基于OpenDaylight控制器的环境搭建与协议分析

夏婷，徐伟尧

(枣庄学院 光电工程学院，山东 枣庄 277160)

0 引言

SDN(Software Defined Networking，软件定义网络)是一种新型的网络架构技术[1]，2009年入选美国MIT主办的《技术评论》十大新兴技术之一，其核心理念是数据转发和控制层面的分离[1]，并且提供开放的编程接口，为网络提供灵活的可编程能力[2].目前已在网络虚拟化、数据中心网络、无线局域网和云计算等领域得到应用[3].OpenFlow网络可看作SDN思想的一种具体实现[4]，目前已经成为SDN的主流技术之一[5].

OpenFlow网络主要由控制器、交换机和标准协议三部分组成，在传统的IP网络架构中，路由器和交换机分布完成了路由计算和网络管理等工作，然而在OpenFlow网络架构中，控制器就可以完成网络当中所有的管理功能[5]，一个控制器可以与多个OpenFlow交换机相连接.在SDN数据平面与控制平面相分离的体系结构中，控制器是连接底层交换设备与上层应用之间的桥梁[6]，在整个网络当中具有举足轻重的地位，是整个网络的大脑，其直接影响了整个网络的运行效率.目前常用的开源OpenFlow控制器有POX、FloodLight、OpenDaylight、RYU和OpenContrial等.IBM、Cisco、微软、NEC、Juniper等多家IT巨头于2013年4月合作启动了OpenDaylight(ODL)项目[7]，该项目采用的是JAVA语言开发，是一套开源的SDN框架.

ODL控制器相较于其它控制器，设计上更加灵活，扩展性更好，此外，ODL支持更多的协议，具备更为完备的服务功能[8]，因而得到如此多公司的支持，更有可能广泛应用到实际当中.ODL控制器提供了一个模块化的开放SDN控制器，它提供了开放的北向API，同时南向支持多种包括OpenFlow(OF)在内的SDN协议[9].

1 OpenDaylight架构

ODL项目中与OpenFlow相关的协议有controller、openflowjava和openflowplugin，目前controller仅支持openflow1.0，openflowjava和openflowplugin项目的目标是支持openflow1.3及以上的协议.

ODL的目标是打造一个网络操作系统，是一个基于SDN开发的模块化、可扩展、可升级、支持多协议的控制器框架，引入SAL屏蔽不同协议的差异性，支持多种南向协议插件，北向接口可扩展性强，采用了OSGI框架，实现了模块化和可扩展化，为OSGI模块和服务提供了版本和周期性管理.

其框架大体分为三部分，网络APP和业务流程层、控制器平台层以及物理和虚拟网络设备层，并且用北向接口与南向接口将三者连接，控制器向应用层提供北向接口，应用使用控制器收集信息，利用控制器做分析，部署新的网络规则等，南向接口可支持多种协议，openflow1.0、openflow1.3、BGP-LS等，这些协议插件动态地连接在SAL上.

2 SDN环境搭建及源码分析

若要构成完整的SDN网络，仅有ODL控制器是不够的.虽然当前硬件SDN交换机非常少，但可以采用Mininet推出的模拟的交换机[7].其工作原理是，在一台Linux主机内构造并模拟出多台SDN交换机和终端，同时使用Python脚本还能配置较为复杂的SDN网络拓扑结构[7]，此外，Mininet还配备了wireshark抓包软件，更加方便SDN爱好者进行相关研究.

2.1 安装OpenDayLight控制器

在OpenDayLight的官网上共享了版本、安装向导、用户向导、开发者向导等，可进行下载学习，通过安装向导，安装完成后进入ODL启动目录，执行karaf文件，出现图1则界面表示安装成功.

图1 ODL启动界面

用浏览器打开OpenDayLight，地址为：http://127.0.0.1:8181/index.html，登录界面如图2所示.

图2 ODL网页登录界面

2.2 安装Mininet环境

使用Mininet可以通过一条命令在一台主机上(虚拟机、云或者本地)快速地创建一个虚拟网络，并在上面运行真正的内核、交换机和应用程序代码[10]，它采用轻量级的虚拟化技术使得系统可以和真实的网络相媲美.

本文在测试中使用的网络拓扑结构如图3所示，由以下部分组成，1台ODL控制器、2台交换机(SW)和4台主机(Host)，其中每台SW分别与2台Host相连，这些主机分属于2个不同的网段，交换机与控制器之间采用OF协议[7]，测试网络的拓扑结构可以由Python脚本生成.

图3 网络拓扑结构图

2.3 SDN数据通信源码分析

ODL控制器包含多个小项目，每个小项目是一个bundle(组件)，每个组件可以为其它组件提供服务.OF1.0插件属于其南向各种plugin的一个.OF插件包含两个文件夹core和internal，其中，core是OF1.0的核心代码，internal 是OF1.0插件上层的服务.下面分析一下几个重要的文件：

ControllerIO.java是一个Java的线程文件，每五秒检测一次，是否有新的连接请求进来，有则进行处理.

利用handlerNewConnection给一个新的交换机生成一个SwitchHandler，SwitchHandler的handleMessages()函数用来处理各类消息，因此，一个交换机对应一个SwitchHandler.

3 SDN协议分析

3.1 使用wireshark抓包并分析OF协议

使用网络分析软件wireshark抓取到的数据包不仅可以来源于本机网卡，还可以来源于远程主机网卡，利用该软件还可以抓取到ICMP、TCP和UDP等不同类型的数据包[11]，网络管理员便可以对这些不同来源、不同类型的数据包进行分析，从而可以有效获得当前的网络状况[12]，而且有助于分析员加深对计算机网络和不同网络协议的认识及理解.通过wireshark的抓包分析，可以直观地看到ODL控制器与交换机之间的通信过程.

通过图4可以看出，ODL与Mininet之间应用的协议是OpenFlow1.0版本协议.此外，

图4 抓包分析

通过wireshark抓包软件可以很详细地分析ODL控制器与交换机之间的各个流程协议，如建立连接、stats状态信息、packet_in、packet_out消息等等，如图5所示.

图5 协议分析

3.2 基于OpenDayLight的端到端流表分析

网络开发者通常使用restclient来创建和测试http网络请求，restclient是一个基于浏览器的测试工具[13]，本文使用的是虚拟机中Firefox浏览器中的restclient组件来测试交换机下发流表过程，如图6所示.在result中可以看到流表下发成功，如图7所示.

图6 流表下发

图7 流表测试

3.3 特殊网络结构下SDN的转发能力分析

传统以太网是不能存在环路的，即使有环路也通过生成树协议解决，ODL控制器在其算法中也能避免环路的产生.在下面的测试中构建了5台交换机和5台主机，连成环形拓扑网络结构.

图8 环路网络拓扑及流表测试

通过测试表明，主机之间流量转发正常，并没有广播风暴和环路出现，查看各交换机的流表，均显示到目的地址采用的是最短路径.

4 结论

本文分析了ODL这款网络控制器的实现机制，同时搭建了一个基于ODL的SDN实验环境，可以方便的使用抓包工具进行抓包分析和流表分析.基于整个系统的网络拓扑结构，ODL 控制器通过对各个主机之间、各主机与网关之间的ARP报文进行分析，来获取每一台主机的位置，计算到达目的主机的流表采用的算法是最短路径优先算法[7]，然后将该流表下发至网络中的各个交换机上.下一步的工作将重点研究ODL各控制器的协调工作流程、方法，以及ODL其它相对重要的扩展功能实现原理.

[1] 穆琙博,郭晨,马军锋.基于OpenFlow的SDN测试技术的研究[J].电信网技术, 2015(4):10-14.

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[5] 朱超. 基于OpenFlow的软件定义网络路由技术研究[D]. 合肥:中国科学技术大学, 2014.

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[13] 司凤山,李东江. 基于网络入侵检测系统的技术改进[J].枣庄学院学报, 2006(2):65-69.