本文將介紹RYU中的網(wǎng)絡感知服務，與基于網(wǎng)絡服務的最短路徑應用，主要內(nèi)容包括網(wǎng)絡資源感知模塊，網(wǎng)絡監(jiān)控模塊和基于網(wǎng)絡信息的最短路由模塊介紹。在一個真實的網(wǎng)絡環(huán)境下，需掌握網(wǎng)絡的實時動態(tài)，包括網(wǎng)絡的資源以及網(wǎng)絡流量狀況，其中網(wǎng)絡的信息包括交換機，端口，主機的信息，以及基于流的流量統(tǒng)計信息和基于端口的流量統(tǒng)計信息。在掌握這些關鍵的網(wǎng)絡信息后，控制器就可以根據(jù)這些信息作出當下最正確的路由決策，完成網(wǎng)絡的通信。

網(wǎng)絡資源感知

網(wǎng)絡資源感知模塊用于感知網(wǎng)絡資源的實時變化，包括拓撲信息以及主機信息的變化。任何網(wǎng)絡應用，可達性都是最基本的要求。SDN網(wǎng)絡的集中控制，使得控制器可以根據(jù)全局的信息作出***決策而無需在交換節(jié)點上采用分布式的路由算法。所以感知網(wǎng)絡資源是SDN應用最基礎的一項服務。

實現(xiàn)該模塊的類為Network_Aware類，該類描述如下：

其中數(shù)據(jù)結構與其作用關系如下：

link_to_port字典存儲交換機之間鏈路與端口的映射關系;

access_table字典存儲主機的接入信息;

switch_port_table存儲交換機端口列表;

access_ports存儲外向端口(與終端連接的接口);

interior_ports存儲內(nèi)部端口;

grap存儲網(wǎng)絡拓撲圖;

pre_link_to_port等帶有pre前綴的數(shù)據(jù)結構用于保存上一次獲取的信息，用于和當前獲取信息做比較。

_discover函數(shù)是主循環(huán)函數(shù)

在_discover函數(shù)中，周期執(zhí)行get_topology和是show_topology函數(shù)。在get_topology函數(shù)中，控制器可以獲取到網(wǎng)絡中的交換機和端口信息、鏈路信息、主機接入信息等。此外，控制器通過實時檢測網(wǎng)絡變化的異步事件來更新網(wǎng)絡資源信息。show_topology函數(shù)則是將網(wǎng)絡信息格式化地展示在終端中。由于前端開發(fā)能力有限，目前僅僅簡單將后臺數(shù)據(jù)展現(xiàn)在終端。

Note that:可以通過置位IS_UPDATE來控制是否輸出信息。此外，若拓撲信息不發(fā)生變化，將不打印，即僅打印拓撲一次，直至拓撲更新。可以將判斷中的and 修改為or,即可每次都打印。

 圖1.網(wǎng)絡資源信息

網(wǎng)絡流量監(jiān)控

網(wǎng)絡的信息除了物理資源信息以外，還包括邏輯鏈路等信息;獲取流表信息可獲得對應的邏輯連接信息。此外，獲取網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流量的統(tǒng)計情況對防止網(wǎng)絡故障，合理優(yōu)化網(wǎng)絡等方面起到了重要的作用。網(wǎng)絡流量監(jiān)控模塊實現(xiàn)了對端口流量和流表項流量的監(jiān)控。應用可周期獲取到流量信息，并在終端中輸出展示。

實現(xiàn)網(wǎng)絡流量監(jiān)控的類為：Network_Monitor,具體描述如下：

其中數(shù)據(jù)結構的作用如下：

datapaths記錄與控制器連接的datapath;

port_stats保存端口的統(tǒng)計信息;

port_speed保存端口的速率信息;

flow_stats保存流的統(tǒng)計信息;

flow_speed保存流的速率信息;

stats保存所有的統(tǒng)計信息;

port_link保存link的特性信息;

_monitor函數(shù)為主循環(huán)函數(shù);

在主循環(huán)函數(shù)中，周期調(diào)用了self._request_stats和self.show_stat函數(shù)，前者用于下發(fā)統(tǒng)計信息請求報文，后者用于展現(xiàn)統(tǒng)計信息。統(tǒng)計信息回復報文處理函數(shù)為：_flow_stats_reply_handler和_port_stats_reply_handler，兩者分別使用的@set_ev_cls裝飾符，注冊監(jiān)聽了對應的事件。至此流量統(tǒng)計模塊已經(jīng)完成了閉環(huán)，可以作為底層的服務為上層的應用提供實時的流量統(tǒng)計信息。

 圖2. 端口流量統(tǒng)計信息

 圖3.-流表項流量統(tǒng)計信息

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基于網(wǎng)絡資源的最短路徑

基于以上的網(wǎng)絡資源感知模塊與網(wǎng)絡流量監(jiān)控模塊提供的數(shù)據(jù)，我們可以做很多事情，比如負載均衡等流量調(diào)度應用，有比如安全接入等安全應用。本小節(jié)介紹基于網(wǎng)絡資源的最短路徑應用。衡量最短路徑的參考系是跳數(shù)，稍加修改可以變?yōu)槭Ｓ鄮挘訒r或者多參考系加權的方案。源代碼鏈接：shortest_route最短路徑應用流程圖如下：

圖4, 最短路由流程圖

首先，查詢主機表，若查找成功，則查詢主機位置表，之后直接由控制器將ARP數(shù)據(jù)包發(fā)送給對應的端口，此時控制器并不做ARP的代理。當目標主機回復ARP時，將數(shù)據(jù)包直接發(fā)送到源主機的接入端口。從而完成了ARP的學習過程。由于此時已經(jīng)掌握了主機的接入信息以及網(wǎng)絡信息，當ICMP或其他數(shù)據(jù)包出發(fā)packet_in事件時，則可根據(jù)源目兩個IP查詢到接入交換機，再依據(jù)拓撲信息，計算最短路徑，從而完成最短路由。若希望使用其他的參考標準來計算最短路徑，只需修改計算最短路徑的算法即可。

在網(wǎng)絡初始化時，控制器并沒有辦法發(fā)現(xiàn)沉默的主機，原因在于我們沒有進行DHCP分配，導致控制器沒有掌握主機的IP/MAC信息。所以***步我們需要處理的數(shù)據(jù)包是ARP。處理流程具體如下所示：

 圖5. ARP處理流程圖

Note that:本應用假設主機發(fā)起通信時需先發(fā)起ARP，不可通過其他途徑獲取到ARP的信息，否則控制器無法獲得目的端主機接入信息，則無法完成路由。對于域外的主機，只需在找不到目的端時，將其送給出口網(wǎng)關即可。此時需使用到子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)段，路由等概念。本應用僅針對簡單局域網(wǎng)計算路徑。

 圖6. 流表項流量統(tǒng)計信息

總結

網(wǎng)絡感知服務對于SDN網(wǎng)絡而言非常重要，是一切網(wǎng)絡應用的基礎。充分利用網(wǎng)絡資源的信息，可以對網(wǎng)絡進行優(yōu)化，提高網(wǎng)絡的安全性。以上的Network_aware和monitor模塊均可以直接做為APP的service app(在RYU中需在_CONTEXTS添加)提供數(shù)據(jù)服務，希望可以給有需要的讀者提供一些幫助。