Integración del switch BMv2 con el controlador ONOS

4.4.3.1 Descubrimiento de switches

ONOS conoce la existencia de un switch P4Runtime y establece una conexión gRPC con él a través de la carga de la configuración del switch en el servicio Network Configuration[57], mediante un HTTP POST enviado a /onos/v1/network/configuration. En el cuerpo del POST se incluyen todas las características del dispositivo, incluyendo identificador unívoco, driver asociado (BMv2 en este caso), puertos y sus características, y el Pipeconf con el que debe funcionar (que ONOS provisionará a través del driver mediante la operación SetForwardingPipelineConfig).

La configuración del dispositivo a anunciar se expresa en una estructura JSON con el siguiente formato, del que se enumeran los campos más importantes:

 Basic (información básica)

o Driver: Driver del dispositivo, lo que incluye el protocolo Southbound a utilizar. o Name: Nombre del dispositivo.

 General Provider (información específica).

o P4Runtime:

 IP: dirección IP del dispositivo con el servidor P4Runtime.

 Port: Puerto donde escucha el servidor P4Runtime.

 DeviceId: Identificador unívoco del dispositivo.

 DeviceKeyId: Extensión del deviceId que indica qué instancia de ONOS es el maestro del dispositivo.

69 o gNMI: si el dispositivo posee capacidades gNMI, puede emplearse para

descubrir las interfaces del dispositivo.

 IP: dirección IP del dispositivo (la misma IP especificada en P4Runtime).

 Port: puerto del servidor gRPC (generalmente el mismo que P4Runtime).

 piPipeconf: Pipeconf a asociar con el dispositivo (programa P4). o piPipeconfId: identificador unívoco del Pipeconf en ONOS.  Ports: información sobre interfaces del dispositivo, si no se utiliza gNMI.

o Number: identificador numérico de puerto. o Name: Nombre de la interfaz.

o Enabled: Estado de la interfaz.

o Removed: Si la interfaz ha sido eliminada. o Tipo: Medio físico (cobre, fibra óptica, etc…) o Speed: velocidad en Mbps.

Dado que en P4Runtime el switch implementa el servidor y el controlador el cliente, el que debe iniciar la conexión es el controlador. Por ello, en entornos de emulación de redes como Mininet [58], hay que asegurarse de que el servidor gRPC del switch está completamente inicializado antes de que ONOS reciba el HTTP POST con la configuración. En caso contrario, la conexión puede fallar debido a que ONOS puede intentar establecerla antes de que el servidor inicie la escucha para nuevas conexiones. En el caso de BMv2, un retardo en función del número de interfaces entre el inicio del servidor y el envío de la configuración a ONOS suele funcionar bien. Cuando ONOS recibe el mensaje de configuración, determina qué tipo de protocolos utilizar y cómo establecer conexión. Para un switch BMv2, ONOS extraerá la siguiente información sobre el mismo:

 Identificadores y nombres del dispositivo

 Driver a utilizar, BMv2 en este caso, que implica el uso de P4Runtime y la carga de programas P4 en formato JSON.

 IP y puerto donde se encuentra el servidor P4Runtime del switch.

 Programa P4 a cargar en el switch, identificado por un piPipeconfId.

 Interfaces del dispositivo, bien especificadas explícitamente, bien delegando su descubrimiento mediante gNMI.

Es habitual provisionar un programa P4 tras el establecimiento de conexión entre ONOS y el switch, es decir, se suele asumir que el switch no posee un programa P4 cargado previamente. Una vez que el switch está conectado a ONOS, éste puede establecer reglas de flujo en el mismo (entradas en tablas P4), o recopilar estadísticas. Como el Pipeconf desarrollado implementa recolección de estadísticas en puertos mediante los contadores definidos en P4, ONOS por defecto realiza lecturas de los contadores cada 5 segundos, quedando estas disponibles para su consumo u observación por otras aplicaciones, o directamente por el usuario, por ejemplo, mediante consulta por comandos o GUI.

4.4.3.2 Descubrimiento de topología

Es muy habitual en SDN desarrollar aplicaciones agnósticas respecto de la topología de la red, que implementan algoritmos generalizables para cualquier tipo de topología. Por ello, los controladores poseen subsistemas de descubrimiento de topología. Por descubrir la topología

70 se entiende identificar los enlaces y puertos existentes entre switches y hosts. Suele emplearse el protocolo LLDP [59]. LLDP está basado en inyección de paquetes en switches desde el controlador, difusión de estos paquetes por la red, y reenvío de las copias difundidas de vuelta al controlador. El controlador puede conocer por dónde ha pasado el paquete LLDP que ha enviado, y determinar qué enlaces existen entre los switches a partir de esta información. ONOS puede emplear LLDP para descubrir la topología de una red de switches BMv2 con el programa hybrid.p4 gracias a dos componentes implementados:

 La operación Packet-In y Packet-Out implementada tanto en el plano de datos, como en el controlador ONOS.

 La tabla l2_fwd, uno de cuyos match fields es el campo Ethernet Type.

El subsistema LLDP de ONOS (LLDP Provider [60]) instala reglas de flujo solicitando el reenvío de tramas con Ethernet Type 0x88CC, inyectando paquetes en la red mediante Packet-Outs, y gestionando Packet-Ins, de los que extrae la información topológica. Como la aplicación LLDP de ONOS es agnóstica respecto del driver y protocolos Southbound del dispositivo, su comportamiento es idéntico en un switch OpenFlow y en un switch BMv2 con un programa P4 con las capacidades referidas. En concreto, la aplicación LLDP solicitará la instalación en todos los dispositivos de la red de la regla de flujo indicada.

A través de la traducción por el Pipeconf desarrollado, la regla de flujo se traducirá en una entrada en la tabla l2_fwd del programa P4, especificando el valor del campo match field Ethernet Type con 0x88CC (ignorando el resto de match fields, al ser ternarios), y la acción send_to_cpu, que identifica la operación Packet-In. Tras la recepción de un Packet-In por el cliente P4Runtime de ONOS, se ejecutará el método de mapeo para mensajes Packet-Indefinido en el Pipeconf, de forma que se traduzca la información generada por el programa P4 (cabecera Packet-In del programa P4) al formato estándar para Packet-Ins compartido por todos los protocolos Southbound de ONOS.

Por último, la aplicación LLDP enviará paquetes a la red mediante la interfaz Packet-Out generalista de ONOS. De forma análoga a la operación Packet-In, se ejecutará el método de mapeo del Pipeconf para envíar un mensaje Packet-Out entendible por el programa P4, en este caso una trama Ethernet encapsulada con la cabecera Packet-Out definida en P4.

Este ejemplo de uso de la aplicación LLDP ha ilustrado cómo se relaciona la interfaz Northbound con la interfaz Southbound mediante los mecanismos de traducción implementados en el Pipeconf. Asimismo, y muestra cómo en ONOS se pueden desarrollar aplicaciones para todo tipo de dispositivos sin necesidad de conocer sus características específicas (protocolos, drivers, etc…)

4.4.3.3 Descubrimiento de hosts

Por último, las aplicaciones SDN requieren conocer los hosts presentes en la red y su localización. LLDP no proporciona información relativa a hosts, dado que estos no entienden las tramas LLDP, y, por tanto, no participan de su lógica. Por ello, en SDN pueden emplearse técnicas de descubrimiento de hosts mediante interceptación de tramas ARP, o solicitud de asignación de direcciones mediante DHCP. Dado que las redes sobre las que se ha experimentado para este trabajo emplean direccionamiento IP estático, no se puede emplear mensajes DHCP para descubrir hosts.

71 ONOS posee un subsistema HostProvider [61] que le permite descubrir hosts tanto por ARP como por DHCP. HostProvider instala entradas en los switches de la red solicitando el reenvío (Packet-In) de tramas ARP y paquetes DHCP. ONOS también dispone de una aplicación que implementa un proxy ARP, ProxyArp, de forma que el controlador tiene la capacidad de gestionar toda comunicación ARP.

Sin embargo, el uso de HostProvider entra en colisión con ARP-Path, puesto que HostProvider reenvía toda trama ARP al controlador, mientras que ARP-Path las emplea para generar caminos entre dos hosts. Concretamente, HostProvider instalaría una entrada en la tabla l2_fwd, indicando que toda trama con Ethernet Type 0x806 se envíe al controlador, provocando que la trama ARP-Request no se difunda, y en consecuencia no se genere ningún camino. Por ello, es preciso buscar un enfoque nuevo que permita el descubrimiento de hosts.

Una alternativa sería emplear variantes del programa P4 en switches frontera (switches conectados a hosts), que clonasen las tramas ARP recibidas desde sus hosts directamente conectados: una trama sería procesada por el extern ARP-Path, y la otra sería enviada al controlador. La clonación de tramas puede realizarse mediante el extern Clone de V1Switch. Existe un mecanismo más sencillo, que se corresponde con el implementado, basado en el servicio de ONOS Network Config Host Provider[62]. Este servicio emplea un mecanismo análogo al de Network Configuration para conocer los hosts, basado en el envío de la información de cada host en formato JSON mediante un HTTP POST a /onos/v1/network/configuration/hosts. El formato de la información básica a enviar sobre cada host es el siguiente:

 Dirección MAC del host

o Basic: Información básica sobre el host.

 Name: nombre del host.

 Locations: Nombre de las interfaces e Ids de los switches a los que el host está conectado. En la implementación realizada, se asume que un host sólo está conectado a un switch.

 Ips: Direcciones IP asignadas al host.

De esta forma, ONOS puede conocer los hosts presentes en la red sin necesidad de procesar tramas ARP. La principal desventaja de este método respecto a HostProvider es que por cada host que se adhiera a la red es necesario enviar un HTTP POST a ONOS, mientras que con HostProvider el descubrimiento sería transparente, mediante la interceptación de la primera trama ARP que envíe el host.

4.4.3.4 Aplicaciones necesarias para la gestión de una red BMv2

ONOS puede iniciarse con una serie de aplicaciones y subsistemas activados. Para switches basados en el target ARP-P4 se deben incluir las siguientes:

 Driver P4Runtime

 Driver BMv2

 Subsistema gRPC

 LLDP Provider (opcional)

 Network Config Host Discovery (opcional)

72 Tras la implementación de todas las operaciones definidas en este apartado, ONOS puede disponer de una red de switches híbridos ARP-Path/P4Runtime, que no requieren de su intervención para establecer comunicaciones entre los hosts de la red, pero de los que ONOS puede disponer de control absoluto si alguna aplicación lo establece. Por ejemplo, puede activarse la aplicación Reactive Forwarding [63], que implementa encaminamiento en capa 2 mediante reglas de flujo basadas en las direcciones MAC origen y destino, y el puerto de entrada, que estarían soportadas en la tabla l2_fwd del programa P4. Las reglas de flujo que instala esta aplicación tendrían prioridad sobre ARP-Path.