了解 Ryu OpenFlow 控制器、mininet、WireShark 和 tcpdump

Question

我是 OpenFlow 和 SDN 的新手。 我需要帮助在 Ubuntu 或 Debian 机器上设置 Ryu OpenFlow 控制器并了解基本的 Ryu 应用程序。

注意：这个问题已经有了答案。

Answer 1

这可能是我在 Stack Overflow 上写的最长的帖子之一。 我一直在学习 OpenFlow、SDN 和 Ryu，并想在这里为初学者记录我的知识。 如果需要，请更正/编辑我的帖子。

本简短指南假定您已经了解计算机网络和主要网络协议。 本指南将帮助您从系统设置开始使用 OpenFlow。

1.什么是OpenFlow和SDN？

请阅读SDN / OpenFlow | Flowgrammable 。

进一步阅读： 网络的未来和协议的过去 Scott Shenker 和软件定义网络，IEEE INFOCOM 2009 。

开始之前：

基础设施层包括网络核心内的路由器和交换机。

控制层包括运行 OpenFlow 控制器的 PC 以及控制器本身。

应用程序层包括运行在该控制器之上的应用程序。 在 Ryu 中，这些应用程序是用 Python 编写的。

OpenFlow 是基础设施和控制层交互使用的协议。 OpenFlow 本身不提供 API。 它是一种开源协议，由开发支持 OpenFlow 的交换机的供应商和编写控制器的开发人员（如 Ryu）使用。 API由控制器提供。

2. 在 Debian 8 上设置 Ryu OpenFlow 控制器

先决条件

您需要访问互联网。 如果您在虚拟机中运行 Debian，请发出以下命令以通过 NAT 自动配置您的以太网接口：

su  
dhclient eth0

启用 sudo

Debian 默认不附带 sudo。 您稍后将使用的某些 Ryu 应用程序需要 sudo。 您可以安装 sudo 并将自己添加到 sudo'ers 列表中，如下所示：

su
apt-get install sudo # you might need to do apt-get update first!
nano /etc/sudoers

找到显示 %sudo ALL=(ALL:ALL) ALL 的行并在其下方添加一个条目：

yourusername ALL=(ALL:ALL) ALL

按CTRL + X然后按Y将更改保存到 sudoers 文件。 现在您可以以 root 身份注销以返回到您自己的 shell

exit

启用最佳屏幕分辨率（仅限 VM）

如果您在 Virtual Box 中运行 Debian，则默认安装不会为 Virtual Box 启用全屏分辨率支持。 稍后在第 3 部分中您将需要更大的屏幕。现在启用它是个好主意。

在虚拟机的窗口中，单击设备 > 插入 Guest Additions CD 映像...

然后cd到包含文件的目录

cd /media/cdrom

由于权限问题，Debian 不允许您运行该脚本。 将文件复制到您的主目录，更改权限，然后运行它：

mkdir ~/VBOXGUEST  
cp * ~/VBOXGUEST  
cd ~/VBOXGUEST  
chmod 755 *  
sudo ./VBoxLinuxAdditions.run

重启

sudo shutdown -r now

安装 Git

sudo apt-get install git

安装迷你网

Mininet 允许您在笔记本电脑/PC 上虚拟模拟各种网络接口。 使用 Git 安装它：

cd ~  # if you are in some other directory
git clone git://github.com/mininet/mininet
cd mininet
git tag  # this will list available versions
git checkout -b 2.2.1 2.2.1  # replace 2.2.1 with the version you wish to install
cd ..
mininet/util/install.sh -a  # default installation, includes all components, recommended

我建议您安装 OpenFlow Wireshark Dissector。 您可以稍后安装 Wireshark 来分析数据包。 OpenFlow Wireshark Dissector 帮助 Wireshark 从 OpenFlow 数据包中获取尽可能多的信息。

mininet/util/install.sh -h

运行以下命令来检查您的 mininet 安装：

sudo mn --test pingall

安装 Ryu OpenFlow 控制器

OpenFlow 控制器使用 OpenFlow 协议在控制层和基础设施层之间进行通信。 此外，控制器提供 API 以开发在应用层（在控制层之上）运行的 SDN 应用程序。 有许多 OpenFlow 控制器。 Ryu OpenFlow 控制器是一种使用 Python 脚本作为其应用程序的控制器。 再次使用 Git 安装它：

cd ~
git clone git://github.com/osrg/ryu.git

安装 Wireshark

sudo apt-get install wireshark

安装支持的 Python 模块

Debian 8.3 默认安装了 Python 2.7 和 3.4。 但是，您需要安装一些 Ryu 应用程序（Python 脚本）使用的 Python 模块。 您可以使用 pip 安装 Python 模块：

cd ~/ryu  
sudo apt-get install python-dev python-pip python-setuptools  
sudo pip install .

以上将自动运行位于此目录中的 setup.py 并从 Python 包索引中获取缺少的 Python 模块。 该脚本将自动安装所有相关模块。 但是，请运行以下命令以确保以后不会丢失任何模块：

sudo pip install webob  
sudo pip install eventlet  
sudo pip install paramiko  
sudo pip install routes  

启动

使用以下命令启动 mininet 以模拟 3 台主机和一个交换机：

sudo mn --topo single,3 --mac --switch ovsk --controller remote

您将看到一个 mininet 提示。 此提示可用于 ping 主机、在它们之间发送数据包等。

打开另一个终端窗口来运行 Ryu。 在此示例中，我们将运行一个应用程序 (simple_switch_13.py)，该应用程序将模拟一个简单的第 2 层交换机，该交换机将所有接收到的数据包转发到除接收到的端口之外的所有端口。

cd ~/ryu  
PYTHONPATH=. ./bin/ryu-manager ryu/app/simple_switch_13.py

运行此命令时，请确保您位于主目录中。

你都准备好了。 要 ping 主机并分析数据包传输，请转到下一部分。

3. 尝试使用 Wireshark 和 tcpdump

在本节中，我们将使用 mininet 将数据包从一台主机发送到另一台主机，并使用 tcpdump 和 Wireshark 分析产生的传输。

数据包的传输方式正是我们在软件定义网络中可以控制的。 我们通过编写在控制器之上运行的不同应用程序来实现这一点。 这些应用构成了SDN控制平面的应用层。

设置拓扑并运行控制应用程序

注意：在前面的部分中，您使用 mininet 创建了拓扑，并启动了 Ryu 应用程序来控制传输。 如果您重新启动或退出其中任何一个，我会重复这些命令来创建拓扑并在此处启动 Ryu 应用程序：

cd ~
sudo mn --topo single,3 --mac --switch ovsk --controller remote

并在单独的终端窗口中：

cd ~/ryu
PYTHONPATH=. ./bin/ryu-manager ryu/app/simple_switch_13.py

玩数据包

在 mininet 提示符下，发出以下命令，为您创建的拓扑中的三台主机中的每台打开一个控制台窗口：

mininet> xterm h1 h2 h3

堆叠这些控制台，以便您可以同时看到它们！ 然后在 h2 和 h3 的 xterms 中，运行 tcpdump，一个用于打印主机看到的数据包的实用程序：

tcpdump -XX -n -i h2-eth0  
tcpdump -XX -n -i h3-eth0

注意：如果你之前用过Wireshark，就相当于分别在这两个主机的eth0接口上抓包。

在创建拓扑时，mininet 为三台主机分配了以下 IP 地址：

h1: 10.0.0.1  
h2: 10.0.0.2  
h3: 10.0.0.3

从主机 1 的 shell 中，ping 主机 2 和主机 3 并观察执行每个命令后在其他两个控制台上的效果：

ping 10.0.0.2  
ping 10.0.0.3

尝试 ping 一个无法访问的（不存在的主机），并在控制台上查看效果：

ping 10.0.0.7

您应该已经观察到本节中的 ICMP（ping）和 ARP（拥有此 IP 地址的人）协议！ 您还可以使用 Wireshark 而不是 tcpdump 来执行上述操作。 这是 tcpdump 的图形替代方案。

注意：数据包的转发方式完全取决于运行在 Ryu 之上的应用程序。 您可以编写一个应用程序来丢弃所有数据包。 在这种情况下，您的 ping 不会对其他两个控制台产生任何影响。

4. 了解基本的二层交换机应用

在本节中，我们分析了第 3 节中控制数据包传输的第 2 层交换机应用程序的简化版本的工作情况。

学习网桥（或二层交换机）的工作

我之前提到，如果您正在阅读本指南，我假设您已经了解基本的网络协议（包括第 2 层交换机、学习网桥或以太网交换机的工作！）我将在不管下面几行。

“学习”网桥根据其端口存储与其连接的主机的数据库。 主机由其网卡的 MAC 地址标识，如下所示： ab:cd:ef:12:34:56 （十六进制）。 端口仅由其编号标识。 例如，具有 4 个端口的交换机具有端口 1、2、3 和 4。

如果交换机在其端口 2 上接收到一个数据包，它将查看该数据包的目标 MAC 地址（它指定的主机）。 然后它查看它的数据库以查看它是否知道该主机连接到哪个端口。 如果它找到了，它只会将该数据包转发到该特定端口。 但是如果它的数据库中还没有条目，它就会将该数据包泛洪到所有端口，并且主机可以自行检查数据包是否是发往它们的。

同时，交换机查看该数据包的源MAC 地址，并立即知道主机 X 位于端口 2。它将该条目存储在该数据库中。 所以现在您知道，如果目标主机回复源主机，交换机将不必泛洪回复数据包！

Ryu API Python 代码介绍

与其直接进入simple_switch_13.py，不如选择一个没有“学习”能力的非常简单的程序。 目前，没有转发数据库。 下面的程序只是一个简单的第 2 层交换机，它将接收到的数据包传输到所有端口（淹没数据包）：

    from ryu.base import app_manager
    from ryu.controller import ofp_event
    from ryu.controller.handler import MAIN_DISPATCHER
    from ryu.controller.handler import set_ev_cls

    class L2Switch(app_manager.RyuApp):
        def __init__(self, *args, **kwargs):
            super(L2Switch, self).__init__(*args, **kwargs)

        @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPPacketIn, MAIN_DISPATCHER)
        def packet_in_handler(self, ev):
            msg = ev.msg
            dp = msg.datapath
            ofp = dp.ofproto
            ofp_parser = dp.ofproto_parser

            actions = [ofp_parser.OFPActionOutput(ofp.OFPP_FLOOD)]
            out = ofp_parser.OFPPacketOut(
                datapath=dp, buffer_id=msg.buffer_id, in_port=msg.in_port,
                actions=actions)
            dp.send_msg(out)

进口

我不会深入研究导入语句。 我们将在分析使用它们的代码时单独讨论导入。

基本应用骨架

以下代码是一个完美完整的 Ryu 应用程序。 事实上，你也可以执行它！ 但它不会做任何事情：

    from ryu.base import app_manager

    class L2Switch(app_manager.RyuApp):
        def __init__(self, *args, **kwargs):
            super(L2Switch, self).__init__(*args, **kwargs)

作为类的参数，我们传递ryu.base.app_manager.RyuApp导入（在第一行导入）。 从 Ryu API 手册app_manager ， app_manager类是 Ryu 应用程序的中央管理。 它加载 Ryu 应用程序，为它们提供上下文并在 Ryu 应用程序之间路由消息。

EventOFPPacketIn 事件

L2Switch类中添加了一个新方法packet_in_handler 。 当 Ryu 收到 OpenFlow packet_in消息时调用。 当 Ryu 收到packet_in消息时，会引发ofp_event.EventOFPPacketIn事件。 set_ev_cls装饰器告诉 Ryu 何时应该调用相关的函数packet_in_handler 。

set_ev_cls装饰器的第一个参数表示调用函数的事件。 如您所料，每次引发ofp_event.EventOFPPacketIn事件时，都会调用此函数。

第二个参数表示您希望 Ryu 处理事件时的开关状态。 可能您想在 Ryu 和交换机之间的握手完成之前忽略 OpenFlow packet_in消息。 使用MAIN_DISPATCHER作为第二个参数意味着只有在协商完成后才会调用此函数。 MAIN_DISPATCHER表示开关的正常状态。 在初始化阶段，交换机处于HANDSHAKE_DISPATCHER状态！

现在让我们看看函数体。 我们将把它分成两部分。

    msg = ev.msg  
    dp = msg.datapath  
    ofp = dp.ofproto  
    ofp_parser = dp.ofproto_parser

ev.msg是包含接收到的数据包的数据结构。

msg.dp是该数据结构中的一个对象，表示数据路径（开关）。

dp.ofproto和dp.ofproto_parser是代表 Ryu 和交换机协商的 OpenFlow 协议的对象。

    actions = [ofp_parser.OFPActionOutput(ofp.OFPP_FLOOD)]  
    out = ofp_parser.OFPPacketOut(  
        datapath=dp, buffer_id=msg.buffer_id, in_port=msg.in_port,  
        actions=actions)  
    dp.send_msg(out)

OFPActionOutput类与packet_out消息一起使用，以指定packet_out中发送数据包的交换机端口。 由于在这个简化的应用程序中没有转发数据库，​​我们将数据包泛洪到所有端口，因此使用常量OFPP_FLOOD 。

OFPPacketOut类用于构建packet_out消息。

通过使用datapath类的send_msg方法，您可以发送的开放流消息对象，在动作中变量定义的端口。 我再说一遍，在这种情况下，构建的动作使得目的地包括所有端口。

活动

您在上面的代码中反复看到术语事件。 在事件驱动编程，该程序的流动是由事件，这些事件由系统接收到的消息升高控制（例如EventOFPPacketIn当升高packet_in由柳从（开放流接收到的消息启用）开关）。 我们之前讨论过 OpenFlow 是一种协议，控制器（Ryu、PC）和基础设施（或交换机）使用该协议进行通信。 像packet_in这样的消息正是使用 OpenFlow 协议在两者之间进行通信的样子！

后续步骤

您可能想要继续构建自己的 Ryu 应用程序。 学习 Ryu API（或 Python 语言，如果您还不熟悉的话）可能是一个很好的起点。 祝你好运！

Answer 2

您可能会发现使用 Ryu 控制器时有用的东西是 Ryuretic。 Ryuretic 是一个模块化的、基于 SDN 的网络应用程序开发框架。 它允许网络运营商在 OSI 模型的各个级别直接使用数据包头字段，包括 L2、L3、L4 和填充层协议。 用户只需选择匹配字段并选择提供的操作来更新 OpenFlow 交换机。

Ryuretic 后端将所有事件作为 pkt（字典对象）呈现给用户，并通过提供感兴趣的头字段（例如，pkt['srcmac']、pkt['dstmac']、 pkt['ethtype'], pkt['inport'], pkt['srcip'], etc.) 使用 pkt 中的信息，用户可以选择要匹配的字段和操作（fwd、drop、redirect、mirror , 工艺) 找到匹配项时使用。

要安装 Ryuretic，只需将 [文件] ( https://github.com/Ryuretic/RyureticLabs/tree/master/ryu/ryu/app/Ryuretic ) 复制到目录 /ryu/ryu/app/Ryuretic。 如果您安装了 Ryu，那么您已经拥有 /ryu/ryu/app 目录。 您只需要创建 Ryuretic 目录并将文件复制到那里。

Ryuretic Labs提供了使用 Ryuretic 在 SDN 上实现安全功能的设置说明和一些用例。 它还提供了一个 Mininet 测试平台，用于在 SDN-Hub 提供的 VM 上测试您的网络应用程序。