实验3：OpenFlow协议分析实践

一、实验目的

能够运用 wireshark 对 OpenFlow 协议数据交互过程进行抓包；
能够借助包解析工具，分析与解释 OpenFlow协议的数据包交互过程与机制。

二、实验环境

下载虚拟机软件Oracle VisualBox；
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

搭建下图所示拓扑，完成相关 IP 配置，并实现主机与主机之间的 IP 通信。用抓包软件获取控制器与交换机之间的通信数据包。

主机	IP地址
h1	192.168.0.101/24
h2	192.168.0.102/24
h3	192.168.0.103/24
h4	192.168.0.104/24

打开miniedit，绘制如题述拓扑图，保存拓扑至/home/ubuntu/031902218/lab3
使用编辑器打开刚才保存的文件topo.py，如下修改主机IP设置
测试配置效果

主机之间可以相互通信，说明拓扑建立成功

查看抓包结果，分析OpenFlow协议中交换机与控制器的消息交互过程，画出相关交互图或流程图。

由于题述拓扑中存在两个交换机，这里只以其中一个交换机与控制器的交互作为说明
- Hello
  
  交换机和控制器互相发送Hello报文，控制器默认使用OpenFlow1.0版本，交换机我们先前设置其支持OpenFlow1.0和1.3，这里交换机使用所能支持的最高版本OpenFlow1.3进行通信。最后按照规定两者以较低版本1.0进行通信
  
  控制器6633端口（我最高能支持OpenFlow 1.0） ---> 交换机33616端口
  
  交换机33616端口（我最高能支持OpenFlow 1.3）---> 控制器6633端口
- Features Request / Set Config
  
  控制器向交换机发送FEATURES_REQUEST询问交换机信息
  
  控制器向交换机发送SET_CONFIG配置相关指标
  
  控制器6633端口（我需要你的特征信息） ---> 交换机33616端口
  
  控制器6633端口（请按照我给你的flag和max bytes of packet进行配置） ---> 交换机33616端口
- Port_Status
  
  当交换机端口发生变化时，告知控制器相应的端口状态
- Features Reply
  
  交换机收到Features Request之后随即发送Features Reply，将自己的信息发送至控制器
  
  交换机33616端口（这是我的特征信息，请查收）---> 控制器6633端口
- Packet_in
  
  出现Packet_in有两种情况：
  - 交换机查找流表，发现没有匹配条目时
  - 有匹配条目但是对应的action是OUTPUT=CONTROLLER时
  交换机33616端口（有数据包进来，请指示）--- 控制器6633端口
- Packet_out
  
  控制器6633端口（请按照我给你的action进行处理） ---> 交换机33616端口
- Flow_mod
  
  在该过程中我并未抓取到该类型的数据包
- 相关交互图
  
  由于Features Request / Set Config和Packet_out / Flow_mod没有明显的先后关系所以放在一起
回答问题：交换机与控制器建立通信时是使用TCP协议还是UDP协议？

使用了TCP协议，抓包截图与topo.py源码中均能体现

（二）进阶要求

将抓包结果对照OpenFlow源码，了解OpenFlow主要消息类型对应的数据结构定义。

Hello

struct ofp_header {
    uint8_t version;    /* OFP_VERSION. */
    uint8_t type;       /* One of the OFPT_ constants. */
    uint16_t length;    /* Length including this ofp_header. */
    uint32_t xid;       /* Transaction id associated with this packet.
                           Replies use the same id as was in the request
                           to facilitate pairing. */
};
struct ofp_hello {
    struct ofp_header header;
};

Features Request

可以发现这一个消息类型的格式与Hello一致，含有一个头部ofp_header

Set Config

/* Switch configuration. */
struct ofp_switch_config {
    struct ofp_header header;
    uint16_t flags;             /* OFPC_* flags. */
    uint16_t miss_send_len;     /* Max bytes of new flow that datapath should
                                   send to the controller. */
};

以上可以看出这个消息类型用于控制器向交换机发送配置信息

Port_Status

/* A physical port has changed in the datapath */
struct ofp_port_status {
    struct ofp_header header;
    uint8_t reason;          /* One of OFPPR_*. */
    uint8_t pad[7];          /* Align to 64-bits. */
    struct ofp_phy_port desc;
};

Features Reply

struct ofp_switch_features {
    struct ofp_header header;
    uint64_t datapath_id;   /* Datapath unique ID.  The lower 48-bits are for
                               a MAC address, while the upper 16-bits are
                               implementer-defined. */

    uint32_t n_buffers;     /* Max packets buffered at once. */

    uint8_t n_tables;       /* Number of tables supported by datapath. */
    uint8_t pad[3];         /* Align to 64-bits. */

    /* Features. */
    uint32_t capabilities;  /* Bitmap of support "ofp_capabilities". */
    uint32_t actions;       /* Bitmap of supported "ofp_action_type"s. */

    /* Port info.*/
    struct ofp_phy_port ports[0];  /* Port definitions.  The number of ports
                                      is inferred from the length field in
                                      the header. */
};
/* Description of a physical port */
struct ofp_phy_port {
    uint16_t port_no;
    uint8_t hw_addr[OFP_ETH_ALEN];
    char name[OFP_MAX_PORT_NAME_LEN]; /* Null-terminated */

    uint32_t config;        /* Bitmap of OFPPC_* flags. */
    uint32_t state;         /* Bitmap of OFPPS_* flags. */

    /* Bitmaps of OFPPF_* that describe features.  All bits zeroed if
     * unsupported or unavailable. */
    uint32_t curr;          /* Current features. */
    uint32_t advertised;    /* Features being advertised by the port. */
    uint32_t supported;     /* Features supported by the port. */
    uint32_t peer;          /* Features advertised by peer. */
};

Packet_in

struct ofp_packet_in {
    struct ofp_header header;
    uint32_t buffer_id;     /* ID assigned by datapath. */
    uint16_t total_len;     /* Full length of frame. */
    uint16_t in_port;       /* Port on which frame was received. */
    uint8_t reason;         /* Reason packet is being sent (one of OFPR_*) */
    uint8_t pad;
    uint8_t data[0];        /* Ethernet frame, halfway through 32-bit word,
                               so the IP header is 32-bit aligned.  The
                               amount of data is inferred from the length
                               field in the header.  Because of padding,
                               offsetof(struct ofp_packet_in, data) ==
                               sizeof(struct ofp_packet_in) - 2. */

除以上与这种情况外，还有Packet_in数据报还有一种：

enum ofp_packet_in_reason {
    OFPR_NO_MATCH,          /* No matching flow. */
    OFPR_ACTION             /* Action explicitly output to controller. */
};

Packet_out

struct ofp_packet_out {
    struct ofp_header header;
    uint32_t buffer_id;           /* ID assigned by datapath (-1 if none). */
    uint16_t in_port;             /* Packet's input port (OFPP_NONE if none). */
    uint16_t actions_len;         /* Size of action array in bytes. */
    struct ofp_action_header actions[0]; /* Actions. */
    /* uint8_t data[0]; */        /* Packet data.  The length is inferred
                                     from the length field in the header.
                                     (Only meaningful if buffer_id == -1.) */
};

Flow_mod

由于未找到这种数据包这里只有对应的源码

struct ofp_flow_mod {
    struct ofp_header header;
    struct ofp_match match;      /* Fields to match */
    uint64_t cookie;             /* Opaque controller-issued identifier. */

    /* Flow actions. */
    uint16_t command;             /* One of OFPFC_*. */
    uint16_t idle_timeout;        /* Idle time before discarding (seconds). */
    uint16_t hard_timeout;        /* Max time before discarding (seconds). */
    uint16_t priority;            /* Priority level of flow entry. */
    uint32_t buffer_id;           /* Buffered packet to apply to (or -1).
                                     Not meaningful for OFPFC_DELETE*. */
    uint16_t out_port;            /* For OFPFC_DELETE* commands, require
                                     matching entries to include this as an
                                     output port.  A value of OFPP_NONE
                                     indicates no restriction. */
    uint16_t flags;               /* One of OFPFF_*. */
    struct ofp_action_header actions[0]; /* The action length is inferred
                                            from the length field in the
                                            header. */
};
struct ofp_action_header {
    uint16_t type;                  /* One of OFPAT_*. */
    uint16_t len;                   /* Length of action, including this
                                       header.  This is the length of action,
                                       including any padding to make it
                                       64-bit aligned. */
    uint8_t pad[4];
};

四、个人总结

实验难度：较难

这次实验涉及到了较多的知识盲区，且网上资料较为零散，查找相关知识的时间成本较高。在实验的过程中遇到了一些比较陌生的问题，查找了大量资料和阅读了源码才得以解决，总体上来说还是挺有挑战性的。
实验过程遇到的困难：

1.问题：在使用miniedit建立拓扑时，由于关于OpenFlow协议的内容是而外设置的，在导出python文件后，代码中没有体现OpenFlow协议的设置过程，导致利用导出的python文件建立拓扑时，使用wireshark抓包，找不到使用OpenFlow1.3的数据报，无法进行后续操作

解决方案：查找了相关的资料，在这篇文章中如何修改mininet中交换机的OpenFlow协议 | SDNLAB知识社区找到了一些思路，net.addSwitch()过程中应该可以添加相关参数设置协议类型，于是就阅读了mininet下node.py的源码：

可以在添加交换机时如下进行设置：

使得交换机支持两种协议，这样在最开始时就可以收到交换机发向控制器支持OpenFlow1.3的数据报

2.问题：在实际使用wireshark抓包的时候会发现：控制器并没有收到Features Reply后再发送Set config

解决方案：查阅了相关资料发现， OpenFlow规范中并没有规定握手之后必须发送Set config消息，这取决于控制器；所以Features Reply和Set config的顺序是不一定的
个人感想：

通过这次实验学到了很多与OpenFlow协议相关的知识，虽然在过程中还是遇到了很多奇奇怪怪的问题，但是在查阅资料和阅读源码下还是得到了解决，寻找问题的答案是一个痛并快乐着的过程，能够让你在实践中收获到更多实在的经验；对于软件定义网络整体的认识还是比较浅薄，后续还应继续扎实基础，完善自己的知识体系。