实验6：开源控制器实践——RYU

一、实验目的

1. 能够独立部署RYU控制器；
2. 能够理解RYU控制器实现软件定义的集线器原理；
3. 能够理解RYU控制器实现软件定义的交换机原理。

二、实验环境

1. 下载虚拟机软件Oracle VisualBox或VMware；
2. 在虚拟机中安装Ubuntu 20.04 Desktop amd64，并完整安装Mininet；

三、实验要求

（一）基本要求

1. 完成Ryu控制器的安装。

   

2. 搭建下图所示SDN拓扑，协议使用Open Flow 1.0，并连接Ryu控制器。
   

• 构建拓扑

  sudo mn --topo=single,3 --mac --controller=remote,ip=127.0.0.1,port=6633 --switch ovsk,protocols=OpneFlow10
  

• 启动控制器，利用Web图形界面查看网络拓扑

  ryu-manager ryu/ryu/app/gui_topology/gui_topology.py --observe-links
  

3. 通过Ryu的图形界面查看网络拓扑。

   

4. 阅读Ryu文档的The First Application一节，运行并使用 tcpdump 验证L2Switch，分析和POX的Hub模块有何不同。

• 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)
  

• h1 ping h2

  h2和h3都可以收到数据包

  

• h1 ping h3

  h2和h3都可以收到数据包

  

  可以发现均为洪泛转发

  查看RYU控制器流表我们会发现没有具体信息，如下图：

  

  而在上次实验中我们发现使用pox的hub模块是可以看到流表的

  这说明虽然二者都是事先洪泛转发ICMP报文，但是涉及到流表下发的逻辑有些不一样，POX是直接将流表下发给了交换机，而Ryu是出现了Packet in事件时才向交换机下发转发操作。

（二）进阶要求

1. 阅读Ryu关于simple_switch.py和simple_switch_1x.py的实现，以simple_switch_13.py为例，完成其代码的注释工作，并回答下列问题：

   # 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.
   
   # 引入包
   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):
       # 定义openflow版本
       OFP_VERSIONS = [ofproto_v1_3.OFP_VERSION]
   
       def __init__(self, *args, **kwargs):
           super(SimpleSwitch13, self).__init__(*args, **kwargs)
           # 定义保存mac地址到端口的一个映射
           self.mac_to_port = {}
   
       # 处理EventOFPSwitchFeatures事件
       @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPSwitchFeatures, CONFIG_DISPATCHER)
       def switch_features_handler(self, ev):
           datapath = ev.msg.datapath
           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()
           actions = [parser.OFPActionOutput(ofproto.OFPP_CONTROLLER,
                                             ofproto.OFPCML_NO_BUFFER)]
           self.add_flow(datapath, 0, match, actions)
   
       # 添加流表函数
       def add_flow(self, datapath, priority, match, actions, buffer_id=None):
           # 获取交换机信息
           ofproto = datapath.ofproto
           parser = datapath.ofproto_parser
   
           # 对action进行包装
           inst = [parser.OFPInstructionActions(ofproto.OFPIT_APPLY_ACTIONS,
                                                actions)]
           # 判断是否有buffer_id，并生成mod对象
           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)
           # 发送mod
           datapath.send_msg(mod)
   
       # 处理packet in事件
       @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:
               self.logger.debug("packet truncated: only %s of %s bytes",
                                 ev.msg.msg_len, ev.msg.total_len)
           # 获取包信息，交换机信息，协议等等
           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]
   
           # 忽略LLDP类型
           if eth.ethertype == ether_types.ETH_TYPE_LLDP:
               # ignore lldp packet
               return
   
           # 获取源端口，目的端口
           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)
   
           # 学习包的源地址，和交换机上的入端口绑定
           # learn a mac address to avoid FLOOD next time.
           self.mac_to_port[dpid][src] = in_port
   
           # 查看是否已经学习过该目的mac地址
           if dst in self.mac_to_port[dpid]:
               out_port = self.mac_to_port[dpid][dst]
          # 如果没有则进行洪泛
           else:
               out_port = ofproto.OFPP_FLOOD
   
           actions = [parser.OFPActionOutput(out_port)]
   
           # 下发流表处理后续包，不再触发 packet in 事件
           # 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:
                   self.add_flow(datapath, 1, match, actions, msg.buffer_id)
                   return
               else:
                   self.add_flow(datapath, 1, match, actions)
           data = None
           if msg.buffer_id == ofproto.OFP_NO_BUFFER:
               data = msg.data
   
           out = parser.OFPPacketOut(datapath=datapath, buffer_id=msg.buffer_id,
                                     in_port=in_port, actions=actions, data=data)
           # 发送流表
           datapath.send_msg(out
   

   a) 代码当中的mac_to_port的作用是什么？

   • mac_to_port保存mac地址到交换机端口的映射，为交换机自学习功能提供数据结构进行 mac-端口的存储

   b) simple_switch和simple_switch_13在dpid的输出上有何不同？

   • simple_switch的dpid赋值：dpid = datapath.id

   • simple_switch_13的dpid赋值：dpid = format(datapath.id, "d").zfill(16)

   • 在simple_switch_13中，可以直接在simple_switch中获取id，并且会在前端加上0将其填充至16位

   c) 相比simple_switch，simple_switch_13增加的switch_feature_handler实现了什么功能？

   • 实现交换机以特性应答消息响应特性请求

   d) simple_switch_13是如何实现流规则下发的？

   • 在接收到packetin事件后，首先获取包学习，交换机信息，以太网信息，协议信息等。如果以太网类型是LLDP类型，则不予处理。如果不是，则获取源端口目的端口，以及交换机id，先学习源地址对应的交换机的入端口，再查看是否已经学习目的mac地址，如果没有则进行洪泛转发。如果学习过该mac地址，则查看是否有buffer_id，如果有的话，则在添加流动作时加上buffer_id，向交换机发送流表

   e) switch_features_handler和_packet_in_handler两个事件在发送流规则的优先级上有何不同？

   • switch_features_handler下发流表的优先级更高

四、个人总结

• 实验难度：较难

  这次实验主要涉及到ryu控制器的使用，主要难度还是在于解释Ryu和POX的Hub模块的区别和阅读Ryu的源码上。有了之前阅读相关源码的经验这次阅读源码相对来说会轻松一些。

• 实验过程遇到的困难：

  1.问题：不知何原因在运行sudo mn --topo=single,3 --mac --controller=remote,ip=127.0.0.1,port=6633 --switch ovsk,protocols=OpneFlow10后报错，找不到mininet.clean模块

  解决方案：尝试了多种方法后无法解决，重新安装了mininet，之后发现是python的软链接在安装其他工具的过程中被修改了，软链接指向了python2；之后按照教程删除并重新创建软链接指向python3后得以解决

  2.问题：在使用Ryu控制器，运行并使用 tcpdump 验证L2Switch时，使用dpctl dump-flows查看流表时发现居然存在流表，这与我之间了解到的Ryu控制器的相关知识产生了冲突

  解决方案：虽然这里的结果显示跟POX的hub模块相同，但是如果使用dpctl del-flows删除流表后，再按刚才的流程重新操作会发现这时候查看流表不再有具体信息且ping的结果不变，说明只是因为之前操作过程中残留的流表没有被删除，删除后就能正常进行实验验证结果

• 个人感想：

  通过这次的实验，了解到了Ryu控制器的使用方法，并通过阅读源码进一步了解到了Ryu控制器的使用细节，尽管在实验的过程中还是遇到了很多意想不到的问题，但是好在最后都解决了，我也进一步积累了处理异常情况的经验。