SDN網(wǎng)絡(luò)的一大特點(diǎn)就是資源由控制器集中管理，控制器管理網(wǎng)絡(luò)，最基本的當(dāng)然需要知道網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇赡軙r(shí)時(shí)發(fā)生變化，所以控制器需要時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來說，控制器擔(dān)負(fù)了太多的計(jì)算任務(wù)，所以如果能夠幫助控制器減壓，則會(huì)提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。本篇文章將以ryu控制器為例，首先介紹傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)在SDN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)原理，然后介紹改進(jìn)算法，最后講解改寫后的代碼邏輯。

一. LLDP拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)原理

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議為L(zhǎng)LDP(Link Layer Discovery Protocol)，LLDP允許局域網(wǎng)中的結(jié)點(diǎn)告訴其他結(jié)點(diǎn)他自己的capabilities和neighbours。在傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)中，交換機(jī)從自己的每個(gè)端口發(fā)送LLDP數(shù)據(jù)包，這個(gè)數(shù)據(jù)包不會(huì)被其他交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，壽命只有一跳，LLDP負(fù)載被封裝在以太網(wǎng)幀中，結(jié)構(gòu)如下圖，其中深灰色的即為L(zhǎng)LDP負(fù)載，Chassis ID TLV, Port ID TLV和Time to live TLV三個(gè)是強(qiáng)制字段，分別代表交換機(jī)標(biāo)識(shí)符(在局域網(wǎng)中是獨(dú)一無二的)，端口號(hào)和TTL。這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)出并被鄰居結(jié)點(diǎn)收到之后進(jìn)行解析，就可以知道這條鏈路的源目的交換機(jī)以及源目的接口。

二. ryu拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)原理

OpenFlow的官方?jīng)]有規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法，現(xiàn)在的OFDP(OpenFlow Discovery Protocol)利用的仍然是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議LLDP，接下來介紹ryu如何利用LLDP發(fā)現(xiàn)拓?fù)洌僭O(shè)現(xiàn)在有兩個(gè)OpenFlow交換機(jī)連接在控制器上，如下圖，簡(jiǎn)述拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)步驟(以S1作為主體，S2的類似)：

1. SDN控制器構(gòu)造PacketOut消息向S1的三個(gè)端口分別發(fā)送上圖所示的LLDP數(shù)據(jù)包，其中將Chassis ID TLV和Port ID TLV分別置為S1的dpid和端口號(hào);

2. 控制器向交換機(jī)S1中下發(fā)流表，流表規(guī)則為：將從Controller端口收到的LLDP數(shù)據(jù)包從他的對(duì)應(yīng)端口發(fā)送出去;

3. 控制器向交換機(jī)S2中下發(fā)流表，流表規(guī)則為：將從非Controller接收到LLDP數(shù)據(jù)包發(fā)送給控制器;

4. 控制器通過解析LLDP數(shù)據(jù)包，得到鏈路的源交換機(jī)，源接口，通過收到的PacketIn消息知道目的交換機(jī)和目的接口;

現(xiàn)在的ryu發(fā)現(xiàn)拓?fù)涫菍?duì)整個(gè)數(shù)據(jù)平面的所有交換機(jī)的所有端口發(fā)送PacketOut數(shù)據(jù)包，對(duì)于Fattree等網(wǎng)絡(luò)來說，端口的數(shù)量是交換機(jī)數(shù)量的k倍，因此導(dǎo)致了很多資源的消耗，所以是否可以對(duì)這個(gè)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，讓發(fā)送的PacketOut消息和交換機(jī)的數(shù)量相同?

三. 改進(jìn)后的ryu拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)理

為了實(shí)現(xiàn)上面所提到的改進(jìn)目標(biāo)，需要將LLDP負(fù)載中的Port ID TLV進(jìn)行改進(jìn)，或者有其他的域和Port ID TLV一一映射也可以，這里提供一種解決辦法，在LLDP數(shù)據(jù)包從交換機(jī)端口轉(zhuǎn)發(fā)出去的時(shí)候，將這個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的源MAC地址替換成為這個(gè)端口的MAC地址，而控制器在早先的配置階段已經(jīng)獲得了關(guān)于交換機(jī)的端口的所有信息，所以對(duì)控制器來說，MAC地址和交換機(jī)的端口號(hào)是一一對(duì)應(yīng)的，下面詳細(xì)講述改進(jìn)方案。

1. 更新控制器的LLDP PacketOut消息數(shù)量，由一個(gè)端口一個(gè)，改為一個(gè)交換機(jī)一個(gè)PacketOut消息，LLDP數(shù)據(jù)包負(fù)載中的域Port ID TLV值置為零;

2. 控制器向流表下發(fā)一條規(guī)則：所有從端口Controller接收到的LLDP數(shù)據(jù)包，依次將其源MAC地址置為端口MAC地址，然后從相應(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去;

3. 更新控制器的PacketIn消息處理機(jī)制，根據(jù)LLDP數(shù)據(jù)包的來源，可以得到目的交換機(jī)，目的端口，通過解析LLDP數(shù)據(jù)包，得到源MAC和源交換機(jī)，通過源MAC地址查找對(duì)應(yīng)的端口號(hào);

4. 由于是修改的代碼，所以不要忘了刪除原來的以端口主導(dǎo)的相關(guān)代碼。

四. 代碼分析

首選需要添加的一些變量和類

* SwitchData類：包含了時(shí)間戳以及交換機(jī)所包含的LLDP數(shù)據(jù)Shell

class SwitchData(object): 
  
#store the lldp information 
  
#send one LLDP information per switch 
  
def init (self, lldpdata): 
super(SwitchData, self).init() 
self.lldp_data = lldp_data 
self.timestamp = None 
self.sent = 0 
def lldp_sent(self): 
    self.timestamp = time.time() 
    self.sent += 1 
  
def lldp_received(self): 
    self.sent = 0 
  
def lldp_dropped(self): 
    return self.sent 
  
def clear_timestamp(self): 
    self.timestamp = None 
  
def __str__(self): 
    return 'SwitchData<timestamp=%s, sent=%d>' \ 
        % (self.timestamp, self.sent) 

* SwitchDataState：類似于PortDataState類，繼承自字典，保存從Switch類到SwitchData類的映射，維護(hù)了一個(gè)類似雙向鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Shell

class SwitchDataState(dict): 
# dict: Switch class -> SwitchData class 
# slimed down version of OrderedDict as python 2.6 doesn't support it. 
_PREV = 0 
_NEXT = 1 
_KEY = 2 
def __init__(self): 
    super(SwitchDataState, self).__init__() 
    self._root = root = []          # sentinel node 
    root[:] = [root, root, None]    # [_PREV, _NEXT, _KEY] 
                                    # doubly linked list 
    self._map = {} 
  
def _remove_key(self, key): 
    link_prev, link_next, key = self._map.pop(key) 
    link_prev[self._NEXT] = link_next 
    link_next[self._PREV] = link_prev 
  
def _append_key(self, key): 
    root = self._root 
    last = root[self._PREV] 
    last[self._NEXT] = root[self._PREV] = self._map[key] = [last, root, key]                                                                
  
def _prepend_key(self, key): 
    root = self._root 
    first = root[self._NEXT] 
    first[self._PREV] = root[self._NEXT] = self._map[key] = [root, first, key]                                                                  
  
def _move_last_key(self, key): 
    self._remove_key(key) 
    self._append_key(key) 
  
def _move_front_key(self, key): 
    self._remove_key(key) 
    self._prepend_key(key) 
  
def add_switch(self, dp, lldp_data): 
    if dp not in self: 
        self._prepend_key(dp) 
        self[dp] = SwitchData( lldp_data) 
  
def lldp_sent(self, dp): 
    switch_data = self[dp] 
    switch_data.lldp_sent() 
    self._move_last_key(dp) 
    return switch_data 
  
def lldp_received(self, dp): 
    self[dp].lldp_received() 
  
def move_front(self, dp): 
    switch_data = self.get(dp, None) 
    if switch_data is not None: 
        switch_data.clear_timestamp() 
        self._move_front_key(dp) 
  
def get_switch(self, dp): 
    return self[dp] 
  
def del_port(self, dp): 
    del self[dp] 
    self._remove_key(dp) 
  
def __iter__(self): 
    root = self._root 
    curr = root[self._NEXT] 
    while curr is not root: 
        yield curr[self._KEY] 
        curr = curr[self._NEXT] 
  
def clear(self): 
    for node in self._map.values(): 
        del node[:] 
    root = self._root 
    root[:] = [root, root, None] 
    self._map.clear() 
    dict.clear(self) 
  
def items(self): 
    'od.items() ->;gt; list of (key, value) pairs in od' 
    return [(key, self[key]) for key in self] 
  
def iteritems(self): 
    'od.iteritems -> an iterator over the (key, value) pairs in od' 
    for k in self: 
        yield (k, self[k]) 

接著簡(jiǎn)述修改的核心代碼，對(duì)應(yīng)上面第三部分提到的四點(diǎn)

1. 更新控制器的LLDP PacketOut消息數(shù)量，由一個(gè)端口一個(gè)，改為一個(gè)交換機(jī)一個(gè)PacketOut消息，LLDP數(shù)據(jù)包負(fù)載中的域Port ID TLV值置為零;

#construct LLDP packet for switch 
def switchadded(self, dp): 
lldpdata = LLDPPacket.lldppacket( 
dp.dp.id, 0, '00:00:00:00:00:00', self.DEFAULTTTL) 
self.switches.addswitch(dp, lldpdata) 

2.控制器向流表下發(fā)一條規(guī)則：所有從端口Controller接收到的LLDP數(shù)據(jù)包，依次將其源MAC地址置為端口MAC地址，然后從相應(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去;

if dp.ofproto.OFPVERSION>= ofprotov12.OFPVERSION: 
for portinfor in self.portstate[dp.id].values(): 
if portinfor.name != "tap:": 
actions.append(dp.ofprotoparser.OFPActionSetField(ethsrc=portinfor.hwaddr)) 
actions.append(dp.ofprotoparser.OFPActionOutput(portinfor.portno)) 
#actions = [dp.ofprotoparser.OFPActionOutput(self.portstate[dp].portno)] 
out = dp.ofprotoparser.OFPPacketOut( 
datapath=dp, inport=dp.ofproto.OFPP_CONTROLLER, 
bufferid=dp.ofproto.OFPNOBUFFER, actions=actions, 
data=switchdata.lldpdata) 
dp.sendmsg(out) 
else: 
LOG.error('cannot send lldp packet. unsupported version. %x', 
dp.ofproto.OFPVERSION) 

3.更新控制器的PacketIn消息處理機(jī)制，根據(jù)LLDP數(shù)據(jù)包的來源，可以得到目的交換機(jī)，目的端口，通過解析LLDP數(shù)據(jù)包，得到源MAC和源交換機(jī)，通過源MAC地址查找對(duì)應(yīng)的端口號(hào);

for port in self.portstate[srcdpid].values(): 
if port.hwaddr == srcmac: 
srcportno = port.portno 

4.由于是修改的代碼，所以不要忘了刪除原來的以端口主導(dǎo)的相關(guān)代碼。完整的代碼見github。

五. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

用Mininet建立一個(gè)二層二叉樹，s3作為根節(jié)點(diǎn)分別連接s1和s2。如下圖：

寫個(gè)簡(jiǎn)單的ryu應(yīng)用來調(diào)用拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)模塊提供的API接口，應(yīng)用為topo_learner.py,代碼見github用wireshark抓取OpenFlow和LLDP數(shù)據(jù)包來進(jìn)行驗(yàn)證

首先抓取交換機(jī)對(duì)控制器的響應(yīng)消息，查看交換機(jī)的端口以及對(duì)應(yīng)的MAC地址，從解析可以看到這是s3交換機(jī)，擁有四個(gè)端口(分別連接控制器，s1,s2,h3)，下圖是截取到的一個(gè)LLDP數(shù)據(jù)包，可以看出圖中藍(lán)色背景的LLDP的數(shù)據(jù)包的源MAC地址是s3交換機(jī)的3端口的MAC地址，說明前面的代碼修改成功。