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description: 交大資工課程學習筆記
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SDN -- 王協源
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## The State of Networking
### SDN

#### SDN application

2. 1. Seamless mobility and migration : 移動時service不中斷
2. Server load balancing: 根據source IP做load balancing
3. Dynamic access control: 認證才能服務，認證後controller會記住此MAC addr
4. Using multiple wireless access points: 告知使用者用哪個AP比較好
5. Energy-efficient networking: 動態關閉沒有使用的機器
6. Adaptive traffic monitoring
7. Denial-of-Service attack detection
8. Network virtualization: 將網路切割成虛擬子網路

#### How the Internet Works

##### Best-Effort Packet Switching

1. Packet switching:
1. 將data切成packets，packets的傳送是各自獨立的
2. statistical multiplexing: 誰有paket上傳就傳誰的，不用時可以給別人用
2. Best-effort delivery:
1. 盡量送，但不做優化，也不保證能不能收到
2. packets會有掉落deley、順序錯亂的問題
3. 在頂層另外做保證傳送的機制

##### Layering

1. Packet Encapsulation:
1. 不同設備交換不同東西
- Network layer: packets (routers)
- Link layer: frames (bridges and switches)
- Physical layer: electrical signals (repeaters and hubs)
2. Link Layer:
1. Adaptors Communicating
2. MAC adrr
- Hierarchical allocation: blocks(廠商編號)+adapters(產品編號)
- broadcast addr: FF-FF-FF-FF-FF-FF
3. 為什麼不用IP addr?
- link要支援各種network protocal
- 設備會移到新的地點
- Must identify the adapter during bootstrap
4. Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP): 拿到自己的IP
5. Address Resolution Protocol (ARP): 用這個IP的是誰
3. Network Layer :
1. longest prefix match: dst IP addr 進來match prefix最長的那個
2. Domain Name System:
1. Hierarchical directory, Caching of results
2. Autonomy: 將namespace切開，給不同server負責
4. Transport Layer:
1. Two Main Ideas
1. Demultiplexing: port numbers
2. Error detection: checksums
2. User Datagram Protocol (UDP)
3. Transmission Control Protocol (TCP)

### OpenFlow Switch Architecture

- Ports
1. Physical Ports
- 對應到實體的hardware interface
2. Logical Ports
- 沒有直接對應到硬體
- packet encapsulation
- map to various physical ports
3. Reserved Ports
- specify generic forwarding actions.
- Required:
- All: 會回送給所有的port，包含自己
- Controller: control channel
- Table: OpenFlow pipeline的開頭。只有在packet-out的output action才有用
- In_Port: 代表pkt是從哪個port進來
- Any: 代表沒有要指定特別哪個port時用
- Optional:
- Local: 代表switch的local networking stack或是他的management stack 。用dataplane網路直接下命令給switch，而不用分開來的controller network
- Normal: 傳統非openflow的pkt switch pipeline
- Flood: flooding operation
4. Standard Ports
5. Port Structure:
- port_no: uniquely identifies a port within a switch
- hw_addr : the MAC address for the port
- name : readable name for the interface
- config:
- OFPPC_PORT_DOWN : port已經被管理者關掉
- OFPPC_NO_RECV : 在這個port收到的packets都要被丟掉
- OFPPC_NO_FWD : 不能在這個port做flooding
- OFPPC_NO_PACKET_IN : 從這個port產生的table miss should永遠不會觸發packet-in message送到controller

- Flow Tables
1. Pipeline
2. Flow Entries:
- Match Fields
- Priority: 包含一個optional的importance ，可以讓比較重要的資料把比較不重要的踢出table
- Counters
- Instructions
- Timeouts:
- hard timeout: 加了entry後過了幾秒一定要刪掉
- idle tiomeout: 過了幾秒都沒match到pkt才刪掉
- Cookie: controller知道就好的值
3. Flow Removal:
1. Controller: Flow-Delete message
2. Switch: timeout, eviction mechanism (optional)
4. table miss:
1. packet match不到任何entry
2. table miss entry: 把match field全設成don't care，priority設最低

- Group Table
1. Group Identifier
2. Group Type : 讓switch自己決定pkt要從哪個port出去
- All: 執行所有Action Buckets中的動作，用來做multicast或broadcast forwarding
- Indirect: 執行既有定義的某個Action Bucket中的動作，在網路狀態改變時，能把entry中的同樣的資訊快速換掉
- Select (optional): 用自選的algorithm挑執行的bucket
- Fast failover (optional): 執行第一個還能用的bucket，找不到的話就丟掉，快速切換到能用的port
3. Counters : updated when packets are processed by a group
4. Action Buckets : contains an ordered list of action buckets

- Meter Table
- 把管控聚合起來 (有點像 QoS)
- 品質保證
- SLA
- 跟你簽約，要保證給你的流量與你給他的流量
- 超過了話，丟包 or mark priority
- 
- Band Type
- Drop
- DSCP remark(用 mark 降低 priority)
- Rate
- 用來作標準的
- Instructions
- Require
- Write-Actions
- 把 Action 加入
- 若以存在，更新 Action
- Goto-Table + next-id
- 跳到那個 Table 執行
- Optional
- Meter + meter_id
- 來到 meter table 規則
- Apply-action
- 提供得資料放入 action-set
- Clear-action
- Write-metadata
- 提供的資料寫入 metadata
- Actions
- Required
- Output
- Drop
- 沒有這個 Action，default 就是 drop
- Group
- 跳到對應的 group
- **優先等級比 output action 高**
- Optional
- Set-Queue
- packet 送到 output port 時，要存在哪個等級的 output port
- 作 QoS
- (目前 IEEE 對 port 有 8 個等級的的分類)
- Push/Pop tag
- ex. VLAN, MPLS, ...
- Set-Fields
- 改 header fields
- Change-TTL
- Action List
- 一個 list
- 會一個一個拿出來執行(疊加)
- Instruction-Fields
| Instruction | index | context |
| :-: | :-: | :-: |
| goto-table | 1 | type, len, table_id, pad |
| write-metadata | 2 | type, len, pad, metadata, mask |
| write-action | 3 | |
| apply-action | 4 | |
| clear-action | 5 | |
| meter | 6 | |

- Statistics Counters
作分析用的 counter，監控網路狀況
1. reference count: 目前有幾個pkt
2. packet lookup: 有幾個pkt來查詢
3. packet matches: 有幾個pkt成功match
4. duration: 從action加進table後存活多久了


 

### OpenFlow Channel
從 switch 通知 OpenFlow Controller 特殊事件
- 利用 TLS 加密於 TCP 協定 (由 switch 發出，會填入 controller 的位址(可能會填多個controller))
- 種類
- Controller-to-switch
- Feature(switch 要跟 controller 說你有什麼能力)
- datapath id (就是 switch 自己的 id)
- #buffer
- #flow table
- match fields size
- ...
- Config
- IP fragments 處理方法 (SDN switch 可以重組被切割的 packet)
- Modify-State
- Add, delete and modify flows/groups in the OpenFlow tables
- 改 port state (duplex, bandwidth, ...)
- Packet-Out
- 將 packet 從指定的 port 出去，可以是實體 port, 邏輯 port, TABLE port, ...
- 若發生 table miss，switch 要把 packet 送到 controller，這叫做 **Packet-In**
- Read State
- 收集資訊
- Barrier
- 訊息處理
- 確保訊息的相依性
- 要先處理這個訊息，才能處理下一個訊息
- 因為 switch 有能力改變 controller 處理訊息的順序以增加效能
- Flow-Modify
- Add, modify, delete flow entries into/in/from the flow tables
- 可以包含 packet-buffer-id
- ex. packet-in 到 controller 回來後，指定哪一個 buffer 理的 packet 拿來繼續用
- Role-Request
- Role:
- Master
- Slave
- Equal
- Load balance / multi-controller 用
- Asynchronous-Configuration
- Master 下 rule 時，應該要同步通知 Slave / Equal
- 減少 amount of asynchronous(非同步) message traffic
- 可以設怎麼樣的訊息要收，怎麼樣的不收 (filter)
- Asynchronous
- 使用狀況
- Switch -> Controller
- 通知性質
- Packet-in
- New Flow
- packet-in buffer
- Flow-Remove
- Idle/Hard timeout timer
- 你殺掉 flow 時，需要告知 controller
- (controller 應該要知道網路上的所有狀況)
- [Optional] Switch eviction mechanism：rule 太多，空間不夠時，switch 可以根據 Importance / timeout 來決定丟棄 flow
- Port-Status
- Port up/down 等等的資訊
- Error
- Symmetric(雙方互送訊息)
- Hello
- TCP 交握
- 了解雙方能力 (OpenFlow 版本...)
- 不同於 Controller-to-switch Feature
- Echo Request/Reply
- 互相確認活著
- 是否失連
- => 若失連，需趕快找 Slave Controller 來確認狀態
- 測試 latency / bandwidth
- Experimenter
- Message Handling
- TCP
- Processing
- Switch 必須處理每個 controller 給的 process
- Switch 若處理有問題，必須讓 controller 知道(controller 要知道網路全局狀況，以免不同步)
- controller 是 free-to-drop 的，但是必須回給 switch 的 hello echo，才不會讓 switch 不知道狀態(可能根本就斷線了)
- Switch buffer 會有 time out 機制(controller 會 drop 卻沒有回給 Switch)
- Ordering
- barriar: 確保處理順序的機制
- Switch 處理完有 barriar reply
- Bundle
- 要下一系列指令時
- (switch 內)避免部分執行(ALL or NONE)
- (跨 switch)避免只給到幾台機器(不然封包可能到一半，就不知道怎麼走了)
- Read 比較不會造成不一致 / Write 不完全會造成可怕的不一致
- “ordered executions” and “packet atomic” flags
- 正在修改 rules 時，不應該讓 packet 進來(可能會看到舊的/正在改變的 flow)，可是這還蠻困難的 QQ
- in packet buffer
- 同時修改 flow
- 把所有table變成兩份，命令下去後再一次替換
- ?
- 
- 
- Encryption
- TLS
- fake controller
- fake switch

## App over NOX Controller
- 第一個 SDN Controller
### 在 SDN 裡實踐 LBP
- LBP (Learning Bridge Protocol)
- switch forwarding table (MAC-intface-TTL)
- switch entry 是如何建立、如何維護
- SPT, Flood
- 運行在一個沒有 loop 的網路上 -> STP(IEEE 802.11d)
- SDN 運行(以 ping 為例)
- Connect Setup
- Hello
- Feature Request
- Set init config
- Do
- 當全新的 packet 進入 Switch 後，Switch 查找 Flow Table
- 沒有找到 rule，Packet in 到 Controller
- Controller 也是新的，所以會 Packet out 叫 Switch Flood (broadcast)
- Flood 完後，Destion host 會回 echo
- 再次 packet in 到 controller
- Packet out 一個 Flow Modify(或其他指令，這就要看 SDN APP 的能力了) 到 Switch ，叫 Switch 把封包送回當初發 request 的 port
- 
- Spanning Tree Algo. -- kruskal
- 分散式系統(傳統網路)需要處理的
- 容錯
- 溝通
- 避免 loop / 減少網路切割
- SDN 因為有 中心 controller，所以應該會大量減少複雜度
- 不應該在用分散式的處理方法
- 已經會有蠻可靠的全網路拓樸
- SDN 用 LLDP (Link Layer Discovery Protocol)
- controller 藉由 LLDP 跟 switch 溝通拓樸資訊
- switch 與 switch 也可以藉由 LLDP 溝通
- 當 controller 第一次跟 switch 連線時，會開 entry，接下來就是下一個 所有 LLDP 都送到 controller
- 
- 
- 溝通完，才能開始作 port modify
- 每 5 分鐘送一個 LLDP 來確認 Link 還活著，容忍 miss 兩次
- 若 link 失敗，重新計算網路拓樸

## Four Controller(Ryu, NOX, POX, Floodlight, ONOS)
- Network emulator & simulator
- emulator
- 時間需要跟真實世界一樣
- ex. mininet
- simulator
- 可以直接把 OpenSource 的 controller 拿來跑
- 可以有自己的時間，加速、減速
- ex. EstiNet

## SDN Emulator -- Mininet
Mininet 基本上是整合所有現有 app 做出來的模擬器
- switch 用 OpenVSwitch 兜
- 用 container 包，避免 VM Loading 太高
- host 的 app 用現有的 OS 的 app
- 無法所有參數都 real-time 模擬，所以出來的數值幾乎都跟現實世界不同
- `--link=tc`: linux kernal 裡面的 traffic control，可以管理 interface 出來的 bandwidth => 才能在 addLink 下 bw 的參數

## Open vSwitch (OVS)
- 軟體實作的 virtual switch
- 最原始是給 hypervisor 用的，讓多個 VM 可以溝通
- 
- 可選擇 bridge(learning bridge protocol) or NAT
- 存在的時間遠比 SDN 早很多，在 Cloud computing 出來時，就被設計出來了
- (2004) Cloud Computing 需要作大量的虛擬化
- 讓 (Virtual)Server 可以輕鬆的轉移到不同的實體機 (Server Migration)
- 讓筆電進入 Sleep 再起來，基本上就是 Server Migration 的實作方法
- VM image 基本上就是 Server wake up 的資源量
- 因為全軟體實作，所以 OpenFlow 一出現，馬上就可以跟上支援
- 可以直接讓 Linux 變成 OpenFlow Switch(變成單顆的 SDN Switch)
- OVS 也成為硬體 SDN Switch 的 OpenFlow agent(跟 controller 溝通的 agent) 了
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- 下層 match / action / ... 等還是用 ASIC 加速實作
- SDN Switch 的 Linux 是作 Management/Config 用的，不會作 table lookup (ASIC 作掉了) {跟 OVS On Linux 的 Linux 用途不一樣}