OpenFlow是什么？

OpenFlow控制器

OpenFlow控制器位于SDN架构中的控制层，是SDN的“大脑”，通过OpenFlow协议指导设备的转发。目前主流的OpenFlow控制器分为两大类：开源控制器和厂商开发的商用控制器。常见的开源控制器例如NOX/POX、OpenDaylight等。厂商的商用控制器有Huawei的iMaster NCE等。

OpenFlow安全通道

安全通道就是连接OpenFlow交换机与控制器的信道，负责在OpenFlow交换机和控制器之间建立安全链接。控制器通过这个通道来控制和管理交换机，同时接收来自交换机的反馈。

通过OpenFlow安全通道的信息交互必须按照OpenFlow协议规定的格式来执行，通常采用TLS（Transport Layer Security）加密，在一些OpenFlow版本中（1.1及以上），有时也会通过TCP明文来实现。通道中传输的OpenFlow消息类型包括以下三种：

• Controller-to-Switch消息：由控制器发出、OpenFlow交换机接收并处理的消息，主要用来管理或获取OpenFlow交换机状态。
• Asynchronous消息：由OpenFlow交换机发给控制器，用来将网络事件或者交换机状态变化更新到控制器。
• Symmetric消息：可由OpenFlow交换机发出也可由控制器发出，也不必通过请求建立，主要用来建立连接、检测对方是否在线等。

OpenFlow交换机

OpenFlow交换机是整个OpenFlow网络的核心部件，主要负责数据层的转发。OpenFlow交换机可以是物理的交换机/路由器，也可以是虚拟化的交换机/路由器。按照对OpenFlow的支持程度，OpenFlow交换机可以分为两类：

• OpenFlow专用交换机：一个标准的OpenFlow设备，仅支持OpenFlow转发。他不支持现有的商用交换机上的正常处理流程，所有经过该交换机的数据都按照OpenFlow的模式进行转发。
• OpenFlow兼容型交换机：既支持OpenFlow转发，也支持正常二三层转发。这是在商业交换机的基础上添加流表、安全通道和OpenFlow协议来获得了OpenFlow特性的交换机。

OpenFlow交换机在实际转发过程中，依赖于流表（Flow Table）。流表是OpenFlow交换机进行数据转发的策略表项集合，指示交换机如何处理流量，所有进入交换机的报文都按照流表进行转发。流表本身的生成、维护、下发完全由控制器来实现。

流表项的组成

在传统网络设备中，交换机/路由器的数据转发需要依赖设备中保存的二层MAC地址转发表、三层IP地址路由表以及传输层的端口号等。OpenFlow交换机中使用的“流表”也是如此，不过他的表项并非是指普通的IP五元组，而是整合了网络中各个层次的网络配置信息，由一些关键字和执行动作组成的灵活规则。

OpenFlow流表的每个流表项都由匹配域（Match Fields）、处理指令（Instructions）等部分组成。流表项中最为重要的部分就是匹配域和指令，当OpenFlow交换机收到一个数据包，将包头解析后与流表中流表项的匹配域进行匹配，匹配成功则执行指令。

流表项的结构随着OpenFlow版本的演进不断丰富，不同协议版本的流表项结构如下。

多级流表与流水线处理

OpenFlow v1.0采用单流表匹配模式，这种模式虽然简单，但是当网络需求越来越复杂时，各种策略放在同一张表中显得十分臃肿。这使得控制平面的管理变得十分困难，而且随着流表长度与数目的增加，对硬件性能要求也越来越高。

从OpenFlow v1.1开始引入了多级流表和流水线处理机制，当报文进入交换机后，从序号最小的流表开始依次匹配，报文通过跳转指令跳转至后续某一流表继续进行匹配，这样就构成了一条流水线。多级流表的出现一方面能够实现对数据包的复杂处理，另一方面又能有效降低单张流表的长度，提高查表效率。

OpenFlow的应用场景

随着OpenFlow概念的发展和推广，其研究和应用领域也得到了不断拓展，主要包括网络虚拟化、安全和访问控制、负载均衡等方面。下面以几个典型的场景来展示OpenFlow的应用：

• OpenFlow在校园网络中的应用

  科研院校网络是OpenFlow的发源地，也是OpenFlow被广泛应用的网络环境。学生或研究人员在进行网络创新性研究时，可能会有全新设计的网络控制协议和数据转发技术需要验证，他们希望有一个平台能帮助他们把网络的控制、转发独立出来，以便能在平台上自由验证他们的研究工作。基于OpenFlow的网络正好可以提供这样一个试验平台，不仅更接近真实网络的复杂度，实验效果好，而且可以节约实验费用。

• OpenFlow在数据中心网络中的应用

  云数据中心是OpenFlow得以发扬光大的地方。云数据中心部署时存在多租户资源动态创建、流量隔离以及虚拟机动态迁移等虚拟化需求，OpenFlow交换机可以配合云管理平台实现网络资源的动态分配和网络流量的按需传输，实现云服务的网络虚拟化需求并可以改善网络性能。其次，在数据中心的流量很大，如果不能合理分配传输路径很容易造成数据拥塞，从而影响数据中心的高效运行。如果在数据中心中部署OpenFlow，可以动态获取各链路的流量传输情况，动态下发OpenFlow流表规则进行均衡调度，实现路径优化以及负载均衡。

• OpenFlow在园区网络中的应用

  在园区网络中可以使用OpenFlow对接入层设备进行有效的管控。接入层设备的特点是量大、故障率高，但设备功能和流量策略相对简单。如果使用OpenFlow，可以在控制器上集中统一对接入设备进行流表下发、网络监控等维护工作。在要求用户身份认证的场合，可以把认证流量引导到控制器上，在验证用户身份合法后再下发准入规则到用户连接的交换机端口上。在控制器检测到特定网络端口或特定用户流量异常时，可以通过下发规则关停设备端口或限制特定流量，快速恢复网络故障，提高网络可靠性和安全性。