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Ryu拓扑发现原理分析

时间:2015-04-08 16:35:47      阅读:321      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

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    Ryu拓扑发现的核心模块是ryu/topology目录下的switches.py,拓扑发现的应用是同目录下的dumper.py。在dumper.py中,会利用_CONTEXTS来实例化switches.py中的Switches类,然后将拓扑发现的相关信息通过日志方式(LOG.debug)显示。启动命令如下所示:
  ryu-manager --verbose --observe-links ryu.topology.dumper (pip安装的)或者
  ryu-manager --verbose --observe-links ./ryu/topology/dumper.py(源码)
其中--verbose参数用于显示LOG.debug信息,--observe-links用于指明拓扑发现。
  接下来对拓扑发现的核心模块switches.py进行分析。
1. Port类:
存储端口相关信息,数据成员有:
self.dpid = dpid
self._ofproto = ofproto
self._config = ofpport.config
self._state = ofpport.state
self.port_no = ofpport.port_no
self.hw_addr = ofpport.hw_addr
self.name = ofpport.name
其中要特别注意的是dpid和port_no,即交换机ID和端口号,这两个信息在下发流表项时很重要。
2. Switch类:
存储交换机相关信息,数据成员有:
self.dp = dp
self.ports = []
其中dp是Datapath类的实例,该类定义在在ryu/controller/controller.py,主要属性有:
self.socket = socket
self.address = address
self.is_active = True
self.id = None  # datapath_id is unknown yet
self.ports = None
ports是一个由Port类实例组成的列表,存储该交换机的端口。
3. Link类:
保存的是源端口和目的端口(都是Port类实例),数据成员有:
self.src = src
self.dst = dst
4. PortState类
该类继承自dict,保存了从port_no(int型)到port(OFPPort类实例)的映射。该类主要用作self.port_state字典的值(键是dpid),用于存储dpid对应的交换机的所有端口情况。
OFPPort类定义在ryu/ofproto目录下对应的ofproto_v1_X_parser.py中(X代表版本号),继承自一个namedtuple,保存有port_no等信息。
5. PortData类
保存每个端口与对应的LLDP报文数据,数据成员有:
self.is_down = is_down
self.lldp_data = lldp_data(这是LLDP报文的数据)
self.timestamp = None
self.sent = 0
每调用一次lldp_sent函数,便会把self.timestamp置为当前的时间(time.time()),并将self.sent加1;每调用一次lldp_received函数,便会把self.sent置为0。
6.PortDataState类
  继承自dict类,保存从Port类到PortData类的映射。该类维护了一个类似双向循环链表的数据结构,并重写了__iter__(),使得遍历该类的实例(self.ports)时,会按照该双向循环链表从哨兵节点(self._root)后一个节点开始遍历。
  包含一个add_port函数,传入port和lldp_data,port作键,构建的PortData类实例作为值。
  包含一个lldp_sent(self,port)函数,根据传入的port(Port类实例)获得对应的PortData类实例port_data,然后调用port_data.lldp_sent()(该函数会设置时间戳),再调用self._move_last_key(port),把该port移到类似双向循环链表的数据结构中哨兵节点的前面(相当于下次遍历的末尾);最后返回port_data。
7. LinkState类
继承自dict,保存从Link类到时间戳的映射。数据成员self._map字典用于存储Link两端互相映射的关系。
8. LLDPPacket类
静态方法lldp_packet(dpid,port_no,dl_addr,ttl)用于构造LLDP报文,静态方法lldp_parse(data)用于解析LLDP包,并返回源DPID和源端口号。
9. Switches类
  该类是Ryu拓扑发现的核心所在。Switches类是app_manager.RyuApp类的子类,当运行switches应用时会被实例化,其__init__函数主要包括:
self.name = ‘switches‘
self.dps = {}                 # datapath_id => Datapath class
self.port_state = {}          # datapath_id => ports
self.ports = PortDataState()  # Port class -> PortData class
self.links = LinkState()      # Link class -> timestamp
self.is_active = True
  self.dps字典用于保存dpid到Datapath类实例的映射,会在_register函数中添加新成员,_unregister函数中删除成员。遍历该字典可以得到连接的所有交换机。
  self.port_state字典中键为dpid,值为PortState类型。遍历该字典可以得到所有交换机对应的端口情况。当交换机连接时,会检查交换机的id是否在self.port_state中,不在则创建PortState类实例,把交换机的所有端口号和端口存储到该实例中;交换机断开时,会从self.port_state中删除。
  self.ports是PortDataState类的实例,保存每个端口(Port类型)对应的LLDP报文数据(保存在PortData类实例中),遍历self.ports用于发送LLDP报文。
  self.links是LinkState类的实例,保存所有连接(Link类型)到时间戳的映射。遍历self.links的键即可得到所有交换机之间的连接情况。
  如果ryu-manager启动时加了--observe-links参数,则下面的self.link_discovery将为真,从而执行if下面的语句:
self.link_discovery = self.CONF.observe_links
if self.link_discovery:
    self.install_flow = self.CONF.install_lldp_flow
    self.explicit_drop = self.CONF.explicit_drop
    self.lldp_event = hub.Event()
    self.link_event = hub.Event()
    self.threads.append(hub.spawn(self.lldp_loop))
    self.threads.append(hub.spawn(self.link_loop))
  综上所述,该初始化函数__init__()主要是创建用于存储相关信息的数据结构,创建两个事件,然后调用hub.spawn创建两个新线程执行self.lldp_loop和self.link_loop两个函数。
9.1 lldp_loop函数
   lldp_loop函数里是一个while循环,只要self.is_active为真,就一直循环执行。(close函数会把self.is_active置为False,该函数在离开模块时自动被调用)
(1)执行self.lldp_event.clear(),将Event类实例lldp_event的_cond属性设为False,用于线程间同步。
提到线程同步,常用的函数有:
Event.wait()
Event对象的wait的方法只有内部信号为真的时候才会很快的执行并完成返回。当Event对象的内部信号标识为假时,则wait方法一直等待其为真时才返回。同时可以对wait设置timeout,当达到timeout设置的时间的时候就可以完成返回或执行。
Event.set()
将标识位设为Ture
Event.clear()
将标识伴设为False。
Event.isSet()
判断标识位是否为Ture
(2)创建ports_now和ports两个列表,分别存储尚未发送过LLDP报文的端口和已发送过LLDP报文并且超时的端口
(3)遍历self.ports(PortDataState类的实例),获得key(Port类实例)和data(PortData类实例),如果data.timestamp为None(该端口还没发送过LLDP报文),则将key(端口)加入ports_now列表;否则,计算下次应该发送LLDP报文的时间expire,如果已经超时,则放到ports列表,否则就是还没到发送时间,停止遍历(发送LLDP报文时是按序发的,找到第一个未超时的端口,后面的端口肯定更没有超时,因为后面端口上次发送LLDP是在前一端口之后,前一个都没超时后面的自然也没超时)
(4)遍历ports_now列表,对每个端口调用self.send_lldp_packet(port),发送LLDP报文。
send_lldp_packet函数执行过程如下:
a. 调用PortDataState类的lldp_sent函数,该函数会设置时间戳,移动相应端口在双向循环链表中的位置,最后返回PortData类实例port_data。
b. 如果该端口已经down掉,直接返回,否则执行下一步
c. 根据port.dpid得到对应的Datapath类实例dp,如果不存在,则直接返回,否则执行下一步
d. 发送LLDP报文。具体地:(1)生成actions:从port.port_no端口发出消息;(2)生成PacketOut消息:datapath指定为上一步得到的dp,actions为前面的,data为步骤a中返回的port_data的lldp_data
(5)遍历ports列表,对每个端口调用self.send_lldp_packet(port),发送LLDP报文。
9.2 link_loop函数
link_loop函数也是一个while循环,只要self.is_active为真,就一直循环执行。
(1)执行self.link_event.clear(),将Event类实例link_event的_cond属性设为False,用于线程间同步。
(2)创建deleted列表,
(3)遍历self.links(LinkState类实例),获得link(Link类实例)和timestamp时间戳。如果已经超时,且该link对应的源端口是否在self.ports中,并且发送LLDP次数已超过self.LINK_LLDP_DROP,则添加到deleted列表中。
(4)遍历deleted列表,执行:
a. 对其中的每条需要删除的link调用link_down函数(该函数会删除self.links中link对应的项目,并删除self.links._map中link对应的项目),并触发EventLinkDelete事件。
b. 得到link对应的反向link,如果反向link不在deleted列表中,则将self.links中反向link的时间戳置为超时的事件,并将对端端口从self.ports的双向循环链表中移动到哨兵节点的后面(下次检查的开头),以便尽早检查反向link是否也断开了。
9.3 state_change_handler
  该函数用于处理EventOFPStateChange事件,当交换机连接或者断开时会触发该事件。
如果状态是MAIN_DISPATCHER:
(1)从ev.datapath获得Datapath类实例dp,如果该dp的dpid已经在self.dps里有,则报出重复链接的警告。
(2)调用_register(),将dp.id和dp添加到self.dps中;如果该dp.id不在self.port_state中,则创建该dp.id对应的PortState实例,并遍历dp.ports.values,将所有port(OFPPort类型)添加到该PortState实例中。
(3)调用_get_switch(),如果dp.id在self.dps中,则创建一个Switch类实例,并把self.port_state中对应的端口都添加到该实例中,最终返回该实例。
(4)如果交换机没有重复连接,触发EventSwitchEnter事件。
(5)如果没设置self.link_discovery,返回;否则执行下一步。
(6)如果设置了self.install_flow,则根据OpenFlow版本生成相应流表项,使得收到的LLDP报文(根据目的MAC地址匹配)上报给控制器。
(7)如果交换机没有重复连接,则遍历(3)中得到的switch.ports的所有端口,如果端口port不是被保留的,则调用self._port_added(port),该函数会调用LLDPPacket.lldp_packet()函数生成LLDP报文数据lldp_data(用于和“port.is_down()”一起构造PortData类实例),然后调用PortDataState类的add_port(port,lldp_data)。
add_port()函数会检查port是否在self.ports中,不在则将该port添加到双向循环链表中哨兵节点的后面(下次检查的开头),并把port和对应的PortData类实例(该端口对应的LLDP报文数据)添加到self.ports中。
(8)调用self.lldp_event.set()
如果状态是DEAD_DISPATCHER:
(1)如果dp.id为None,即握手之前交换机就断开连接了,则直接返回;否则执行下一步。
(2)调用_get_switch()获得Switch实例;
(3)调用_unregister(),从self.dps和self.port_state中删除该dpid对应的数据;
(4)触发EventSwitchLeave事件。
(5)如果没有设置link_discovery,返回;否则执行下一步。
(6)遍历switch.ports中的每个端口port,如果不是保留端口,则调用PortDataState类的del_port(),将self.ports中port对应的数据删除;调用Switches类的_link_down()。_link_down函数执行如下操作:
a. 调用LinkState类的port_deleted函数。在port_deleted函数里,首先调用get_peer()获得对端端口,然后生成两个Link对象(src->dst和dst->src),并将这两个对象从self.links中删除(反向Link可能不存在);删除src->dst和dst->src之间的映射(存储在_map字典中)。最后返回传入的port对应的对端port和传入的port本身。
b. 根据返回的“传入的port对应的对端port和传入的port本身”,创建Link对象,触发EventLinkDelete事件(如果反向连接也存在,会触发两次EventLinkDelete事件)。c. 调用self.ports.move_front(dst),该函数会从self.ports中得到dst对应的PortData类实例port_data,如果port_data不为None,则调用clear_timestamp函数将其timestamp属性置为None,并将dst移动到双向循环链表中哨兵节点的后面(下次检查的开头)
(7)调用self.lldp_event.set()
9.4 port_status_handler
该函数用于处理EventOFPPortStatus事件,该事件是交换机主动发给控制器的。
如果原因为“添加”:
(1)在self.port_state里dp.id对应的PortState实例中添加该端口,并触发EventPortAdd事件。
(2)如果没有设置self.link_discovery,则返回;否则执行下一步。
(3)调用_get_port函数,该函数首先根据传入的dpid得到Switch实例,然后遍历实例的ports列表,找到并返回传入的端口号对应的端口(Port类实例)。如果找到了端口并且端口不是保留的,则调用_port_added(),该函数会获得LLDP相关的数据部分(用于构造PortData类实例),然后调用PortDataState类的add_port(),该函数会将Port和对应的PortData映射关系存储到self.ports中;调用self.lldp_event.set()
如果原因为“删除”:
(1)在self.port_state里该dpid对应的PortState实例中删除该端口,并触发EventPortDelete事件。
(2)如果没有设置self.link_discovery,则返回;否则执行下一步。
(3)调用_get_port函数,该函数首先根据传入的dpid得到Switch实例,然后遍历实例的ports列表,找到并返回传入的端口号对应的端口(Port类实例)。如果找到了端口并且端口不是保留的,则:
a. 调用del_port(),将该端口及对应的PortData从self.ports删除
b. 调用_link_down(),该函数会调用LinkState类的port_deleted函数,并返回传入的port对应的对端port和传入的port本身。在port_deleted函数里,首先调用get_peer()获得对端端口,然后生成两个Link对象(src->dst和dst->src),并将这两个对象从self.links中删除(反向Link可能不存在);删除src->dst和dst->src之间的映射(存储在_map字典中)。根据返回的“传入的port对应的对端port和传入的port本身”,创建Link对象,触发EventLinkDelete事件(如果反向连接也存在,会触发两次EventLinkDelete事件)。调用self.ports.move_front()。
c. 调用self.lldp_event.set()
如果原因为“修改”:
(1)修改self.port_state里该dpid对应的PortState实例值,并触发EventPortModify事件。
(2)如果没有设置self.link_discovery,则返回;否则执行下一步。
(3)调用_get_port函数,该函数首先根据传入的dpid得到Switch实例,然后遍历实例的ports列表,找到并返回传入的端口号对应的端口(Port类实例)。如果找到了端口并且端口不是保留的:
a. 调用PortDataState类的set_down(),该函数会调用Port类的is_down(),检测端口是否已关闭;获得Port对应的PortData实例,调用PortData的set_down函数,将对应的is_down修改为当前状态(布尔值);调用PortData的clear_timestamp(),将对应的timestamp修改为None。如果检测端口没有关闭,调用_move_front_key()。set_down函数返回是否已关闭的检测结果。如果检测结果是已关闭,则调用_link_down()。
b. 调用self.lldp_event.set()
9.5 packet_in_handler
该函数用于处理EventOFPPacketIn事件。
(1)如果没有设置self.link_discovery,直接返回;否则执行下一步。
(2)尝试调用LLDPPacket.lldp_parse(msg.data)来按照LLDP报文格式解码收到的报文,获得源交换机dpid和源端口号(该LLDP报文从哪台交换机的哪个端口发出的)。如果不是LLDP报文格式,返回;否则执行下一步。
(3)获得目的交换机的dpid和目的端口(上报Packet_In消息的交换机dpid和接收到LLDP报文的端口号)
(4)调用_get_port函数,得到源端口对应的Port类实例。如果不存在或者该实例的dpid跟目的dpid相同,则直接返回;否则执行下一步。
(5)调用PortDataState类的lldp_received函数,该函数会再调用PortData类的lldp_received函数,将对应的self.sent值置为0。
(6)调用_get_port函数,得到目的端口对应的Port类实例。如果不存在该实例,则返回;否则执行下一步。
(7)调用LinkState类的get_peer函数,得到源端口原先对应的目的端口。如果该目的端口存在,且与现在解析得到的目的端口不同,则说明原先的链路已断开,触发EventLinkDelete事件。
(8)根据源端口和目的端口构造Link类实例,如果该实例不存在于self.links,则说明是新链路,触发EventLinkAdd事件。
(9)调用LinkState类的update_link函数,该函数会将上一步构造的Link类实例加上时间戳存储到self.links中,并构造逆向链路,返回逆向链路是否在self.links中的布尔值。如果逆向链路还不存在,那很有可能会马上存在,因此调用PortDataState类的move_front函数,将目的端口移动到双向循环链表中哨兵节点的后面(下次检查的头部),尽早检查;调用self.lldp_event.set()。
(10)如果设置了self.explicit_drop,则调用_drop_packet函数。
10. 拓扑发现概述
  Switches类的初始化函数__init__()创建用于存储相关信息的数据结构(self.dps、self.port_state、self.ports和self.links),创建两个事件(self.lldp_event 和self.link_event),然后调用hub.spawn创建两个新线程执行self.lldp_loop和self.link_loop两个函数。其他工作就交给事件触发和事件处理函数了。
  交换机连接时触发EventOFPStateChange事件,在对应的处理函数state_change_handler中会把连接上的交换机存储到self.dps中,并把交换机的端口情况存储到self.port_state中,并生成相应的LLDP报文数据,存储在self.ports中(键为Port类型,值为PortData类型,PortData类的数据成员lldp_data存储LLDP报文数据)。
  lldp_loop函数会不停遍历self.ports,并在需要的时候由send_lldp_packet函数执行发送LLDP报文的操作。
  当LLDP报文被送回到控制器时,触发EventOFPPacketIn事件,对应的处理函数packet_in_handler会解析LLDP报文,得到交换机之间的连接信息(Link类),存储到self.links中。

  link_loop函数会遍历self.links,及时检查链路是否还是活的。

后记:

实际使用Ryu获取拓扑信息时,更好的方式是使用Ryu提供的REST API,具体方法将在下文中介绍。但分析switches.py的过程对了解Ryu的工作机制和应用编写方法还是蛮有用的。

ocean

2015.4.8

于东南大学

Ryu拓扑发现原理分析

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原文地址:http://blog.csdn.net/sdnexplorer/article/details/44940907

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