解读SDN核心技术：OpenFlow深入分析

1 OpenFlow简介

OpenFlow是由斯坦福大学的Nick McKeown教授在2008年4月ACM Communications Review上发表的一篇论文OpenFlow: enabling innovation in campus networks首先详细论述了OpenFlow的原理。由该论文课题可知OpenFlow提出的最初出发点是用于校园内网络研究人员实验其创新网络架构、协议，考虑到实际的网络创新思想需要在实际网络上才能更好地验证，而研究人员又无法修改在网的网络设备，故而提出了OpenFlow的控制转发分离架构，将控制逻辑从网络设备盒子中引出来，研究者可以对其进行任意的编程从而实现新型的网络协议、拓扑架构而无需改动网络设备本身。该想法首先在美国的 GENI研究项目中得到应用，实现了一个从主机到网络的端到端创新实验平台，HP、NEC等公司提供了GENI项目所需的支持OpenFlow的交换机设备。OpenFlow其架构见下图：

▲图 1.1 OpenFlow概念架构

Openflow的思路很简单，网络设备维护一个FlowTable并且只按照FlowTable进行转发，Flowtable本身的生成、维护、下发完全由外置的Controller来实现，注意这里的FlowTable并非是指IP五元组，事实上OpenFlow 1.0定义的了包括端口号、VLAN、L2/L3/L4信息的10个关键字，但是每个字段都是可以通配的，网络的运营商可以决定使用何种粒度的流，比如运营商只需要根据目的IP进行路由，那么流表中就可以只有目的IP字段是有效的，其它全为通配。

这种控制和转发分离的架构对于L2交换设备而言，意味着MAC地址的学习由Controller来实现，V-LAN和基本的L3路由配置也由Controller下发给交换机。对于L3设备，各类IGP/EGP路由运行在Controller之上，Controller根据需要下发给相应的路由器。流表的下发可以是主动的，也可以是被动的，主动模式下，Controller将自己收集的流表信息主动下发给网络设备，随后网络设备可以直接根据流表进行转发;被动模式是指网络设备收到一个报文没有匹配的FlowTable记录时，将该报文转发给Controller，由后者进行决策该如何转发，并下发相应的流表。被动模式的好处是网络设备无需维护全部的流表，只有当实际的流量产生时才向Controller获取流表记录并存储，当老化定时器超时后可以删除相应的流表，故可以大大节省TCAM空间。当一个Controller同时控制多个交换机/路由器设备时，它们看起来就像一个大的逻辑交换机，各个交换机/路由器硬件就如同这个逻辑网络设备的远程线卡，类似的概念在Cisco的Nexus 1000/1000v、ASR9000/9000v和Juniper的Q-Fabric架构中可以看到影子，Cisco称之为nV(Network Virtualization)技术。

OpenFlow 1.0的流表分为Match Fields、计数器和指令集三个部分，Match Fields是报文匹配的输入关键字，计数器是管理所需，指令集是决定报文如何转发，最基本的转发行为包括转发给某个端口、封装改写报文后转发以及丢弃。 OpenFlow 1.1增加了对MPLS以及UDP/SCTP传输层协议的支持，同时针对流表开销过大的情况设计了多级流表，并增加分组策略功能。