Ryu:OpenFlow协议源码分析
Ryu支持OpenFlow所有的版本，是所有SDN控制器中对OpenFlow支持最好的控制器之一。这得益于Ryu的代码设计，Ryu中关于OpenFlow协议的代码量不多。阅读Ryu源码，不仅让我了解到了Ryu的运行细节，也学会了许多的编码知识。这为我当前开发的协议提供了很大的帮助。
本篇将从交换机与控制器建立连接开始，介绍OpenFlow报文的解析的相关代码实现。关于如何注册handler和发送报文，可查看之前的RYU核心源码解读：OFPHandler,Controller,RyuApp和AppManager。该篇侧重点为Ryu整体架构的运作，重点在RyuApp和AppManager;本篇重点在于详细介绍OpenFlow的解析和封装实现。希望对读者提供帮助。
Ofp_handler
负责底层数据通信的模块是ofp\_handler模块。ofp\_handler启动之后，start函数实例化了一个controller.OpenFlowController实例。OpenFlowController实例化之后，立即调用\__call\__()函数，call函数启动了server\_loop去创建server socket，其handler为domain\_connection\_factory函数。每当收到一个switch连接，domain\_connection\_factory就会实例化一个datapath对象。这个对象用于描述交换机的所有行为。其中定义了接收循环和发送循环。
Datapath
datapath.serve函数是socket通信收发逻辑的入口。该函数启动了一个绿色线程去处理发送循环，然后本线程负责接收循环的处理。self.\_send\_loop是发送主循环。其主要逻辑为：不断获取发送队列是否有数据，若有，则发送；底层调用的是socket.send\_all（）函数, 逻辑比较简单，不加赘述。
def serve(self):
send_thr = hub.spawn(self._send_loop)
# send hello message immediately
hello = self.ofproto_parser.OFPHello(self)
self.send_msg(hello)
try:
self._recv_loop()
finally:
hub.kill(send_thr)
hub.joinall([send_thr])接收函数\_reck\_loop中实现了数据的接收和解析。 重点较多，解释作为代码注释，注释如下：
@_deactivate
def _recv_loop(self):
buf = bytearray() #初始化一个字节数组
required_len = ofproto_common.OFP_HEADER_SIZE # ofproto_common模块定义了OpenFlow常用的公共属性
# 如报头长度=8
count = 0
while self.is_active:
ret = self.socket.recv(required_len)
if len(ret) == 0:
self.is_active = False
break
buf += ret
while len(buf) >= required_len:
# ofproto_parser是在Datapath实例的父类ProtocolDesc的属性。
# 用于寻找对应协议版本的解析文件,如ofproto_v1_0_parser.py
# header函数是解析报头的函数。定义在ofproto_parser.py。
(version, msg_type, msg_len, xid) = ofproto_parser.header(buf)
required_len = msg_len
if len(buf) < required_len:
break
# ofproto_parser.msg的定义并没有在对应的ofproto_parser中
# msg函数的位置和header函数位置一样，都在ofproto_parser.py中。
# msg返回的是解析完成的消息。
# msg函数返回了msg_parser函数的返回值
# ofproto_parser.py中的_MSG_PARSERS记录了不同版本对应的msg_parser。其注册手法是通过@ofproto_parser.register_msg_parser(ofproto.OFP_VERSION)装饰器。
# 在对应版本的ofproto_parser,如ofproto_v1_0_parser.py中，都有定义一个同名的_MSG_PARSERS字典，这个字典用于记录报文类型和解析函数的关系。此处命名不恰当，引入混淆。
# parser函数通过@register_parser来将函数注册/记录到_MSG_PARSERS字典中。
msg = ofproto_parser.msg(self,
version, msg_type, msg_len, xid, buf)
# LOG.debug('queue msg %s cls %s', msg, msg.__class__)
if msg:
# Ryu定义的Event system很简单，在报文名前加上前缀“Event”,即是事件的名称。
# 同时此类系带msg信息。
# 使用send_event_to_obserevrs()函数将事件分发给监听事件的handler，完成事件的分发。
ev = ofp_event.ofp_msg_to_ev(msg)
self.ofp_brick.send_event_to_observers(ev, self.state)
dispatchers = lambda x: x.callers[ev.__class__].dispatchers
# handler的注册是通过使用controller.handler.py文件下定义的set_ev_handler作为装饰器去注册。
# self.ofp_brick在初始化时，由注册在服务列表中查找名为"ofp_event"的模块赋值。
# ofp_handler模块的名字为"ofp_event"，所以对应的模块是ofp_handler
handlers = [handler for handler in
self.ofp_brick.get_handlers(ev) if
self.state in dispatchers(handler)]
for handler in handlers:
handler(ev)
buf = buf[required_len:]
required_len = ofproto_common.OFP_HEADER_SIZE
# We need to schedule other greenlets. Otherwise, ryu
# can't accept new switches or handle the existing
# switches. The limit is arbitrary. We need the better
# approach in the future.
count += 1
if count > 2048:
count = 0
hub.sleep(0)OpenFlow协议实现
OpenFlow协议解析部分代码大部分在ofproto目录下，少部分在controller目录下。以下内容将首先介绍ofproto目录下的源码内容，再介绍controller目录下的ofp_event文件。
__init__
首先，__init__.py并不为空。该文件定义了两个功能类似的函数get_ofp_module()和get_ofp_modules()，前者用于取得协议版本对应的协议定义文件和协议解析模块，后者则取出整个字典。对应的字典在ofproto_protocol模块中定义。
ofproto\_protocol
在ofproto\_protocol定义了\_versions字典，具体如下：
_versions = {
ofproto_v1_0.OFP_VERSION: (ofproto_v1_0, ofproto_v1_0_parser),
ofproto_v1_2.OFP_VERSION: (ofproto_v1_2, ofproto_v1_2_parser),
ofproto_v1_3.OFP_VERSION: (ofproto_v1_3, ofproto_v1_3_parser),
ofproto_v1_4.OFP_VERSION: (ofproto_v1_4, ofproto_v1_4_parser),
}除此之外，该文件还定义了Datapath的父类ProtocolDesc，此类基本上只完成了与协议版本相关的内容。该类最重要的两个成员是self.ofproto和self.ofproto\_parser，其值指明所本次通信所使用的OpenFlow协议的版本以及对应的解析模块。
ofproto\_common
ofproto\_common文件比较简单，主要定义了OpenFlow需要使用的公共属性，如监听端口，报头长度，报头封装格式等内容。
ofproto\_parser
ofproto\_parser文件定义了所有版本都需要的解析相关的公共属性。如定义了最重要的基类MsgBase(StringifyMixin)。
StringifyMixin类的定义在lib.stringify文件，有兴趣的读者可自行查看。MsgBase基类定义了最基础的属性信息，具体如下所示：
@create_list_of_base_attributes
def __init__(self, datapath):
super(MsgBase, self).__init__()
self.datapath = datapath
self.version = None
self.msg_type = None
self.msg_len = None
self.xid = None
self.buf = None此外，该类还定义了基础的parser函数和serialize函数。基础的parser函数基本什么都没有做，仅返回一个赋值后的消息体。
@classmethod
def parser(cls, datapath, version, msg_type, msg_len, xid, buf):
msg_ = cls(datapath)
msg_.set_headers(version, msg_type, msg_len, xid)
msg_.set_buf(buf)
return msg_serialize函数分为3部分，self.\_serialize\_pre(), self.\_serialize\_body()和self.\_serialize\_header()。本质上完成了header的序列化。关于body的序列化，将在对应的派生类中得到重写。
ofproto_v1_0
以1.0版本为例介绍ofproto\_v1\_x.py文件的作用。由于Ryu支持多版本的OpenFlow，所以在ofproto目录下，定义了从1.0到1.5版本的所有代码实现。所以其文件命名为ofproto\_v1_x.py，x从[1,2,3,4,5]中获得，分别对应相应的协议版本。
此类文件最重要的一个目的是定义了所有需要的静态内容，包括某字段的所有选项以及消息封装的格式以及长度。与OpenFlow消息内容相关的有协议的类型，动作的类型，port的类型等。此外对应每一个报文，都需要定义其封装的格式，以及封装的长度。Ryu采用了Python的Struct库去完成数据的解封装工作，关于Struct的介绍将在后续内容介绍。具体定义内容举例如下：
# enum ofp_port
OFPP_MAX = 0xff00
OFPP_IN_PORT = 0xfff8 # Send the packet out the input port. This
# virtual port must be explicitly used
# in order to send back out of the input
# port.
OFPP_TABLE = 0xfff9 # Perform actions in flow table.
# NB: This can only be the destination
# port for packet-out messages.
OFPP_NORMAL = 0xfffa # Process with normal L2/L3 switching.
OFPP_FLOOD = 0xfffb # All physical ports except input port and
# those disabled by STP.
OFPP_ALL = 0xfffc # All physical ports except input port.
OFPP_CONTROLLER = 0xfffd # Send to controller.
OFPP_LOCAL = 0xfffe # Local openflow "port".
OFPP_NONE = 0xffff # Not associated with a physical port.
# enum ofp_type
OFPT_HELLO = 0 # Symmetric message
OFPT_ERROR = 1 # Symmetric message
OFPT_ECHO_REQUEST = 2 # Symmetric message
OFPT_ECHO_REPLY = 3 # Symmetric message
OFPT_VENDOR = 4 # Symmetric message
OFPT_FEATURES_REQUEST = 5 # Controller/switch message
OFPT_FEATURES_REPLY = 6 # Controller/switch message
OFPT_GET_CONFIG_REQUEST = 7 # Controller/switch message
OFPT_GET_CONFIG_REPLY = 8 # Controller/switch message
OFPT_SET_CONFIG = 9 # Controller/switch message
OFPT_PACKET_IN = 10 # Async message
OFPT_FLOW_REMOVED = 11 # Async message
OFPT_PORT_STATUS = 12 # Async message
OFPT_PACKET_OUT = 13 # Controller/switch message
OFPT_FLOW_MOD = 14 # Controller/switch message
OFPT_PORT_MOD = 15 # Controller/switch message
OFPT_STATS_REQUEST = 16 # Controller/switch message
OFPT_STATS_REPLY = 17 # Controller/switch message
OFPT_BARRIER_REQUEST = 18 # Controller/switch message
OFPT_BARRIER_REPLY = 19 # Controller/switch message
OFPT_QUEUE_GET_CONFIG_REQUEST = 20 # Controller/switch message
OFPT_QUEUE_GET_CONFIG_REPLY = 21 # Controller/switch message
OFP_HEADER_PACK_STR = '!BBHI'
OFP_HEADER_SIZE = 8
OFP_MSG_SIZE_MAX = 65535
assert calcsize(OFP_HEADER_PACK_STR) == OFP_HEADER_SIZEOFP\_HEADER\_PACK\_STR = '!BBHI'的意思是将header按照8|8|16|32的长度封装成对应的数值。在Python中分别对应的是1个字节的integer|一个字节的integer|2个字节的integer|4个字节的integer。
calcsize函数用于计算对应的format的长度。
其他内容均为静态的定义，无需赘述。
ofproto_v1_0_parser
本模块用于定义报文的解析等动态内容。模块中定义了与OpenFlow协议对应的Common\_struct及message type对应的类。每一个message对应的类都是有MsgBase派生的，其继承了父类的parser函数和serialize函数。若报文无消息体，如Hello报文，则无需重写parser和serialize函数。
本模块定义了几个重要的全局函数：\_set\_msg\_type，\_register\_parser，msg\_parser和\_set\_msg\_reply。其作用介绍如下：
- _set_msg_type: 完成类与ofproto模块中定义的报文名字的映射，原因在于ofproto模块定义的名字并不是类名，而解析时需要使用ofproto中的名字。
- _register_parser：完成对应的类与类中的parser函数的映射，当解析函数从ofproto模块的名字映射到类之后，若需要解析，则需从类对应到对应的解析函数。parser函数是一个类函数，所以在使用时必须传入对应的类的对象作为参数。
- msg_parser：从_MSG_PARSERS中获取对msg_type的parser，并返回解析之后的内容。
- _set_msg_reply：完成该类与对应的回应报文的映射。
源码如下：
def _set_msg_type(msg_type):
'''Annotate corresponding OFP message type'''
def _set_cls_msg_type(cls):
cls.cls_msg_type = msg_type
return cls
return _set_cls_msg_type
def _register_parser(cls):
'''class decorator to register msg parser'''
assert cls.cls_msg_type is not None
assert cls.cls_msg_type not in _MSG_PARSERS
_MSG_PARSERS[cls.cls_msg_type] = cls.parser
return cls
@ofproto_parser.register_msg_parser(ofproto.OFP_VERSION)
def msg_parser(datapath, version, msg_type, msg_len, xid, buf):
parser = _MSG_PARSERS.get(msg_type)
return parser(datapath, version, msg_type, msg_len, xid, buf)
def _set_msg_reply(msg_reply):
'''Annotate OFP reply message class'''
def _set_cls_msg_reply(cls):
cls.cls_msg_reply = msg_reply
return cls
return _set_cls_msg_reply报文如果有消息体，则需要重写parser函数或者serialize函数，具体根据报文内容而不一样。此处，分别以Packet\_in和Flow\_mod作为parser的案例和serialize的案例，示例如下：
@_register_parser
@_set_msg_type(ofproto.OFPT_PACKET_IN)
class OFPPacketIn(MsgBase):
def __init__(self, datapath, buffer_id=None, total_len=None, in_port=None,
reason=None, data=None):
super(OFPPacketIn, self).__init__(datapath)
self.buffer_id = buffer_id
self.total_len = total_len
self.in_port = in_port
self.reason = reason
self.data = data
@classmethod
def parser(cls, datapath, version, msg_type, msg_len, xid, buf):
# 解析头部，获取msg
msg = super(OFPPacketIn, cls).parser(datapath, version, msg_type,
msg_len, xid, buf)
# 解析body,获取packet_in相关字段。
(msg.buffer_id,
msg.total_len,
msg.in_port,
msg.reason) = struct.unpack_from(
ofproto.OFP_PACKET_IN_PACK_STR,
msg.buf, ofproto.OFP_HEADER_SIZE)
# 将ofproto.OFP_PACKET_IN_SIZE长度之外的buf内容，赋值给data
msg.data = msg.buf[ofproto.OFP_PACKET_IN_SIZE:]
if msg.total_len < len(msg.data):
# discard padding for 8-byte alignment of OFP packet
msg.data = msg.data[:msg.total_len]
return msg
@_set_msg_type(ofproto.OFPT_FLOW_MOD)
class OFPFlowMod(MsgBase):
def __init__(self, datapath, match, cookie, command,
idle_timeout=0, hard_timeout=0,
priority=ofproto.OFP_DEFAULT_PRIORITY,
buffer_id=0xffffffff, out_port=ofproto.OFPP_NONE,
flags=0, actions=None):
if actions is None:
actions = []
super(OFPFlowMod, self).__init__(datapath)
self.match = match
self.cookie = cookie
self.command = command
self.idle_timeout = idle_timeout
self.hard_timeout = hard_timeout
self.priority = priority
self.buffer_id = buffer_id
self.out_port = out_port
self.flags = flags
self.actions = actions
def _serialize_body(self):
offset = ofproto.OFP_HEADER_SIZE
self.match.serialize(self.buf, offset)
# 封装的起点是offset
offset += ofproto.OFP_MATCH_SIZE
# 按照ofproto.OFP_FLOW_MOD_PACK_STR0的格式，将对应的字段封装到self.buf中
msg_pack_into(ofproto.OFP_FLOW_MOD_PACK_STR0, self.buf, offset,
self.cookie, self.command,
self.idle_timeout, self.hard_timeout,
self.priority, self.buffer_id, self.out_port,
self.flags)
offset = ofproto.OFP_FLOW_MOD_SIZE
if self.actions is not None:
for a in self.actions:
# 序列化action
a.serialize(self.buf, offset)
offset += a.len此模块代码量大，包括OpenFlow协议对应版本内容的完全描述。分类上可分为解析和序列化封装两个重点内容。读者在阅读源码时可根据需求阅读片段即可。
Inet & ether
这两个模块非常简单，ether定义了常用的以太网的协议类型及其对应的代码；inet定义了IP协议族中不同协议的端口号，如TCP=6。
oxm_field
在1.3等高版本OpenFlow中，使用到了oxm\_field的概念。oxm全称为OpenFlow Extensible Match。当OpenFlow逐渐发展成熟，flow的match域越来越多。然而很多通信场景下使用到的匹配字段很少，甚至只有一个。OXM是一种TLV格式，使用OXM可以在下发流表时仅携带使用到的match域内容，而放弃剩余的大量的match域。当使用的match域较少时，统计概率上会减少报文传输的字节数。
nx_match
该文件定义了nicira extensible match的相关内容。
ofp_event
这个模块的位置并不再ofproto，而位于controller目录下。controller模块下的event定义了基础的事件基类。ofp\_event模块完成了OpenFlow报文到event的生成过程。模块中定义了EventOFPMsgBase(event.EventBase)类和\_ofp\_msg\_name\_to\_ev\_name(msg\_name)等函数的定义。相关函数都非常的简单，可从函数名了解到其功能，不再赘述。示例代码如下：
def _ofp_msg_name_to_ev_name(msg_name):
return 'Event' + msg_nameStruct lib
Python的struct库是一个简单的，高效的数据封装\解封装的库。该库主要包含5个函数，介绍如下：
- struct.pack(fmt, v1, v2, ...)： 将V1,V2等值按照对应的fmt(format)进行封装。
- struct.pack_into(fmt, buffer, offset, v1, v2, ...)：将V1,V2等值按照对应的fmt(format)封装到buffer中，从初始位置offset开始。
- struct.unpack(fmt, string): 将string按照fmt的格式解封
- struct.unpack_from(fmt, buffer[offset=0，])： 按照fmt的格式，从offset开始将buffer解封。
- struct.calcsize(fmt)： 计算对应的fmt的长度。
更家详细的封装语法，请查看struct对应的链接。此处仅对常用语法进行介绍：
- ！：大端存储
- c: char
- B： 一个字节长度，unsigned char.
- H：两个字节，16位
- I： 4个字节，int型
- Q: 64bits
- x: padding
- 3x：3个字节的padding
- 5s: 5字节的字符串
总结
Ryu对OpenFlow协议的支持非常好，入门也比较容易，网上的资源也比较多，是一个非常值得推荐的SDN控制器。本篇对Ryu中从底层的数据收发到OpenFlow报文的解析的代码进行简要的分析，希望对读者有一定的帮助。