1.3 SDN的基本构件
部署SDN需要的基本构件包括：SDN交换机（如OpenFlow交换机）、SDN控制器、控制器中用于和转发设备通信的接口、通常的南向接口（OpenFlow）和网络应用接口（北向接口）。在SDN中，由于控制逻辑和算法被卸载到了控制器中，交换机一般被表示为能够通过开放接口访问的基础转发硬件。OpenFlow交换机分为两类：纯粹的OpenFlow交换机（只支持OpenFlow操作）和混合的OpenFlow交换机（可启用OpenFlow操作）。
纯粹的OpenFlow交换机不具有传统交换机的板级控制特性，完全依赖于控制器作转发决策。混合的OpenFlow交换机除了支持传统的操作和协议之外，还支持OpenFlow操作。目前大多数商用交换机都是混合型的。OpenFlow交换机包括一个流表，流表负责执行数据包的查表和转发，交换机的每个流表保存一组流的纪录，流记录中包括：
- 首部字段或匹配字段、数据包首部中提取的信息、输入端口以及元数据信息，这些信息用于匹配输入的包。
- 计数器，用于对特定的流进行统计，如统计所接收数据包的个数、字节数以及流的持续时间等。
- 一组应用于所匹配的数据包的指令或具体操作，决定如何处理符合匹配条件的数据包。例如，将数据包从指定的端口转发出去。
SDN（以及OpenFlow）中分离的系统可以和计算机平台上的应用程序与操作系统类比，在SDN中，控制器（即网络操作系统）提供了网络的可编程接口，通过编写应用程序，可以完成控制和管理任务，实现新的功能。图1-1给出了该模型的分层视图，在该视图中，控制是集中式的，编写应用程序时，可以把网络视为一个单一的系统，这样虽然简化了策略的执行与管理任务，但控制器和网络转发单元之间的绑定关系必须随时保持着。如图1-1所示，担任网络操作系统角色的控制器必须至少实现两个接口：一个南向接口，支持控制器和交换机之间的通信；一个北向接口，为控制器和高层的策略应用及服务提供可编程的API。首部字段（匹配字段）显示在图1-1中，流表中的每条记录包含特定的值或ANY（图1-1中用*即通配符表示），后者表示能够匹配任何值。
如果交换机处理IP源地址和目的地址字段时支持子网掩码，则能够更精确地定义匹配。端口字段用数字表示交换机的端口（或输入端口），编号从1开始，该字段的长度取决于具体的实现。输入端口字段适用于所有的数据包。交换机有效端口的源和目的MAC（以太网）地址字段也适用于所有数据包，其长度为48比特。以太网类型字段长度为16比特，适用于所有有效端口上的数据包，OpenFlow交换机必须既能够匹配标准的以太网数据包，也能够匹配带有子网访问协议（Subnetwork Access Protocol，SNAP）首部和0x000000值的机构唯一识别符（Organizationally Unique Identifier，OUI）的IEEE 802.2数据包。特定值0x05FF用于匹配所有不带有SNAP首部的802.3数据包。VLAN ID适用于所有类型为0x8100的以太网数据包。该字段的长度为12比特（即4096个VLAN），VLAN优先级字段长度为3比特，可用于所有类型为0x8100的以太网数据包。IP源和目的地址字段长度为32比特，适用于所有IP和ARP数据包，这些字段可以与子网掩码进行掩码操作。IP报文的协议字段适用于所有IP数据包、以太网帧封装的数据包和ARP数据包。该字段的长度是8比特，如果是ARP数据包，则只使用ARP报文操作码的低8位，IP报文的ToS （Type of Service）字段长度为6比特，适用于所有IP数据包。这个字段的值是8比特，ToS取其中的高6位。源端口和目的传输端口地址（以及ICMP的类型和代码字段）长度为16比特，适用于所有的TCP、UDP和ICMP数据包。若只考虑ICMP的类型和代码，则只需考虑低8位值的匹配。
图1-1 OpenFlow交换机、流表、OpenFlow控制器和网络应用
每个表、每个流、每个端口和每个队列都维持一个计数器。计数器循环计数，因此不设进位溢出位，图1-2给出了所需的计数器集合，图中以及本书中提到的字节都是指8比特的组合，持续时间表示某个流在交换机的流表中存在的时间。接收错误字段包括所有显式定义的错误：帧错误、超限、CRC错误以及其他错误。
图1-2 用于信息统计的计数器列表
每个流记录都跟0个或者多个具体操作相关联，这些操作指示OpenFlow交换机如何处理与流记录匹配的数据包。如果没有具体的转发操作，该数据包就被丢弃。具体操作列表必须按照一定的顺序执行，然而，这并不确保一个端口上数据包的输出顺序。例如，两个经操作列表处理后所产生的到达同一个输出端口的数据包，很可能会以任意的顺序输出。纯粹的OpenFlow交换机只支持规定的（required）操作，而混合的OpenFlow交换机则可以同时支持常规（NORMAL）操作。两种交换机都能支持FLOOD操作。规定操作是：
转发：OpenFlow交换机必须能够将数据包转发到物理端口，同时支持向下列虚拟端口的转发：
ALL：将数据包发送到除了其输入端口以外的所有接口。
CONTROLLER：封装数据包并将其发送到控制器。
LOCAL：将数据包发送到交换机的本地网络栈。
TABLE（仅用于输出数据包的消息）：执行流表中的操作。
IN_PORT：从输入端口输出数据包。
丢弃：表明丢弃所有相匹配的数据包。若流记录中没有定义具体操作，则作丢弃处理。
可选的操作包括：
转发：交换机在进行转发操作时，可以选择支持以下的虚拟端口：
NORMAL：采用交换机所支持的常规转发途径转发数据包（即常规的第2层、VLAN，或者第3层处理）。
FLOOD：沿最小支撑树以洪泛的方式向除输入接口以外的端口转发数据包。
进入队列（Enqueue）：通过端口的队列转发数据包，转发行为由所配置的队列策略决定，通常被用来提供基本的QoS支持。
修改字段（Modify field）：可选的字段修改操作有：
设置VLAN ID：若没有定义VLAN，则增加一个新的首部，在其中定义VLAN ID（12比特的数据），并把优先级设为0；若原来已存在VLAN首部，则用新的定义值取代原来的VLAN ID。
设置VLAN优先级：若没有定义VLAN，则增加一个新的首部，在其中定义优先级（3比特的取值），并把VLAN ID设为0；若原来已存在VLAN首部，则用新的定义值取代原来的优先级字段值。
剥离VLAN首部：若存在VLAN首部，则将其剥离。
修改源或目的以太网MAC地址：用新的取值（48比特）替换原来的源或目的以太网MAC地址。
修改源或目的IPv4地址：用新的取值（32比特的数据）替换原来的源或目的IPv4地址，并更新IP报文的校验和（同样适用于TCP/UDP的校验和）。该操作只针对IPv4数据包。
修改IP报文的服务类型（ToS）字段值：用新的取值（6比特的数据）替换原来的ToS字段值，该操作只针对IPv4数据包。
修改传输层的源或目的端口号：用新的取值（16比特的数据）替换原来的源或目的端口号，并更新TCP或UDP的校验和。该操作只针对TCP或UDP数据包。
每当有一个数据包到达OpenFlow交换机时，数据包的首部便被提取出来，跟流记录中的匹配字段进行比对，查找匹配从流表的第一个记录开始，依次往下进行，当发现一个相匹配的记录，交换机将使用该流记录所关联的一系列操作对数据包进行处理。每当发现一个和流记录匹配的数据包，就会更新这个流记录所对应的计数器值。如果查表结果没有发现匹配记录，交换机将根据流表的失配（table-missing）记录中的指令决定采取相应操作。流表中必须包含一个失配记录，以便应对找不到匹配的情况，在这个特殊的记录中定义一组操作，用于处理找不到匹配的输入数据包，这些操作包括：丢弃该数据包、向所有的接口发送该数据包，或者通过安全的OpenFlow信道向控制器转发该数据包。查表时使用的首部字段取决于数据包的类型，具体描述如下：
将流的有关输入端口的规定与接收数据包的物理端口进行比对。
所有数据包的以太网帧首部（如图1-1中所定义的源MAC地址、目的MAC地址、以太网的类型字段等）都用于查表匹配。
如果是一个VLAN数据包（以太网类型字段值为0x8100），其VLAN ID和VLAN优先级（PCP）字段用于查表匹配。
如果是IP数据包（以太网类型字段值为0x0800），IP首部包含的字段（源IP地址、目的IP地址、协议字段、ToS等）均用于查表匹配。
如果IP数据包封装的是TCP或UDP（IP报文首部的协议字段值为6或17），则查表比对的信息包括传输层端口号（TCP/UDP源或目的端口）。
如果IP数据包封装的是ICMP报文（IP报文首部的协议字段值为1），则查表时会包括ICMP的类型和代码字段。
如果数据包的IP报文分片的偏移量字段是非零值，或者不是最后一个分片（more fragment 标志位为1），查表时把传输层端口号设为0。
对于ARP数据包（以太网类型字段值等于0x0806），可以根据情况，选择把其中的源IP和目的IP地址字段值包括到查表的字段中。
数据包跟流表记录的匹配按照优先级进行，精确定义了匹配规则（即没有使用通配符）的流记录总是具有最高的优先级，全部采用通配符的流记录具有与其相关联的优先级，具有高优先级的流记录总是先于具有低优先级的流记录进行匹配。如果多个流记录具有相同的优先级，则交换机可以选取任意的匹配顺序。编号越大，优先级越高。图1-3表示OpenFlow交换机中的数据包处理流程。需要注意的很重要的一点是：如果一个流表的字段值是ANY（*，通配符），则它就能够匹配首部中的任何可能取值。
以太网的帧有各种类型（如Ethernet II、带有或者不带有SNAP的802.3帧等），如果数据包是Ethernet II格式的帧，则以太帧的类型字段按照预期的方法处理；如果数据包是802.3格式的帧，带有SNAP首部，OUI的值等于0x000000，则用SNAP协议ID来比对流的以太网帧类型字段。如果一个流记录中规定以太帧类型为0x05FF，那它就能够匹配所有不带SNAP首部的802.2以太网帧，以及虽然带有SNAP首部，但是OUI取值不等于0x000000的以太网帧。
图1-3 OpenFlow交换机中的数据包处理流程