OpenFlow交換機(jī)遠(yuǎn)程配置管理系統(tǒng)

常甫 鄭世慧 孫斌

摘? 要： 隨著SDN的廣泛應(yīng)用，OpenFlow交換機(jī)逐漸增多，如何方便快捷地配置和管理OpenFlow交換機(jī)成為一個(gè)值得關(guān)注的問題。對(duì)此，本文提出了遠(yuǎn)程配置和管理OpenFlow交換機(jī)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于Web架構(gòu)，使用OF-CONFIG協(xié)議和命令行兩種方式，并實(shí)現(xiàn)了配置文件的自動(dòng)生成和配置命令的自動(dòng)下發(fā)。在本文最后，使用虛擬機(jī)搭建環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，本系統(tǒng)的各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的功能，管理員可以使用本系統(tǒng)在遠(yuǎn)程完成對(duì)交換機(jī)的配置管理工作。此外，本系統(tǒng)使管理員免于登錄到交換機(jī)進(jìn)行操作，并使用模板減少了管理員的輸入工作量，有助于提高管理員的工作效率。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī);SDN;OpenFlow;OF-CONFIG;交換機(jī)配置

中圖分類號(hào)： TP393.07? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.001

【Abstract】： Software Defined Networking （SDN） became popular in many situations， such as data center. One of the most widely used forwarding devices in SDN is OpenFlow switch. However， administrators usually need to log in every switch， or type in entire configuration files to manage them. This paper presents a system to configurate and manage OpenFlow switches remotely. It is based on B/S structure， using OF-CONFIG protocol and command-line scripts to configure OpenFlow switches. Furthermore， configuration files can be generated with a few necessary parameters， and be sent to switches automatically. At the end of this paper， the system is tested in a virtual environment. The results show that each module works well. Furthermore， in comparison with， the system helps administrators to avoid logging in each switch for operation， and configure switches at one point. Besides， the system reduces the workload of typing in the entire configuration files， which helps to improve productivity.

【Key words】： Computer; SDN; OpenFlow; OF-CONFIG; Switch configuration

0? 引言

近年來，隨著云計(jì)算和虛擬化的快速興起，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、動(dòng)態(tài)性、網(wǎng)絡(luò)管理的靈活性等方面暴露出難以克服的問題。在此背景下，基于OpenFlow[1]為網(wǎng)絡(luò)帶來的可編程特性，誕生了軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思想，其核心是通過分離轉(zhuǎn)發(fā)和管理，讓傳統(tǒng)的交換機(jī)和路由器只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)策略和規(guī)則都由集中式的控制器來進(jìn)行管理。SDN在很大程度上屏蔽了底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的異構(gòu)性，并通過API的方式開放網(wǎng)絡(luò)功能，不僅能夠快速滿足用戶的網(wǎng)絡(luò)交付、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容等需求，也可以為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商（ISP）管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供極大的便利[2]。隨著SDN在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用，OpenFlow交換機(jī)設(shè)備也越來越多。如何對(duì)眾多的OpenFlow交換機(jī)方便有效地進(jìn)行配置，逐漸成為一個(gè)有待研究的問題[3]。

按照OpenFlow協(xié)議[4]的規(guī)定，OpenFlow交換機(jī)需要首先進(jìn)行配置，才能和控制器進(jìn)行通信。為了對(duì)OpenFlow交換機(jī)進(jìn)行配置和管理，可以采用命令行（CLI）和OF-CONFIG協(xié)議[5]兩種方式。其中命令行方式的配置步驟較為繁瑣，并且配置步驟之間缺少邏輯性和整體性。而OF-CONFIG協(xié)議雖然步驟簡潔，但是仍然需要輸入正確完整的配置文件，所以人工配置的效率和正確率依賴于管理員對(duì)交換機(jī)YANG模型[6]的熟練程度。

對(duì)于交換機(jī)的配置問題，研究者在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中就已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究[7]。提出了基于Web的NETCONF管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了NETCONF協(xié)議中的配置操作，但是用戶需要自行輸入完整的配置文件（XML格式），并且該系統(tǒng)缺少YANG建模語言定義的數(shù)據(jù)模型[8]。提出了為不同的交換機(jī)設(shè)備建立一個(gè)配置模板庫，每種模板可以匹配一種支持NETCONF協(xié)議的交換機(jī)，從而方便交換機(jī)的配置工作。Vijay [9]提出了利用NETCONF協(xié)議的靈活性對(duì)家庭物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)絡(luò)配置和管理。

在SDN興起后，對(duì)交換機(jī)配置的研究集中在OF-CONFIG協(xié)議和YANG建模語言。Manzanares[10]利用OF-CONFIG協(xié)議配置交換機(jī)的隊(duì)列，從而實(shí)現(xiàn)基于流的服務(wù)質(zhì)量（QoS）管理。Majstorovi?[11]提出了在特定環(huán)境中創(chuàng)建YANG模型，并編寫相應(yīng)的模塊，用以監(jiān)控和配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。劉建琪[12]使用OF-CONFIG代理實(shí)現(xiàn)了對(duì)Open vSwitch交換機(jī)的配置，但其代理使用的YANG模型過于簡單，僅能實(shí)現(xiàn)少數(shù)配置功能，不能滿足OF-CONFIG協(xié)議的要求，所以缺少對(duì)其他OpenFlow交換機(jī)的通用性。Cejka [13]針對(duì)流行的OpenFlow虛擬交換機(jī)Open vSwitch不能原生支持OF-CONFIG協(xié)議的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可用于該交換機(jī)的OF-CONFIG組件，使該交換機(jī)能夠具備更好的兼容性。

本文提出的OpenFlow交換機(jī)遠(yuǎn)程配置與管理系統(tǒng)，采用OF-CONFIG協(xié)議和CLI方式相結(jié)合的方式，自動(dòng)生成符合交換機(jī)YANG模型的配置文件，并自動(dòng)下發(fā)到交換機(jī)實(shí)現(xiàn)配置。系統(tǒng)基于Web架構(gòu)，不僅配置步驟簡潔，而且實(shí)現(xiàn)了一定程度的自動(dòng)化，加快了配置的速度，可以減少人工配置造成的錯(cuò)誤。此外，由于OF-CONFIG協(xié)議的目標(biāo)是成為OpenFlow交換機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置協(xié)議，因此本系統(tǒng)在今后也將具備良好的通用性。

本文的其余部分安排如下：第1節(jié)簡要介紹SDN的整體架構(gòu)和OpenFlow交換機(jī)配置管理的研究現(xiàn)狀;第2節(jié)介紹我們?cè)O(shè)計(jì)的OpenFlow交換機(jī)遠(yuǎn)程配置管理系統(tǒng);第3節(jié)分析我們系統(tǒng)的分析測(cè)試情況;第4節(jié)總結(jié)了主要工作和發(fā)現(xiàn)的不足。

1? OpenFlow交換機(jī)遠(yuǎn)程配置管理系統(tǒng)

1.1? 系統(tǒng)簡介

OF-CONFIG協(xié)議與OpenFlow協(xié)議的關(guān)系如圖1所示。本系統(tǒng)將作為OF-CONFIG配置點(diǎn)，對(duì)OpenFlow交換機(jī)的資源進(jìn)行配置。

本系統(tǒng)使用B/S架構(gòu)，對(duì)支持OF-CONFIG協(xié)議的OpenFlow交換機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)常見功能的配置，包括配置邏輯交換機(jī)，交換機(jī)端口，交換機(jī)與控制器連接，交換機(jī)配置備份與恢復(fù)，以及交換機(jī)批量配置。系統(tǒng)使用符合OF-CONFIG協(xié)議的YANG模型，描述交換機(jī)配置的相關(guān)選項(xiàng)。此外，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶選擇的功能模塊，以及用戶輸入的少量參數(shù)，自動(dòng)生成配置文件，并選擇相應(yīng)的配置命令，自動(dòng)完成對(duì)交換機(jī)的配置，加快了配置效率，并減少手工配置導(dǎo)致的配置錯(cuò)誤。

如圖2所示，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分：Web頁面、服務(wù)器和OpenFlow交換機(jī)。用戶通過瀏覽器進(jìn)入并使用系統(tǒng)的功能。服務(wù)器包括Web服務(wù)器和配置管理系統(tǒng)，配置管理系統(tǒng)通過SSH方式連接到交換機(jī)的OF-CONFIG服務(wù)器。交換機(jī)中的OF-CONFIG服務(wù)器用于接收和處理服務(wù)器發(fā)送的命令，并返回響應(yīng)消息。此外，對(duì)于少數(shù)涉及交換機(jī)的宿主機(jī)的操作，配置管理系統(tǒng)將直接通過SSH連接到宿主機(jī)并進(jìn)行配置。

1.2? 系統(tǒng)功能模塊劃分與流程

如圖3所示，系統(tǒng)包含邏輯交換機(jī)（也稱網(wǎng)橋）配置模塊，端口配置模塊，控制器連接配置模塊和交換機(jī)配置備份與恢復(fù)模塊。

用戶在使用本系統(tǒng)時(shí)，首先需要通過瀏覽器登錄服務(wù)器，進(jìn)入管理界面。用戶在管理界面選擇相應(yīng)的功能模塊，然后根據(jù)配置的需要，輸入相應(yīng)的

配置參數(shù)，如交換機(jī)的IP和邏輯交換機(jī)的ID等。系統(tǒng)會(huì)檢查所需參數(shù)是否完整和合法，并檢查交換機(jī)的連接性，確認(rèn)無誤后則調(diào)用模板生成相應(yīng)的配置文件，并將配置文件下發(fā)到交換機(jī)，完成相應(yīng)的配置。交換機(jī)完成配置后返回響應(yīng)消息，服務(wù)器處理響應(yīng)消息并發(fā)送響應(yīng)給瀏覽器，瀏覽器根據(jù)響應(yīng)生成響應(yīng)的顯示給用戶。用戶可以繼續(xù)選擇功能模塊進(jìn)行配置，也可以選擇退出管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

系統(tǒng)使用了OF-CONFIG協(xié)議和命令行（CLI）這兩種方式對(duì)OpenFlow交換機(jī)進(jìn)行配置，具體如下所述。

（1）交換機(jī)相關(guān)參數(shù)的配置，需要使用OF- CONFIG協(xié)議。

a）使用connect命令連接到OpenFlow交換機(jī)。

b）通過edit-config命令，將xml格式的配置文件發(fā)送給OpenFlow交換機(jī)，完成相應(yīng)配置。

c）配置完成后，使用disconnect命令斷開連接。

（2）與交換機(jī)所在主機(jī)有關(guān)的配置，需要使用命令行。

a）使用SSH連接到OpenFlow交換機(jī)所在的主機(jī)。

b）通過CLI方式，進(jìn)行相應(yīng)配置。

c）配置完成后，使用exit命令斷開SSH連接。

1.3? 系統(tǒng)子模塊介紹

本節(jié)對(duì)系統(tǒng)各個(gè)子模塊的功能和所需參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。其中，邏輯交換機(jī)配置模塊，端口配置模塊和控制器連接配置模塊均使用模板生成配置文件，并通過OF-CONFIG協(xié)議進(jìn)行配置，此外端口配置模塊的VxLAN配置功能還使用了CLI命令。

（1）邏輯交換機(jī)配置模塊

本模塊可以配置交換機(jī)中的邏輯交換機(jī)，包括創(chuàng)建、修改、移除等功能。以創(chuàng)建邏輯交換機(jī)的功能為例，該功能使用的模板如圖5所示。其中必需的參數(shù)為交換機(jī)IP，邏輯交換機(jī)id（即圖中的BRIDGE_ID變量），其他可選參數(shù)為邏輯交換機(jī)的datapath-id和失去連接后的表現(xiàn)。

（2）端口配置模塊

本模塊可以配置交換機(jī)中邏輯交換機(jī)的端口，包括添加、修改、移除端口，VxLAN隧道配置和隊(duì)列配置等功能。

其中添加、修改、移除端口功能的必需參數(shù)為交換機(jī)IP，邏輯交換機(jī)的id與資源項(xiàng)的名稱。其他可選參數(shù)包括資源項(xiàng)的requested-number和confi guration等。

創(chuàng)建、修改和移除隊(duì)列功能的必需參數(shù)為交換機(jī)的IP，邏輯交換機(jī)的id，以及資源項(xiàng)的相關(guān)參數(shù)。

創(chuàng)建、修改和移除VxLAN隧道的必需參數(shù)為交換機(jī)的IP，邏輯交換機(jī)的id，以及資源項(xiàng)的相關(guān)參數(shù)，如VxLAN隧道近端和遠(yuǎn)端IP等。此外，VxLAN的配置過程，還需要將端口綁定至宿主機(jī)網(wǎng)卡，該功能使用命令行方式實(shí)現(xiàn)，必需參數(shù)為交換機(jī)的IP，以及交換機(jī)宿主機(jī)的網(wǎng)卡名稱。

圖6為添加VxLAN隧道的模板，該模板包含了端口配置模塊中的大部分參數(shù)。

在VxLAN的配置過程中，需要使用CLI方式，實(shí)現(xiàn)將端口綁定至宿主機(jī)網(wǎng)卡和增加路由的功能。該功能需要使用ifconfig命令，實(shí)現(xiàn)虛擬交換機(jī)端口和宿主機(jī)網(wǎng)卡的綁定，并使用route add命令，加入VxLAN隧道對(duì)應(yīng)的路由。

（3）控制器連接配置模塊

本模塊可以將Open vSwitch交換機(jī)連接至指定控制器，并可修改和移除已連接的控制器。連接、修改和移除控制器的必需參數(shù)包括交換機(jī)的IP，邏輯交換機(jī)的id，以及控制器的id，IP地址，端口和連接協(xié)議。

以控制器連接功能為例，該功能的模板如圖7所示，其中必需參數(shù)為邏輯交換機(jī)id，控制器id，控制器IP，控制器端口。

（4）交換機(jī)配置備份與恢復(fù)模塊

本模塊可以對(duì)Open vSwitch交換機(jī)的配置進(jìn)行備份和恢復(fù)，并可以使用已保存的交換機(jī)配置對(duì)其他交換機(jī)進(jìn)行批量配置。

備份交換機(jī)配置功能的必需參數(shù)為交換機(jī)IP，恢復(fù)交換機(jī)配置的必需參數(shù)為交換機(jī)IP和備份id。

交換機(jī)批量配置功能的必需參數(shù)為交換機(jī)IP和相關(guān)功能的必需參數(shù)，系統(tǒng)使用參數(shù)生成相關(guān)的配置文件configuration.xml，然后對(duì)交換機(jī)進(jìn)行批量配置。圖8為批量配置功能的相關(guān)代碼，使用循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)交換機(jī)的批量配置。其中config.sh使用IP地址和配置文件作為參數(shù)，逐個(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)交換機(jī)的配置。

2? 分析測(cè)試

2.1? 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試環(huán)境中，OpenFlow交換機(jī)選擇OpenFlow vSwitch v2.3.1（以下簡稱OVS）。由于OVS自身并不支持OF-CONFIG協(xié)議，而是使用OVSDB協(xié)議進(jìn)行配置，所以需要額外安裝OF-CONFIG組件，從而可以支持OF-CONFIG協(xié)議1.2版本中規(guī)定的大部分功能。

每臺(tái)OVS交換機(jī)分別安裝在一臺(tái)Ubuntu 14.04 64位系統(tǒng)的虛擬機(jī)中，而Web服務(wù)器和管理系統(tǒng)則安裝在一臺(tái)額外的Ubuntu 14.04 64位系統(tǒng)的虛擬機(jī)中。用戶通過可以連接到Web服務(wù)器的瀏覽器進(jìn)行操作。

測(cè)試之前，需要配置服務(wù)器免密鑰SSH登錄到OVS所在主機(jī)。使用服務(wù)器生成RSA密鑰對(duì)，并將公鑰添加至OVS所在主機(jī)的～/.ssh/authorized_ keys文件中，從而實(shí)現(xiàn)SSH公鑰免密碼登錄，避免后續(xù)配置過程因SSH登錄時(shí)需要密碼而被中斷。

測(cè)試過程中，用戶使用瀏覽器進(jìn)入配置管理系統(tǒng)，選擇相應(yīng)的功能模塊，輸入必要的參數(shù)，對(duì)目標(biāo)交換機(jī)進(jìn)行功能測(cè)試。

2.2? 邏輯交換機(jī)配置模塊功能驗(yàn)證

本節(jié)以交換機(jī)配置模塊中的創(chuàng)建邏輯交換機(jī)功能為例進(jìn)行驗(yàn)證。本驗(yàn)證實(shí)例的目的是，為OVS交換機(jī)添加2臺(tái)邏輯交換機(jī)，并分別命名為br0和br1。

測(cè)試環(huán)境如圖9所示，虛擬機(jī)為OVS交換機(jī)的宿主機(jī)。

配置完成后，OVS交換機(jī)顯示的配置結(jié)果如圖10所示?？梢奜VS交換機(jī)中已經(jīng)成功添加邏輯交換機(jī)br0和br1。

2.3? 端口配置模塊功能驗(yàn)證

本節(jié)以端口配置模塊中的VxLAN隧道配置功能為例進(jìn)行驗(yàn)證。該實(shí)例包括了創(chuàng)建邏輯交換機(jī)端口，添加VxLAN隧道，以及將邏輯交換機(jī)端口綁定到宿主機(jī)網(wǎng)卡等操作，可以充分驗(yàn)證本模塊的功能是否得到實(shí)現(xiàn)。

測(cè)試環(huán)境如圖11所示，虛擬機(jī)為OVS交換機(jī)的宿主機(jī)。由于在實(shí)際SDN網(wǎng)絡(luò)中，配置網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)通常為獨(dú)立分開的，所以虛擬機(jī)具有eth0和eth1兩塊網(wǎng)卡，其中eth0用于和配置管理系統(tǒng)連接，eth1用于和另一臺(tái)虛擬機(jī)進(jìn)行通信。

本驗(yàn)證實(shí)例的目的是，對(duì)交換機(jī)OVS-1和OVS-2進(jìn)行配置，并在兩臺(tái)交換機(jī)之間搭建VxLAN隧道，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段之間的通信。VxLAN隧道兩端為br0網(wǎng)橋，2個(gè)網(wǎng)橋的IP分別為192.168.233.1/24和192.168.234.1/24，分別處于不同的網(wǎng)段。管理系統(tǒng)通過局域網(wǎng)192.168.136.0/24連接到OVS交換機(jī)，即為配置網(wǎng)絡(luò)。OVS交換機(jī)之間使用通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，通信網(wǎng)絡(luò)兩端為br1網(wǎng)橋，而br1網(wǎng)橋需要綁定宿主機(jī)的eth1網(wǎng)卡，并使用eth1的IP地址。以上配置過程中，需要使用Linux系統(tǒng)的ifconfig命令和route命令，由管理系統(tǒng)通過SSH連接到宿主機(jī)，使用CLI命令的方式進(jìn)行配置。

配置完成后，兩臺(tái)OVS交換機(jī)顯示的配置結(jié)果如圖12所示，可以看到交換機(jī)的兩個(gè)網(wǎng)橋br0和br1均實(shí)現(xiàn)了相關(guān)配置。

2.4? 控制器連接配置模塊功能驗(yàn)證

本節(jié)以控制器連接配置模塊中的連接到控制器功能為例進(jìn)行驗(yàn)證。本驗(yàn)證實(shí)例的目的是，將OVS交換機(jī)中的邏輯交換機(jī)br0連接到控制器。

測(cè)試環(huán)境如圖13所示，虛擬機(jī)為OVS交換機(jī)的宿主機(jī)，控制器為一臺(tái)Floodlight控制器。

配置完成后，OVS交換機(jī)顯示的配置結(jié)果如圖14所示，F(xiàn)loodlight控制器顯示的配置結(jié)果如圖15所示。

2.5? 交換機(jī)配置備份與恢復(fù)模塊功能驗(yàn)證

本節(jié)以交換機(jī)備份與恢復(fù)模塊中的批量配置功能為例進(jìn)行驗(yàn)證。本驗(yàn)證實(shí)例的目的是，對(duì)4臺(tái)OVS交換機(jī)進(jìn)行批量配置，為每臺(tái)交換機(jī)添加2個(gè)邏輯交換機(jī)br0和br1，為br0添加端口port0，并將邏輯交換機(jī)br0連接到控制器。

測(cè)試環(huán)境如圖16所示，虛擬機(jī)為OVS交換機(jī)的宿主機(jī)。

配置完成后，4臺(tái)OVS交換機(jī)顯示的配置結(jié)果如圖17所示，控制器顯示的配置結(jié)果如圖18所示。

3? 結(jié)論和展望

本文提出了針對(duì)OpenFlow交換機(jī)的遠(yuǎn)程配置和管理系統(tǒng)。通過測(cè)試和分析，我們認(rèn)為本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)先設(shè)計(jì)的功能，可以在遠(yuǎn)程對(duì)OpenFlow交換機(jī)進(jìn)行配置管理。此外，系統(tǒng)使用功能模板的方式，減少了管理員在配置過程中的工作量，降低了交換機(jī)配置管理工作對(duì)管理員自身能力的依賴程度，并且提供了批量配置功能，加快了配置速度。除了系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的配置功能，未來的工作還要加入對(duì)OF-CONFIG協(xié)議中YANG模型更好的展示和交互方式，從而使用戶可以不拘泥于當(dāng)前系統(tǒng)中固定的功能模塊，在一次配置中自由組合各個(gè)功能，使配置過程更加靈活。

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