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标题: ODL源码分析之OpenFlowjava框架分析及hello消息流程 [打印本页]

作者: admin 时间: 2017-9-17 14:07
标题: ODL源码分析之OpenFlowjava框架分析及hello消息流程
基于ODL开发已经有一段时间了，对于一个全新的平台，总是喜欢每隔一段时间就总结一番，本篇算是第一篇吧。下面会介绍以下内容：
1.openflow服务注册
2.netty服务创建
3.序列化、反序列化工作原理
4.从hello到of-session
</p>一、前提

Openflowjava是基于netty进行的开发，在阅读Openflowjava的源码的时候需要简单了解一下netty原理。
Openflowjava是一个独立的线程，功能入口函数是SwitchConnectionProviderImpl.java中startup函数。因此以类SwitchConnectionProviderImpl为起点进行展开分析。

二、Openflow服务注册

openflowjava使用了多种设计模式，例如生产者-消费者、工厂模式等。通过类名SwitchConnectionProviderImpl便知，连接管理服务使用的生产者-消费者模式（openflowjava是生成者，openflowplugin是消费者）。我们先看一下构造函数：
Shell
/** Constructor */
public SwitchConnectionProviderImpl {
// 序列化工厂注册底层实现就是初始化map
serializerRegistry = new SerializerRegistryImpl;
serializerRegistry.init;
serializationFactory = new SerializationFactory;
serializationFactory.setSerializerTable(serializerRegistry);
// 反序列化工厂注册底层实现就是初始化map
deserializerRegistry = new DeserializerRegistryImpl;
deserializerRegistry.init;
deserializationFactory = new DeserializationFactory;
deserializationFactory.setRegistry(deserializerRegistry);
}
通过成员变量名称知道，序列化和反序列化采用工厂模式，由于openflow消息很多，因此采用工厂模式即可针对不同的消息，实例化不同的对象，以达到统一处理。下面是消息注册的整体组织架构图：

[attach]1112[/attach]

由此结构图可知，序列化和反序列化工厂注册消息结构类似，里面的消息类型基本是对应的，如：hellorequest和helloreply，barrierrequest和barrierreply等。
上面这个结构图信息来自serializerRegistry.init和deserializerRegistry.init;方法，在进行展开说明。这里想说一下，大多数都基于odl进行二次开发，因此很多时候需要扩展openflow消息，通过上面结构图，如果扩展openflow消息，则需要在openflow message type增加对应代码，如果扩展flowmod则需要在match entry增加对应代码。
通过上图我们能做到，当我们扩展openflow协议的时候，在哪里增加代码即可，内部代码实现需要我们自己去深入分析。

三、 netty服务创建

上面已经分析过，startup是openflowjava入口函数，此函数比较简单，如下所示：
Shell
@Override
public ListenableFuture<Boolean> startup {
LOGGER.debug("Startup summoned");
ListenableFuture<Boolean> result = null;
try {
serverFacade = createAndConfigureServer; //这个函数是重点，根据配置创建netty服务
if (switchConnectionHandler == null) {
throw new IllegalStateException("SwitchConnectionHandler is not set");
}
new Thread(serverFacade).start;//线程启动
result = serverFacade.getIsOnlineFuture;
} catch (Exception e) {
SettableFuture<Boolean> exResult = SettableFuture.create;
exResult.setException(e);
result = exResult;
}
return result;
}
方法createAndConfigureServer主要流程图框架,如下图所示：

[attach]1113[/attach]

我们在来看一下代码，这部分需要有一定的netty框架的基础知识：
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/**
* @return
*/
private ServerFacade createAndConfigureServer {
LOGGER.debug("Configuring ..");
ServerFacade server = null;
//实例化Channel，主要初始化序列化和反序列化工厂对象
ChannelInitializerFactory factory = new ChannelInitializerFactory;
factory.setSwitchConnectionHandler(switchConnectionHandler);
factory.setSwitchIdleTimeout(connConfig.getSwitchIdleTimeout);
factory.setTlsConfig(connConfig.getTlsConfiguration);
factory.setSerializationFactory(serializationFactory);
factory.setDeserializationFactory(deserializationFactory);
//根据不同协议类型，创建不同netty的服务，针对openflow协议来说，我们是TCP服务
TransportProtocol transportProtocol = (TransportProtocol) connConfig.getTransferProtocol;
if (transportProtocol.equals(TransportProtocol.TCP) || transportProtocol.equals(TransportProtocol.TLS)) {//创建tcp服务
server = new TcpHandler(connConfig.getAddress, connConfig.getPort); //实例化TcpHandler
//初始化服务线程
TcpChannelInitializer channelInitializer = factory.createPublishingChannelInitializer;
((TcpHandler) server).setChannelInitializer(channelInitializer);
((TcpHandler) server).initiateEventLoopGroups(connConfig.getThreadConfiguration);
//初始化工作线程
NioEventLoopGroup workerGroupFromTcpHandler = ((TcpHandler) server).getWorkerGroup;
connectionInitializer = new TcpConnectionInitializer(workerGroupFromTcpHandler);
connectionInitializer.setChannelInitializer(channelInitializer);
connectionInitializer.run; //这个地方很重要，调用run方法。下面会进行分析。
} else if (transportProtocol.equals(TransportProtocol.UDP)){//创建UDP服务
server = new UdpHandler(connConfig.getAddress, connConfig.getPort);
((UdpHandler) server).setChannelInitializer(factory.createUdpChannelInitializer);
} else {
throw new IllegalStateException("Unknown transport protocol received: " + transportProtocol);
}
server.setThreadConfig(connConfig.getThreadConfiguration);
return server;
}

上面这些内容，大部分都是基于netty接口实现的，本人也只是了解一点netty，这不能做深入分析。我们接下来看一下上面提到的run方法，其实run方法很简单，里面只是调用了set方法：
public void run {
b = new Bootstrap;
b.group(workerGroup).channel(NioSocketChannel.class)
.handler(channelInitializer); // handler设置，业务处理逻辑层
}
这个地方的channelInitializer是主要作用是注册业务处理，即当接收到一个网络数据包时应该如何对其进行解析。在查看类TcpChannelInitializer的具体实现时候主要看方法initChannel，这个方法是一个接口，主要用于netty框架调用。先简单介绍一下netty处理报文机制：
Netty中的所有handler都实现自ChannelHandler接口，按照输入输出方向来划分，可分为ChannelInboundHandler、ChannelOutboundHandler两大类。
ChannelInboundHandler对从客户端发往服务器的报文进行处理，一般用来执行解码、读取客户端数据、进行业务处理等；
ChannelOutboundHandler对从服务器发往客户端的报文进行处理，一般用来进行编码、发送报文到客户端。
inbound 的处理顺序是与 add 顺序一致的, 而 outbound 的处理顺序是跟 add 顺序相反的。
有两点需要特别说明：
1）inbound格式的数据流处理完成后不会进入outbound处理流程。也就是说一个流要么进入inbound要进入outbound。
2）进入流水线之后，上一个处理流程的输出结果，可能会作为下一个处理流程的输入。注意是可能而不是必须。
我们来看一下代码：
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@Override
protected void initChannel(final SocketChannel ch) {
if (ch.remoteAddress != null) {
// 当一个client请求连接到来时，进行判断是否允许访问
// 在第二次开发的时候可以在这里进行访问控制。
// 比如说：黑名单ip不允许访问
InetAddress switchAddress = ch.remoteAddress.getAddress;
int port = ch.localAddress.getPort;
int remotePort = ch.remoteAddress.getPort;
LOGGER.debug("Incoming connection from (remote address): {}:{} --> :{}",
switchAddress.toString, remotePort, port);
if (!getSwitchConnectionHandler.accept(switchAddress)) {
ch.disconnect;
LOGGER.debug("Incoming connection rejected");
return;
}
}
//通过上面if判断后则表示允许连接
LOGGER.debug("Incoming connection accepted - building pipeline");
allChannels.add(ch);
ConnectionFacade connectionFacade = null;
//设置连接属性，如超时时间
connectionFacade = connectionAdapterFactory.createConnectionFacade(ch, null);
try {
LOGGER.debug("calling plugin: {}", getSwitchConnectionHandler);
getSwitchConnectionHandler.onSwitchConnected(connectionFacade);
connectionFacade.checkListeners;
ch.pipeline.addLast(PipelineHandlers.IDLE_HANDLER.name, new IdleHandler(getSwitchIdleTimeout, TimeUnit.MILLISECONDS));
boolean tlsPresent = false;
// If this channel is configured to support SSL it will only support SSL
if (getTlsConfiguration != null) {// TLS连接处理
…
}
// 流水线处理注册注册ChannelInboundHandlerAdapter
ch.pipeline.addLast(PipelineHandlers.OF_FRAME_DECODER.name,
new OFFrameDecoder(connectionFacade, tlsPresent));// openflow头解析
ch.pipeline.addLast(PipelineHandlers.OF_VERSION_DETECTOR.name, new OFVersionDetector); // openflow版本号解析
OFDecoder ofDecoder = new OFDecoder;//实例化反序列化对象并加到
ofDecoder.setDeserializationFactory(getDeserializationFactory);
ch.pipeline.addLast(PipelineHandlers.OF_DECODER.name, ofDecoder);
//流水线处理注册注册ChannelOutboundHandlerAdapter
OFEncoder ofEncoder = new OFEncoder;//实例化序列化对象
ofEncoder.setSerializationFactory(getSerializationFactory);
ch.pipeline.addLast(PipelineHandlers.OF_ENCODER.name, ofEncoder);
//流水线处理注册注册ChannelInboundHandlerAdapter 后面会用到
ch.pipeline.addLast(PipelineHandlers.DELEGATING_INBOUND_HANDLER.name, new DelegatingInboundHandler(connectionFacade));
if (!tlsPresent) {
connectionFacade.fireConnectionReadyNotification;
}
} catch (Exception e) {
LOGGER.warn("Failed to initialize channel", e);
ch.close;
}
}

假如控制器收到交换机的一个消息，那么会经过OF_FRAME_DECODER、OF_VERSION_DETECTOR、OF_DECODER处理。其中在OF_VERSION_DETECTOR确定openflow版本号（1.0还是1.3等），OF_DECODER是针对某个特定消息处理，如packet-in消息。
经过这个函数里之后，仅仅代表tcp建立成功，openflow会话还未建立。即没有处理hello消息，下面我们会分析hello处理流程。

四、序列化、反序列化工作原理

反序列化类是OFDecoder，这个只有三个方法，其中最重要的方法是decode。该方法是由上层调用，后面会在进行分析的，这里先看一下decode代码：
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@Override
protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, VersionMessageWrapper msg,
List<Object> out) throws Exception {
statisticsCounter.incrementCounter(CounterEventTypes.US_RECEIVED_IN_OFJAVA);
if (LOGGER.isDebugEnabled) {
LOGGER.debug("VersionMessageWrapper received");
LOGGER.debug("<< {}", ByteBufUtils.byteBufToHexString(msg.getMessageBuffer));
}
try {
// 经过上一个流水线处理后得到of版本号即msg.getVersion，然后再反序列化工厂中查找
// 对应的实例。
final DataObject dataObject = deserializationFactory.deserialize(msg.getMessageBuffer,
msg.getVersion);
if (dataObject == null) {
LOGGER.warn("Translated POJO is null");
statisticsCounter.incrementCounter(CounterEventTypes.US_DECODE_FAIL);
} else {
out.add(dataObject);//把反序列化后的对象放到list中，由业务层进行后续处理
statisticsCounter.incrementCounter(CounterEventTypes.US_DECODE_SUCCESS);
}
} catch (Exception e) {
LOGGER.warn("Message deserialization failed", e);
statisticsCounter.incrementCounter(CounterEventTypes.US_DECODE_FAIL);
} finally {
msg.getMessageBuffer.release; //消息buffer释放
}
}

通过方法deserializationFactory.deserialize，此方法实际是根据版本号及openflowtype生成key在map中查找，实现如下：
Shell
public DataObject deserialize(final ByteBuf rawMessage, final short version) {
DataObject dataObject = null;
int type = rawMessage.readUnsignedByte;
//从map中获取具体实例
Class<?> clazz = messageClassMap.get(new TypeToClassKey(version, type));
rawMessage.skipBytes(EncodeConstants.SIZE_OF_SHORT_IN_BYTES);
OFDeserializer<DataObject> deserializer = registry.getDeserializer(
new MessageCodeKey(version, type, clazz));
//调用具体实例的deserialize方法
dataObject = deserializer.deserialize(rawMessage);
return dataObject;
}
假如此消息是hello消息且openflow协议版本号1.3，则具体实例为HelloMessageFactory，那么反序列化方法则为：
public HelloMessage deserialize(ByteBuf rawMessage) {
HelloMessageBuilder builder = new HelloMessageBuilder;
builder.setVersion((short) EncodeConstants.OF13_VERSION_ID);
builder.setXid(rawMessage.readUnsignedInt);
if (rawMessage.readableBytes > 0) {
builder.setElements(readElement(rawMessage));
}
return builder.build;
}
所以上面decode方法中dataobject实际指向是HelloMessageBuilder

五、从hello消息到of-Session

从hello反序列化到of-session(openflowplugin)层次比较深入，hello返序列化方法处理结束后仅仅代表数据包处理完成，但是业务层还未处理，即还需要创建session。方法处理完会回到netty的方法：MessageToMessageDecoder.channelRead，通过下图展示出从netty业务层：

[attach]1114[/attach]

业务层中有一个类是DelegatingInboundHandler，这个在注册netty流水线时已经提到了。我们直接看consume方法，这个地方是所有数据包处理入口。代码如下：
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@Override
public void consume(final DataObject message) {
LOG.debug("ConsumeIntern msg on {}", channel);
if (disconnectOccured ) {
return;
}
if (message instanceof Notification) {
...
} else if (message instanceof HelloMessage) {// hello 消息
LOG.info("Hello received / branch");
messageListener.onHelloMessage((HelloMessage) message);
statisticsCounters.incrementCounter(CounterEventTypes.US_MESSAGE_PASS);
} else if (message instanceof MultipartReplyMessage) {// multipart消息
if (outputManager != null) {
outputManager.onMessage((OfHeader) message);
}
messageListener.onMultipartReplyMessage((MultipartReplyMessage) message);
statisticsCounters.incrementCounter(CounterEventTypes.US_MESSAGE_PASS);
} else if (message instanceof PacketInMessage) {//packet in消息
LOG.debug(((PacketInMessage) message).getXid.toString);
messageListener.onPacketInMessage((PacketInMessage) message);
statisticsCounters.incrementCounter(CounterEventTypes.US_MESSAGE_PASS);
....
} else if (message instanceof OfHeader) {// 非notification消息如果barrier-reply消息
LOG.debug("OFheader msg received");
if (outputManager == null || !outputManager.onMessage((OfHeader) message)) {
RpcResponseKey key = createRpcResponseKey((OfHeader) message);
LOG.debug("Created RpcResponseKey is {} ",key);
final ResponseExpectedRpcListener<?> listener = findRpcResponse(key);
if (listener != null) {
LOG.debug("corresponding rpcFuture found");
listener.completed((OfHeader)message);
statisticsCounters.incrementCounter(CounterEventTypes.US_MESSAGE_PASS);
LOG.debug("after setting rpcFuture");
responseCache.invalidate(key);
} else {
LOG.warn("received unexpected rpc response: {}", key);
}
}
} else {
LOG.warn("message listening not supported for type: {}", message.getClass);
}
}

由上面代码可知，当时hello消息则会进入onHelloMessage，进入业务逻辑处理。下面这张图显示出，业务处理流程：

[attach]1115[/attach]

这个流程图调用关系很深，需要一点一点阅读代码，这里主要介绍几个关键方法，不一一介绍：
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@Override
public synchronized void shake(HelloMessage receivedHello) {
if (version != null) {
// Some switches respond with a second HELLO acknowledging our HELLO
// but we&#39;ve already completed the handshake based on the negotiated
// version and have registered this switch.
LOG.debug("Hello recieved after handshake already settled ... ignoring.");
return;
}
LOG.trace("handshake STARTED");
setActiveXid(20L);
try {
if (receivedHello == null) {//进入这个分支表示作为客户端连接服务器
// first Hello sending
sendHelloMessage(highestVersion, getNextXid);
lastProposedVersion = highestVersion;
LOG.trace("ret - firstHello+wait");
return;
}
// process the 2. and later hellos 处理接收到hello握手消息
Short remoteVersion = receivedHello.getVersion;
List<Elements> elements = receivedHello.getElements;
setActiveXid(receivedHello.getXid);
List<Boolean> remoteVersionBitmap = MessageFactory.digVersions(elements);
LOG.debug("Hello message: version={}, xid={}, bitmap={}", remoteVersion,
receivedHello.getXid, remoteVersionBitmap);
// 下面这个if-else分支，进入那个都无所谓，最终都会调用到postHandshake
// 为了简单假设进入if分支
if (useVersionBitmap && remoteVersionBitmap != null) {
// versionBitmap on both sides -> ONE STEP DECISION
handleVersionBitmapNegotiation(elements);
} else {
// versionBitmap missing at least on one side -> STEP-BY-STEP NEGOTIATION applying
handleStepByStepVersionNegotiation(remoteVersion);
}
} catch (Exception ex) {
errorHandler.handleException(ex, null);
LOG.trace("ret - shake fail - closing");
handshakeListener.onHandshakeFailure;
}
}
private void handleVersionBitmapNegotiation(List<Elements> elements) throws Exception {
final Short proposedVersion = proposeCommonBitmapVersion(elements);
if (lastProposedVersion == null) {//先发送hello reply消息，采用futures方式
// first hello has not been sent yet
Long nexHelloXid = getNextXid;
ListenableFuture<Void> helloDone = sendHelloMessage(proposedVersion, nexHelloXid);
Futures.addCallback(helloDone, new FutureCallback<Void> {
@Override
public void onSuccess(Void result) {
LOG.trace("ret - DONE - versionBitmap");
postHandshake(proposedVersion, getNextXid); // 握手成功进入session创建
}
@Override
public void onFailure(Throwable t) {
// NOOP
}
});
LOG.trace("next proposal [{}] with versionBitmap hooked ..", nexHelloXid);
} else {
LOG.trace("ret - DONE - versionBitmap");
postHandshake(proposedVersion, getNextXid);
}
}
@Override
public void onHandshakeSuccessfull(GetFeaturesOutput featureOutput,
Short negotiatedVersion) {
postHandshakeBasic(featureOutput, negotiatedVersion); // 创建session会话
// session创建完成之后向交换机发送端口统计消息
if (version == OFConstants.OFP_VERSION_1_3_x) {
requestPorts;
} else if (version == OFConstants.OFP_VERSION_1_0) {
requestDesc;
}
}
public static void registerSession(ConnectionConductorImpl connectionConductor,
GetFeaturesOutput features, short version) {
SwitchSessionKeyOF sessionKey = createSwitchSessionKey(features
.getDatapathId);
SessionContext sessionContext = getSessionManager.getSessionContext(sessionKey);
if (LOG.isDebugEnabled) {
LOG.debug("registering sessionKey: {}", Arrays.toString(sessionKey.getId));
}
if (features.getAuxiliaryId == null || features.getAuxiliaryId == 0) {
// handle primary 创建session并且注册到mdsal中
if (sessionContext != null) {
LOG.warn("duplicate datapathId occured while registering new switch session: "
+ dumpDataPathId(features.getDatapathId));
getSessionManager.invalidateSessionContext(sessionKey);
}
// register new session context (based primary conductor)
SessionContextOFImpl context = new SessionContextOFImpl;
context.setPrimaryConductor(connectionConductor);
context.setNotificationEnqueuer(connectionConductor);
context.setFeatures(features);
context.setSessionKey(sessionKey);
context.setSeed((int) System.currentTimeMillis);
connectionConductor.setSessionContext(context);
getSessionManager.addSessionContext(sessionKey, context);
} else {
...
}
// check registration result
SessionContext resulContext = getSessionManager.getSessionContext(sessionKey);
if (resulContext == null) {
throw new IllegalStateException("session context registration failed");
} else {
if (!resulContext.isValid) {
throw new IllegalStateException("registered session context is invalid");
}
}
}
@Override
public void onSessionAdded(final SwitchSessionKeyOF sessionKey, final SessionContext context) {
GetFeaturesOutput features = context.getFeatures;
BigInteger datapathId = features.getDatapathId;
InstanceIdentifier<Node> identifier = identifierFromDatapathId(datapathId);
NodeRef nodeRef = new NodeRef(identifier);
NodeId nodeId = nodeIdFromDatapathId(datapathId);
// 针对每一个有效连接，都会创建一个对象ModelDrivenSwitchImpl，用于描述底层交换机
// 这个对象是日后操作源头，比如说下发flowmod、barrier等
ModelDrivenSwitchImpl ofSwitch = new ModelDrivenSwitchImpl(nodeId, identifier, context);
CompositeObjectRegistration<ModelDrivenSwitch> registration =
ofSwitch.register(rpcProviderRegistry);
context.setProviderRegistration(registration);
LOG.debug("ModelDrivenSwitch for {} registered to MD-SAL.", datapathId);
NotificationQueueWrapper wrappedNotification = new NotificationQueueWrapper(
nodeAdded(ofSwitch, features, nodeRef),
context.getFeatures.getVersion);
context.getNotificationEnqueuer.enqueueNotification(wrappedNotification);
}

总结一下：

1、从openflowjava到openflowplugin流程比较繁琐，需要耐心阅读代码。
2、代码中有很多设计模式，需要了解设计模式后在阅读代码时候才能做到“知其然而知其所以然”
3、openflowjava底层是用netty作为连接管理层，因此需要简单了解netty。
4、有生以来第一次写java相关文章，很多逻辑可能存在"断篇"，如有不合适之处，请批评指出。
5、接下来会介绍flowmod下发流程。
作者简介：
徐小冰：毕业于河北大学，主要从事嵌入式软件开发，虚拟化，SDN。目前基于ODL和Open vSwitch进行二次开发，希望与广大网友一起探讨学习。作者系OpenDaylihgt群（194240432）资深活跃用户，@IT难人。
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本文系《SDNLAB原创文章奖励计划》投稿文章，该计划旨在鼓励广大从业人员在SDN/NFV/Cloud网络领域创新技术、开源项目、产业动态等方面进行经验和成果的文字传播、分享、交流。有意向投稿的同学请通过官方唯一指定投稿通道进行文章投递，投稿细则请参考《SDNLAB原创文章奖励计划》
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