练习4-修改代码以启用IPv6路由

说明：本教程翻译自Next-Gen SDN Tutorial的Exercise 4 - Modify code to enable IPv6 routing，自用学习Docker-P4-ONOS

在本练习中，系统将要求您将更改应用于P4代码以及ONOS应用，以为不同子网中的主机启用IPv6路由。

实际上，我们的结构控制平面（即ONOS应用程序）假定给定子网的主机都连接到相同的叶子，并且两个不同叶子的两个接口不能配置相同的IPv6子网。换句话说，仅对连接到同一叶的主机允许L2桥接。为了能够ping通连接到不同叶子的不同主机，我们需要在数据平面中支持IPv6路由。

本教程中使用的Mininet脚本topo.py定义了4个子网：

2001:1:1::/64用3台主机连接到leaf1（h1a，h1b，和h1c）
2001:1:2::/641台主机连接到leaf1（h2）
2001:2:3::/641台主机连接到leaf2（h3）
2001:2:4::/641台主机连接到leaf2（h4）

topo.png

相同的IPv6前缀在netcfg.json文件中定义，并用于向交换机接口提供IPv6地址，即从主机角度来看的网关地址。我们的ONOS应用程序的目标是对交换机进行编程，使其表现得像传统的IPv6路由器。

不幸的是，我们提供给您的入门代码对IPv6路由的实现有误。您的任务是修复它。

为什么路由不起作用？

要找出原因，请使用Mininet CLI（make mn-cli）。ONOS和Mininet应该从上一个练习开始运行。如果不是这种情况，请返回练习3的步骤2。

让我们从ping通同一子网中的两个主机开始，例如h1a和h1b：

mininet> h1a ping h1b
PING 2001:1:1::b(2001:1:1::b) 56 data bytes
64 bytes from 2001:1:1::b: icmp_seq=1 ttl=64 time=1068 ms
64 bytes from 2001:1:1::b: icmp_seq=2 ttl=64 time=5.38 ms
64 bytes from 2001:1:1::b: icmp_seq=3 ttl=64 time=1.75 ms
...

对同一子网中的主机执行Ping操作。让我们尝试ping通不同子网中的主机，例如h2（IPv6地址为2001:1:2::1/64，位于2001:1:2::网络）和h1a（2001:1:1::a/64，位于2001:1:1::网络）：

mininet> h2 ping h1a
PING 2001:1:1::a(2001:1:1::a) 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
...

Ping不起作用。要找出原因并调试问题，让我们暂时让ping运行。

检查流规则和组

首先要做的是检查leaf1（两个主机都连接在哪里）具有所有必需的流规则和组，以在h2和h1a之间路由数据包。我们应该在中看到相关条目routing_v6_table。

打开ONOS CLI（make onos-cli）并转储以下条目routing_v6_table：

onos> flows -s any device:leaf1 | grep routing_v6_table

验证是否存在以下条目：

ADDED, bytes=0, packets=0, table=IngressPipeImpl.routing_v6_table, priority=10, selector=[hdr.ipv6.dst_addr=0x2001000100010000000000000000000a/128], treatment=[immediate=[GROUP:0x1a]]
...
ADDED, bytes=0, packets=0, table=IngressPipeImpl.routing_v6_table, priority=10, selector=[hdr.ipv6.dst_addr=0x20010001000200000000000000000001/128], treatment=[immediate=[GROUP:0x20]]

需要使用这些条目来路由具有目标IPv6地址h2（第一个条目）和h1a（第二个条目之一）的数据包。两个条目都有字节和数据包计数器，其值为0，这是可疑的，因为routing_v6_tableP4程序中将其定义为具有计数器，并且ONOS定期读取这些计数器。似乎没有数据包与这些条目匹配。可能是什么问题呢？

在h2的接口上dump数据包

虽然之间的中国平安h2和h1a运行，让我们用tcpdump来dump发送和接收的所有数据包h2。

在新的终端窗口上，键入以下命令：

util/mn-cmd h2 tcpdump -i h2-eth0 -n

mn-cmd实用程序可用于在Mininet主机的网络名称空间内运行任意命令。在这里，我们使用它在h2上启动tcpdump，指定将数据包转储出接口h2-eth0（h2中的唯一接口）。-n用于避免在数据包地址上进行DNS查找。

屏幕上应该显示路由不起作用的原因。

...
21:05:13.653869 IP6 2001:1:2::1 > ff02::1:ff00:ff: ICMP6, neighbor solicitation, who has 2001:1:2::ff, length 32
21:05:14.678054 IP6 2001:1:2::1 > ff02::1:ff00:ff: ICMP6, neighbor solicitation, who has 2001:1:2::ff, length 32
21:05:15.701769 IP6 2001:1:2::1 > ff02::1:ff00:ff: ICMP6, neighbor solicitation, who has 2001:1:2::ff, length 32
...

2001:1:2::ff是h2中配置的IPv6网关。为了对h1a进行ping操作，在这种情况下，h2需要将数据包发送到其网关2001:1:2::ff，但它无法获得相应网关的MAC地址。

如果你看一下netcfg.json文件，你会发现，2001:1:2::ff关联到leaf1的6端口的IPv6地址。

之前我们说过，我们的结构应该像传统的IPv6路由器一样工作，因此它应该能够回复连接的主机发送的邻居请求（NS）数据包，并生成带有交换机MAC地址（myStationMac）的邻居广告（NA）。不幸的是，对于交换机接口IPv6地址的NDP处理的实现是不完整的。您将需要修改P4程序以及ONOS应用才能使其正常运行。

为交换机接口IPv6地址实现NDP处理

我们已经提供了处理由连接到同一子网的主机交换的NDP NS和NA的方法（请参阅参考资料l2_ternary_table）。对于主机，Linux网络堆栈负责生成NDP NA答复。但是对于我们架构中的交换机，实在没有能用的Linux网络堆栈。

有多种解决此问题的方法：

我们可以为主机配置静态NDP条目，而无需交换机回复NDP NS数据包；
我们可以通过输入包拦截NDP NS，在ONOS中生成相应的NDP NA答复，然后通过输出包将其发送回去。还可以
我们可以指示交换机使用P4生成NDP NA答复。也就是说，我们可以编写P4代码来处理对NDP请求的答复，而无需控制平面的任何干预。

我们选择实现最后一个选项，以显示一个有趣的P4用例。

这个想法很简单，NDP NA数据包具有与NDP NS数据包相同的标头结构。它们都是具有不同报头字段值的ICMPv6数据包，例如不同的ICMPv6类型，不同的以太网地址等。知道NDP NS请求中找到的给定IPv6目标地址的MAC地址的交换机可以将同一数据包转换为NDP NA通过修改其某些字段来回复。

练习步骤

在下面，您将被要求：

修改P4程序以启用交换机内NDP NA生成；
运行PTF测试，以确保您的更改能够按预期进行，并避免出现退化；
修改ONOS应用程序以控制P4程序的NDP生成功能；
在Mininet上测试连接性。

1.修改P4程序

在p4src/main.p4的入口管道实现中，我们已经提供了一个名为ndp_ns_to_na的将NDP NS数据包转换为NDP NA数据包的动作。您的任务是实现使用此类操作的表。

该表应定义netcfg.json中提供接口的IPv6地址和myStationMac与每个交换机关联的接口IPv6地址（也在netcfg.json中定义）之间的映射。当收到一个NDP NS数据包，要求解析此类IPv6地址之一时，ndp_ns_to_na应使用给定的myStationMac作为参数调用该操作。ONOS应用程序将负责根据netcfg.json的内容在此表中插入条目。

开放p4src/main.p4;
寻找入口管道（control IngressPipeImpl）的实现；
在要求的地方修改代码（查找TODO EXERCISE 4）；
使用该make p4-build命令编译修改后的P4程序。在继续操作之前，请确保解决所有编译器错误。

2.运行PTF测试

在继续之前，让我们通过运行一些PTF测试来确保P4更改能够按预期进行。我们提供了一个用于NDP生成的测试用例，以及其他一些基本功能（例如，包输入/输出，桥接，路由等）的测试用例。运行PTF测试将为您的更改按预期工作提供一定的保证，而不会破坏其他部分。
在运行测试之前，您需要对测试用例实现进行一些简单的更改。

打开文件ptf/tests/ndp.py并在需要的地方进行修改（查找TODO EXERCISE 4）。该测试文件仅定义一个执行以下操作的测试用例：

在刚创建的表中插入一个条目；
向交换机发送NDP NS报文；
验证交换机是否发回正确填充的NDP NA。

您将需要通过填写刚刚创建的表的名称来修改测试用例。

要仅运行NDP测试用例：

make p4-test TEST=ndp

为确保新更改不会破坏其他功能，应使用以下命令运行所有测试：

make p4-test

如果所有测试成功，那么恭喜！您可以转到下一步。除此以外...

如何调试失败的测试？

运行PTF测试时，会产生多个文件，可用于发现错误：

ptf/bmv2.log：具有跟踪级别的BMv2日志（显示匹配的表以及每个数据包的其他信息）
ptf/ptf.pcap：包含测试期间发送和接收的所有数据包的PCAP文件（您可能需要安装Wireshark以便更直观地查看）
ptf/ptf.log：所有包操作（发送和接收）的PTF日志

3.修改ONOS应用

应用程序启动程序代码已经提供了一个组件，该组件负责控制P4程序中的NDP生成功能。该组件通过侦听设备事件来工作。当ONOS连接到新交换机时，它将查看网络配置（netcfg.json）以获取所有接口IPv6地址myStationMac，然后使用，该信息填充您刚刚创建的表。

在使用此组件之前，您需要进行一些修改才能使其与P4程序一起使用。例如，您需要提供刚创建的P4表的名称。

打开文件：app/src/main/java/org/onosproject/ngsdn/tutorial/NdpReplyComponent.java
根据需要修改（查找TODO EXERCISE 4）
使用命令构建ONOS应用（包括pipeconf）make app-build。

4.生成并重新加载应用

在ONOS运行时，使用以下命令重新加载您的应用程序：

$ make app-reload

第一次后重新加载应用

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。如果同一应用程序的另一个实例正在运行，该命令make app-reload将首先停用正在运行的实例并加载新实例。

要将更改应用于应用实现，请随意使用任意make app-build app-reload多次。该应用程序已包含在每次重新加载时从ONOS清除任何表条目和其他转发状态的逻辑。

验证ONOS日志

重新加载应用程序后，您应该看到消息，表明已设置了新的管道配置并NdpReplyComponent已将其激活：

INFO  [PiPipeconfManager] Unregistered pipeconf: org.onosproject.ngsdn-tutorial (fingerprint=...)
INFO  [PipeconfLoader] Found 1 outdated drivers for pipeconf 'org.onosproject.ngsdn-tutorial', removing...
INFO  [PiPipeconfManager] New pipeconf registered: org.onosproject.ngsdn-tutorial (fingerprint=...)
INFO  [PipelineConfigClientImpl] Setting pipeline config for device:leaf1 to org.onosproject.ngsdn-tutorial...
...
INFO  [MainComponent] Waiting to remove flows and groups from previous execution of org.onosproject.ngsdn-tutorial..
...
INFO  [MainComponent] Started
INFO  [NdpReplyComponent] Started
...
INFO  [NdpReplyComponent] *** NDP REPLY - Starting Initial set up for device:leaf1...
INFO  [NdpReplyComponent] Adding rules to device:leaf1 to generate NDP NA for 4 IPv6 interfaces...
INFO  [NdpReplyComponent] *** NDP REPLY - Starting Initial set up for device:spine1...
INFO  [NdpReplyComponent] device:spine1 does not have any IPv6 interface configured
INFO  [NdpReplyComponent] *** NDP REPLY - Starting Initial set up for device:spine2...
INFO  [NdpReplyComponent] device:spine2 does not have any IPv6 interface configured
INFO  [NdpReplyComponent] *** NDP REPLY - Starting Initial set up for device:leaf2...
INFO  [NdpReplyComponent] Adding rules to device:leaf2 to generate NDP NA for 2 IPv6 interfaces...
...

了解ONOS错误日志

在Mininet中尝试解决方案之前，值得查看一下ONOS日志中可能的错误。重新加载应用程序时可能会看到两种主要类型的错误：

写入错误，例如删除不存在的实体或插入已经存在的实体：
```
WARN  [WriteResponseImpl] Unable to DELETE PRE entry on device...: NOT_FOUND Multicast group does not exist ...
WARN  [WriteResponseImpl] Unable to INSERT table entry on device...: ALREADY_EXIST Match entry exists, use MODIFY if you wish to change action ...
```
这些通常是暂时性错误，您不必担心它们。它们描述了ONOS内部设备状态的暂时不一致，应通过定期对帐机制尽快恢复这种状态。ONOS核心会定期轮询设备状态，以确保其内部表示准确无误，同时将任何未决的修改写入设备，以解决这些错误。

否则，如果您看到它们定期出现（每3-4秒一次），则表示对帐过程不起作用，并且其他地方出了问题。尝试重新加载应用程序（make app-reload）；如果仍不能解决警告，请与教员联系。
转换错误，表示ONOS无法将应用程序生成的流规则（或组）转换为与P4Info兼容的表示形式。例如：
```
WARN  [P4RuntimeFlowRuleProgrammable] Unable to translate flow rule for pipeconf 'org.onosproject.ngsdn-tutorial':...
```
请仔细阅读错误消息并根据需要对应用进行更改。可能是您使用的表，匹配字段或操作名称不存在于P4Info中。检查您的P4Info文件，修改并重新加载应用程序（make app-build app-reload）。

5.在Mininet上测试IPv6路由

验证ping

如果您在运行h2和h1a之间留下了ping命令，请检查该终端窗口是否可以正常工作！

为了验证ping也适用于连接到不同叶子的主机，让我们依次使用以下命令在h2和h3之间开始新的ping：

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
...

在h3和h2之间执行ping操作有效。

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ONDP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，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> h2 ip -6 n
2001:2:3::ff dev h2-eth0 lladdr 00:aa:00:00:00:02 router REACHABLE

凡2001:2:3::ff在规定的IPv6网关地址netcfg.json和topo.py，和00:aa:00:00:00:02是myStationMac用于定义leaf2中netcfg.json。

6.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，因此无需在上启动iperf服务器h3。

要可视化流量，请从教程VM（例如Firefox）中打开浏览器到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拓扑视图的同一页面上：

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。

ECMP应该能按预期工作，因此您应该看到流量转发到两个通道，如下面的屏幕截图所示：

routing-ecmp.png

恭喜你！

您已经完成了这个练习！现在，您的结构可以在任何主机之间转发IPv6流量。

Ngsdn-Tutorial-Ⅳ