软件定义网络 | 易学教程

软件定义网络（SDN）

主要有以下三个特点:

控制与转发分离：转发平面就是一个个虚拟或者物理的网络设备，就像小区里面的一条条路。控制平面就是统一的控制中心，就像小区物业的监控室。它们原来是一起的，物业管理员要从监控室出来，到路上去管理设备，现在是分离的，路就是走人的，控制都在监控室。
控制平面与转发平面之间的开放接口：控制器向上提供接口，被应用层调用，就像总控室提供按钮，让物业管理员使用。控制器向下调用接口，来控制网络设备，就像总控室会远程控制电梯的速度。这里经常使用两个名词，前面这个接口称为北向接口，后面这个接口称为南向接口，上北下南嘛。
逻辑上的集中控制：逻辑上集中的控制平面可以控制多个转发面设备，也就是控制整个物理网络，因而可以获得全局的网络状态视图，并根据该全局网络状态视图实现对网络的优化控制，就像物业管理员在监控室能够看到整个小区的情况，并根据情况优化出入方案

如下图:

OpenFlow和OpenvSwitch

OpenFlow是SDN控制器和网络设备之间互通的南向接口协议，OpenvSwitch用于创建软件的虚拟交换机。OpenvSwitch是支持OpenFlow协议的，当然也有一些硬件交换机也支持OpenFlow
协议。它们都可以被统一的SDN控制器管理，从而实现物理机和虚拟机的网络连通。

如下图:

在OpenvSwitch里面，有一个流表规则，任何通过这个交换机的包，都会经过这些规则进行处理，从而接收、转发、放弃。每个表格好多行，每行都是一条规则。每条规则都有优先级，先看高优先级的规则，再看低优先级的规则。

每一条规则，要看是否满足匹配条件。这些条件包括，从哪个端口进来的，网络包头里面有什么等等。满足了条件的网络包，就要执行一个动作，对这个网络包进行处理。可以修改包头里的内容，可以跳到任何一个表格，可以转发到某个网口出去，也可以丢弃。

对于物理层：

匹配规则包括由从哪个口进来；
执行动作包括从哪个口出去。

对于MAC层：

匹配规则包括：源MAC地址是多少？（dl_src），目标MAC是多少？（dl_dst），所属vlan是多少？（dl_vlan）；
执行动作包括：修改源MAC（mod_dl_src），修改目标MAC（mod_dl_dst），修改VLAN（mod_vlan_vid），删除VLAN（strip_vlan），MAC地址学习（learn）。

对于网络层：

匹配规则包括：源IP地址是多少？(nw_src)，目标IP是多少？（nw_dst）。
执行动作包括：修改源IP地址（mod_nw_src），修改目标IP地址（mod_nw_dst）。

对于传输层：

匹配规则包括：源端口是多少？（tp_src），目标端口是多少？（tp_dst）。
执行动作包括：修改源端口（mod_tp_src），修改目标端口（mod_tp_dst）。

总而言之，对于OpenvSwitch来讲，网络包到了我手里，就是一个Buffer，我想怎么改怎么改，想发到哪个端口就发送到哪个端口。

openvswitch实验

创建交换机

ovs-vsctl add-br ubuntu_br

实验一：用OpenvSwitch实现VLAN的功能

下面我们实验一下通过OpenvSwitch实现VLAN的功能，在OpenvSwitch中端口port分两种。
第一类是access port：

这个端口配置tag，从这个端口进来的包会被打上这个tag；
如果网络包本身带有的VLAN ID等于tag，则会从这个port发出；
从access port发出的包不带VLAN ID。

第二类是trunk port：

这个port不配置tag，配置trunks；
如果trunks为空，则所有的VLAN都trunk，也就意味着对于所有VLAN的包，本身带什么VLAN ID，就是携带者什么VLAN ID，如果没有设置VLAN，就属于VLAN 0，全部允许通过；
如果trunks不为空，则仅仅带着这些VLAN ID的包通过。

我们通过以下命令创建如下的环境：

ovs-vsctl add-port ubuntu_br first_br
ovs-vsctl add-port ubuntu_br second_br
ovs-vsctl add-port ubuntu_br third_br
ovs-vsctl set Port vnet0 tag=101
ovs-vsctl set Port vnet1 tag=102
ovs-vsctl set Port vnet2 tag=103
ovs-vsctl set Port first_br tag=103
ovs-vsctl clear Port second_br tag
ovs-vsctl set Port third_br trunks=101,102

另外要配置禁止MAC地址学习。

vs-vsctl set bridge ubuntu_br flood-vlans=101,102,103

实验拓扑:

创建好了环境以后，我们来做这个实验。
1. 从192.168.100.102来ping 192.168.100.103，然后用tcpdump进行抓包。first_if收到包了，从first_br出来的包头是没有VLAN ID的。second_if也收到包了，由于second_br是trunk
port，因而出来的包头是有VLAN ID的，third_if收不到包。
2. 从192.168.100.100来ping 192.168.100.105, 则second_if和third_if可以收到包，当然ping不通，因为third_if不属于某个VLAN。first_if是收不到包的。second_if能够收到包，而且包里
面是VLAN ID=101。third_if也能收到包，而且包头里面是VLAN ID=101。
3. 从192.168.100.101来ping 192.168.100.104，则second_if和third_if可以收到包。first_if是收不到包的。second_br能够收到包，而且包头里面是VLAN ID=102。third_if也能收到包，而且包头里面是VLAN ID=102。

实验二：用OpenvSwitch模拟网卡绑定，连接交换机

在OpenvSwitch里面，有个bond_mode，可以设置为以下三个值：

active-backup：一个连接是active，其他的是backup，当active失效的时候，backup顶上；
balance-slb：流量安装源MAC和output VLAN进行负载均衡；
balance-tcp：必须在支持LACP协议的情况下才可以，可根据L2, L3, L4进行负载均衡。

拓扑结构:

创建bond

ovs-vsctl add-bond br0 bond0 first_br second_br
ovs-vsctl add-bond br1 bond1 first_if second_if
ovs-vsctl set Port bond0 lacp=active
ovs-vsctl set Port bond1 lacp=active

默认情况下bond_mode是active-backup模式，一开始active的是first_br和first_if

    测试192.168.100.100 ping 192.168.100.102，以及从192.168.100.101 ping 192.168.100.103的时候，tcpdump可以看到所有的包都是从first_if通过。
    如果把first_if设成down，则包的走向会变，发现second_if开始有流量，对于192.168.100.100和192.168.100.101似乎没有收到影响。
   如果我们通过以下命令，把bond_mode设为balance-slb。然后我们同时在192.168.100.100 ping 192.168.100.102，在192.168.100.101 ping 192.168.100.103，我们通过tcpdump现包已经被分流了。

ovs-vsctl set Port bond0 bond_mode=balance-slb
ovs-vsctl set Port bond1 bond_mode=balance-slb

OpenvSwitch的架构图

OpenvSwitch包含很多的模块，在用户态有两个重要的进程，也有两个重要的命令行工具。

第一个进程是OVSDB进程。ovs-vsctl命令行会和这个进程通信，去创建虚拟交换机，创建端口，将端口添加到虚拟交换机上，OVSDB会将这些拓扑信息保存在一个本地的文件中。
第二个进程是vswitchd进程。ovs-ofctl命令行会和这个进程通信，去下发流表规则，规则里面会规定如何对网络包进行处理，vswitchd会将流表放在用户态Flow Table中

在内核态，OpenvSwitch有内核模块OpenvSwitch.ko，对应图中的Datapath部分。在网卡上注册一个函数，每当有网络包到达网卡的时候，这个函数就会被调用。
在内核的这个函数里面，会拿到网络包，将各个层次的重要信息拿出来，例如：

在物理层，in_port即包进入的网口的ID；
在MAC层，源和目的MAC地址；
在IP层，源和目的IP地址；
在传输层，源和目的端口号。

      在内核中，有一个内核态Flow Table。接下来内核模块在这个内核流表中匹配规则，如果匹配上了，则执行操作、修改包，或者转发或者放弃。如果内核没有匹配上，则需要进入用户态，用户态和内核态之间通过Linux的一个机制Netlink相互通信。
      内核通过upcall，告知用户态进程vswitchd在用户态Flow Table里面去匹配规则，这里面的规则是全量的流表规则，而内核Flow Table里面的只是为了快速处理，保留了部分规则，内核里面的规则过一阵就会过期。
     当在用户态匹配到了流表规则之后，就在用户态执行操作，同时将这个匹配成功的流表通过reinject下发到内核，从而接下来的包都能在内核找到这个规则。这里调用openflow协议的，是本地的命令行工具，也可以是远程的SDN控制器，一个重要的SDN控制器是OpenDaylight。