淺談OpenFlow 技術(shù)

夏興

OpenFlow 全稱是 OpenFlow Switch Specification，其字面意思就是 OpenFlow 交換機規(guī)則。在 SDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，其基礎(chǔ)設(shè)施層的交換機主要完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，而 OpenFlow 技術(shù)就是為實現(xiàn)這一功能的 OpenFlow 交換機設(shè)置結(jié)構(gòu)和功能規(guī)則，同時它也定義規(guī)范了控制平面控制器對交換機進行控制管理的 OpenFlow 協(xié)議。根據(jù)它的功能可以看出其技術(shù)核心包括了 OpenFlow 交換機、OpenFlow 控制器以及 OpenFlow 協(xié)議，另外通過控制器下發(fā)的流表信息也是核心技術(shù)之一。

一、OpenFlow交換機和控制器

1.1 OpenFlow交換機

OpenFlow 網(wǎng)絡(luò)的核心就是 OpenFlow 交換機，它是一個二層交換機，主要功能是完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)要求將數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)端口。其實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)主要依賴于 OpenFlow 控制器所下發(fā)的流表，即就是 OpenFlow 控制器控制交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，這一方式的優(yōu)勢就在于 OpenFlow 交換機不需要存儲、記憶和學(xué)習(xí)過程，提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的準確性和效率。而控制器下發(fā)的流表信息是在響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、拓撲變化以及應(yīng)用需求時，自行下發(fā)或通過手動下發(fā)生成，生成的流表信息需要經(jīng)過SDN 控制數(shù)據(jù)平面接口發(fā)送給交換機為其提供轉(zhuǎn)發(fā)機制。

OpenFlow 交換機處理數(shù)據(jù)包的過程如圖 1.1.1 所示，當數(shù)據(jù)包從端口傳輸被OpenFlow 交換機上接收后，交換機首先對接收到的數(shù)據(jù)包包頭進行分析，根據(jù)分析結(jié)果按照流表的優(yōu)先級高低順序從已有流表中依次進行匹配，如果匹配到流表，則使用契合程度最高的一個流表，實施與之對應(yīng)的操作，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，然后將數(shù)據(jù)信息更新到計算機上。如果沒有匹配到與之對應(yīng)的流表，就將數(shù)據(jù)包通過安全通道發(fā)送給控制器，由控制器管理數(shù)據(jù)包并做進一步處理。

OpenFlow 交換機是當前在應(yīng)用范圍和應(yīng)用空間等方面最為普遍的 Open vSwitch 軟件交換機，通過開源的 Open vSwitch 交換機和控制器構(gòu)建實驗場景和拓撲。在單個物理機中，如果想使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實現(xiàn)隔離，只需要通過對網(wǎng)絡(luò)劃分不同的 VLAN 空間，使得網(wǎng)絡(luò)的不同 VLAN 隔離完成物理機網(wǎng)絡(luò)隔離。而當安裝多個虛擬機在一個物理機中時，物理機上各個虛擬機之間的網(wǎng)絡(luò)隔離就不能通過劃分 VLAN 的方式實現(xiàn)，Open vSwitch 交換機作為虛擬網(wǎng)絡(luò)的核心部件之一，可以通過交換機連接虛擬機，在交換機上完成網(wǎng)絡(luò)隔離的操作過程。Open vSwitch 交換機作為一款開源的軟件定義網(wǎng)絡(luò)交換機，是唯一支持OpenFlow 協(xié)議的交換機，同時它也支持 802.1q 協(xié)議。

1.2 OpenFlow控制器

OpenFlow控制器是SDN的中央處理單元，也是 SDN 中的兩大重要元素之一，被稱作網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的“上帝”?？刂破髡莆站W(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的信息，主要完成對設(shè)備工作的指揮控制，其功能有：網(wǎng)絡(luò)拓撲的管理控制、數(shù)據(jù)鏈路的發(fā)現(xiàn)應(yīng)用以及流表的下發(fā)交付，而且可以通過北向接口（NBI）給應(yīng)用平面的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)其對網(wǎng)絡(luò)的調(diào)用功能。相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，OpenFlow控制器最大優(yōu)勢在于可以通過對軟件進行編程的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲等設(shè)計，并且對網(wǎng)絡(luò)資源，例如局域網(wǎng)，廣域網(wǎng)等，以及應(yīng)用程序的開發(fā)調(diào)用等都可以在控制器進行配置管理，使網(wǎng)絡(luò)管理變得簡單方便。由此可以發(fā)現(xiàn)，在 OpenFlow技術(shù)和 SDN 網(wǎng)絡(luò)中，OpenFlow控制器具有極其重要的作用。

隨著 OpenFlow 技術(shù)和 SDN 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進步，OpenFlow 控制器也在日益創(chuàng)新，不斷推出一系列適合網(wǎng)絡(luò)需求的不同種類的控制器，而當前最為常見的控制器有 NOX、POX、OpenDaylight、Floodlight、Ryu、ONOS 等，表 1.2.1 將對以上幾種控制器做簡要介紹。

二、OpenFlow 協(xié)議

在 OpenFlow 技術(shù)中，OpenFlow 控制器和 OpenFlow 交換機之間是以怎樣的方式進行通信？ ?OpenFlow 協(xié)議就是用于規(guī)定這一方式。實際上，OpenFlow 協(xié)議就是 OpenFlow 控制器發(fā)送給OpenFlow交換機的一組信息和 OpenFlow 交換機回復(fù) OpenFlow 控制器發(fā)送的信息一起組成的。其主要功能是將交換機和控制器的信息發(fā)送到控制器上，控制器根據(jù) OpenFlow 協(xié)議信息完成對交換機的控制管理，并通過編程的方式處理數(shù)據(jù)信息，如修改、刪除以及下發(fā)流表，對通過交換機的不同用戶流進行流量控制。

OpenFlow 協(xié)議自 2009 年 OpenFlow 技術(shù)產(chǎn)生以來，也經(jīng)過了一系列的發(fā)展完善，至今以有 v1.1、v1.2、v1.3、v1.3.1 和 v1.3.2 五個版本標準，其具體發(fā)布時間如圖 2.1 所示。

三、安全通道與流表

3.1 安全通道

OpenFlow 技術(shù)使用集中控制的方式完成對網(wǎng)絡(luò)的管理，在網(wǎng)絡(luò)中，控制器對交換機進行的配置操作等功能都需要根據(jù) OpenFlow 協(xié)議信息以下發(fā)流表的方式實現(xiàn)，而在這一過程中，控制器和交換機之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩詷O為重要。而安全通道就是用于保證控制器和交換機之間傳輸安全。OpenFlow 技術(shù)規(guī)定，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩ǖ佬枰褂脗鬏攲訁f(xié)議技術(shù)保障其安全完整，達到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的通信加密要求，實現(xiàn)安全傳輸。安全通道在系統(tǒng)中所處位置如圖 3.1 所示。

3.2 流表

OpenFlow 技術(shù)中，實現(xiàn)交換機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)交換，需要控制器對其下發(fā)流表，交換機根據(jù)流表信息實現(xiàn)相應(yīng)操作處理。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)需要交換機的二層 MAC 地址轉(zhuǎn)發(fā)表或者路由器的三層 IP 地址路由表，而 OpenFlow 技術(shù)提供 OpenFlow 交換機進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制的流表也需要二層 MAC 地址，其與傳統(tǒng)交換機二層 MAC 地址的區(qū)別在于它具有更為全面的信息，包含著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)三個層次所有的網(wǎng)絡(luò)配置信息，這一優(yōu)勢使得 OpenFlow 交換機可以使用所有的更加完善全面的規(guī)則進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

網(wǎng)絡(luò)在不斷進步和創(chuàng)新，同樣 OpenFlow 技術(shù)也在不斷發(fā)展，而隨著OpenFlow 的發(fā)展，OpenFlow 流表也暴露出了其不足之處，而為了解決這些問題，OpenFlow 流表也在被優(yōu)化完善，至今出現(xiàn)了以下不同版本的 OpenFlow 流表項與其結(jié)構(gòu)，如圖 3.2 所示。

由圖 3.2可以對 OpenFlow v1.3 交換機流表項結(jié)構(gòu)有大體了解，OpenFlow v1.3 流表項在以往版本流表項的基礎(chǔ)上，多出了優(yōu)先級、超時定時器以及 Cookie（存儲在用戶本地終端上的數(shù)據(jù)）三部分。

OpenFlow v1.3 交換機的流表匹配流程，如圖 3.3 報文從表0開始匹配，若在表n匹配到流表則執(zhí)行更新計數(shù)器指令，若沒有匹配到流表，則將報文數(shù)據(jù)信息儲存到 Table-Miss 項中，執(zhí)行后續(xù)操作。

四、結(jié)論

OpenFlow 技術(shù)解決了在無法修改網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的情況下完成對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議的創(chuàng)新。在此前提下，提出能否將網(wǎng)絡(luò)的控制層和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層分離出來，然后只需要通過控制平面，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行編程處理，而通過編程設(shè)計可以在不改變網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的基礎(chǔ)上，針對不同問題和發(fā)展要求，實現(xiàn)可編程化，最終實現(xiàn)在控制層改變網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和協(xié)議。OpenFlow 技術(shù)的提出和發(fā)展，推動了另一個新型技術(shù)--軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的產(chǎn)生發(fā)展。