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  • Committer: Package Import Robot
  • Author(s): James Page
  • Date: 2015-08-10 11:35:15 UTC
  • mfrom: (1.1.30)
  • Revision ID: package-import@ubuntu.com-20150810113515-575vj06oq29emxsn
Tags: 2.4.0~git20150810.97bab95-0ubuntu1
* New upstream snapshot from 2.4 branch:
  - d/*: Align any relevant packaging changes with upstream.
* d/*: wrap-and-sort.
* d/openvswitch-{common,vswitch}.install: Correct install location for
  bash completion files.
* d/tests/openflow.py: Explicitly use ovs-testcontroller as provided
  by 2.4.0 release.

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removed removed

Lines of Context:
1
 
                     Design Decisions In Open vSwitch
2
 
                     ================================
3
 
 
4
 
This document describes design decisions that went into implementing
5
 
Open vSwitch.  While we believe these to be reasonable decisions, it is
6
 
impossible to predict how Open vSwitch will be used in all environments.
7
 
Understanding assumptions made by Open vSwitch is critical to a
8
 
successful deployment.  The end of this document contains contact
9
 
information that can be used to let us know how we can make Open vSwitch
10
 
more generally useful.
11
 
 
12
 
Asynchronous Messages
13
 
=====================
14
 
 
15
 
Over time, Open vSwitch has added many knobs that control whether a
16
 
given controller receives OpenFlow asynchronous messages.  This
17
 
section describes how all of these features interact.
18
 
 
19
 
First, a service controller never receives any asynchronous messages
20
 
unless it changes its miss_send_len from the service controller
21
 
default of zero in one of the following ways:
22
 
 
23
 
    - Sending an OFPT_SET_CONFIG message with nonzero miss_send_len.
24
 
 
25
 
    - Sending any NXT_SET_ASYNC_CONFIG message: as a side effect, this
26
 
      message changes the miss_send_len to
27
 
      OFP_DEFAULT_MISS_SEND_LEN (128) for service controllers.
28
 
 
29
 
Second, OFPT_FLOW_REMOVED and NXT_FLOW_REMOVED messages are generated
30
 
only if the flow that was removed had the OFPFF_SEND_FLOW_REM flag
31
 
set.
32
 
 
33
 
Third, OFPT_PACKET_IN and NXT_PACKET_IN messages are sent only to
34
 
OpenFlow controller connections that have the correct connection ID
35
 
(see "struct nx_controller_id" and "struct nx_action_controller"):
36
 
 
37
 
    - For packet-in messages generated by a NXAST_CONTROLLER action,
38
 
      the controller ID specified in the action.
39
 
 
40
 
    - For other packet-in messages, controller ID zero.  (This is the
41
 
      default ID when an OpenFlow controller does not configure one.)
42
 
 
43
 
Finally, Open vSwitch consults a per-connection table indexed by the
44
 
message type, reason code, and current role.  The following table
45
 
shows how this table is initialized by default when an OpenFlow
46
 
connection is made.  An entry labeled "yes" means that the message is
47
 
sent, an entry labeled "---" means that the message is suppressed.
48
 
 
49
 
                                             master/
50
 
  message and reason code                     other     slave
51
 
  ----------------------------------------   -------    -----
52
 
  OFPT_PACKET_IN / NXT_PACKET_IN
53
 
    OFPR_NO_MATCH                              yes       ---
54
 
    OFPR_ACTION                                yes       ---
55
 
    OFPR_INVALID_TTL                           ---       ---
56
 
 
57
 
  OFPT_FLOW_REMOVED / NXT_FLOW_REMOVED
58
 
    OFPRR_IDLE_TIMEOUT                         yes       ---
59
 
    OFPRR_HARD_TIMEOUT                         yes       ---
60
 
    OFPRR_DELETE                               yes       ---
61
 
 
62
 
  OFPT_PORT_STATUS
63
 
    OFPPR_ADD                                  yes       yes
64
 
    OFPPR_DELETE                               yes       yes
65
 
    OFPPR_MODIFY                               yes       yes
66
 
 
67
 
The NXT_SET_ASYNC_CONFIG message directly sets all of the values in
68
 
this table for the current connection.  The
69
 
OFPC_INVALID_TTL_TO_CONTROLLER bit in the OFPT_SET_CONFIG message
70
 
controls the setting for OFPR_INVALID_TTL for the "master" role.
71
 
 
72
 
 
73
 
OFPAT_ENQUEUE
74
 
=============
75
 
 
76
 
The OpenFlow 1.0 specification requires the output port of the OFPAT_ENQUEUE
77
 
action to "refer to a valid physical port (i.e. < OFPP_MAX) or OFPP_IN_PORT".
78
 
Although OFPP_LOCAL is not less than OFPP_MAX, it is an 'internal' port which
79
 
can have QoS applied to it in Linux.  Since we allow the OFPAT_ENQUEUE to apply
80
 
to 'internal' ports whose port numbers are less than OFPP_MAX, we interpret
81
 
OFPP_LOCAL as a physical port and support OFPAT_ENQUEUE on it as well.
82
 
 
83
 
 
84
 
OFPT_FLOW_MOD
85
 
=============
86
 
 
87
 
The OpenFlow specification for the behavior of OFPT_FLOW_MOD is
88
 
confusing.  The following tables summarize the Open vSwitch
89
 
implementation of its behavior in the following categories:
90
 
 
91
 
    - "match on priority": Whether the flow_mod acts only on flows
92
 
      whose priority matches that included in the flow_mod message.
93
 
 
94
 
    - "match on out_port": Whether the flow_mod acts only on flows
95
 
      that output to the out_port included in the flow_mod message (if
96
 
      out_port is not OFPP_NONE).  OpenFlow 1.1 and later have a
97
 
      similar feature (not listed separately here) for out_group.
98
 
 
99
 
    - "match on flow_cookie": Whether the flow_mod acts only on flows
100
 
      whose flow_cookie matches an optional controller-specified value
101
 
      and mask.
102
 
 
103
 
    - "updates flow_cookie": Whether the flow_mod changes the
104
 
      flow_cookie of the flow or flows that it matches to the
105
 
      flow_cookie included in the flow_mod message.
106
 
 
107
 
    - "updates OFPFF_ flags": Whether the flow_mod changes the
108
 
      OFPFF_SEND_FLOW_REM flag of the flow or flows that it matches to
109
 
      the setting included in the flags of the flow_mod message.
110
 
 
111
 
    - "honors OFPFF_CHECK_OVERLAP": Whether the OFPFF_CHECK_OVERLAP
112
 
      flag in the flow_mod is significant.
113
 
 
114
 
    - "updates idle_timeout" and "updates hard_timeout": Whether the
115
 
      idle_timeout and hard_timeout in the flow_mod, respectively,
116
 
      have an effect on the flow or flows matched by the flow_mod.
117
 
 
118
 
    - "updates idle timer": Whether the flow_mod resets the per-flow
119
 
      timer that measures how long a flow has been idle.
120
 
 
121
 
    - "updates hard timer": Whether the flow_mod resets the per-flow
122
 
      timer that measures how long it has been since a flow was
123
 
      modified.
124
 
 
125
 
    - "zeros counters": Whether the flow_mod resets per-flow packet
126
 
      and byte counters to zero.
127
 
 
128
 
    - "may add a new flow": Whether the flow_mod may add a new flow to
129
 
      the flow table.  (Obviously this is always true for "add"
130
 
      commands but in some OpenFlow versions "modify" and
131
 
      "modify-strict" can also add new flows.)
132
 
 
133
 
    - "sends flow_removed message": Whether the flow_mod generates a
134
 
      flow_removed message for the flow or flows that it affects.
135
 
 
136
 
An entry labeled "yes" means that the flow mod type does have the
137
 
indicated behavior, "---" means that it does not, an empty cell means
138
 
that the property is not applicable, and other values are explained
139
 
below the table.
140
 
 
141
 
OpenFlow 1.0
142
 
------------
143
 
 
144
 
                                          MODIFY          DELETE
145
 
                             ADD  MODIFY  STRICT  DELETE  STRICT
146
 
                             ===  ======  ======  ======  ======
147
 
match on priority            yes    ---     yes     ---     yes
148
 
match on out_port            ---    ---     ---     yes     yes
149
 
match on flow_cookie         ---    ---     ---     ---     ---
150
 
match on table_id            ---    ---     ---     ---     ---
151
 
controller chooses table_id  ---    ---     ---
152
 
updates flow_cookie          yes    yes     yes
153
 
updates OFPFF_SEND_FLOW_REM  yes     +       +
154
 
honors OFPFF_CHECK_OVERLAP   yes     +       +
155
 
updates idle_timeout         yes     +       +
156
 
updates hard_timeout         yes     +       +
157
 
resets idle timer            yes     +       +
158
 
resets hard timer            yes    yes     yes
159
 
zeros counters               yes     +       +
160
 
may add a new flow           yes    yes     yes
161
 
sends flow_removed message   ---    ---     ---      %       %
162
 
 
163
 
(+) "modify" and "modify-strict" only take these actions when they
164
 
    create a new flow, not when they update an existing flow.
165
 
 
166
 
(%) "delete" and "delete_strict" generates a flow_removed message if
167
 
    the deleted flow or flows have the OFPFF_SEND_FLOW_REM flag set.
168
 
    (Each controller can separately control whether it wants to
169
 
    receive the generated messages.)
170
 
 
171
 
OpenFlow 1.1
172
 
------------
173
 
 
174
 
OpenFlow 1.1 makes these changes:
175
 
 
176
 
    - The controller now must specify the table_id of the flow match
177
 
      searched and into which a flow may be inserted.  Behavior for a
178
 
      table_id of 255 is undefined.
179
 
 
180
 
    - A flow_mod, except an "add", can now match on the flow_cookie.
181
 
 
182
 
    - When a flow_mod matches on the flow_cookie, "modify" and
183
 
      "modify-strict" never insert a new flow.
184
 
 
185
 
                                          MODIFY          DELETE
186
 
                             ADD  MODIFY  STRICT  DELETE  STRICT
187
 
                             ===  ======  ======  ======  ======
188
 
match on priority            yes    ---     yes     ---     yes
189
 
match on out_port            ---    ---     ---     yes     yes
190
 
match on flow_cookie         ---    yes     yes     yes     yes
191
 
match on table_id            yes    yes     yes     yes     yes
192
 
controller chooses table_id  yes    yes     yes
193
 
updates flow_cookie          yes    ---     ---
194
 
updates OFPFF_SEND_FLOW_REM  yes     +       +
195
 
honors OFPFF_CHECK_OVERLAP   yes     +       +
196
 
updates idle_timeout         yes     +       +
197
 
updates hard_timeout         yes     +       +
198
 
resets idle timer            yes     +       +
199
 
resets hard timer            yes    yes     yes
200
 
zeros counters               yes     +       +
201
 
may add a new flow           yes     #       #
202
 
sends flow_removed message   ---    ---     ---      %       %
203
 
 
204
 
(+) "modify" and "modify-strict" only take these actions when they
205
 
    create a new flow, not when they update an existing flow.
206
 
 
207
 
(%) "delete" and "delete_strict" generates a flow_removed message if
208
 
    the deleted flow or flows have the OFPFF_SEND_FLOW_REM flag set.
209
 
    (Each controller can separately control whether it wants to
210
 
    receive the generated messages.)
211
 
 
212
 
(#) "modify" and "modify-strict" only add a new flow if the flow_mod
213
 
    does not match on any bits of the flow cookie
214
 
 
215
 
OpenFlow 1.2
216
 
------------
217
 
 
218
 
OpenFlow 1.2 makes these changes:
219
 
 
220
 
    - Only "add" commands ever add flows, "modify" and "modify-strict"
221
 
      never do.
222
 
 
223
 
    - A new flag OFPFF_RESET_COUNTS now controls whether "modify" and
224
 
      "modify-strict" reset counters, whereas previously they never
225
 
      reset counters (except when they inserted a new flow).
226
 
 
227
 
                                          MODIFY          DELETE
228
 
                             ADD  MODIFY  STRICT  DELETE  STRICT
229
 
                             ===  ======  ======  ======  ======
230
 
match on priority            yes    ---     yes     ---     yes
231
 
match on out_port            ---    ---     ---     yes     yes
232
 
match on flow_cookie         ---    yes     yes     yes     yes
233
 
match on table_id            yes    yes     yes     yes     yes
234
 
controller chooses table_id  yes    yes     yes
235
 
updates flow_cookie          yes    ---     ---
236
 
updates OFPFF_SEND_FLOW_REM  yes    ---     ---
237
 
honors OFPFF_CHECK_OVERLAP   yes    ---     ---
238
 
updates idle_timeout         yes    ---     ---
239
 
updates hard_timeout         yes    ---     ---
240
 
resets idle timer            yes    ---     ---
241
 
resets hard timer            yes    yes     yes
242
 
zeros counters               yes     &       &
243
 
may add a new flow           yes    ---     ---
244
 
sends flow_removed message   ---    ---     ---      %       %
245
 
 
246
 
(%) "delete" and "delete_strict" generates a flow_removed message if
247
 
    the deleted flow or flows have the OFPFF_SEND_FLOW_REM flag set.
248
 
    (Each controller can separately control whether it wants to
249
 
    receive the generated messages.)
250
 
 
251
 
(&) "modify" and "modify-strict" reset counters if the
252
 
    OFPFF_RESET_COUNTS flag is specified.
253
 
 
254
 
OpenFlow 1.3
255
 
------------
256
 
 
257
 
OpenFlow 1.3 makes these changes:
258
 
 
259
 
    - Behavior for a table_id of 255 is now defined, for "delete" and
260
 
      "delete-strict" commands, as meaning to delete from all tables.
261
 
      A table_id of 255 is now explicitly invalid for other commands.
262
 
 
263
 
    - New flags OFPFF_NO_PKT_COUNTS and OFPFF_NO_BYT_COUNTS for "add"
264
 
      operations.
265
 
 
266
 
The table for 1.3 is the same as the one shown above for 1.2.
267
 
 
268
 
 
269
 
OpenFlow 1.4
270
 
------------
271
 
 
272
 
OpenFlow 1.4 does not change flow_mod semantics.
273
 
 
274
 
 
275
 
OFPT_PACKET_IN
276
 
==============
277
 
 
278
 
The OpenFlow 1.1 specification for OFPT_PACKET_IN is confusing.  The
279
 
definition in OF1.1 openflow.h is[*]:
280
 
 
281
 
  /* Packet received on port (datapath -> controller). */
282
 
  struct ofp_packet_in {
283
 
      struct ofp_header header;
284
 
      uint32_t buffer_id;     /* ID assigned by datapath. */
285
 
      uint32_t in_port;       /* Port on which frame was received. */
286
 
      uint32_t in_phy_port;   /* Physical Port on which frame was received. */
287
 
      uint16_t total_len;     /* Full length of frame. */
288
 
      uint8_t reason;         /* Reason packet is being sent (one of OFPR_*) */
289
 
      uint8_t table_id;       /* ID of the table that was looked up */
290
 
      uint8_t data[0];        /* Ethernet frame, halfway through 32-bit word,
291
 
                                 so the IP header is 32-bit aligned.  The
292
 
                                 amount of data is inferred from the length
293
 
                                 field in the header.  Because of padding,
294
 
                                 offsetof(struct ofp_packet_in, data) ==
295
 
                                 sizeof(struct ofp_packet_in) - 2. */
296
 
  };
297
 
  OFP_ASSERT(sizeof(struct ofp_packet_in) == 24);
298
 
 
299
 
The confusing part is the comment on the data[] member.  This comment
300
 
is a leftover from OF1.0 openflow.h, in which the comment was correct:
301
 
sizeof(struct ofp_packet_in) is 20 in OF1.0 and offsetof(struct
302
 
ofp_packet_in, data) is 18.  When OF1.1 was written, the structure
303
 
members were changed but the comment was carelessly not updated, and
304
 
the comment became wrong: sizeof(struct ofp_packet_in) and
305
 
offsetof(struct ofp_packet_in, data) are both 24 in OF1.1.
306
 
 
307
 
That leaves the question of how to implement ofp_packet_in in OF1.1.
308
 
The OpenFlow reference implementation for OF1.1 does not include any
309
 
padding, that is, the first byte of the encapsulated frame immediately
310
 
follows the 'table_id' member without a gap.  Open vSwitch therefore
311
 
implements it the same way for compatibility.
312
 
 
313
 
For an earlier discussion, please see the thread archived at:
314
 
https://mailman.stanford.edu/pipermail/openflow-discuss/2011-August/002604.html
315
 
 
316
 
[*] The quoted definition is directly from OF1.1.  Definitions used
317
 
    inside OVS omit the 8-byte ofp_header members, so the sizes in
318
 
    this discussion are 8 bytes larger than those declared in OVS
319
 
    header files.
320
 
 
321
 
 
322
 
VLAN Matching
323
 
=============
324
 
 
325
 
The 802.1Q VLAN header causes more trouble than any other 4 bytes in
326
 
networking.  More specifically, three versions of OpenFlow and Open
327
 
vSwitch have among them four different ways to match the contents and
328
 
presence of the VLAN header.  The following table describes how each
329
 
version works.
330
 
 
331
 
       Match        NXM        OF1.0        OF1.1         OF1.2
332
 
       -----  ---------  -----------  -----------  ------------
333
 
         [1]  0000/0000  ????/1,??/?  ????/1,??/?  0000/0000,--
334
 
         [2]  0000/ffff  ffff/0,??/?  ffff/0,??/?  0000/ffff,--
335
 
         [3]  1xxx/1fff  0xxx/0,??/1  0xxx/0,??/1  1xxx/ffff,--
336
 
         [4]  z000/f000  ????/1,0y/0  fffe/0,0y/0  1000/1000,0y
337
 
         [5]  zxxx/ffff  0xxx/0,0y/0  0xxx/0,0y/0  1xxx/ffff,0y
338
 
         [6]  0000/0fff    <none>       <none>        <none>
339
 
         [7]  0000/f000    <none>       <none>        <none>
340
 
         [8]  0000/efff    <none>       <none>        <none>
341
 
         [9]  1001/1001    <none>       <none>     1001/1001,--
342
 
        [10]  3000/3000    <none>       <none>        <none>
343
 
 
344
 
Each column is interpreted as follows.
345
 
 
346
 
    - Match: See the list below.
347
 
 
348
 
    - NXM: xxxx/yyyy means NXM_OF_VLAN_TCI_W with value xxxx and mask
349
 
      yyyy.  A mask of 0000 is equivalent to omitting
350
 
      NXM_OF_VLAN_TCI(_W), a mask of ffff is equivalent to
351
 
      NXM_OF_VLAN_TCI.
352
 
 
353
 
    - OF1.0 and OF1.1: wwww/x,yy/z means dl_vlan wwww, OFPFW_DL_VLAN
354
 
      x, dl_vlan_pcp yy, and OFPFW_DL_VLAN_PCP z.  ? means that the
355
 
      given nibble is ignored (and conventionally 0 for wwww or yy,
356
 
      conventionally 1 for x or z).  <none> means that the given match
357
 
      is not supported.
358
 
 
359
 
    - OF1.2: xxxx/yyyy,zz means OXM_OF_VLAN_VID_W with value xxxx and
360
 
      mask yyyy, and OXM_OF_VLAN_PCP (which is not maskable) with
361
 
      value zz.  A mask of 0000 is equivalent to omitting
362
 
      OXM_OF_VLAN_VID(_W), a mask of ffff is equivalent to
363
 
      OXM_OF_VLAN_VID.  -- means that OXM_OF_VLAN_PCP is omitted.
364
 
      <none> means that the given match is not supported.
365
 
 
366
 
The matches are:
367
 
 
368
 
 [1] Matches any packet, that is, one without an 802.1Q header or with
369
 
     an 802.1Q header with any TCI value.
370
 
 
371
 
 [2] Matches only packets without an 802.1Q header.
372
 
 
373
 
     NXM: Any match with (vlan_tci == 0) and (vlan_tci_mask & 0x1000)
374
 
     != 0 is equivalent to the one listed in the table.
375
 
 
376
 
     OF1.0: The spec doesn't define behavior if dl_vlan is set to
377
 
     0xffff and OFPFW_DL_VLAN_PCP is not set.
378
 
 
379
 
     OF1.1: The spec says explicitly to ignore dl_vlan_pcp when
380
 
     dl_vlan is set to 0xffff.
381
 
 
382
 
     OF1.2: The spec doesn't say what should happen if (vlan_vid == 0)
383
 
     and (vlan_vid_mask & 0x1000) != 0 but (vlan_vid_mask != 0x1000),
384
 
     but it would be straightforward to also interpret as [2].
385
 
 
386
 
 [3] Matches only packets that have an 802.1Q header with VID xxx (and
387
 
     any PCP).
388
 
 
389
 
 [4] Matches only packets that have an 802.1Q header with PCP y (and
390
 
     any VID).
391
 
 
392
 
     NXM: z is ((y << 1) | 1).
393
 
 
394
 
     OF1.0: The spec isn't very clear, but OVS implements it this way.
395
 
 
396
 
     OF1.2: Presumably other masks such that (vlan_vid_mask & 0x1fff)
397
 
     == 0x1000 would also work, but the spec doesn't define their
398
 
     behavior.
399
 
 
400
 
 [5] Matches only packets that have an 802.1Q header with VID xxx and
401
 
     PCP y.
402
 
 
403
 
     NXM: z is ((y << 1) | 1).
404
 
 
405
 
     OF1.2: Presumably other masks such that (vlan_vid_mask & 0x1fff)
406
 
     == 0x1fff would also work.
407
 
 
408
 
 [6] Matches packets with no 802.1Q header or with an 802.1Q header
409
 
     with a VID of 0.  Only possible with NXM.
410
 
 
411
 
 [7] Matches packets with no 802.1Q header or with an 802.1Q header
412
 
     with a PCP of 0.  Only possible with NXM.
413
 
 
414
 
 [8] Matches packets with no 802.1Q header or with an 802.1Q header
415
 
     with both VID and PCP of 0.  Only possible with NXM.
416
 
 
417
 
 [9] Matches only packets that have an 802.1Q header with an
418
 
     odd-numbered VID (and any PCP).  Only possible with NXM and
419
 
     OF1.2.  (This is just an example; one can match on any desired
420
 
     VID bit pattern.)
421
 
 
422
 
[10] Matches only packets that have an 802.1Q header with an
423
 
     odd-numbered PCP (and any VID).  Only possible with NXM.  (This
424
 
     is just an example; one can match on any desired VID bit
425
 
     pattern.)
426
 
 
427
 
Additional notes:
428
 
 
429
 
    - OF1.2: The top three bits of OXM_OF_VLAN_VID are fixed to zero,
430
 
      so bits 13, 14, and 15 in the masks listed in the table may be
431
 
      set to arbitrary values, as long as the corresponding value bits
432
 
      are also zero.  The suggested ffff mask for [2], [3], and [5]
433
 
      allows a shorter OXM representation (the mask is omitted) than
434
 
      the minimal 1fff mask.
435
 
 
436
 
 
437
 
Flow Cookies
438
 
============
439
 
 
440
 
OpenFlow 1.0 and later versions have the concept of a "flow cookie",
441
 
which is a 64-bit integer value attached to each flow.  The treatment
442
 
of the flow cookie has varied greatly across OpenFlow versions,
443
 
however.
444
 
 
445
 
In OpenFlow 1.0:
446
 
 
447
 
        - OFPFC_ADD set the cookie in the flow that it added.
448
 
 
449
 
        - OFPFC_MODIFY and OFPFC_MODIFY_STRICT updated the cookie for
450
 
          the flow or flows that it modified.
451
 
 
452
 
        - OFPST_FLOW messages included the flow cookie.
453
 
 
454
 
        - OFPT_FLOW_REMOVED messages reported the cookie of the flow
455
 
          that was removed.
456
 
 
457
 
OpenFlow 1.1 made the following changes:
458
 
 
459
 
        - Flow mod operations OFPFC_MODIFY, OFPFC_MODIFY_STRICT,
460
 
          OFPFC_DELETE, and OFPFC_DELETE_STRICT, plus flow stats
461
 
          requests and aggregate stats requests, gained the ability to
462
 
          match on flow cookies with an arbitrary mask.
463
 
 
464
 
        - OFPFC_MODIFY and OFPFC_MODIFY_STRICT were changed to add a
465
 
          new flow, in the case of no match, only if the flow table
466
 
          modification operation did not match on the cookie field.
467
 
          (In OpenFlow 1.0, modify operations always added a new flow
468
 
          when there was no match.)
469
 
 
470
 
        - OFPFC_MODIFY and OFPFC_MODIFY_STRICT no longer updated flow
471
 
          cookies.
472
 
 
473
 
OpenFlow 1.2 made the following changes:
474
 
 
475
 
        - OFPC_MODIFY and OFPFC_MODIFY_STRICT were changed to never
476
 
          add a new flow, regardless of whether the flow cookie was
477
 
          used for matching.
478
 
 
479
 
Open vSwitch support for OpenFlow 1.0 implements the OpenFlow 1.0
480
 
behavior with the following extensions:
481
 
 
482
 
        - An NXM extension field NXM_NX_COOKIE(_W) allows the NXM
483
 
          versions of OFPFC_MODIFY, OFPFC_MODIFY_STRICT, OFPFC_DELETE,
484
 
          and OFPFC_DELETE_STRICT flow_mods, plus flow stats requests
485
 
          and aggregate stats requests, to match on flow cookies with
486
 
          arbitrary masks.  This is much like the equivalent OpenFlow
487
 
          1.1 feature.
488
 
 
489
 
        - Like OpenFlow 1.1, OFPC_MODIFY and OFPFC_MODIFY_STRICT add a
490
 
          new flow if there is no match and the mask is zero (or not
491
 
          given).
492
 
 
493
 
        - The "cookie" field in OFPT_FLOW_MOD and NXT_FLOW_MOD messages
494
 
          is used as the cookie value for OFPFC_ADD commands, as
495
 
          described in OpenFlow 1.0.  For OFPFC_MODIFY and
496
 
          OFPFC_MODIFY_STRICT commands, the "cookie" field is used as a
497
 
          new cookie for flows that match unless it is UINT64_MAX, in
498
 
          which case the flow's cookie is not updated.
499
 
 
500
 
        - NXT_PACKET_IN (the Nicira extended version of
501
 
          OFPT_PACKET_IN) reports the cookie of the rule that
502
 
          generated the packet, or all-1-bits if no rule generated the
503
 
          packet.  (Older versions of OVS used all-0-bits instead of
504
 
          all-1-bits.)
505
 
 
506
 
The following table shows the handling of different protocols when
507
 
receiving OFPFC_MODIFY and OFPFC_MODIFY_STRICT messages.  A mask of 0
508
 
indicates either an explicit mask of zero or an implicit one by not
509
 
specifying the NXM_NX_COOKIE(_W) field.
510
 
 
511
 
                Match   Update   Add on miss   Add on miss
512
 
                cookie  cookie     mask!=0       mask==0
513
 
                ======  ======   ===========   ===========
514
 
OpenFlow 1.0      no     yes        <always add on miss>
515
 
OpenFlow 1.1     yes      no          no           yes
516
 
OpenFlow 1.2     yes      no          no            no
517
 
NXM              yes     yes*         no           yes
518
 
 
519
 
* Updates the flow's cookie unless the "cookie" field is UINT64_MAX.
520
 
 
521
 
 
522
 
Multiple Table Support
523
 
======================
524
 
 
525
 
OpenFlow 1.0 has only rudimentary support for multiple flow tables.
526
 
Notably, OpenFlow 1.0 does not allow the controller to specify the
527
 
flow table to which a flow is to be added.  Open vSwitch adds an
528
 
extension for this purpose, which is enabled on a per-OpenFlow
529
 
connection basis using the NXT_FLOW_MOD_TABLE_ID message.  When the
530
 
extension is enabled, the upper 8 bits of the 'command' member in an
531
 
OFPT_FLOW_MOD or NXT_FLOW_MOD message designates the table to which a
532
 
flow is to be added.
533
 
 
534
 
The Open vSwitch software switch implementation offers 255 flow
535
 
tables.  On packet ingress, only the first flow table (table 0) is
536
 
searched, and the contents of the remaining tables are not considered
537
 
in any way.  Tables other than table 0 only come into play when an
538
 
NXAST_RESUBMIT_TABLE action specifies another table to search.
539
 
 
540
 
Tables 128 and above are reserved for use by the switch itself.
541
 
Controllers should use only tables 0 through 127.
542
 
 
543
 
 
544
 
IPv6
545
 
====
546
 
 
547
 
Open vSwitch supports stateless handling of IPv6 packets.  Flows can be
548
 
written to support matching TCP, UDP, and ICMPv6 headers within an IPv6
549
 
packet.  Deeper matching of some Neighbor Discovery messages is also
550
 
supported.
551
 
 
552
 
IPv6 was not designed to interact well with middle-boxes.  This,
553
 
combined with Open vSwitch's stateless nature, have affected the
554
 
processing of IPv6 traffic, which is detailed below.
555
 
 
556
 
Extension Headers
557
 
-----------------
558
 
 
559
 
The base IPv6 header is incredibly simple with the intention of only
560
 
containing information relevant for routing packets between two
561
 
endpoints.  IPv6 relies heavily on the use of extension headers to
562
 
provide any other functionality.  Unfortunately, the extension headers
563
 
were designed in such a way that it is impossible to move to the next
564
 
header (including the layer-4 payload) unless the current header is
565
 
understood.
566
 
 
567
 
Open vSwitch will process the following extension headers and continue
568
 
to the next header:
569
 
 
570
 
    * Fragment (see the next section)
571
 
    * AH (Authentication Header)
572
 
    * Hop-by-Hop Options
573
 
    * Routing
574
 
    * Destination Options
575
 
 
576
 
When a header is encountered that is not in that list, it is considered
577
 
"terminal".  A terminal header's IPv6 protocol value is stored in
578
 
"nw_proto" for matching purposes.  If a terminal header is TCP, UDP, or
579
 
ICMPv6, the packet will be further processed in an attempt to extract
580
 
layer-4 information.
581
 
 
582
 
Fragments
583
 
---------
584
 
 
585
 
IPv6 requires that every link in the internet have an MTU of 1280 octets
586
 
or greater (RFC 2460).  As such, a terminal header (as described above in
587
 
"Extension Headers") in the first fragment should generally be
588
 
reachable.  In this case, the terminal header's IPv6 protocol type is
589
 
stored in the "nw_proto" field for matching purposes.  If a terminal
590
 
header cannot be found in the first fragment (one with a fragment offset
591
 
of zero), the "nw_proto" field is set to 0.  Subsequent fragments (those
592
 
with a non-zero fragment offset) have the "nw_proto" field set to the
593
 
IPv6 protocol type for fragments (44).
594
 
 
595
 
Jumbograms
596
 
----------
597
 
 
598
 
An IPv6 jumbogram (RFC 2675) is a packet containing a payload longer
599
 
than 65,535 octets.  A jumbogram is only relevant in subnets with a link
600
 
MTU greater than 65,575 octets, and are not required to be supported on
601
 
nodes that do not connect to link with such large MTUs.  Currently, Open
602
 
vSwitch doesn't process jumbograms.
603
 
 
604
 
 
605
 
In-Band Control
606
 
===============
607
 
 
608
 
Motivation
609
 
----------
610
 
 
611
 
An OpenFlow switch must establish and maintain a TCP network
612
 
connection to its controller.  There are two basic ways to categorize
613
 
the network that this connection traverses: either it is completely
614
 
separate from the one that the switch is otherwise controlling, or its
615
 
path may overlap the network that the switch controls.  We call the
616
 
former case "out-of-band control", the latter case "in-band control".
617
 
 
618
 
Out-of-band control has the following benefits:
619
 
 
620
 
    - Simplicity: Out-of-band control slightly simplifies the switch
621
 
      implementation.
622
 
 
623
 
    - Reliability: Excessive switch traffic volume cannot interfere
624
 
      with control traffic.
625
 
 
626
 
    - Integrity: Machines not on the control network cannot
627
 
      impersonate a switch or a controller.
628
 
 
629
 
    - Confidentiality: Machines not on the control network cannot
630
 
      snoop on control traffic.
631
 
 
632
 
In-band control, on the other hand, has the following advantages:
633
 
 
634
 
    - No dedicated port: There is no need to dedicate a physical
635
 
      switch port to control, which is important on switches that have
636
 
      few ports (e.g. wireless routers, low-end embedded platforms).
637
 
 
638
 
    - No dedicated network: There is no need to build and maintain a
639
 
      separate control network.  This is important in many
640
 
      environments because it reduces proliferation of switches and
641
 
      wiring.
642
 
 
643
 
Open vSwitch supports both out-of-band and in-band control.  This
644
 
section describes the principles behind in-band control.  See the
645
 
description of the Controller table in ovs-vswitchd.conf.db(5) to
646
 
configure OVS for in-band control.
647
 
 
648
 
Principles
649
 
----------
650
 
 
651
 
The fundamental principle of in-band control is that an OpenFlow
652
 
switch must recognize and switch control traffic without involving the
653
 
OpenFlow controller.  All the details of implementing in-band control
654
 
are special cases of this principle.
655
 
 
656
 
The rationale for this principle is simple.  If the switch does not
657
 
handle in-band control traffic itself, then it will be caught in a
658
 
contradiction: it must contact the controller, but it cannot, because
659
 
only the controller can set up the flows that are needed to contact
660
 
the controller.
661
 
 
662
 
The following points describe important special cases of this
663
 
principle.
664
 
 
665
 
   - In-band control must be implemented regardless of whether the
666
 
     switch is connected.
667
 
 
668
 
     It is tempting to implement the in-band control rules only when
669
 
     the switch is not connected to the controller, using the
670
 
     reasoning that the controller should have complete control once
671
 
     it has established a connection with the switch.
672
 
 
673
 
     This does not work in practice.  Consider the case where the
674
 
     switch is connected to the controller.  Occasionally it can
675
 
     happen that the controller forgets or otherwise needs to obtain
676
 
     the MAC address of the switch.  To do so, the controller sends a
677
 
     broadcast ARP request.  A switch that implements the in-band
678
 
     control rules only when it is disconnected will then send an
679
 
     OFPT_PACKET_IN message up to the controller.  The controller will
680
 
     be unable to respond, because it does not know the MAC address of
681
 
     the switch.  This is a deadlock situation that can only be
682
 
     resolved by the switch noticing that its connection to the
683
 
     controller has hung and reconnecting.
684
 
 
685
 
   - In-band control must override flows set up by the controller.
686
 
 
687
 
     It is reasonable to assume that flows set up by the OpenFlow
688
 
     controller should take precedence over in-band control, on the
689
 
     basis that the controller should be in charge of the switch.
690
 
 
691
 
     Again, this does not work in practice.  Reasonable controller
692
 
     implementations may set up a "last resort" fallback rule that
693
 
     wildcards every field and, e.g., sends it up to the controller or
694
 
     discards it.  If a controller does that, then it will isolate
695
 
     itself from the switch.
696
 
 
697
 
   - The switch must recognize all control traffic.
698
 
 
699
 
     The fundamental principle of in-band control states, in part,
700
 
     that a switch must recognize control traffic without involving
701
 
     the OpenFlow controller.  More specifically, the switch must
702
 
     recognize *all* control traffic.  "False negatives", that is,
703
 
     packets that constitute control traffic but that the switch does
704
 
     not recognize as control traffic, lead to control traffic storms.
705
 
 
706
 
     Consider an OpenFlow switch that only recognizes control packets
707
 
     sent to or from that switch.  Now suppose that two switches of
708
 
     this type, named A and B, are connected to ports on an Ethernet
709
 
     hub (not a switch) and that an OpenFlow controller is connected
710
 
     to a third hub port.  In this setup, control traffic sent by
711
 
     switch A will be seen by switch B, which will send it to the
712
 
     controller as part of an OFPT_PACKET_IN message.  Switch A will
713
 
     then see the OFPT_PACKET_IN message's packet, re-encapsulate it
714
 
     in another OFPT_PACKET_IN, and send it to the controller.  Switch
715
 
     B will then see that OFPT_PACKET_IN, and so on in an infinite
716
 
     loop.
717
 
 
718
 
     Incidentally, the consequences of "false positives", where
719
 
     packets that are not control traffic are nevertheless recognized
720
 
     as control traffic, are much less severe.  The controller will
721
 
     not be able to control their behavior, but the network will
722
 
     remain in working order.  False positives do constitute a
723
 
     security problem.
724
 
 
725
 
   - The switch should use echo-requests to detect disconnection.
726
 
 
727
 
     TCP will notice that a connection has hung, but this can take a
728
 
     considerable amount of time.  For example, with default settings
729
 
     the Linux kernel TCP implementation will retransmit for between
730
 
     13 and 30 minutes, depending on the connection's retransmission
731
 
     timeout, according to kernel documentation.  This is far too long
732
 
     for a switch to be disconnected, so an OpenFlow switch should
733
 
     implement its own connection timeout.  OpenFlow OFPT_ECHO_REQUEST
734
 
     messages are the best way to do this, since they test the
735
 
     OpenFlow connection itself.
736
 
 
737
 
Implementation
738
 
--------------
739
 
 
740
 
This section describes how Open vSwitch implements in-band control.
741
 
Correctly implementing in-band control has proven difficult due to its
742
 
many subtleties, and has thus gone through many iterations.  Please
743
 
read through and understand the reasoning behind the chosen rules
744
 
before making modifications.
745
 
 
746
 
Open vSwitch implements in-band control as "hidden" flows, that is,
747
 
flows that are not visible through OpenFlow, and at a higher priority
748
 
than wildcarded flows can be set up through OpenFlow.  This is done so
749
 
that the OpenFlow controller cannot interfere with them and possibly
750
 
break connectivity with its switches.  It is possible to see all
751
 
flows, including in-band ones, with the ovs-appctl "bridge/dump-flows"
752
 
command.
753
 
 
754
 
The Open vSwitch implementation of in-band control can hide traffic to
755
 
arbitrary "remotes", where each remote is one TCP port on one IP address.
756
 
Currently the remotes are automatically configured as the in-band OpenFlow
757
 
controllers plus the OVSDB managers, if any.  (The latter is a requirement
758
 
because OVSDB managers are responsible for configuring OpenFlow controllers,
759
 
so if the manager cannot be reached then OpenFlow cannot be reconfigured.)
760
 
 
761
 
The following rules (with the OFPP_NORMAL action) are set up on any bridge
762
 
that has any remotes:
763
 
 
764
 
   (a) DHCP requests sent from the local port.
765
 
   (b) ARP replies to the local port's MAC address.
766
 
   (c) ARP requests from the local port's MAC address.
767
 
 
768
 
In-band also sets up the following rules for each unique next-hop MAC
769
 
address for the remotes' IPs (the "next hop" is either the remote
770
 
itself, if it is on a local subnet, or the gateway to reach the remote):
771
 
 
772
 
   (d) ARP replies to the next hop's MAC address.
773
 
   (e) ARP requests from the next hop's MAC address.
774
 
 
775
 
In-band also sets up the following rules for each unique remote IP address:
776
 
 
777
 
   (f) ARP replies containing the remote's IP address as a target.
778
 
   (g) ARP requests containing the remote's IP address as a source.
779
 
 
780
 
In-band also sets up the following rules for each unique remote (IP,port)
781
 
pair:
782
 
 
783
 
   (h) TCP traffic to the remote's IP and port.
784
 
   (i) TCP traffic from the remote's IP and port.
785
 
 
786
 
The goal of these rules is to be as narrow as possible to allow a
787
 
switch to join a network and be able to communicate with the
788
 
remotes.  As mentioned earlier, these rules have higher priority
789
 
than the controller's rules, so if they are too broad, they may
790
 
prevent the controller from implementing its policy.  As such,
791
 
in-band actively monitors some aspects of flow and packet processing
792
 
so that the rules can be made more precise.
793
 
 
794
 
In-band control monitors attempts to add flows into the datapath that
795
 
could interfere with its duties.  The datapath only allows exact
796
 
match entries, so in-band control is able to be very precise about
797
 
the flows it prevents.  Flows that miss in the datapath are sent to
798
 
userspace to be processed, so preventing these flows from being
799
 
cached in the "fast path" does not affect correctness.  The only type
800
 
of flow that is currently prevented is one that would prevent DHCP
801
 
replies from being seen by the local port.  For example, a rule that
802
 
forwarded all DHCP traffic to the controller would not be allowed,
803
 
but one that forwarded to all ports (including the local port) would.
804
 
 
805
 
As mentioned earlier, packets that miss in the datapath are sent to
806
 
the userspace for processing.  The userspace has its own flow table,
807
 
the "classifier", so in-band checks whether any special processing
808
 
is needed before the classifier is consulted.  If a packet is a DHCP
809
 
response to a request from the local port, the packet is forwarded to
810
 
the local port, regardless of the flow table.  Note that this requires
811
 
L7 processing of DHCP replies to determine whether the 'chaddr' field
812
 
matches the MAC address of the local port.
813
 
 
814
 
It is interesting to note that for an L3-based in-band control
815
 
mechanism, the majority of rules are devoted to ARP traffic.  At first
816
 
glance, some of these rules appear redundant.  However, each serves an
817
 
important role.  First, in order to determine the MAC address of the
818
 
remote side (controller or gateway) for other ARP rules, we must allow
819
 
ARP traffic for our local port with rules (b) and (c).  If we are
820
 
between a switch and its connection to the remote, we have to
821
 
allow the other switch's ARP traffic to through.  This is done with
822
 
rules (d) and (e), since we do not know the addresses of the other
823
 
switches a priori, but do know the remote's or gateway's.  Finally,
824
 
if the remote is running in a local guest VM that is not reached
825
 
through the local port, the switch that is connected to the VM must
826
 
allow ARP traffic based on the remote's IP address, since it will
827
 
not know the MAC address of the local port that is sending the traffic
828
 
or the MAC address of the remote in the guest VM.
829
 
 
830
 
With a few notable exceptions below, in-band should work in most
831
 
network setups.  The following are considered "supported' in the
832
 
current implementation:
833
 
 
834
 
   - Locally Connected.  The switch and remote are on the same
835
 
     subnet.  This uses rules (a), (b), (c), (h), and (i).
836
 
 
837
 
   - Reached through Gateway.  The switch and remote are on
838
 
     different subnets and must go through a gateway.  This uses
839
 
     rules (a), (b), (c), (h), and (i).
840
 
 
841
 
   - Between Switch and Remote.  This switch is between another
842
 
     switch and the remote, and we want to allow the other
843
 
     switch's traffic through.  This uses rules (d), (e), (h), and
844
 
     (i).  It uses (b) and (c) indirectly in order to know the MAC
845
 
     address for rules (d) and (e).  Note that DHCP for the other
846
 
     switch will not work unless an OpenFlow controller explicitly lets this
847
 
     switch pass the traffic.
848
 
 
849
 
   - Between Switch and Gateway.  This switch is between another
850
 
     switch and the gateway, and we want to allow the other switch's
851
 
     traffic through.  This uses the same rules and logic as the
852
 
     "Between Switch and Remote" configuration described earlier.
853
 
 
854
 
   - Remote on Local VM.  The remote is a guest VM on the
855
 
     system running in-band control.  This uses rules (a), (b), (c),
856
 
     (h), and (i).
857
 
 
858
 
   - Remote on Local VM with Different Networks.  The remote
859
 
     is a guest VM on the system running in-band control, but the
860
 
     local port is not used to connect to the remote.  For
861
 
     example, an IP address is configured on eth0 of the switch.  The
862
 
     remote's VM is connected through eth1 of the switch, but an
863
 
     IP address has not been configured for that port on the switch.
864
 
     As such, the switch will use eth0 to connect to the remote,
865
 
     and eth1's rules about the local port will not work.  In the
866
 
     example, the switch attached to eth0 would use rules (a), (b),
867
 
     (c), (h), and (i) on eth0.  The switch attached to eth1 would use
868
 
     rules (f), (g), (h), and (i).
869
 
 
870
 
The following are explicitly *not* supported by in-band control:
871
 
 
872
 
   - Specify Remote by Name.  Currently, the remote must be
873
 
     identified by IP address.  A naive approach would be to permit
874
 
     all DNS traffic.  Unfortunately, this would prevent the
875
 
     controller from defining any policy over DNS.  Since switches
876
 
     that are located behind us need to connect to the remote,
877
 
     in-band cannot simply add a rule that allows DNS traffic from
878
 
     the local port.  The "correct" way to support this is to parse
879
 
     DNS requests to allow all traffic related to a request for the
880
 
     remote's name through.  Due to the potential security
881
 
     problems and amount of processing, we decided to hold off for
882
 
     the time-being.
883
 
 
884
 
   - Differing Remotes for Switches.  All switches must know
885
 
     the L3 addresses for all the remotes that other switches
886
 
     may use, since rules need to be set up to allow traffic related
887
 
     to those remotes through.  See rules (f), (g), (h), and (i).
888
 
 
889
 
   - Differing Routes for Switches.  In order for the switch to
890
 
     allow other switches to connect to a remote through a
891
 
     gateway, it allows the gateway's traffic through with rules (d)
892
 
     and (e).  If the routes to the remote differ for the two
893
 
     switches, we will not know the MAC address of the alternate
894
 
     gateway.
895
 
 
896
 
 
897
 
Action Reproduction
898
 
===================
899
 
 
900
 
It seems likely that many controllers, at least at startup, use the
901
 
OpenFlow "flow statistics" request to obtain existing flows, then
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compare the flows' actions against the actions that they expect to
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find.  Before version 1.8.0, Open vSwitch always returned exact,
904
 
byte-for-byte copies of the actions that had been added to the flow
905
 
table.  The current version of Open vSwitch does not always do this in
906
 
some exceptional cases.  This section lists the exceptions that
907
 
controller authors must keep in mind if they compare actual actions
908
 
against desired actions in a bytewise fashion:
909
 
 
910
 
        - Open vSwitch zeros padding bytes in action structures,
911
 
          regardless of their values when the flows were added.
912
 
 
913
 
        - Open vSwitch "normalizes" the instructions in OpenFlow 1.1
914
 
          (and later) in the following way:
915
 
 
916
 
              * OVS sorts the instructions into the following order:
917
 
                Apply-Actions, Clear-Actions, Write-Actions,
918
 
                Write-Metadata, Goto-Table.
919
 
 
920
 
              * OVS drops Apply-Actions instructions that have empty
921
 
                action lists.
922
 
 
923
 
              * OVS drops Write-Actions instructions that have empty
924
 
                action sets.
925
 
 
926
 
Please report other discrepancies, if you notice any, so that we can
927
 
fix or document them.
928
 
 
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Suggestions
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Suggestions to improve Open vSwitch are welcome at discuss@openvswitch.org.