OpenFlowの概要

スイッチは、コントローラーによって設定された処理内容に従い、パケットの転送を行ないます。この処理内容の記述、また、それを格納する領域を、フローテーブルと呼びます。

OpenFlowプロトコルで使用される転送の単位を OpenFlowメッセージと呼びます。

OpenFlowチャンネル確立後、スイッチとコントローラーが OpenFlowメッセージを非同期に送り合います。
各 OpenFlowメッセージは、固定長のヘッダーが付いています。ヘッダーを見ると、メッセージ種別とメッセージの長さがわかります。

OpenFlowメッセージは大きく以下の4種類に分類できます。

• コントローラーからスイッチへのメッセージ
  コントローラーからスイッチへの要求です。
  例. フローテーブルの更新要求
  例. スイッチの機能の照会要求
  例. 統計情報の要求
  例. Packet-Out
• スイッチからコントローラーへのメッセージ
  コントローラーからの要求に対する返答です。
  例. 統計情報
• 非同期メッセージ
  スイッチからコントローラーへ、状態変更を通知するために使われます。
  例. Packet-In
  例. エラー
• 対称的メッセージ
  双方向で同じ形式が使用されるメッセージもあります。
  例. サポートするバージョンの広告
  例. 生死確認

• Flow Mod
  コントーラーからスイッチへ送られる、フローテーブル更新要求です。
• Packet-In
  前述の「3. スイッチが転送処理を行なう」の段階では、スイッチが単体でパケット転送を行なうことができ、コントローラーの介入は必要としません。これには性能上の利点がありますが、フローテーブルの記述能力により処理内容が制限されてしまいます。
  非同期メッセージの一つ、Packet-In メッセージを使用すると、フローテーブルに直接記述できないような例外的な処理を実装できます。

  コントローラーは、パケットをコントローラーに転送するよう、スイッチのフローテーブルを設定できます。スイッチは Packet-In メッセージを使用して パケットを転送します。コントローラーは、転送されたパケットの内容を吟味して処理を決定できます。
  

• Packet-Out
  コントローラーは、Packet-Out メッセージを使用して、スイッチにパケットの送信を要求できます。このメッセージには、送信するパケット全体のバイト列を与えることができます。
  

• Echo Request
  ofp_echo_replyの送信を要求。生死確認などに使用します。

• Features Request
  コントローラーからスイッチへのメッセージです。Datapath IDやFlow tableの数などのスイッチ情報 (ofp_switch_features_reply) を要求します。

• Multipart Request / Reply
  メッセージサイズの上限(64KB)を回避するため、要求や回答を複数のメッセージに分割して送信します。ポート一覧の取得 (OFPMP_PORT_DESC) や、Flow table (OFPMP_FLOW) の取得などの要求に使用します

• Port Status
  スイッチからコントローラーへのメッセージで、ポートの追加・削除・状態変更を通知します。

フローテーブルはスイッチの処理内容を記述するプログラムで、受信したパケットをどのように処理するかを記述します。また、ハードウェア実装への考慮か、ループ処理は書けないようになっています。

スイッチには 1 個以上のフローテーブル (単にテーブルとも呼びます) があります。各テーブルは、table-id と呼ばれる 0 以上の整数値で指定されており、テーブル 0 は必ず実装されています。

フローテーブルは 0 個以上のフローエントリーから成ります。通常、初期状態では、フローテーブルは空、つまり 0 個のフローエントリーを持っています。コントローラーからの更新要求によってフローエントリーが追加されます。

各フローエントリーは、主にマッチとインストラクションから成ります。

・マッチはパケットに適合する条件の記述です。
　例. ポート 0 からの入力、かつ宛先が 192.0.2.1 のIPパケット

・インストラクションは処理内容の記述です。
　例. 宛先を 192.0.2.2 に書き換え、ポート 1 から出力

スイッチはパケットを受信すると、テーブル 0 に適合するエントリーが無いか探します。無ければ、デフォルトではパケットは捨てられます （※補足1）。
エントリーが見付かった場合、そのエントリーのインストラクションに従った処理を行ないます。

※ 補足1
仕様上はこのように定められているのですが、Open vSwitch では Packet-In を生成するようになっています。これが問題になる場合は、明示的に drop するフローエントリーを作成するなどの回避策が必要です。

• マッチ
  マッチは 0個以上の OXM (OpenFlow Extensible Match) から成ります。あるパケットに全ての OXM が適合する場合に、マッチ全体が適合します。
  OXM にはパケットのフィールドとその値を記述します。フィールドには、パケット自体の内容から抽出される通常のフィールドと、そうでないもの (pipeine match field) の 2 種類があります。

・フィールド
　例. パケットを受信したポート (pipeline match field)
　例. トンネルID (pipeline match field)
　例. ethertype
　例. IPv4宛先アドレス
　例. IPプロトコル番号
　例. TCPポート番号

・値、マスク
　例. 192.168.0.0 / 255.255.255.0

• インストラクション
  マッチには、制限はありますが、0 個以上のインストラクションを記述できます。
  インストラクションにはパケットの処理内容を記述します。

・例. アクションの記述

・例. Goto-Table

良く使われるのはアクションの記述です (古いバージョンの OpenFlowプロトコルにはインストラクションという概念は無く、直接アクションを記述していました)。Goto-Table というのは、table-id を指定して、そのテーブルからマッチをやり直すという機能です。現在のテーブルの table-id より大きい値しか指定できませんので、ループは書けません。

• アクション
  インストラクションには、制限はありますが、複数のアクションを記述できます。アクションには大きく分けて2種類あります。

・パケットの内容の書き換え
　例. TTL を減らす
　例. IPv4 宛先アドレスの変更
　例. VLAN ヘッダーをつける

・転送処理
　例. 指定ポートからの出力
　例. コントローラーへの転送 (Packet-In)

• フローエントリーのその他フィールド
  フローエントリーにはマッチとインストラクションの他に以下のようなフィールドがあります。

・優先度
　どのエントリーが優先的に選ばれるかの記述ができます。パケットがどのエントリーに適合するか、優先度とマッチで一意に定まらない場合、どのエントリーが選ばれるかは仕様上不定とされています。

・カウンター
　どれくらいエントリーが選ばれたかの統計です。

・タイムアウト
　指定された時間が経過したエントリーは消されます。

・クッキー
　コントローラーからフローエントリーを指定する際に使用できる値です。パケットの転送処理には使われません。

・フラグ
　細かい動作を指定します。

【XID】
各メッセージのヘッダーには 32 ビットの Transaction ID (XID) が含まれています。メッセージの要求-応答の関係は、メッセージ種別に加え、応答に要求と同じXIDを使用することで表現されます

【barrier】
メッセージは、基本的に受信側の任意の順序で処理されます。コントローラーは、barrierメッセージを使用することで、スイッチ側のメッセージ処理順序をある程度制御できます。
barrierメッセージを受信したスイッチは、barrierメッセージへの返答を送信する前に、barrierメッセージより前に受信したメッセージへの返答を、もしあれば全て送信しなければいけません。

【エラー処理】
OpenFlowメッセージの多くは正常完了時に何も返答を返しません。そのため、エラーが無い事のチェックを行なうには、barrierメッセージを使用する必要があります。

・例. エラーが無い場合

・例. エラーがある場合

※ 補足2
Open vSwitch の ovs-ofctl コマンドや Ryu ofctl application などは、このような処理を行なっています。
以下 URL を参考にしてください。

• Open vSwitch ovs−ofctl 
• Ryu ofctl application 

OpenFlowプロトコル自体には、スイッチ管理の機能はありません。スイッチ管理のために良く使われるプロトコルとして NETCONF がありますが、この上で使われるスキーマはベンダー依存です。

OF-Config は、ONF の策定した OpenFlowスイッチのための NETCONFスキーマです。
以下 URL に仕様等に関する資料 (PDF) が掲載されていますので、参考にしてください。

• ONF OF-Config 

OVSDB は Open vSwitch で提供されるスイッチ管理機能です。機能的には OF-Config と重なりますが、OF-Config 策定以前から提供されており、事実上もう一つのスタンダードです。
トランスポートは RFC 7047 として規格化されていますが、スキーマは実装依存のようです。
以下URLに詳細な情報が掲載されていますので、参考にしてください。

• Open vSwitch Database Management Protocol 
• Open vSwitch Database Schema (PDF)