ONOS-P4-Tutorial-Ⅲ

练习3：IPv6路由

说明：本文翻译自onos-p4-tutorial的Exercise 3: IPv6 routing，用于理解纪录IPv6转发

在本练习中，您将修改P4程序和ONOS应用程序，以增加对连接到该结构的所有主机之间基于IPv6（L3）路由的支持，并支持ECMP以均衡多个spine之间的流量。

总览

要求

在这一阶段，我们希望我们的光纤网络表现得像标准IP光纤网络一样，交换机充当路由器。因此，应满足以下要求：

• Leaf接口应该被分配一个IPv6地址（网关地址）和一个我们将要调用的MAC地址myStationMac。
• Leaf交换机应该能够处理NDP邻居请求（NS）消息，即由主机发送的NDP邻居通告（NA）应答，以解析与交换机接口/网关IPv6地址关联的MACmyStationMac地址；
• 以太网目标myStationMac接收到的数据包应通过路由pipeline进行处理（未丢失的流量随后可通过bridging pipeline进行处理）；
• 路由时，P4程序应查看IPv6目标地址。如果找到匹配的条目，则应将数据包转发到给定的下一跳，并相应地修改数据包的以太网地址（源设置为myStationMac，目标设置为下一跳）；
• 当将数据包经由各个spine路由到不同Leaf时，Leaf交换机应该能够使用ECMP来分配流量。

配置

该netcfg.json文件为每个名为srv6DeviceConfig的设备打包了一个特殊配置，此部分定义了3个值：

• myStationMac：与每个设备关联的MAC地址，即路由器的MAC地址；
• mySid：设备的SRv6 Segment ID，将在下一个练习中使用。
• isSpine：一个布尔型标志，表示是否应将设备视为spine交换机。

此外，netcfg.json文件还包括分配了IPv6前缀的接口列表（在文件的ports部分下查找）。 Mininet拓扑脚本topo.py中使用了相同的IPv6地址。

尝试ping不同子网中的主机

与之前的练习类似，让我们开始使用Mininet来验证不同子网上的主机之间的ping操作不起作用。使它工作将是您的任务。

在Mininet CLI上：

mininet> h2 ping h3
PING 2001:2:3::1(2001:2:3::1) 56 data bytes
From 2001:1:2::1 icmp_seq=1 Destination unreachable: Address unreachable
From 2001:1:2::1 icmp_seq=2 Destination unreachable: Address unreachable
From 2001:1:2::1 icmp_seq=3 Destination unreachable: Address unreachable
...

如果检查ONOS日志，您会h2发现已发现以下内容：

INFO  [L2BridgingComponent] HOST_ADDED event! host=00:00:00:00:00:20/None, deviceId=device:leaf1, port=6
INFO  [L2BridgingComponent] Adding L2 unicast rule on device:leaf1 for host 00:00:00:00:00:20/None (port 6)...

这是因为ONOS用h2发送NDP NS消息来解析其网关的MAC地址（正如topo.py中所配置的2001:1:2::ff）。

我们可以检查IPv6邻居表h2以查看解析是否失败：

mininet> h2 ip -6 n
2001:1:2::ff dev h2-eth0  FAILED

基于P4的NDP消息生成

现在的P4代码已经提供了表ndp_reply_table和操作ndp_ns_to_na(mac_addr_t target_mac)来答复主机发送的NDP NS消息。

该表实质上提供了IPv6地址及其对应的MAC地址（定义为action参数）之间的映射。action实现将相同的NDP NS数据包转换为具有给定目标MAC地址的NA。

ONOS应用程序已经提供了一个组件NdpReplyComponent.java，，该组件负责使用netcfg.json中定义的ndp_reply_table为所有接口的IPv6地址进行填充，并将其myStationMac用作目标MAC地址。

该组件当前被禁用；您将需要在后续步骤中启用它。但是首先，让我们关注P4程序。

练习步骤

1.修改P4程序

第一步将是向中添加新表main.p4。

IPv6的LPM路由表

此练习的主表将是一个与目的IPv6地址match的L3表。您应该创建一个在目的地址上执行最长前缀匹配（LPM）并执行所需的数据包转换的表。

在本练习中的action与练习2中那样定义的action不同。此action应：

1. 用目的地址替换源以太网地址，目标地址应为myStationMac（请参阅下一节的"My Station"表）；
2. 将目的以太网设置为下一跳的地址（作为action参数传递）；
3. 减少IPv6的hop_limit。

L3表和操作应提供给定的IPv6前缀和下一跳MAC地址之间的映射。在我们的解决方案中（因此在PTF入门代码和ONOS应用程序中），我们重复使用练习2中定义的L2表来提供下一跳MAC地址和输出端口之间的映射。如果要应用这样的解决方案，请确保在apply块中的L2之前调用L3表。

此外，我们将希望在IPv6跳数限制达到0时丢弃数据包。这可以通过apply在应用L3表之后在检查字段的块中插入逻辑来实现。

此时，您的管道应正确匹配，转换和转发IPv6数据包。

注意：为简单起见，我们使用全局路由表。如果您想将路由表划分为虚拟表（即使用VRF ID），则可以将其作为额外工作。

“My Station”表

您可能会发现 ，此时交换机将不加选择地执行IPv6路由，这在技术上是不正确的。交换机应仅路由发往路由器以太网地址（myStationMac）的以太网帧。

注意区分路由和转发，这里用L3路由的当目的MAC地址是路由器MAC地址的情况下，主机MAC地址不在此列

要解决此问题，您将需要创建一个与目标以太网地址匹配的表，并在匹配时将数据包标记为要路由。我们称其为“My Station”表。

您可以自由使用特定的操作或元数据来携带此信息，或者为简单起见，可以使用NoAction并在apply块的此表中检查命中。创建该表后，请记住要更新您的apply块。

使用action selectors添加对ECMP的支持

您将对pipeline进行的最后修改是添加一个action_selector，该哈希将对不同可能的下一跳之间的流量进行哈希处理。在我们的叶-脊拓扑中，对于每个叶对，每个脊都有一条等价的路径，我们希望能够利用这一点。
您将对pipeline进行的最后修改是添加一个action_selector，它将对可能存在的下一跳不同节点之间的流量进行哈希处理。在我们的Leaf-Spine拓扑中，对于每一对Leaf，每个Spine都有一条等价的路径，我们希望能够利用这一点。

我们已经在P4程序中为您定义了ecmp_selector，但是您需要将selector添加到L3表中。您还需要将selector字段做为match的key进行添加。

对于IPv6流量，您需要将源IPv6地址和目标IPv6地址以及IPv6流标签作为ECMP哈希的一部分包括在内，但您可以自由地在包头中包含其他部分。例如，您可以包含其余的5元组（即L4原型和端口）；如果要使用L4端口，则将其解析为local_metadata。有关散列IPv6流量的必填字段的详细信息，请参阅RFC6438。

您可以在tutorial目录使用make p4编译程序。在继续操作之前，请确保解决所有编译器错误。

此时，我们的P4 pipeline应准备好进行测试。

2. 运行PTF测试

有关IPv6路由行为的测试位于ptf/tests/routing.py中。打开该文件，然后在提示的地方进行修改（查找TODO EXERCISE 3）。

要运行此练习的所有测试：

cd ptf
make routing

此命令将运行routing组中的所有测试（即ptf/tests/routing.py的内容）。要运行特定的测试用例，可以使用：

make <PYTHON MODULE>.<TEST CASE NAME>

例如：

make bridging.IPv6RoutingTest

回溯检查

为确保新更改不会破坏其他功能，请确保也对先前的练习进行测试。

make packetio
make bridging
make routing

如果所有测试成功，那么恭喜！您可以转到下一步。

3. 修改ONOS应用

练习的最后一部分是为ONOS应用程序的路由组件更新启动程序代码，该代码位于：app/src/main/java/org/p4/p4d2/tutorial/Ipv6RoutingComponent.java

与先前的练习类似，启动程序代码已经提供了事件侦听器和路由策略的实现，即，由于拓扑事件而触发的方法，例如，基于leaf和spine之间的可用链接来计算ECMP组。

要求您修改4种方法的实现。

• setUpMyStationTable()：为“My station”表插入流规则；

• createNextHopGroup()：负责为路由表的ECMP selector创建等效于P4Runtime动作配置文件group的ONOS；

• createRoutingRule()：为IPv6路由表创建流规则；

• createL2NextHopRule()：创建将下一跳MAC地址（用于ECMP组）映射到输出端口的流规则。您应该已经在L2BridgingComponent中实现了类似的方法（请参阅learnHost()方法）。称此为在交换机之间创建L2规则，例如在leaf和spine之间转发数据包。由于主机相关转发规则是由L2BridgingComponent插入的，因此这里无需处理主机的L2规则。

启用路由组件

一旦确定您对上一步的解决方案应该可以工作，在构建和重新加载应用程序之前，请记住通过将enabled标志设置true为类定义的顶部来启用与路由相关的组件。

为使IPv6路由正常工作，应启用以下组件：

• Ipv6RoutingComponent.java
• NdpReplyComponent.java

生成并重新加载应用

在ONOS运行时，使用以下命令来构建和重新加载您的应用程序：

$ make app-build app-reload

在构建应用程序时，修改后的P4编译器输出（bmv2.json和 p4info.txt）将与Java类一起打包在一起。重新加载应用程序后，您应该在ONOS日志中看到消息，表明已设置了新的管道配置，Ipv6RoutingComponent并且 NdpReplyComponent已激活和。

还要检查日志中是否存在潜在有害消息。请参阅 练习2以了解常见错误。

4. 在Mininet上测试IPv6路由

验证ping

在Mininet CLI中按顺序键入以下命令：

mininet> h2 ping h3
mininet> h3 ping h2
PING 2001:1:2::1(2001:1:2::1) 56 data bytes
64 bytes from 2001:1:2::1: icmp_seq=2 ttl=61 time=2.39 ms
64 bytes from 2001:1:2::1: icmp_seq=3 ttl=61 time=2.29 ms
64 bytes from 2001:1:2::1: icmp_seq=4 ttl=61 time=2.71 ms
...

现在h3并h2之间的ping应该工作。如果ping不起作用，请检查与练习2相同的故障排除步骤。

ONOS日志应显示以下消息：

INFO  [Ipv6RoutingComponent] HOST_ADDED event! host=00:00:00:00:00:20/None, deviceId=device:leaf1, port=6
INFO  [Ipv6RoutingComponent] Adding routes on device:leaf1 for host 00:00:00:00:00:20/None [[2001:1:2::1]]
...
INFO  [Ipv6RoutingComponent] HOST_ADDED event! host=00:00:00:00:00:30/None, deviceId=device:leaf2, port=3
INFO  [Ipv6RoutingComponent] Adding routes on device:leaf2 for host 00:00:00:00:00:30/None [[2001:2:3::1]]
...

如果您没有看到有关h2（00:00:00:00:00:20）发现的消息，那是因为在练习开始时尝试ping时，ONOS已经发现了该主机。

注意：我们需要先从h2开始ping，然后再从h3开始ping，以便ONOS在转发ping数据包之前发现两个主机的位置。这是因为当前的实现要求主机生成ONOS会发现的NDP NS数据包。为了避免必须手动生成NDP NS消息，可能的解决方案是：

• 在Mininet中配置IPv6主机，以定期自动生成另一种NDP消息，称为路由器请求（RS）。

• 在ACL表中插入流规则，以将NDP RS数据包克隆到CPU。这将需要匹配NDP NA和NS以外的ICMPv6代码的其他值。

• 修改hostprovider内置的应用程序实现，以从NDP RS消息中了解主机位置（当前仅使用NDP NA和NS）。

验证基于P4的NDP NA生成

要验证交换机基于P4的NDP NA生成是否正常工作，可以检查h2或的邻居表h3，它应该显示类似以下内容：

mininet> h3 ip -6 n
2001:2:3::ff dev h3-eth0 lladdr 00:aa:00:00:00:02 router REACHABLE

其中2001:2:3::ff是在netcfg.json和topo.py中定义的IPv6网关地址，而00:aa:00:00:00:02是在netcfg.json中为leaf2定义的myStationMac。

使用ONOS Web UI可视化ECMP

为了验证ECMP是否正常工作，让我们开始从h2到h3使用iperf的多个并行流量。在Mininet命令提示符下，键入：

mininet> h2 iperf -c h3 -u -V -P5 -b1M -t600 -i1

此命令将在h2上启动一个iperf客户端，通过IPv6（-V）将UDP数据包（-u）发送到h3（-c）。为此，我们生成5个不同的流（-P5），每个流的上限为1Mbit/s（-b1M），运行10分钟（-t600），并每1秒报告一次统计信息（-i1）。

由于我们正在生成UDP流量，因此无需在h3上启动iperf服务器。

要可视化流量，请从教程VM中打开浏览器（例如Firefox）访问http://127.0.0.1:8181/onos/ui。询问时，请使用用户名onos和密码rocks。

在显示ONOS拓扑视图的页面上：

• 按H键盘上的显示主机；
• 按下L以显示设备标签；
• 多次按A，直到看到端口/链接统计信息，以包/秒（pps）或位/秒为单位。

如果您正确完成了P4和应用的实现，并且ECMP正常工作，则应该看到将流量转发到两个通道，如下面的屏幕截图所示：

routing-ecmp

恭喜你！

您已完成练习3！现在，您的拓扑可以在任何主机之间转发IPv6流量。