软件定义网络SDN简介和简单仿真实验

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SDN是在2009年左右出现的一种新型网络结构，它将数据层面与控制层面分离，使用中央控制器完成网络的操作和管理，并通常采用OpenFlow协议作为其核心通信协议，拥有着集中式控制、可编程、部署灵活性和数据层面与控制层面相互分离等多种优势。并且作为一种新型的网络结构，其通信协议、三层体系结构和仿真实验都非常有意思。

SDN体系结构

典型的SDN架构定义如下图所示。

SDN体系结构由下到上分别为转发层（又称为基础设施层）、控制层和业务层（又称为应用层）。其中转发层表示网络底层的物理转发设备，维护着流表结构，数据流中的分组则按照流表中的规则进行转发；中间的控制层集中维护和控制网络的各种状态，并负责流表的生成、配置和维护，同时需要为业务层提供易用的北向接口；最上面的业务层根据不同的应用需求来实现不同功能的应用程序。控制层通过南向接口（例如OpenFlow协议）与转发层进行通信，并获取转发层的网络设备的信息；控制层与业务层之间由可扩展的北向接口完成交互，北向接口由各个控制器的Rest API提供，并允许开发者根据实际网络需求开发。

在SDN体系结构中，开发者能够获取转发层中网路设备的实时状态信息，通过调用控制层的北向Rest API接口，编程实现不同功能的应用程序；最后通过控制器和南向接口（OpenFlow）以流表的形式下发到网络设备中，从而完成网络的配置。

OpenFlow协议介绍

OpenFlow协议是SDN架构中第一个定义在控制层和转发层之间的标准通信接口，基于OpenFlow的SDN技术可以使开发者动态管理网络拓扑结构。

最常见的OpenFlow流表主要由三个部分组成：匹配域（Match Fields）、计数器域（Counters）和指令域（Instructions），如下图所示。

（1）匹配域，如下图所示：一共包含12个域，每个域内包含一个值，分别对应TCP/IP体系结构中：

一层物理层中入端口（Ingress Port）；
二层数据链路层中源MAC地址（Ether source）、目的MAC地址（Ether dst）、以太网类型（EtherType）、VLAN标签（VLAN id）、VLAN优先级（VLAN priority）；
三层网络层中源IP（IP src）、目的IP（IP dst）、IP协议字段（IP proto）、IP服务类型IP ToS bits）；
四层传输层中TCP/UDP源端口号（TCP/UDP src port）、 TCP/UDP目的端口号（TCP/UDP dst port）。

（2）计数器域，可以用来统计每个端口、每条流、每张表和每个队列上的流量信息。

（3）指令域，为每条流表项对应的行动，表示对匹配该流表项处理方法，其中可以有0或者多个行动。若一条流表项的指令域为空，则默认操作是丢弃数据包。若一个流表项的指令域内有多个行动，则按照行动的优先级顺序执行。行动分为必选行动和可选行动，必选行动中包括转发或者丢弃，可选行动中则包括按照传统交换机处理、泛洪（除去入端口）、入队和修改匹配域等。

如上图所示数据包匹配流程：当数据包到达后，从流表中的第一个流表项开始匹配，若有匹配域相符合的流表项，接着更新该条流表项对应的统计数据，然后根据流表项对应指令域内的指令进行相应操作；若没有流表项被成功匹配，则转发给控制器请求进一步处理。

基于OpenFlow的SDN工作流程

上图为基于OpenFlow的SDN工作流程：

终端PC机向网络中发送一系列数据包；
数据包到达OpenFlow交换机，若交换机中无匹配的流表，则通过第2步向控制器发送Packet-In消息，请求控制器下发处理流表，若交换机中有匹配的流表，则直接执行第4步；
控制器下发流表（或Packet-Out消息）到交换机中；
交换机根据流表的信息将数据包转发到下一个交换机中；
交换机若有匹配流表，执行第7步，若无匹配流表，执行类似第2步；
类似第3步；
交换机转发数据包到另一个终端PC机。

SDN网络仿真小实验

SDN网络仿真实验只需要一台PC机就可以完成，不任何需要其他额外设备。Mininet就是一个轻量级的SDN网络仿真平台，Floodlight是一款开源的SDN控制器。本次的仿真小实验的系统、控制器和仿真平台信息如下图所示。

软件名称和类型	功能
Ubuntu 12.04	64 bit系统环境
控制器Floodlight	控制交换机，下发流表，控制数据转发
虚拟仿真平台Mininet	搭建虚拟网络拓扑