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インターネットマルチフィード株式会社	
  技術部
川上	
  雄也 (@yuyarin)	
  
2013/08/24 LLまつり	
  
2	
おしながき	
  
1.  イントロ(2分)
2.  SDNとOpenFlowのはなし(10分)
3.  Tremaのはなし(8分)	
  
※簡単のためバージョン間の差異異などに触れないので、この資料料をreferenceにしないでください	
  
3	
川上	
  雄也 (@yuyarin)	
  
 2008年年4⽉月	
  株式会社ドワンゴ  研究開発本部  
 ニコニコ動画のバックエンドシステムの開発
 2011年年4⽉月 NTTコミュニケーションズ
 2011年年8⽉月	
  インターネットマルチフィード	
  技術部
 JPNAPのネットワークエンジニア
 10/100GbE(広帯域L2網)、DWDM、BGP、鯖・ツール類等
  コミュニティ活動
 JANOG30&31、InteropTokyo2012&2013 スタッフ
 wakamonog, ハチロク世代	
  代表幹事
4	
今⽇日のおはなし	
  
ネットワークを
Rubyで構築	
  
5	
ついに来た!	
  
ソフトウェアで
ネットワークを
制御できる時代!	
  
6	
その名も	
  
SDN48
Software Defined Network	
  
7	
これまでのネットワーク	
  
  それぞれのネットワーク機器(ルータやスイッチ)が⾃自律律協調して動作
  個々の機器に対してログインして操作(CLI)、個々の機器から情報収集(NMS)
Control Plane
Data Plane
App/Service
Control Plane
Data Plane
App/Service
Control Plane
Data Plane
App/Service
CLI/NMS/Tool
Router/Switch	
  
Router/Switch	
  
Router/Switch	
  
8	
SDNのネットワーク	
  
  ネットワークの動作をコントローラが集中制御
  コントローラのAPIを使ってネットワークの操作や情報収集	
  
Agent
Data Plane
Switch	
  
API
Agent
Data Plane
Switch	
  Agent
Data Plane
Switch	
  
Controller
CLI/NMS/Tool
Controller	
  
9	
SDNの何が嬉しい?	
  
  ネットワークを集中管理理できる
 トラフィックエンジニアリングしやすい
  コントローラなどのソフトウェア=ネットワーク仕様
 ネットワークのバージョン管理理ができる!
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 テスト駆動開発ができる!!!
 テスト駆動開発ができる!!!!	
  
 テスト駆動開発ができる!!!!!	
  
 テスト駆動開発ができる!!!!!!
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10	
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OpenFlow	
  
11	
開流	
  
OpenFlowを超カンタンに説明すると	
  
パケットの転送や
書換をスイッチに
指⽰示できる仕組み	
  
12	
開流	
  
もう少し詳しく⾔言うと	
  
条件にマッチした
パケットに対して
特定のアクションを
実⾏行行させられる
13	
開流	
  
`	
  
L2	
  
マッチに使える条件の例例	
  
 ⼊入⼒力力ポート番号
 送信元MACアドレス
 宛先MACアドレス
 Ethernet Type
 VLAN ID
 VLAN Priority
 送信元IPアドレス
 宛先IPアドレス
 IP Protocol
 送信元ポート番号
 宛先ポート番号
L3	
  
L4	
  
14	
開流	
  
アクションの例例	
  
 Forward
 全ポートに
 コントローラに
 スイッチ⾃自⾝身に
 フローテーブル通り
 ⼊入ってきたポートに
 普通のL2SW通り
 STPに従ってflood
 Drop
 Set-Queue (Enqueue)
 Modify-Field
 フィールド書換
 VLAN追加	
  
15	
⽤用語の説明	
  
  フロー
 MACアドレスやVLAN ID、IPアドレスやポート番号などのフィールド
の組み合わせで識識別される⼀一連のパケットの流流れ
  フローテーブル
 マッチングルール(ヘッダフィールド)、アクション、統計情報の要
素からなるフローエントリを登録するテーブル
  Packet-In
 フローテーブルのエントリにマッチしなかった場合やコントローラで
の処理理が必要な時に、スイッチからパケットをコントローラに送ること
  Packet-Out
 コントローラからスイッチにパケットを送らせると
16	
通常のForwardの動作	
  
  OFCがForwardのエントリをフローテーブルに登録
  OFSWはフローテーブルに従ってパケットをForward	
  
Agent
Data Plane
OFSwitch	
  
Agent
Data Plane
OFSwitch	
  Agent
Data Plane
OFSwitch	
  
Controller
OFController	
  
FlowTable	
  
FlowMod	
  
Forward	
  
FlowMod	
  
17	
Packet-InとPacket-Out	
  
  OFCでの処理理が必要なフローはPacket-Inを発⽣生させて、パケットをOFCに送る
  フローエントリを作成してOFCに書き込む
  処理理したパケットをにPacket-Outで送り返す	
  
Agent
Data Plane
OFSwitch	
  
Agent
Data Plane
OFSwitch	
  Agent
Data Plane
OFSwitch	
  
Controller
OFController	
  
FlowTable	
  
Forward	
  
FlowMod	
  
Packet-In	
  
Packet-Out	
  
18	
OpenFlowの何が嬉しい?	
  
 これまでのネットワーク
 各プロトコルの標準動作やベンダの実装でしかネットワ
ークやパケットを制御できなかった…
 プロトコル志向でしかトラフィック制御できなかった
 OpenFlowのネットワーク
 L2からL4までのヘッダを好きに使って、好きなようにパ
ケットを制御できる!
 フロー志向でトラフィックを制御できる	
  
19	
OpenFlowの何が嬉しくない? (1)	
  
 OpenFlowはアセンブラのようなもの
 普通のスイッチやルータの持っている機能を全部
⾃自分で書かないといけない
 スイッチの機能: MAC学習、フラッディング
 ルーターの機能:	
  NextHop検索索、ARP、MAC書換
 ルーティング機能:	
  トポロジーの把握、経路路計算
 …	
  
※何を作るかの場合に依ります
※デフォルトのL2SW動作もできます	
  
20	
OpenFlowの何が嬉しくない? (2)	
  
 OFSWで実⾏行行できるのはバイナリマッチに基づい
た特定のアクションのみ
 プログラマブルにするためにはPacket-Inを発⽣生さ
せないといけない
 OFCでのPacket-Inの処理理はHW処理理でないので重い
 簡単に出来ないことの例例:
 パケット⻑⾧長ごとにスイッチング
 IPv4アドレスの下1桁の数字のポートに出⼒力力
 3つのポートのどれか1つににランダムで出⼒力力
21	
OpenFlowはどこで使われているのか?	
  
 データセンター内/間ネットワーク
 リンク使⽤用効率率率がよくなるトラフィック最適化
 ソフトウェア制御による運⽤用構築の⾃自動化
 ネットワークの集中管理理
 クラウドネットワーク
 ネットワークの仮想化
 ネットワークの動的構成変更更	
  
22	
OpenFlowの規格とフレームワーク	
  
Ver.	
   Framework	
  
1.0	
  
NOX(C++), POX(Python),
Trema(C, Ruby), Floodlight(Java)	
  
1.1	
  
1.2	
   POX1.2(Python)	
  
1.3	
  
Trema-edge(C, Ruby),
Floodlight(Java)	
  
23	
取間	
  
今回取り上げるのが	
  
Trema	
  
24	
取間	
  
What’s Trema?	
  
Full-Stack
OpenFlow
Framework
in Ruby and C	
  
25	
Why Trema?	
  
※Trema公式ロゴ	
  
26	
取間	
  
Tremaのいいところ	
  
  イベントドリブンで書ける
  ネットワークエミュレータがついてる
  他のフレームワークより少ない⾏行行数で同じ機能を書ける
  サンプルコードが豊富
  開発者が⽇日本⼈人で⽇日本語の記事が多い
  ⽇日本語の本がある
 しかも⾃自前でTeXをコンパイルしたらタダ
 Rubyだ
27	
取間	
  
TremaとOpenFlow	
  
 Trema
 OpenFlow 1.0
 Ruby 1.8.7
 http://trema.github.io/trema/
 Trema-edge
 OpenFlow 1.3
 Ruby 2.0.0-p0 @Ubuntu12.04 64-bit
 https://github.com/trema/trema-edge
28	
取間	
  
Trema-edgeのインストール	
  
1.  Ubuntu 12.04 (64-bit) を⽤用意する
2.  RVMをインストールする
  curl -L https://get.rvm.io | bash -s stable
3.  必要なパッケージをインストールする
  sudo apt-get install gcc make libsqlite3-dev libpcap-dev libssl-dev git
4.  trema-edgeをcloneする
  git clone https://github.com/trema/trema-edge.git
  cd trema-edge
5.  Ruby 2.0.0-p0をインストールする
  rvm install ruby-2.0.0-p0
  rvm use 2.0.0-p0 -default
6.  trema-edgeをビルドする
  bundle install
  rake
  ./trema --version	
  
29	
取間	
  
Tremaの使い⽅方	
  
  コントローラをデーモンとして起動
  コントローラをネットワークエミュレータと起動
  ネットワークエミュレータを操作する	
  
trema run -d mycontroller.rb  	
  
trema run mycontroller.rb -c mynetwork.conf	
  
trema send_packets -source host1 -dest host2
trema show_stats host1 -r 	
  
30	
コントローラの書き⽅方	
  
 イベントハンドラを書いてあげる
 ネットワークの制御に必要な機能を実装する	
  
require ‘MyNetworkLib’
class MyController < Controller
periodic_timer_event: <定期実行イベントのハンドラ>, <間隔>
def <イベントハンドラ>
<イベント処理>
end
...
private
def <ネットワーク制御メソッド>
<ネットワーク制御処理>
end
...
end	
  
31	
イベントハンドラの例例	
  
handler	
   発⽣生条件	
  
start	
   コントローラ起動時	
  
switch_ready	
   OFスイッチが起動した	
  
switch_disconnected	
   OFスイッチが切切断された	
  
packet_in	
   Packet-Inが発⽣生した	
  
flow_removed	
   フローエントリが時効で削除された	
  
port_status	
   ポートの状態が変わった	
  
32	
スイッチの操作の例例	
  
handler	
   発⽣生条件	
  
send_flow_mod_add	
   フローエントリを追加する	
  
send_flow_mod_delete フローエントリを削除する	
  
send_flow_mod_modify	
   フローエントリを修正する	
  
send_packet_out	
   Packet-Outを発⽣生させる	
  
33	
コントローラの書き⽅方の例例	
  
class MyController < Controller
def switch_ready datapath_id
action = SendOutPort.new( port_number: OFPP_CONTROLLER, max_len: OFPCML_NO_BUFFER )
apply_ins = ApplyAction.new( actions: [ action ] )
send_flow_mod_add( datapath_id, priority: OFP_LOW_PRIORITY,
buffer_id: OFP_NO_BUFFER,
instructions: [ apply_ins ] )
end
def packet_in datapath_id, message
# ...
send_flow_mod_add(
datapath_id,
:match => Match.new( :in_port => message.in_port, ...),
:actions => [ StripVlanHeader.new, SendOutPort.new(port_no) ] )
send_packet_out(
datapath_id,
:packet_in => message )
end
# ...
end	
  
※内容に意味はありません	
  
Packet-Inを起こすアクション	
  
マッチするエントリがない場合は
Packet-Inを起こすように設定	
  
マッチングルールとアクションの対を
作成してフローテーブルに登録	
  
Packet-Inしたパケットを送り返す	
  
34	
MAC学習L2スイッチ (1/2)	
  
class LearningSwitch < Controller
def start
@fdb = FDB.new
end
def switch_ready datapath_id
action = SendOutPort.new( port_number: OFPP_CONTROLLER, max_len: OFPCML_NO_BUFFER )
ins = ApplyAction.new( actions: [ action ] )
send_flow_mod_add( datapath_id, priority: OFP_LOW_PRIORITY,
buffer_id: OFP_NO_BUFFER,
flags: OFPFF_SEND_FLOW_REM,
instructions: [ ins ] )
end
def packet_in datapath_id, message
@fdb.learn message.eth_src, message.in_port
port_no = @fdb.port_no_of( message.eth_dst )
if port_no
flow_mod datapath_id, message, port_no
packet_out datapath_id, message, port_no
else
flood datapath_id, message
end
end
⼊入⼒力力ポートでMACを学習	
  
出⼒力力ポートが決まったらフローを
登録してPacket-Out	
  
出⼒力力ポートが未学習だったら
フラッディングする	
  
デフォルトPacket-In	
  
35	
MAC学習L2スイッチ (2/2)	
  
private	
  
	
   def flow_mod datapath_id, message, port_no
action = SendOutPort.new( port_number: port_no )
ins = Instructions::ApplyAction.new( actions: [ action ] )
send_flow_mod_add( datapath_id, match: ExactMatch.from( message ),
instructions: [ ins ])
end
def packet_out datapath_id, message, port_no
action = Actions::SendOutPort.new( port_number: port_no )
send_packet_out( datapath_id, packet_in: message,
actions: [ action ] )
end
def flood datapath_id, message
packet_out datapath_id, message, OFPP_ALL
end
end
36	
ネットワークエミュレータの設定	
  
trema_switch( "lsw" ) {
datapath_id "0xabc"
}
vhost ("host1") {
ip "192.168.0.1"
netmask "255.255.0.0"
mac "00:00:00:01:00:01"
}
vhost ("host2") {
ip "192.168.0.2"
netmask "255.255.0.0"
mac "00:00:00:01:00:02"
}
link "host1", "lsw:1"
link "host2", "lsw:2"
Open vSwitch
lsw
Trema
Controller	
  
phost
host1
phost
host2
1	
   2	
  
37	
テスト駆動開発ができる!	
  
describe RepeaterHub do
it "は、⼊入ってきたパケットを他のすべてのポートに転送する" do
network {
vswitch( "switch" ) { dpid "0xabc" }
vhost( "host1" ) { promisc "on" }
vhost( "host2" ) { promisc "on" }
vhost( "host3" ) { promisc "on" }
link "switch", "host1"
link "switch", "host2"
link "switch", "host3"
}.run( RepeaterHub ) {
send_packets "host1", "host2"
# host2 と	
  host3 がひとつずつパケットを受け取る	
  
vhost( "host2" ).stats( :rx ).should have( 1 ).packets
vhost( "host3" ).stats( :rx ).should have( 1 ).packets
}
end
end
38	
ではさっそく	
  
なにか
作ってみよう	
  
39	
ロードバランサ
(超簡易易版)	
  
40	
こんなかんじで	
  
Client1
192.168.0.1	
  
Client2
192.168.0.2	
  
Client3
192.168.0.3	
  
Client4
192.168.0.4	
  
Client5
192.168.0.5	
  
Server1
10.0.0.1
00:00:00:00:00:01	
  
Server2
10.0.0.1
00:00:00:00:00:01	
  
Server3
10.0.0.1
00:00:00:00:00:01	
  
LB	
  
Trema	
  
41	
ポイント	
  
 サーバ側はIPアドレスもMACアドレスも同じ
 サーバ増やすの簡単だよ!
 従来のEthernet/IPの仕組みでは出来ないよ!
 クライアントの送信元IPアドレスで振り分け
 7タプルのハッシュができない
 アドレス下位8-bit (backet-size 256)で各サーバポー
トに振り分けるルールを登録しておく	
  
42	
demo	
  
43	
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44	
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