Ryu拓扑发现原理分析
来源：程序员人生 发布时间：2015-04-15 09:08:43 阅读次数：4373次
Ryu拓扑发现的核心模块是ryu/topology目录下的switches.py，拓扑发现的利用是同目录下的dumper.py。在dumper.py中，会利用_CONTEXTS来实例化switches.py中的Switches类，然后将拓扑发现的相干信息通过日志方式（LOG.debug）显示。启动命令以下所示：
ryu-manager --verbose --observe-links ryu.topology.dumper （pip安装的）或
ryu-manager --verbose --observe-links ./ryu/topology/dumper.py（源码）
其中--verbose参数用于显示LOG.debug信息，--observe-links用于指明拓扑发现。
接下来对拓扑发现的核心模块switches.py进行分析。
1. Port类:
存储端口相干信息，数据成员有：
self.dpid = dpid
self._ofproto = ofproto
self._config = ofpport.config
self._state = ofpport.state
self.port_no = ofpport.port_no
self.hw_addr = ofpport.hw_addr
self.name = ofpport.name
其中要特别注意的是dpid和port_no，即交换机ID和端口号，这两个信息在下发流表项时很重要。
2. Switch类:
存储交换机相干信息，数据成员有：
self.dp = dp
self.ports = []
其中dp是Datapath类的实例，该类定义在在ryu/controller/controller.py，主要属性有：
self.socket = socket
self.address = address
self.is_active = True
self.id = None # datapath_id is unknown yet
self.ports = None
ports是1个由Port类实例组成的列表，存储该交换机的端口。
3. Link类:
保存的是源端口和目的端口（都是Port类实例），数据成员有：
self.src = src
self.dst = dst
4. PortState类
该类继承自dict，保存了从port_no（int型）到port（OFPPort类实例）的映照。该类主要用作self.port_state字典的值（键是dpid），用于存储dpid对应的交换机的所有端口情况。
OFPPort类定义在ryu/ofproto目录下对应的ofproto_v1_X_parser.py中（X代表版本号），继承自1个namedtuple，保存有port_no等信息。
5. PortData类
保存每一个端口与对应的LLDP报文数据，数据成员有：
self.is_down = is_down
self.lldp_data = lldp_data（这是LLDP报文的数据）
self.timestamp = None
self.sent = 0
每调用1次lldp_sent函数，便会把self.timestamp置为当前的时间（time.time()），并将self.sent加1；每调用1次lldp_received函数，便会把self.sent置为0。
6.PortDataState类
继承自dict类，保存从Port类到PortData类的映照。该类保护了1个类似双向循环链表的数据结构，并重写了__iter__()，使得遍历该类的实例（self.ports）时，会依照该双向循环链表从哨兵节点（self._root）后1个节点开始遍历。
包括1个add_port函数，传入port和lldp_data，port作键，构建的PortData类实例作为值。
包括1个lldp_sent(self,port)函数，根据传入的port（Port类实例）取得对应的PortData类实例port_data，然后调用port_data.lldp_sent()（该函数会设置时间戳），再调用self._move_last_key(port)，把该port移到类似双向循环链表的数据结构中哨兵节点的前面（相当于下次遍历的末尾）；最后返回port_data。
7. LinkState类
继承自dict，保存从Link类到时间戳的映照。数据成员self._map字典用于存储Link两端相互映照的关系。
8. LLDPPacket类
静态方法lldp_packet(dpid,port_no,dl_addr,ttl)用于构造LLDP报文，静态方法lldp_parse(data)用于解析LLDP包，并返回源DPID和源端口号。
9. Switches类
该类是Ryu拓扑发现的核心所在。Switches类是app_manager.RyuApp类的子类，当运行switches利用时会被实例化，其__init__函数主要包括：
self.name = 'switches'
self.dps = {} # datapath_id => Datapath class
self.port_state = {} # datapath_id => ports
self.ports = PortDataState() # Port class -> PortData class
self.links = LinkState() # Link class -> timestamp
self.is_active = True
self.dps字典用于保存dpid到Datapath类实例的映照，会在_register函数中添加新成员，_unregister函数中删除成员。遍历该字典可以得到连接的所有交换机。
self.port_state字典中键为dpid，值为PortState类型。遍历该字典可以得到所有交换机对应的端口情况。当交换机连接时，会检查交换机的id是不是在self.port_state中，不在则创建PortState类实例，把交换机的所有端口号和端口存储到该实例中；交换机断开时，会从self.port_state中删除。
self.ports是PortDataState类的实例，保存每一个端口（Port类型）对应的LLDP报文数据（保存在PortData类实例中），遍历self.ports用于发送LLDP报文。
self.links是LinkState类的实例，保存所有连接（Link类型）到时间戳的映照。遍历self.links的键便可得到所有交换机之间的连接情况。
如果ryu-manager启动时加了--observe-links参数，则下面的self.link_discovery将为真，从而履行if下面的语句：
self.link_discovery = self.CONF.observe_links
if self.link_discovery:
self.install_flow = self.CONF.install_lldp_flow
self.explicit_drop = self.CONF.explicit_drop
self.lldp_event = hub.Event()
self.link_event = hub.Event()
self.threads.append(hub.spawn(self.lldp_loop))
self.threads.append(hub.spawn(self.link_loop))
综上所述，该初始化函数__init__()主要是创建用于存储相干信息的数据结构，创建两个事件，然后调用hub.spawn创建两个新线程履行self.lldp_loop和self.link_loop两个函数。
9.1 lldp_loop函数
lldp_loop函数里是1个while循环，只要self.is_active为真，就1直循环履行。（close函数会把self.is_active置为False，该函数在离开模块时自动被调用）
(1)履行self.lldp_event.clear()，将Event类实例lldp_event的_cond属性设为False，用于线程间同步。
提到线程同步，经常使用的函数有：
Event.wait()
Event对象的wait的方法只有内部信号为真的时候才会很快的履行并完成返回。当Event对象的内部信号标识为假时，则wait方法1直等待其为真时才返回。同时可以对wait设置timeout，当到达timeout设置的时间的时候就能够完成返回或履行。
Event.set()
将标识位设为Ture
Event.clear()
将标识伴设为False。
Event.isSet()
判断标识位是不是为Ture
(2)创建ports_now和ports两个列表，分别存储还没有发送过LLDP报文的端口和已发送过LLDP报文并且超时的端口
(3)遍历self.ports(PortDataState类的实例)，取得key（Port类实例）和data（PortData类实例），如果data.timestamp为None（该端口还没发送过LLDP报文），则将key（端口）加入ports_now列表；否则，计算下次应当发送LLDP报文的时间expire，如果已超时，则放到ports列表，否则就是还没到发送时间，停止遍历（发送LLDP报文时是按序发的，找到第1个未超时的端口，后面的端口肯定更没有超时，由于后面端口上次发送LLDP是在前1端口以后，前1个都没超时后面的自然也没超时）
(4)遍历ports_now列表，对每一个端口调用self.send_lldp_packet(port)，发送LLDP报文。
send_lldp_packet函数履行进程以下：
a. 调用PortDataState类的lldp_sent函数，该函数会设置时间戳，移动相应端口在双向循环链表中的位置，最后返回PortData类实例port_data。
b. 如果该端口已down掉，直接返回，否则履行下1步
c. 根据port.dpid得到对应的Datapath类实例dp，如果不存在，则直接返回，否则履行下1步
d. 发送LLDP报文。具体地：(1)生成actions：从port.port_no端口发出消息；(2)生成PacketOut消息：datapath指定为上1步得到的dp，actions为前面的，data为步骤a中返回的port_data的lldp_data
(5)遍历ports列表，对每一个端口调用self.send_lldp_packet(port)，发送LLDP报文。
9.2 link_loop函数
link_loop函数也是1个while循环，只要self.is_active为真，就1直循环履行。
(1)履行self.link_event.clear()，将Event类实例link_event的_cond属性设为False，用于线程间同步。
(2)创建deleted列表，
(3)遍历self.links（LinkState类实例），取得link（Link类实例）和timestamp时间戳。如果已超时，且该link对应的源端口是不是在self.ports中，并且发送LLDP次数已超过self.LINK_LLDP_DROP，则添加到deleted列表中。
(4)遍历deleted列表，履行：
a. 对其中的每条需要删除的link调用link_down函数（该函数会删除self.links中link对应的项目，并删除self.links._map中link对应的项目），并触发EventLinkDelete事件。
b. 得到link对应的反向link，如果反向link不在deleted列表中，则将self.links中反向link的时间戳置为超时的事件，并将对端端口从self.ports的双向循环链表中移动到哨兵节点的后面（下次检查的开头），以便尽早检查反向link是不是也断开了。
9.3 state_change_handler
该函数用于处理EventOFPStateChange事件，当交换机连接或断开时会触发该事件。
如果状态是MAIN_DISPATCHER：
(1)从ev.datapath取得Datapath类实例dp，如果该dp的dpid已在self.dps里有，则报出重复链接的正告。
(2)调用_register()，将dp.id和dp添加到self.dps中；如果该dp.id不在self.port_state中，则创建该dp.id对应的PortState实例，并遍历dp.ports.values，将所有port（OFPPort类型）添加到该PortState实例中。
(3)调用_get_switch()，如果dp.id在self.dps中，则创建1个Switch类实例，并把self.port_state中对应的端口都添加到该实例中，终究返回该实例。
(4)如果交换机没有重复连接，触发EventSwitchEnter事件。
(5)如果没设置self.link_discovery，返回；否则履行下1步。
(6)如果设置了self.install_flow，则根据OpenFlow版本生成相应流表项，使得收到的LLDP报文（根据目的MAC地址匹配）上报给控制器。
(7)如果交换机没有重复连接，则遍历(3)中得到的switch.ports的所有端口，如果端口port不是被保存的，则调用self._port_added(port)，该函数会调用LLDPPacket.lldp_packet()函数生成LLDP报文数据lldp_data（用于和“port.is_down()”1起构造PortData类实例），然后调用PortDataState类的add_port(port,lldp_data)。
add_port()函数会检查port是不是在self.ports中，不在则将该port添加到双向循环链表中哨兵节点的后面（下次检查的开头），并把port和对应的PortData类实例（该端口对应的LLDP报文数据）添加到self.ports中。
(8)调用self.lldp_event.set()
如果状态是DEAD_DISPATCHER：
(1)如果dp.id为None，即握手之前交换机就断开连接了，则直接返回；否则履行下1步。
(2)调用_get_switch()取得Switch实例；
(3)调用_unregister()，从self.dps和self.port_state中删除该dpid对应的数据；
(4)触发EventSwitchLeave事件。
(5)如果没有设置link_discovery，返回；否则履行下1步。
(6)遍历switch.ports中的每一个端口port，如果不是保存端口，则调用PortDataState类的del_port()，将self.ports中port对应的数据删除；调用Switches类的_link_down()。_link_down函数履行以下操作：
a. 调用LinkState类的port_deleted函数。在port_deleted函数里，首先调用get_peer()取得对端端口，然后生成两个Link对象（src->dst和dst->src），并将这两个对象从self.links中删除（反向Link可能不存在）；删除src->dst和dst->src之间的映照（存储在_map字典中）。最后返回传入的port对应的对端port和传入的port本身。
b. 根据返回的“传入的port对应的对端port和传入的port本身”，创建Link对象，触发EventLinkDelete事件（如果反向连接也存在，会触发两次EventLinkDelete事件）。c. 调用self.ports.move_front(dst)，该函数会从self.ports中得到dst对应的PortData类实例port_data，如果port_data不为None，则调用clear_timestamp函数将其timestamp属性置为None，并将dst移动到双向循环链表中哨兵节点的后面（下次检查的开头）
(7)调用self.lldp_event.set()
9.4 port_status_handler
该函数用于处理EventOFPPortStatus事件，该事件是交换机主动发给控制器的。
如果缘由为“添加”：
(1)在self.port_state里dp.id对应的PortState实例中添加该端口，并触发EventPortAdd事件。
(2)如果没有设置self.link_discovery，则返回；否则履行下1步。
(3)调用_get_port函数，该函数首先根据传入的dpid得到Switch实例，然后遍历实例的ports列表，找到并返回传入的端口号对应的端口（Port类实例）。如果找到了端口并且端口不是保存的，则调用_port_added()，该函数会取得LLDP相干的数据部份（用于构造PortData类实例），然后调用PortDataState类的add_port()，该函数会将Port和对应的PortData映照关系存储到self.ports中；调用self.lldp_event.set()
如果缘由为“删除”：
(1)在self.port_state里该dpid对应的PortState实例中删除该端口，并触发EventPortDelete事件。
(2)如果没有设置self.link_discovery，则返回；否则履行下1步。
(3)调用_get_port函数，该函数首先根据传入的dpid得到Switch实例，然后遍历实例的ports列表，找到并返回传入的端口号对应的端口（Port类实例）。如果找到了端口并且端口不是保存的，则:
a. 调用del_port()，将该端口及对应的PortData从self.ports删除
b. 调用_link_down()，该函数会调用LinkState类的port_deleted函数，并返回传入的port对应的对端port和传入的port本身。在port_deleted函数里，首先调用get_peer()取得对端端口，然后生成两个Link对象（src->dst和dst->src），并将这两个对象从self.links中删除（反向Link可能不存在）；删除src->dst和dst->src之间的映照（存储在_map字典中）。根据返回的“传入的port对应的对端port和传入的port本身”，创建Link对象，触发EventLinkDelete事件（如果反向连接也存在，会触发两次EventLinkDelete事件）。调用self.ports.move_front()。
c. 调用self.lldp_event.set()
如果缘由为“修改”：
(1)修改self.port_state里该dpid对应的PortState实例值，并触发EventPortModify事件。
(2)如果没有设置self.link_discovery，则返回；否则履行下1步。
(3)调用_get_port函数，该函数首先根据传入的dpid得到Switch实例，然后遍历实例的ports列表，找到并返回传入的端口号对应的端口（Port类实例）。如果找到了端口并且端口不是保存的：
a. 调用PortDataState类的set_down()，该函数会调用Port类的is_down()，检测端口是不是已关闭；取得Port对应的PortData实例，调用PortData的set_down函数，将对应的is_down修改成当前状态（布尔值）；调用PortData的clear_timestamp()，将对应的timestamp修改成None。如果检测端口没有关闭，调用_move_front_key()。set_down函数返回是不是已关闭的检测结果。如果检测结果是已关闭，则调用_link_down()。
b. 调用self.lldp_event.set()
9.5 packet_in_handler
该函数用于处理EventOFPPacketIn事件。
(1)如果没有设置self.link_discovery，直接返回；否则履行下1步。
(2)尝试调用LLDPPacket.lldp_parse(msg.data)来依照LLDP报文格式解码收到的报文，取得源交换机dpid和源端口号（该LLDP报文从哪台交换机的哪一个端口发出的）。如果不是LLDP报文格式，返回；否则履行下1步。
(3)取得目的交换机的dpid和目的端口（上报Packet_In消息的交换机dpid和接收到LLDP报文的端口号）
(4)调用_get_port函数，得到源端口对应的Port类实例。如果不存在或该实例的dpid跟目的dpid相同，则直接返回；否则履行下1步。
(5)调用PortDataState类的lldp_received函数，该函数会再调用PortData类的lldp_received函数，将对应的self.sent值置为0。
(6)调用_get_port函数，得到目的端口对应的Port类实例。如果不存在该实例，则返回；否则履行下1步。
(7)调用LinkState类的get_peer函数，得到源端口本来对应的目的端口。如果该目的端口存在，且与现在解析得到的目的端口不同，则说明本来的链路已断开，触发EventLinkDelete事件。
(8)根据源端口和目的端口构造Link类实例，如果该实例不存在于self.links，则说明是新链路，触发EventLinkAdd事件。
(9)调用LinkState类的update_link函数，该函数会将上1步构造的Link类实例加上时间戳存储到self.links中，并构造逆向链路，返回逆向链路是不是在self.links中的布尔值。如果逆向链路还不存在，那很有可能会马上存在，因此调用PortDataState类的move_front函数，将目的端口移动到双向循环链表中哨兵节点的后面（下次检查的头部），尽早检查；调用self.lldp_event.set()。
(10)如果设置了self.explicit_drop，则调用_drop_packet函数。
10. 拓扑发现概述
Switches类的初始化函数__init__()创建用于存储相干信息的数据结构（self.dps、self.port_state、self.ports和self.links），创建两个事件（self.lldp_event 和self.link_event），然后调用hub.spawn创建两个新线程履行self.lldp_loop和self.link_loop两个函数。其他工作就交给事件触发和事件处理函数了。
交换机连接时触发EventOFPStateChange事件，在对应的处理函数state_change_handler中会把连接上的交换机存储到self.dps中，并把交换机的端口情况存储到self.port_state中，并生成相应的LLDP报文数据，存储在self.ports中（键为Port类型，值为PortData类型，PortData类的数据成员lldp_data存储LLDP报文数据）。
lldp_loop函数会不停遍历self.ports，并在需要的时候由send_lldp_packet函数履行发送LLDP报文的操作。
当LLDP报文被送回到控制器时，触发EventOFPPacketIn事件，对应的处理函数packet_in_handler会解析LLDP报文，得到交换机之间的连接信息（Link类），存储到self.links中。
link_loop函数会遍历self.links，及时检查链路是不是还是活的。
后记：
实际使用Ryu获得拓扑信息时，更好的方式是使用Ryu提供的REST API，具体方法将在下文中介绍。但分析switches.py的进程对了解Ryu的工作机制和利用编写方法还是蛮有用的。
ocean
2015.4.8
于东南京大学学
生活不易，码农辛苦
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