基于LLDP和OpenFlow的网络拓扑检测

作者简介：周正强，北京邮电大学未来网络实验室在读研究生，个人邮箱:[email protected]

网络拓扑检测对于网络策略的执行十分重要，本题主要考察对拓扑检测原理的理解以及对全局拓扑的检测。

一 实验目的

1.掌握网络拓扑检测相关原理
2.熟悉SDN网络中拓扑发现机制
3.掌握控制器集群原理

二 实验原理

在SDN网络中拓扑检测是相当重要的，LLDP以及其他拓扑检测协议广泛应用于网络拓扑检测中，通过本实验掌握其检测原理，了解其原理实现过程。同时针对SDN网络中通过openflow协议将底层网络交由控制器处理，可以通过控制器集群操作实现，控制器可以彼此分享各自的运行状态，当底层Openflow交换机连接多个控制器时，由交换机确定主备控制器，这对于容错和高可用性是非常有用的。

三 实验任务

1.搭建下图中所示环境，给出控制器web界面拓扑截图，并分析上述环境中采用的控制器网络拓扑检测原理。

2.在上述网络环境中，给出一种全局拓扑检测方案，用简洁的流程图描述检测拓扑的过程。

四 实验步骤

4.1 实验环境

采用的环境如下所述：

• Ubuntu14.04LTS虚机中安装2.2.1版本的mininet网络仿真软件(IP地址为192.168.88.136)
• 2台ubuntu16.04LTS虚机分别安装ONOS1.10.13版本的控制器（IP地址分别为controller 1: 192.168.88.128、controller 2: 192.168.88.139）

采用mininet网络仿真软件实现底层网络拓扑，在脚本中指定其控制器等。同时由于题中需要使用两台控制器，因此我们采取两台虚机分别搭建ONOS1.10.13版本的方案。在两台虚机中分别开启控制器，利用python脚本设置拓扑连接对应的控制器，完成上述环境的搭建。同时，鉴于题中使用两台控制器，所以借用ONOS中的onos-form-cluster脚本实现ONOS控制器的分布式集群，可以使得发生事件被分布式存储与集群中的所有节点共享。同时，我们也可以在集群状态中点击各个控制器查看各个控制器下的WEB界面拓扑。

4.2 实验步骤操作

1)首先我们需要开启两台ONOS控制器，不过本题采用的是ONOS源码编译完成后生成的onos.tar.gz部署开启onos，和基础题中的开启方法有所区别，具体的步骤如后文所述。
2)在两台虚拟机中生成ssh密钥，将密钥拷贝到两台虚机中，实现两个虚机的免密访问，具体操作百度即可（最常用的命令为ssh-keygen和ssh-copy-id）。
3)在onos源代码编译完成后会在buck-out文件夹中生成一个onos.tar.gz，将此文件夹拷贝到home目录下，并解压到/tmp目录下，如下图中所示：

4)在该压缩包解压完成后，执行/tmp/onos-1.10.5-SNAPSHOT/apache-karaf-3.0.8/bin/start即可开启控制器。

5)执行/tmp/onos-1.10.5-SNAPSHOT/apache-karaf-3.0.8/bin/client命令即可登入ONOS的经典karaf界面。

6)在另一台ONOS控制器的虚机中重复操作3~5，完成两台ONOS控制器的开启工作。
7)分别在两台控制器中激活的基本app模块（否则之后mininet创建的ovs交换机无法连接到控制器），如下图中所示：

8)在mininet虚机中根据题中拓扑创建对应的脚本文件：

9)执行脚本文件使其连接两个控制器，如下图中所示：

10)进行pingall操作则可以使得控制器一侧通过对应的协议获取到主机信息，得到底层网络的完整拓扑信息。

11)完成后则可以在控制器的UI界面获取相应的拓扑并进行分析。

4.3 实验拓扑图

各控制器web界面拓扑截图
1)打开controller 1的web界面192.168.88.128:8181/onos/ui/index.html，可得到如下网络拓扑。

2)打开controller 2的web界面192.168.88.139:8181/onos/ui/index.html，可得到如下网络拓扑。

采用ONOS集群的web界面拓扑截图
1)在实验步骤的第六步之后可以开启集群脚本。在Controller 1中执行onos-form-cluster脚本，实现两个控制器的集群，我们在IP地址为192.168.88.128的机器中执行脚本命令/tmp/onos-1.10.5-SNAPSHOT/bin/onos-form-cluster 192.168.88.128 192.168.88.139，如下图中所示：

2)首先打开192.168.88.128:8181/onos/ui/index.html界面，可以查看到此时的控制器拓扑，其中深蓝色为连接192.168.88.128控制器的交换机，淡蓝色为连接192.168.88.139控制器的交换机，如下图中所示：

五 拓扑检测原理

5.1 网络拓扑检测原理

在本网络环境采用的ONOS控制器，其网络拓扑检测分为三部分：链路发现、交换机发现、主机发现。

交换机发现：使用的OPENFLOW协议。具体过程主要分为三个阶段：控制器启动监听6633端口、交换机与控制器建立连接、控制器与交换机版本协商。首先，打开控制器，启动OpenFlowAgent，监听端口，等待交换机建立连接；接着，使用OpenFlow PipelineFactory，新建channel使交换机与控制器建立连接，等待交换机发送hello消息；最后，控制器收到OPENFLOW Hello的消息，便会调用processOFHello方法进行版本协商，如果协商失败，控制器则会主动断开连接，如果协商成功，则连接成功。

以下主要阐述链路发现原理和主机发现原理。

5.1.1 链路发现原理
链路发现主要应用的是LLDP和BDDP协议（仅在有非OF交换机时），首先阐述这两个协议的链路发现原理，再从控制器层面分析对应的网络拓扑检测方法。

LLDP链路发现原理
LLDP用于检测两个OF交换机是否直连，其检测原理如下图中所示：

1)控制器首先向switch1下发packet_out消息，即是一个LLDP包，此时switch1将这个包从指定的的端口转发出去，此时别的交换机switch2收到该LLDP封包时，会通过PACKET_IN消息上报给控制器，这个时候控制器就可以知道switch1和switch2是相连的，完成一次链路发现检测。
2)如果PACKET_OUT的LLDP包并未PACKET_IN给控制器，则会下发BDDP包或者判定端口和主机相连，见后文分析。
3)LLDP包只有一跳存活时间的特性，也即是只存在于两个相邻的交换机中。

BDDP检测原理（监测网络中非OF交换机）
BDDP用于检测OF交换机互联中是否存在非OF交换机，通过下图进行分析阐述：

1)首先在SDN控制器中会优先通过PACKET_OUT消息下发LLDP包给switch1，此时OF1会根据指定的LLDP包中指定的端口将封包转发出去，此时经过的非OF交换机，则该LLDP包会被丢弃，控制器无法收到这个包的PACKET_IN消息。
2)然后，控制器会给switch1通过PACKET_OUT消息下发一个BDDP包，此时通过switch1对应的端口转发出去后，通过非OF交换机转发后会在switch2通过PACKET_IN消息上传给控制器，此时控制器可以判定在switch1和switch2之间存在着非OF交换机。
3)此外，还存在一种情况为LLDP封包丢失，BDDP包也并没有PACKET_IN上报给控制器，此时则可以判定switch1的2端口连接的是一个主机，并没有连接交换机。

5.1.2 ARP检测原理（主机发现）
在SDN中有一项很重要的检测原理是ARP请求，用于节点IP地址解析其MAC地址，然后进行局域网内部通信。其解析过程如下：

1)H1 ping H2时，即10.0.0.1 ping 10.0.0.2，此时没有H2的MAC，因此需做一次ARP解析，此时ARP请求会被switch1以packet_in消息的形式上报给controller；
2)Controller收到ARP请求后会记录H1的位置，并且向同一网段中所有的交换机请求H2的位置，以泛洪的形式packet_out给所有的交换机;
3)所有的交换机收到请求后悔检查是否存在该主机，此时只有switch2会以packet_in的形式给controller一个ARP回复;
4)Controller收到switch2的回复时会记录H2的位置，并将ARP回复以packet_out消息发送给switch1，此时switch1再发送给H1主机。
5)ARP请求完成后再开始传输ICMP请求报文。事实上ARP请求在网络拓扑中也是属于发现主机的一种方式，通过LLDP和BDDP可以发现交换机的拓扑关系，但是主机记录并不完善，需要ARP请求将整个网络拓扑请求完善。

5.2 全局拓扑检测方案

在上述网络环境中有两个控制器，我们将一个控制器直连和管控的网络称为一个集群（cluster），所以本题中有两个独立的控制平面相邻的集群。在通常情况下，控制器不能发现其他集群网络的设备和链路，所以需要不同集群的控制器进行拓扑信息的交互，来解决全局拓扑的检测问题。

本方案的主要思路是首先使用指纹信息（fingerprint）来标注设备和链路是属于哪一个集群。然后各控制器使用LLDP协议进行拓扑发现，并将连接两个集群之间的链路标记为边缘链路。最后各控制器间交换本集群的拓扑信息，收到后匹配边缘链路将不同集群的拓扑连接成全局拓扑，并使用pinall发现所有主机。具体方案如下：
准备工作：打开ONOS，在Controller 1中执行onos-form-cluster脚本，实现两个控制器的集群，具体步骤见上文。

1.首先为每一个集群生成一个不重复的集群名称，由集群名称进行稳定散列编码可以得到一个指纹信息（fingerprint），指纹信息可以唯一代表这个集群；
2.进行LLDP探测，以探测与交换机3相连的链路为例，由控制器构造一个探针，其中需要将指纹信息编码到源mac地址（即交换机3的MAC地址）中，探针的其他内容与普通的LLDP一致；
3.控制器通过packet-out消息将探针下发给交换机3，交换机3收到将收到的消息发送到所有端口；
4.与交换机3相连的其他交换机收到来自3的探针，通过packet-in消息发送回控制器（这个控制器可能不是交换机3所属的控制器了，交换机2将收到的探针上报给控制器1，而交换机4上报给控制器2）；
5.各控制器接收各交换机发上来的探针，并解析LLDP探针，并从源MAC地址中解析出源交换机所属集群的指纹信息，进行判断：

• 5a.若指纹信息与本控制器的指纹信息一致，将此链路标记为本集群的链路；
• 5b.若指纹信息与本控制器的指纹信息不一致，将此链路标记为边缘链路；

  6.重复步骤2、3、4、5，直至遍历完所有的交换机，此时每个控制器都储存有本集群的拓扑信息：本集群交换机，源端和目的端都在本集群的链路，边缘链路；
  7.控制器之间互相发送自己的拓扑信息，此时各控制器存储了自己和其他集群的拓扑信息；
  8.针对边缘链路，控制器通过匹配源MAC地址和目的MAC地址，将不同集群的拓扑进行连接，得到全局的交换机拓扑；
  9.进行pingall操作，通过arp协议发现网络中的所有主机，最终得出全局拓扑。