实验目标

  • 在Ryu上开发二层MAC自学习交换（以下简称二层交换）应用

  • 二层交换应用是最基础的计算机网络应用，通过开发二层交换应用，使用Ryu控制器开发网络应用

    实验原理

  • 模拟实现了二层交换机的运作原理：

    • 交换机具有自学习能力，能记录源MAC地址和入端口的对应关系。
    • 当一个数据包从某端口进入交换机，交换机将记录其源MAC地址和入端口的对应关系，然后查询对应的目的MAC地址对应的端口记录是否存在。
    • 若查询成功，则将数据包转发到查询所得端口，若查询失败，则进行泛洪处理。

  • 二层交换应用被广泛应用于局域网环境，是基础的计算机网络应用。

  • 但是二层交换应用无法单独应用在有回环的网络拓扑中，还需要其他协议或者算法来辅助，解决广播数据包在环路中泛洪产生的广播风暴。
  • 所以在测试本应用时，需搭建无环拓扑。
  • 若搭建有环拓扑，则需运行STP（Spanning Tree Protocol）协议或者其他算法来解决环路风暴问题。
  • 示例应用使用OpenFlow1.3版本协议，详细代码如下：
  1. #coding:utf-8
  2. from ryu.base import app_manager
  3. from ryu.controller import ofp_event
  4. from ryu.controller.handler import CONFIG_DISPATCHER, MAIN_DISPATCHER
  5. from ryu.controller.handler import set_ev_cls
  6. from ryu.ofproto import ofproto_v1_3
  7. from ryu.lib.packet import packet
  8. from ryu.lib.packet import ethernet
  11. class SimpleSwitch13(app_manager.RyuApp):
  12.     # 继承RyuApp父类，RyuApp是Ryu应用的抽象功能描述类。RyuApp类完成了Ryu应用所需要完成的基本操作
  13.     # 从而使得开发者在开发应用时专注于业务逻辑的实现
  14.     OFP_VERSIONS = [ofproto_v1_3.OFP_VERSION]
  16.     def __init__(self, *args, **kwargs):
  17.         super(SimpleSwitch13, self).__init__(*args,**kwargs)
  18.         # mac_to_port字典用于保存MAC地址和交换机端口的对应关系
  19.         self.mac_to_port = {}
  21.     @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPSwitchFeatures,CONFIG_DISPATCHER)
  22.     def switch_features_handler(self, ev):
  23.         # 当datapath（此处的datapath等同于交换网桥，可以大致理解为一台交换机）与控制器建立连接之后，会通过features消息回复datapath的特性。
  24.         # switch_features_handler方法通过@set_ev_cls装饰器注册了EventOFPSwitchFeatures 事件。
  25.         # 当EventOFPSwitchFeatures事件在CONFIG_DISPATCHER阶段生成时，就会被分发到switch_features_handler方法，
  26.         # 从而执行处理方法，完成事件处理。
  27.         # @set_ev_cls装饰器的第一个参数是事件类型，第二个参数为产生事件的状态。
  29.         # Ryu的ofp_event模块定义了系统使用到的事件，包括OpenFlow事件和一些内部使用的自定义事件。
  30.         # Ryu定义了HANDSHAKE_DISPATCHER、CONFIG_DISPATCHER、MAIN_DISPATCHER和DEAD_DISPATCHER四种状态，
  31.         # 用于描述datapath 的OpenFlow 通道连接的通信状态。
  33.         # switch_features_handler方法给datapath下发一条table-miss流表项
  34.         # 用于指导交换机将匹配流表项失败的数据包用Packet-in的方式发送到控制器。
  36.         datapath = ev.msg.datapath
  37.         ofproto = datapath.ofproto
  38.         parser = datapath.ofproto_parser
  40.         match = parser.OFPMatch()
  41.         actions =[parser.OFPActionOutput(ofproto.OFPP_CONTROLLER, ofproto.OFPCML_NO_BUFFER)]
  43.         self.add_flow(datapath, 0, match, actions)
  45.     def add_flow(self, datapath, priority,match, actions):
  46.         ofproto = datapath.ofproto
  47.         parser = datapath.ofproto_parser
  49.         inst = [parser.OFPInstructionActions(ofproto.OFPIT_APPLY_ACTIONS, actions)]
  51.         mod = parser.OFPFlowMod(datapath=datapath, priority=priority,
  52.                                 idle_timeout=0, hard_timeout=0,
  53.                                 match=match, instructions=inst)
  54.         datapath.send_msg(mod)
  56.     @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPPacketIn, MAIN_DISPATCHER)
  57.     def _packet_in_handler(self, ev):
  58.         # _packet_in_handler 方法注册了EventOFPPacketIn 事件
  59.         # 当EventOFPPacketIn事件在MAIN_DISPATCHER状态下产生时，就会被分发给_packet_in_handler方法处理。
  60.         # 处理方法首先对数据包进行必要的解析
  61.         # 然后按照交换机dpid的入端口号为键值，将源MAC地址记录到mac_to_port字典中：mac_to_port[dpid][in_port]=SRC_MAC。
  62.         # 然后查看其目的MAC地址是否在mac_to_port字典数据项的值中。
  63.         # 若目的MAC地址不在表中，则将出端口设置为ofproto.OFPP_FLOOD，并通过Packetout报文指示交换机将数据包泛洪；
  64.         # 若查询成功，则将出端口设置为查询所得端口；最后调用add_flow方法将流表项下发到datapath，从而完成二层交换应用。
  66.         msg = ev.msg
  67.         datapath = msg.datapath
  68.         ofproto = datapath.ofproto
  69.         parser = datapath.ofproto_parser
  70.         in_port = msg.match['in_port']
  72.         pkt = packet.Packet(msg.data)
  73.         eth = pkt.get_protocols(ethernet.ethernet)[0]
  75.         dst = eth.dst
  76.         src = eth.src
  78.         dpid = datapath.id
  79.         self.mac_to_port.setdefault(dpid,{})
  81.         self.logger.info("packet in %s %s %s %s", dpid, src, dst, in_port)
  83.         # learn a mac address to avoid FLOOD next time.
  84.         self.mac_to_port[dpid][src] = in_port
  86.         if dst in self.mac_to_port[dpid]:
  87.             out_port = self.mac_to_port[dpid][dst]
  88.         else:
  89.             out_port = ofproto.OFPP_FLOOD
  91.         actions = [parser.OFPActionOutput(out_port)]
  93.         # install a flow to avoid packet_in next time
  94.         if out_port != ofproto.OFPP_FLOOD:
  95.             match = parser.OFPMatch(in_port=in_port, eth_dst=dst)
  96.             self.add_flow(datapath, 1, match, actions)
  98.         data = None
  99.         if msg.buffer_id == ofproto.OFP_NO_BUFFER:
  100.             data = msg.data
  102.         out = parser.OFPPacketOut(datapath=datapath, buffer_id=msg.buffer_id,
  103.                                   in_port=in_port, actions=actions, data=data)
  104.         datapath.send_msg(out)

运行实验

  • 写完以上代码之后将其保存为Python 文件， 如simple_switch_13_test.py，然后保存到ryu/app目录下
  • 由于这个文件是新加的，Ryu编译文件中并没有，所以还需要将Ryu重新编译安装
  • 重新安装之后，通过ryu-manager命令启动Ryu控制器并加载新写的应用即可

  • 具体命令如下

    1. cd ryu
    2. python setup.py install
    3. ryu-manager ryu/app/simple_switch_13_test.py

  • 启动Ryu之后，通过Mininet启动任意无环拓扑并连接到控制器。

    1. sudo mn --controller remote

  • 连接成功之后，在Mininet中进行pingall测试

  • 具体测试结果如图所示

image.png