SDN概述

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什么是SDN

SDN，Software Defined Networking，软件定义网络。 传统 IP 网络是一个分布式的、对等控制的网络，每条网络设备存在独立的 控制平面 和 转发平面（有的地方也称为数据平面） ，这种网络优势在于设备与协议解耦，厂家之间兼容性较好。 转发平面： 提供高速无阻塞数据通道，实现各个业务模块之间的业务交换功能 控制平面： 完成系统的协议处理、业务处理、路由运算、转发控制、 业务调度、流量统计、系统安全等功能 但传统的 IP 网络存在网络易拥塞（最短路径转发，拥塞时无法从全局考虑）技术复杂（协议多，配置难）、运维困难（困难发现困难，故障定位难）、业务部署慢等问题。 而 SDN 将控制平面和转发平面解耦，实现网络控制平面的 集中控制 ，提出了 转控分离、集中控制、开放可编程接口 的特征。

SDN网络架构

  • 协同应用层：主要完成用户意图的各种上层应用，典型的协同层应用包括OSS、OpenStack 等。OSS可以负责整网的业务协同，OpenStack云平台一般用于数据中心负责网络、计算、存储的业务协同。还有其他的协同层应用，比如用户希望部署一个安全APP，这个安全APP 不关心设备具体部署位置，只是调用了控制器的北向接口，例如Block（Source IP， DestIP），然后控制器会给各网络设备下发指令。这个指令根据南向协议不同而不同。
  • 控制器层：控制器层的实体就是 SDN 控制器，是 SDN 网络架构下最核心的部分。控制层是 SDN 系统的大脑，其核心功能是实现网络业务编排。
  • 设备层：网络设备接收控制器指令，执行设备转发。
  • NBI 北向接口：北向接口为控制器对接协同应用层的接口，主要为RESTful。
  • SBI 南向接口：南向接口为控制器与设备交互的协议，包括NETCONF、SNMP、OpenFlow、OVSDB等。

OpenFlow

OpenFlow 是控制器与交换机之间的一种 南向接口协议 ，定义了 Controller-to-Switch 、Asynchronous 、Symmetric 类型的消息，每种消息又包含更多的子类型

Controller-to-Switch

由 Controller 发送，用于管理 Switch 和查询 Switch 相关信息。子消息包括：

  • Feature 消息：在 SSL/TCP 会话建立后，Controller 给 Switch 发送Features 请求 Switch 的相关信息。Switch 必须应答自己支持的功能，包括接口名、接口 MAC 地址、接口支持的速率等等基本信息。
  • Configuration 消息：Controller可以设置或查询 Switch 的状态。
  • Modify-State 消息：Controller 发送该消息给 Switch，来管理 Switch的状态，即增加/删除、更改流表，并设置 Switch 的端口属性。
  • Read-State 消息：Controller 用该消息收集 Switch 上的统计信息。
  • Send-Packet 消息：Controller 发送该消息到 Switch 的特定端口。
Asynchronous

由 Switch 发起，当 Switch 状态改变时，发送该消息告知 Controller 状态变化。子消息包括如下：

  • Packet-in消息：当 Flow Table 中没有匹配的表项或者匹配“send to Controller”， Switch将给 Controller 发送 packet-in 消息。
  • Packet-out 消息：从控制器回复的消息。
  • Flow-Removed 消息：当给 Switch 增加一条表项时，会设定超时周期。当时间超时后， 该条目就会被删除。这时 Switch 就会给 Controller 发送 Flow-Removed 消息；当流表中有条目要删除时，Switch也会给 Controller 发送该消息。
  • Port-status 消息：当数据路径接口被添加、删除、修改的时候，此消息用于通知控制器。
Symmetric

该类型没有固定的发起方，由 Switch 或 Controller 发起。子消息如下：

  • Hello消息：当一个 OpenFlow 连接建立时，Controller 和Switch 都会立刻向对端发送 OFPT_HELLO 消息，该消息中的version 域填充发送方支持的 OpenFlow 协议最高的版本号；接收方收到该消息后，接收方会计算协议版本号，即在发送方和接收方的版本 号中选择一个较小的；如果接收方支持该版本，则继续处理连接，连接成功；否则， 接收者回复一个OFPT_ERROR消息，类型域中填充 ofp_error_type.OFPET_HELLO_FAILED
  • Echo消息： Switch和Controller任何一方都可以发起Echo request消息，但收到的一 方必须回应Echo reply消息。这个消息可以来测量latency、Controller-Switch之间的 连接性，即心跳消息；
  • Error消息：当交换机需要通知控制器发生问题或错误时，Switch给Controller 发送 Error消息。

Flow Table

OpenFlow 交换机根据 流表(Flow Table) 转发报文

每个流表项由 匹配字段 、优先级 、计数器 、指令 、超时 、Cookie 、Flag 七部分组成，关于转发的关键内容是 匹配字段 和 指令

  • 匹配字段 (Match Fields)：作为匹配规则，可以匹配入接口、物理入接口，流表间数据，二层报文头，三层报文头，四层端口号等报文字段

  • 优先级 (Priority)：定义流表项之间的匹配顺序，优先级越高越先匹配
  • 计数器 (Counters)：统计有多少个报文和字节匹配到该流表项
  • 指令 (Instructions)：定义匹配到该流表项的报文需要进行的处理动作
  • 超时 (Timeouts)：包括 Idle Time 和 Hard Time
    • Idle Time：在 Idle Time 时间超时后如果没有报文匹配到该流表项，则此流表项被删除。
    • Hard Time：在 Hard Time 时间超时后，无论是否有报文匹配到该流表项，此流表项都会被删除。
  • Cookie：Controller 下发的流表项的标识
  • Flags：更改流条目的管理方式

转发方式

基于流表转发报文与传统基于路由表转发的区别如下： 基于流表转发：一般由 OF 控制器统一计算流表项，然后下发到交换机，交换机通过查询流表匹配流表项进行报文转发。流表是变长的，一台网络设备拥有多张流表。 基于路由表转发：网络设备通过允许路由协议计算得到路由表项，组合成一张路由表，接收到报文时通过查询并根据最长匹配原则匹配路由表项进行转发。路由表是定长的，一台设备只有一张路由表（当然可以运行 VPN 实例，实现路由分割，但我觉得本质上还是同一张表）

参考文章