager.RyuApp):
OFP_VERSIONS = [ofproto_v1_0.OFP_VERSION]
def __init__(self, *args, **kwargs):
super(L2Switch, self).__init__(*args, **kwargs)
@set_ev_cls(ofp_event.EventOFPPacketIn, MAIN_DISPATCHER)
def packet_in_handler(self, ev):
msg = ev.msg
dp = msg.datapath
ofp = dp.ofproto
ofp_parser = dp.ofproto_parser
actions = [ofp_parser.OFPActionOutput(ofp.OFPP_FLOOD)]
data = None
if msg.buffer_id == ofp.OFP_NO_BUFFER:
data = msg.data
out = ofp_parser.OFPPacketOut(
datapath=dp, buffer_id=msg.buffer_id, in_port=msg.in_port,
actions=actions, data = data)
dp.send_msg(out)
- 運行並使用tcpdump來驗證L2Switch（驗證方法同POX）
- h1 ping h2
- h1 ping h3
- h1 ping h2
- 根據上方兩張截圖中的結果，與POX的Hub模塊相比的區別是：
Hub和L2Switch實現的都是洪泛發送ICMP報文，比如當h1 ping h2時，h1發送給h2的ICMP報文，h3也會收到，但L2Switch下發的流表無法查看，而Hub可以查看。
3.2 進階要求
3.2.1 閱讀Ryu關於simple_switch.py和simple_switch_1x.py的實現，以simple_switch_13.py為例，完成其代碼的注釋工作，並回答下列問題：
a) 代碼當中的mac_to_port的作用是什么？
b) simple_switch和simple_switch_13在dpid的輸出上有何不同？
c) 相比simple_switch，simple_switch_13增加的switch_feature_handler實現了什么功能？
d) simple_switch_13是如何實現流規則下發的？
e) switch_features_handler和_packet_in_handler兩個事件在發送流規則的優先級上有何不同？
simple_switch_13.py位置在/ryu/ryu/app/中，以下為完整代碼及注釋
# Copyright (C) 2011 Nippon Telegraph and Telephone Corporation.
#
# Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
# you may not use this file except in compliance with the License.
# You may obtain a copy of the License at
#
# http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
#
# Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
# distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
# WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or
# implied.
# See the License for the specific language governing permissions and
# limitations under the License.
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
from ryu.lib.packet import ether_types
class SimpleSwitch13(app_manager.RyuApp): #繼承了ryu.base.app_manager
OFP_VERSIONS = [ofproto_v1_3.OFP_VERSION] #OFP_VERSIONS指OpenFlow版本，這里調取了在ofproto_v1_3.py里聲明的靜態變量OFP_VERSION，值為4，為OpenFlow1.3版本。
def __init__(self, *args, **kwargs):
super(SimpleSwitch13, self).__init__(*args, **kwargs)
self.mac_to_port = {} #self.mac_to_port是一個保存(交換機id, mac地址)到轉發端口的字典。
#這里是利用了一個裝飾器實現了對事件的控制。
#控制器事件（Event)，Event具體見ryu/controller/ofp_event.py，其事件名稱是由接收到的報文類型來命名的，名字為Event+報文類型，例如本例中，控制器收到的是交換機發送的FEATURE_REPLY 報文,所以事件名稱為EventOFPSwitchFeatures。所以本事件其實就是當控制器接收到FEATURE_REPLY報文觸發。
#控制器狀態：ryu控制器和交換機交互有4個階段，詳見ryu/ryu/controller/handler.py
@set_ev_cls(ofp_event.EventOFPSwitchFeatures, CONFIG_DISPATCHER)
def switch_features_handler(self, ev):
datapath = ev.msg.datapath #datapath存儲交換機的信息
ofproto = datapath.ofproto
parser = datapath.ofproto_parser
# install table-miss flow entry
#
# We specify NO BUFFER to max_len of the output action due to
# OVS bug. At this moment, if we specify a lesser number, e.g.,
# 128, OVS will send Packet-In with invalid buffer_id and
# truncated packet data. In that case, we cannot output packets
# correctly. The bug has been fixed in OVS v2.1.0.
match = parser.OFPMatch() #match指流表項匹配，這里OFPMatch()指不匹配任何信息
actions = [parser.OFPActionOutput(ofproto.OFPP_CONTROLLER,
ofproto.OFPCML_NO_BUFFER)] #actions是動作，表示匹配成功不緩存數據包並發送給控制器
self.add_flow(datapath, 0, match, actions) #add_flow是添加流表項的函數,我們可以從add_flow的函數中看到其調用了send_msg(mod),因此本函數的目的即為下發流表。
#add_flow()函數作用是增加流表項；
#參數有datapath，優先級，匹配項，動作，buffer_id；
#此流表項匹配成功后應立即執行所規定的動作。如果此函數參數有buffer_id(就是交換機發送來的數據包有buffer_id，即交換機有緩存），那發送的Flow_Mod報文就帶上buffer_id，若沒有buffer_id，buffer_id就是None。最后，發出Flow_Mod報文
def add_flow(self, datapath, priority, match, actions, buffer_id=None):
ofproto = datapath.ofproto
parser = datapath.ofproto_parser
inst = [parser.OFPInstructionActions(ofproto.OFPIT_APPLY_ACTIONS,
actions)]
if buffer_id:
mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, buffer_id=buffer_id,
priority=priority, match=match,
instructions=inst)
else:
mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, priority=priority,
match=match, instructions=inst)
datapath.send_msg(mod)
#說明控制器在MAIN_DISPATCHER狀態並且觸發Packet_In事件時調用_packet_in_handler函數
@set_ev_cls(ofp_event.EventOFPPacketIn, MAIN_DISPATCHER)
def _packet_in_handler(self, ev):
# If you hit this you might want to increase
# the "miss_send_length" of your switch
if ev.msg.msg_len < ev.msg.total_len: #傳輸出錯，打印debug信息
self.logger.debug("packet truncated: only %s of %s bytes",
ev.msg.msg_len, ev.msg.total_len)
#這里是從接收到的Packet_In報文中取出各種信息，如果報文是lldp報文，忽略它。隨后用此dpid（交換機id)初始化mac_to_port，並在日志打印此Packet_In的基本信息。
msg = ev.msg
datapath = msg.datapath
ofproto = datapath.ofproto
parser = datapath.ofproto_parser
in_port = msg.match['in_port']
pkt = packet.Packet(msg.data)
eth = pkt.get_protocols(ethernet.ethernet)[0]
if eth.ethertype == ether_types.ETH_TYPE_LLDP:
# ignore lldp packet
return
dst = eth.dst
src = eth.src
dpid = format(datapath.id, "d").zfill(16)
self.mac_to_port.setdefault(dpid, {})
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 #交換機自學習，取來往數據包的交換機id、源mac和入端口綁定來構造表。
if dst in self.mac_to_port[dpid]: #若在表中找到出端口信息，指示出端口
out_port = self.mac_to_port[dpid][dst]
else:
out_port = ofproto.OFPP_FLOOD
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, eth_src=src)
# verify if we have a valid buffer_id, if yes avoid to send both
# flow_mod & packet_out
if msg.buffer_id != ofproto.OFP_NO_BUFFER:#有buffer_id，帶上buffer_id，然后只發送Flow_mod報文，因為交換機已經有緩存數據包，就不需要發送packet_out報文
self.add_flow(datapath, 1, match, actions, msg.buffer_id)#add_flow函數內部就已發送了Flow_mod報文。，后面不用send_msg()
return
else:
self.add_flow(datapath, 1, match, actions)#若沒有buffer_id，發送的Flow_Mod報文就無需要帶上buffer_id，但是下一步要再發送一個Packet_out報文帶上原數據包信息。
data = None
if msg.buffer_id == ofproto.OFP_NO_BUFFER:
data = msg.data
#發送Packet_out數據包 帶上交換機發來的數據包的信息
out = parser.OFPPacketOut(datapath=datapath, buffer_id=msg.buffer_id,
in_port=in_port, actions=actions, data=data)
datapath.send_msg(out)
- 回答下列問題
a) 代碼當中的mac_to_port的作用是什么？
回答：mac_to_port是一個保存(交換機id, mac地址)到轉發端口的字典。
b) simple_switch和simple_switch_13在dpid的輸出上有何不同？
回答：simple_switch和simple_switch_13在dpid的輸出上的差別如下：
#simple_switch.py
dpid = datapath.id
self.mac_to_port.setdefault(dpid, {})
self.logger.info("packet in %s %s %s %s", dpid, src, dst, msg.in_port)
#simple_switch_13.py
dpid = format(datapath.id, "d").zfill(16)
self.mac_to_port.setdefault(dpid, {})
self.logger.info("packet in %s %s %s %s", dpid, src, dst, in_port)
可以看到simple_switch_13中dpid的輸出格式為：用0在dpid前填充至總長度為16，而simple_switch直接輸出dpid。
c) 相比simple_switch，simple_switch_13增加的switch_feature_handler實現了什么功能？
回答：下發流表項。
d) simple_switch_13是如何實現流規則下發的？
回答：有兩種情況：
- 當控制器處於CONFIG_DISPATCHER狀態（協商版本並發送FEATURE-REQUEST報文）並且接受到FEATURE_REPLY報文時，執行switch_features_handler()函數。該函數的最后一項add_flow是添加流表項的函數，其參數有datapath，優先級，匹配項，動作，buffer_id，當流表項匹配成功后應立即執行所規定的動作，如果此函數參數有buffer_id(就是交換機發送來的數據包有buffer_id，即交換機有緩存），那發送的Flow_Mod報文就帶上buffer_id，若沒有buffer_id，buffer_id就是None。最后，發出Flow_Mod報文，實現流規則的下發。
- 當控制器處於MAIN_DISPATCHER狀態（已收到FEATURE-REPLY報文並發送SET-CONFIG報文）並且觸發Packet_In事件時調用_packet_in_handler函數，然后從接收到的Packet_In報文中取出各種信息，用此dpid（交換機id)初始化mac_to_port，然后進行交換機自學習，取來往數據包的交換機id、源mac和入端口綁定來構造表。如果交換機發來的數據包沒有buffer_id，則要回復一個Packet_out報文並帶上原數據包的信息，實現流規則的下發。
e) switch_features_handler和_packet_in_handler兩個事件在發送流規則的優先級上有何不同？
回答：switch_features_handler下發流表的優先級比_packet_in_handler高，因為switch_features_handler是在交換機處於協商版本並發送FEATURE-REQUEST報文狀態時調用的，而_packet_in_handler是在已收到FEATURE-REPLY報文並發送SET-CONFIG報文時被調用的。
四、個人總結
- 實驗難度：適中
- 實驗過程遇到的困難及解決辦法
- 在使用ryu控制器可視化拓撲時出現了問題，看不到拓撲的情況，暫時還未解決。
- 在完成進階要求中的代碼注釋時遇到了困難，很多地方看的不是很懂，於是上網查詢了相關的信息完成了注釋。
- 個人感想：在經歷了實驗五的實踐之后，在完成實驗六的普通要求的過程中顯得更加得心應手，二者連接控制器以及驗證的過程差別不大。這次進階要求的問題有很多，需要自己對於相關代碼的理解要十分全面，在起步時感到不太容易，學會了多上網查詢相關的知識，以及多理解程序自身配有的英文注釋，以后遇到相關類型的代碼時應該會觸類旁通。