.. _ch_spanning_tree: スパニングツリー ================ 本章では、Ryuを用いたスパニングツリーの実装方法を解説していきます。 スパニングツリー ---------------- スパニングツリーはループ構造を持つネットワークにおけるブロードキャストストーム の発生を抑制する機能です。また、ループを防止するという本来の機能を応用して、 ネットワーク故障が発生した際に自動的に経路を切り替えるネットワークの 冗長性確保の手段としても用いられます。 スパニングツリーにはSTP、RSTP、PVST+、MSTPなど様々な種別がありますが、 本章では最も基本的なSTPの実装を見ていきます。 STP(spanning tree protocol：IEEE 802.1D)はネットワークを論理的なツリーとして扱い、 各スイッチ(本章ではブリッジと呼ぶことがあります)のポートをフレーム転送可能または不可能な状態に設定することで、 ループ構造を持つネットワークでブロードキャストストームの発生を抑制します。 .. only:: latex .. image:: images/spanning_tree/fig1.eps :align: center .. only:: epub .. image:: images/spanning_tree/fig1.png :align: center .. only:: not latex and not epub .. image:: images/spanning_tree/fig1.png :scale: 50 % :align: center STPではブリッジ間でBPDU(Bridge Protocol Data Unit)パケットを相互に交換 し、ブリッジやポートの情報を比較しあうことで、 各ポートのフレーム転送可否を決定します。 具体的には、次のような手順により実現されます。 1．ルートブリッジの選出 ブリッジ間のBPDUパケットの交換により、最小のブリッジIDを持つブリッジが ルートブリッジとして選出されます。以降はルートブリッジのみがオリジナルの BPDUパケットを送信し、他のブリッジはルートブリッジから受信したBPDUパケット を転送します。 .. NOTE:: ブリッジIDは、各ブリッジに設定されたブリッジpriority と特定ポートのMACアドレスの組み合わせで算出されます。 ブリッジID ================ =========== 上位2byte 下位6byte ================ =========== ブリッジpriority MACアドレス ================ =========== 2．ポートの役割の決定 各ポートのルートブリッジに至るまでのコストを元に、ポートの役割を決定します。 * ルートポート(Root port) ブリッジ内で最もルートブリッジまでのコストが小さいポート。 ルートブリッジからのBPDUパケットを受信するポートになります。 * 指定ポート(Designated port) 各リンクのルートブリッジまでのコストが小さい側のポート。 ルートブリッジから受信したBPDUパケットを送信するポートになります。 ルートブリッジのポートは全て指定ポートです。 * 非指定ポート(Non designated port) ルートポート・指定ポート以外のポート。 フレーム転送を抑制するポートです。 .. only:: latex .. image:: images/spanning_tree/fig2.eps :scale: 80 % .. only:: epub .. image:: images/spanning_tree/fig2.png :align: center .. only:: not latex and not epub .. image:: images/spanning_tree/fig2.png :align: center :scale: 50 % .. NOTE:: ルートブリッジに至るまでのコストは、各ポートが受信したBPDUパケットの 設定値から次のように比較されます。 優先1：root path cost値による比較。 各ブリッジはBPDUパケットを転送する際に、出力ポートに設定された path cost値をBPDUパケットのroot path cost値に加算します。 これによりroot path cost値はルートブリッジに到達するまでに 経由する各リンクのpath cost値の合計の値となります。 優先2：root path cost値が同じ場合、対向ブリッジのブリッジIDにより比較。 優先3：対向ブリッジのブリッジIDが同じ場合(各ポートが同一ブリッジに 接続しているケース)、対向ポートのポートIDにより比較。 ポートID ============== ========== 上位2byte 下位2byte ============== ========== ポートpriority ポート番号 ============== ========== 3．ポートの状態遷移 ポート役割の決定後(STP計算の完了時)、各ポートはLISTEN状態になります。 その後、以下に示す状態遷移を行い、最終的に各ポートの役割に従って FORWARD状態またはBLOCK状態に遷移します。コンフィグで無効ポートと設定 されたポートはDISABLE状態となり、以降、状態遷移は行われません。 .. only:: latex .. image:: images/spanning_tree/fig3.eps :align: center .. only:: epub .. image:: images/spanning_tree/fig3.png :align: center .. only:: not latex and not epub .. image:: images/spanning_tree/fig3.png :align: center :scale: 50 % 各ポートは状態に応じてフレーム転送有無などの動作を決定します。 ======= ============================================= 状態 動作 ======= ============================================= DISABLE 無効ポート。全ての受信パケットを無視します。 BLOCK BPDU受信のみ を行います。 LISTEN BPDU送受信 を行います。 LEARN BPDU送受信／MAC学習 を行います。 FORWARD BPDU送受信／MAC学習／フレーム転送 を行います。 ======= ============================================= これらの処理が各ブリッジで実行されることにより、フレーム転送を行うポートと フレーム転送を抑制するポートが決定され、ネットワーク内のループが解消されます。 また、リンクダウンやBPDUパケットのmax age(デフォルト20秒)間の未受信 による故障検出、あるいはポートの追加等によりネットワークトポロジの変更を 検出した場合は、各ブリッジで上記の 1. 2. 3. を実行しツリーの再構築が 行われます(STPの再計算)。 Ryuアプリケーションの実行 ------------------------- スパニングツリーの機能をOpenFlowを用いて実現した、Ryuのスパニングツリー アプリケーションを実行してみます。 このプログラムは、「 :ref:`ch_switching_hub` 」にスパニングツリー機能を 追加したアプリケーションです。 ソース名： ``simple_switch_stp_13.py`` .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/app/simple_switch_stp_13.py :lines: 16- .. NOTE:: 使用するスイッチがOpen vSwitchの場合、バージョンや設定によっては BPDUが転送されず、本アプリが正常に動作しないことがあります。 Open vSwitchではスイッチ自身の機能としてSTPを実装していますが、 この機能を無効(デフォルト設定)にしている場合、 IEEE 802.1Dで規定されるスパニングツリーのマルチキャストMACアドレス "01:80:c2:00:00:00"を宛先とするパケットを転送しないためです。 本アプリを動作させる際は、下記のようなソース修正を行うことで、 この制約を回避できます。 ryu/ryu/lib/packet/bpdu.py: .. rst-class:: sourcecode :: # BPDU destination #BRIDGE_GROUP_ADDRESS = '01:80:c2:00:00:00' BRIDGE_GROUP_ADDRESS = '01:80:c2:00:00:0e' なお、ソース修正後は変更を反映させるため、下記のコマンドを実行してください。 .. rst-class:: console :: $ cd ryu $ sudo python setup.py install running install ... ... running install_scripts Installing ryu-manager script to /usr/local/bin Installing ryu script to /usr/local/bin 実験環境の構築 ^^^^^^^^^^^^^^ スパニングツリーアプリケーションの動作確認を行う実験環境を構築します。 VMイメージ利用のための環境設定やログイン方法等は「 :ref:`ch_switching_hub` 」 を参照してください。 ループ構造を持つ特殊なトポロジで動作させるため、「 :ref:`ch_link_aggregation` 」 と同様にトポロジ構築スクリプトによりmininet環境を構築します。 ソース名： ``spanning_tree.py`` .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../sources/spanning_tree.py VM環境でこのプログラムを実行することにより、スイッチs1、s2、s3の間でループが 存在するトポロジが作成されます。 .. only:: latex .. image:: images/spanning_tree/fig4.eps :scale: 70 % :align: center .. only:: epub .. image:: images/spanning_tree/fig4.png :align: center .. only:: not latex and not epub .. image:: images/spanning_tree/fig4.png :align: center :scale: 50 % netコマンドの実行結果は以下の通りです。 .. rst-class:: console :: $ curl -O https://raw.githubusercontent.com/osrg/ryu-book/master/sources/spanning_tree.py $ sudo ./spanning_tree.py Unable to contact the remote controller at 127.0.0.1:6633 mininet> net c0 s1 lo: s1-eth1:h1-eth0 s1-eth2:s2-eth2 s1-eth3:s3-eth3 s2 lo: s2-eth1:h2-eth0 s2-eth2:s1-eth2 s2-eth3:s3-eth2 s3 lo: s3-eth1:h3-eth0 s3-eth2:s2-eth3 s3-eth3:s1-eth3 h1 h1-eth0:s1-eth1 h2 h2-eth0:s2-eth1 h3 h3-eth0:s3-eth1 OpenFlowバージョンの設定 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 使用するOpenFlowのバージョンを1.3に設定します。 このコマンド入力は、スイッチs1、s2、s3のxterm上で行ってください。 Node: s1: .. rst-class:: console :: # ovs-vsctl set Bridge s1 protocols=OpenFlow13 Node: s2: .. rst-class:: console :: # ovs-vsctl set Bridge s2 protocols=OpenFlow13 Node: s3: .. rst-class:: console :: # ovs-vsctl set Bridge s3 protocols=OpenFlow13 スイッチングハブの実行 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 準備が整ったので、Ryuアプリケーションを実行します。ウインドウタイトルが 「Node: c0 (root)」となっている xterm から次のコマンドを実行します。 Node: c0: .. rst-class:: console :: $ ryu-manager ryu.app.simple_switch_stp_13 loading app ryu.app.simple_switch_stp_13 loading app ryu.controller.ofp_handler instantiating app None of Stp creating context stplib instantiating app ryu.app.simple_switch_stp_13 of SimpleSwitch13 instantiating app ryu.controller.ofp_handler of OFPHandler OpenFlowスイッチ起動時のSTP計算 """"""""""""""""""""""""""""""" 各OpenFlowスイッチとコントローラの接続が完了すると、BPDUパケットの交換が 始まり、ルートブリッジの選出・ポート役割の設定・ポート状態遷移が行われます。 .. rst-class:: console :: [STP][INFO] dpid=0000000000000001: Join as stp bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: Join as stp bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] Receive superior BPDU. [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=1] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000001: Root bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] Receive superior BPDU. [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000002: Non root bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] ROOT_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: Join as stp bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] Receive superior BPDU. [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000002: Non root bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] ROOT_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] Receive superior BPDU. [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=1] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000001: Root bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] Receive superior BPDU. [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: Non root bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] ROOT_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] Receive superior BPDU. [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: Non root bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] NON_DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] ROOT_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] Receive superior BPDU. [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=1] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000001: Root bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] ROOT_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] NON_DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] ROOT_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=1] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] ROOT_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] NON_DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] ROOT_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=1] DESIGNATED_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] DESIGNATED_PORT / FORWARD この結果、最終的に各ポートはFORWARD状態またはBLOCK状態となります。 .. only:: latex .. image:: images/spanning_tree/fig5.eps :scale: 70 % :align: center .. only:: epub .. image:: images/spanning_tree/fig5.png :align: center .. only:: not latex and not epub .. image:: images/spanning_tree/fig5.png :align: center :scale: 50 % パケットがループしないことを確認するため、ホスト1からホスト2へpingを実行します。 pingコマンドを実行する前に、 tcpdumpコマンドを実行しておきます。 Node: s1: .. rst-class:: console :: # tcpdump -i s1-eth2 arp Node: s2: .. rst-class:: console :: # tcpdump -i s2-eth2 arp Node: s3: .. rst-class:: console :: # tcpdump -i s3-eth2 arp トポロジ構築スクリプトを実行したコンソールで、次のコマンドを実行して ホスト1からホスト2へpingを発行します。 .. rst-class:: console :: mininet> h1 ping h2 PING 10.0.0.2 (10.0.0.2) 56(84) bytes of data. 64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=1 ttl=64 time=84.4 ms 64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=2 ttl=64 time=0.657 ms 64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=3 ttl=64 time=0.074 ms 64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=4 ttl=64 time=0.076 ms 64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=5 ttl=64 time=0.054 ms 64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=6 ttl=64 time=0.053 ms 64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=7 ttl=64 time=0.041 ms 64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=8 ttl=64 time=0.049 ms 64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=9 ttl=64 time=0.074 ms 64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=10 ttl=64 time=0.073 ms 64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=11 ttl=64 time=0.068 ms ^C --- 10.0.0.2 ping statistics --- 11 packets transmitted, 11 received, 0% packet loss, time 9998ms rtt min/avg/max/mdev = 0.041/7.784/84.407/24.230 ms tcpdumpの出力結果から、ARPがループしていないことが 確認できます。 Node: s1: .. rst-class:: console :: # tcpdump -i s1-eth2 arp tcpdump: WARNING: s1-eth2: no IPv4 address assigned tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode listening on s1-eth2, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 65535 bytes 11:30:24.692797 ARP, Request who-has 10.0.0.2 tell 10.0.0.1, length 28 11:30:24.749153 ARP, Reply 10.0.0.2 is-at 82:c9:d7:e9:b7:52 (oui Unknown), length 28 11:30:29.797665 ARP, Request who-has 10.0.0.1 tell 10.0.0.2, length 28 11:30:29.798250 ARP, Reply 10.0.0.1 is-at c2:a4:54:83:43:fa (oui Unknown), length 28 Node: s2: .. rst-class:: console :: # tcpdump -i s2-eth2 arp tcpdump: WARNING: s2-eth2: no IPv4 address assigned tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode listening on s2-eth2, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 65535 bytes 11:30:24.692824 ARP, Request who-has 10.0.0.2 tell 10.0.0.1, length 28 11:30:24.749116 ARP, Reply 10.0.0.2 is-at 82:c9:d7:e9:b7:52 (oui Unknown), length 28 11:30:29.797659 ARP, Request who-has 10.0.0.1 tell 10.0.0.2, length 28 11:30:29.798254 ARP, Reply 10.0.0.1 is-at c2:a4:54:83:43:fa (oui Unknown), length 28 Node: s3: .. rst-class:: console :: # tcpdump -i s3-eth2 arp tcpdump: WARNING: s3-eth2: no IPv4 address assigned tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode listening on s3-eth2, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 65535 bytes 11:30:24.698477 ARP, Request who-has 10.0.0.2 tell 10.0.0.1, length 28 故障検出時のSTP再計算 """"""""""""""""""""" 次に、リンクダウンが起こった際のSTP再計算の動作を確認します。 各OpenFlowスイッチ起動後のSTP計算が完了した状態で次のコマンドを実行し、 ポートをダウンさせます。 Node: s2: .. rst-class:: console :: # ifconfig s2-eth2 down リンクダウンが検出され、STP再計算が実行されます。 .. rst-class:: console :: [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] Link down. [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] DESIGNATED_PORT / DISABLE [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000002: Root bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] Link down. [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / DISABLE [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] Wait BPDU timer is exceeded. [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: Root bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] Receive superior BPDU. [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: Non root bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] ROOT_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] Receive superior BPDU. [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000002: Non root bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] ROOT_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] ROOT_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] ROOT_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] DESIGNATED_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] ROOT_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] ROOT_PORT / FORWARD これまでBLOCK状態だったs3-eth2のポートがFORWARD状態となり、 再びフレーム転送可能な状態となったことが確認できます。 .. only:: latex .. image:: images/spanning_tree/fig6.eps :scale: 70 % :align: center .. only:: epub .. image:: images/spanning_tree/fig6.png :align: center .. only:: not latex and not epub .. image:: images/spanning_tree/fig6.png :align: center :scale: 50 % 故障回復時のSTP再計算 """"""""""""""""""""" 続けて、リンクダウンが回復した際のSTP再計算の動作を確認します。 リンクダウン中の状態で次のコマンドを実行し、ポートを起動させます。 Node: s2: .. rst-class:: console :: # ifconfig s2-eth2 up リンク復旧が検出され、STP再計算が実行されます。 .. rst-class:: console :: [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] Link down. [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] DESIGNATED_PORT / DISABLE [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] Link up. [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] Link up. [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] Receive superior BPDU. [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=1] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000001: Root bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] Receive superior BPDU. [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000002: Non root bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] ROOT_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] Receive superior BPDU. [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: Non root bridge. [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] NON_DESIGNATED_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] ROOT_PORT / LISTEN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=1] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] ROOT_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] NON_DESIGNATED_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] ROOT_PORT / LEARN [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=1] DESIGNATED_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=2] DESIGNATED_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000001: [port=3] DESIGNATED_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=1] DESIGNATED_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=2] ROOT_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000002: [port=3] DESIGNATED_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=1] DESIGNATED_PORT / FORWARD [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=2] NON_DESIGNATED_PORT / BLOCK [STP][INFO] dpid=0000000000000003: [port=3] ROOT_PORT / FORWARD アプリケーション起動時と同様のツリー構成となり、再びフレーム転送可能 な状態となったことが確認できます。 .. only:: latex .. image:: images/spanning_tree/fig7.eps :scale: 70 % :align: center .. only:: epub .. image:: images/spanning_tree/fig7.png :align: center .. only:: not latex and not epub .. image:: images/spanning_tree/fig7.png :align: center :scale: 50 % OpenFlowによるスパニングツリー ------------------------------ Ryuのスパニングツリーアプリケーションにおいて、OpenFlowを用いてどのように スパニングツリーの機能を実現しているかを見ていきます。 OpenFlow 1.3には次のようなポートの動作を設定するコンフィグが用意されています。 Port ModificationメッセージをOpenFlowスイッチに発行 することで、ポートのフレーム転送有無などの動作を制御することができます。 ================== ========================================================= 値 説明 ================== ========================================================= OFPPC_PORT_DOWN 保守者により無効設定された状態です OFPPC_NO_RECV 当該ポートで受信した全てのパケットを廃棄します OFPPC_NO_FWD 当該ポートからパケット転送を行いません OFPPC_NO_PACKET_IN table-missとなった場合にPacket-Inメッセージを送信しません ================== ========================================================= また、ポート状態ごとのBPDUパケット受信とBPDU以外のパケット受信を制御するため、 BPDUパケットをPacket-InするフローエントリとBPDU以外のパケットをdropする フローエントリをそれぞれFlow ModメッセージによりOpenFlowスイッチに登録します。 コントローラは各OpenFlowスイッチに対して、下記のようにポートコンフィグ設定と フローエントリ設定を行うことで、ポート状態に応じたBPDUパケットの送受信や MACアドレス学習(BPDU以外のパケット受信)、フレーム転送(BPDU以外のパケット送信) の制御を行います。 ======= ================ ============================ 状態 ポートコンフィグ フローエントリ ======= ================ ============================ DISABLE NO_RECV／NO_FWD 設定無し BLOCK NO_FWD BPDU Packet-In／BPDU以外drop LISTEN 設定無し BPDU Packet-In／BPDU以外drop LEARN 設定無し BPDU Packet-In／BPDU以外drop FORWARD 設定無し BPDU Packet-In ======= ================ ============================ .. NOTE:: Ryuに実装されているスパニングツリーのライブラリは、簡略化のため LEARN状態でのMACアドレス学習(BPDU以外のパケット受信)を行っていません。 これらの設定に加え、コントローラはOpenFlowスイッチとの接続時に収集した ポート情報や各OpenFlowスイッチが受信したBPDUパケットに設定されたルートブリッジ の情報を元に、送信用のBPDUパケットを構築しPacket-Outメッセージを発行することで、 OpenFlowスイッチ間のBPDUパケットの交換を実現します。 Ryuによるスパニングツリーの実装 ------------------------------- 続いて、Ryuを用いて実装されたスパニングツリーのソースコードを見ていきます。 スパニングツリーのソースコードは、Ryuのソースツリーにあります。 ryu/lib/stplib.py ryu/app/simple_switch_stp_13.py stplib.pyはBPDUパケットの交換や各ポートの役割・状態の管理などの スパニングツリー機能を提供するライブラリです。 simple_switch_stp_13.pyはスパニングツリーライブラリを適用することで スイッチングハブのアプリケーションにスパニングツリー機能を追加した アプリケーションプログラムです。 ライブラリの実装 ^^^^^^^^^^^^^^^^ ライブラリ概要 """""""""""""" .. only:: latex .. image:: images/spanning_tree/fig8.eps :scale: 80 % :align: center .. only:: epub .. image:: images/spanning_tree/fig8.png :align: center .. only:: not latex and not epub .. image:: images/spanning_tree/fig8.png :scale: 40 % :align: center STPライブラリ(Stpクラスインスタンス)がOpenFlowスイッチのコントローラ への接続を検出すると、Bridgeクラスインスタンス・Portクラスインスタンスが 生成されます。各クラスインスタンスが生成・起動された後は、 * StpクラスインスタンスからのOpenFlowメッセージ受信通知 * BridgeクラスインスタンスのSTP計算(ルートブリッジ選択・各ポートの役割選択) * Portクラスインスタンスのポート状態遷移・BPDUパケット送受信 が連動し、スパニングツリー機能を実現します。 コンフィグ設定項目 """""""""""""""""" STPライブラリは ``Stp.set_config()`` メソッドによりブリッジ・ポートの コンフィグ設定IFを提供します。設定可能な項目は以下の通りです。 * bridge ================ =================================================== ============ 項目 説明 デフォルト値 ================ =================================================== ============ ``priority`` ブリッジ優先度 0x8000 ``sys_ext_id`` VLAN-IDを設定 (\*現状のSTPライブラリはVLAN未対応) 0 ``max_age`` BPDUパケットの受信待ちタイマー値 20[sec] ``hello_time`` BPDUパケットの送信間隔 2 [sec] ``fwd_delay`` 各ポートがLISTEN状態およびLEARN状態に留まる時間 15[sec] ================ =================================================== ============ * port =============== ==================== ============================ 項目 説明 デフォルト値 =============== ==================== ============================ ``priority`` ポート優先度 0x80 ``path_cost`` リンクのコスト値 リンクスピードを元に自動設定 ``enable`` ポートの有効無効設定 True =============== ==================== ============================ BPDUパケット送信 """""""""""""""" BPDUパケット送信はPortクラスのBPDUパケット送信スレッド ( ``Port.send_bpdu_thread`` )で行っています。ポートの役割が指定ポート ( ``DESIGNATED_PORT`` )の場合、ルートブリッジから通知されたhello time ( ``Port.port_times.hello_time`` ：デフォルト2秒)間隔でBPDUパケット生成 ( ``Port._generate_config_bpdu()`` )およびBPDUパケット送信 ( ``Port.ofctl.send_packet_out()`` )を行います。 .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/lib/stplib.py :prepend: class Port(object): # ... :pyobject: Port.__init__ .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/lib/stplib.py :prepend: class Port(object): # ... :pyobject: Port._transmit_bpdu 送信するBPDUパケットは、OpenFlowスイッチのコントローラ接続時に収集した ポート情報( ``Port.ofport`` )や受信したBPDUパケットに設定された ルートブリッジ情報( ``Port.port_priority、Port.port_times`` )などを元に 構築されます。 .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/lib/stplib.py :prepend: class Port(object): # ... :pyobject: Port._generate_config_bpdu BPDUパケット受信 """""""""""""""" BPDUパケットの受信は、StpクラスのPacket-Inイベントハンドラによって検出され、 Bridgeクラスインスタンスを経由してPortクラスインスタンスに通知されます。 イベントハンドラの実装は「 :ref:`ch_switching_hub` 」を参照してください。 BPDUパケットを受信したポートは、以前に受信したBPDUパケットと今回受信した BPDUパケットのブリッジIDなどの比較( ``Stp.compare_bpdu_info()`` )を行い、 STP再計算の要否判定を行います。以前に受信したBPDUより優れたBPDU( ``SUPERIOR`` ) を受信した場合、「新たなルートブリッジが追加された」などのネットワーク トポロジ変更が発生したことを意味するため、STP再計算の契機となります。 .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/lib/stplib.py :prepend: class Port(object): # ... :pyobject: Port.rcv_config_bpdu 故障検出 """""""" リンク断などの直接故障や、一定時間ルートブリッジからのBPDUパケットを 受信できない間接故障を検出した場合も、STP再計算の契機となります。 リンク断はStpクラスのPortStatusイベントハンドラによって検出し、Bridgeクラス インスタンスへ通知されます。 BPDUパケットの受信待ちタイムアウトはPortクラスのBPDUパケット受信待ちスレッド ( ``Port.wait_bpdu_thread`` )で検出します。max age(デフォルト20秒)間、 ルートブリッジからのBPDUパケットを受信できない場合に間接故障と判断し、 Bridgeクラスインスタンスへ通知されます。 BPDU受信待ちタイマーの更新とタイムアウトの検出にはhubモジュール(ryu.lib.hub) の ``hub.Event`` と ``hub.Timeout`` を用います。 ``hub.Event`` は ``hub.Event.wait()`` でwait状態に入り ``hub.Event.set()`` が実行されるまで スレッドが中断されます。 ``hub.Timeout`` は指定されたタイムアウト時間内に ``try`` 節の処理が終了しない場合、 ``hub.Timeout`` 例外を発行します。 ``hub.Event`` がwait状態に入り ``hub.Timeout`` で指定されたタイムアウト時間内に ``hub.Event.set()`` が実行されない場合に、BPDUパケットの受信待ちタイムアウト と判断しBridgeクラスのSTP再計算処理を呼び出します。 .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/lib/stplib.py :prepend: class Port(object): # ... :pyobject: Port._wait_bpdu_timer 受信したBPDUパケットの比較処理( ``Stp.compare_bpdu_info()`` )により ``SUPERIOR`` または ``REPEATED`` と判定された場合は、ルートブリッジからの BPDUパケットが受信出来ていることを意味するため、BPDU受信待ちタイマーの更新 ( ``Port._update_wait_bpdu_timer()`` )を行います。 ``hub.Event`` である ``Port.wait_timer_event`` の ``set()`` 処理により ``Port.wait_timer_event`` はwait状態から解放され、BPDUパケット受信待ちスレッド( ``Port.wait_bpdu_thread`` ) は ``except hub.Timeout`` 節のタイムアウト処理に入ることなくタイマーを キャンセルし、改めてタイマーをセットし直すことで次のBPDUパケットの受信待ち を開始します。 .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/lib/stplib.py :prepend: class Port(object): # ... :pyobject: Port.rcv_config_bpdu .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/lib/stplib.py :prepend: class Port(object): # ... :pyobject: Port._update_wait_bpdu_timer STP計算 """"""" STP計算(ルートブリッジ選択・各ポートの役割選択)はBridgeクラスで実行します。 STP計算が実行されるケースではネットワークトポロジの変更が発生しており パケットがループする可能性があるため、一旦全てのポートをBLOCK状態に設定 ( ``port.down`` )し、かつトポロジ変更イベント( ``EventTopologyChange`` ) を上位APLに対して通知することで学習済みのMACアドレス情報の初期化を促します。 その後、 ``Bridge._spanning_tree_algorithm()`` でルートブリッジとポートの 役割を選択した上で、各ポートをLISTEN状態で起動( ``port.up`` )しポートの 状態遷移を開始します。 .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/lib/stplib.py :prepend: class Bridge(object): # ... :pyobject: Bridge.recalculate_spanning_tree ルートブリッジの選出のため、ブリッジIDなどの自身のブリッジ情報と 各ポートが受信したBPDUパケットに設定された他ブリッジ情報を比較します ( ``Bridge._select_root_port`` )。 この結果、ルートポートが見つかった場合(自身のブリッジ情報よりもポートが 受信した他ブリッジ情報が優れていた場合)、他ブリッジがルートブリッジであると 判断し指定ポートの選出( ``Bridge._select_designated_port`` )と非指定ポート の選出(ルートポート／指定ポート以外のポートを非指定ポートとして選出)を行います。 一方、ルートポートが見つからなかった場合(自身のブリッジ情報が最も優れていた場合)は 自身をルートブリッジと判断し各ポートは全て指定ポートとなります。 .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/lib/stplib.py :prepend: class Bridge(object): # ... :pyobject: Bridge._spanning_tree_algorithm ポート状態遷移 """""""""""""" ポートの状態遷移処理は、Portクラスの状態遷移制御スレッド( ``Port.state_machine`` ) で実行しています。次の状態に遷移するまでのタイマーを ``Port._get_timer()`` で 取得し、タイマー満了後に ``Port._get_next_state()`` で次状態を取得し、 状態遷移を行います。また、STP再計算が発生しこれまでのポート状態に関係無く BLOCK状態に遷移させるケースなど、 ``Port._change_status()`` が実行された場合 にも状態遷移が行われます。これらの処理は「 `故障検出`_ 」と同様に hubモジュールの ``hub.Event`` と ``hub.Timeout`` を用いて実現しています。 .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/lib/stplib.py :prepend: class Port(object): # ... :pyobject: Port._state_machine .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/lib/stplib.py :prepend: class Port(object): # ... :pyobject: Port._get_timer .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/lib/stplib.py :prepend: class Port(object): # ... :pyobject: Port._get_next_state アプリケーションの実装 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 「 `Ryuアプリケーションの実行`_ 」に示したOpenFlow 1.3対応のスパニングツリー アプリケーション(simple_switch_stp_13.py)と、「 :ref:`ch_switching_hub` 」 のスイッチングハブとの差異を順に説明していきます。 「_CONTEXTS」の設定 """"""""""""""""""" 「 :ref:`ch_link_aggregation` 」と同様にSTPライブラリを利用するため CONTEXTを登録します。 .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/app/simple_switch_stp_13.py :prepend: from ryu.lib import stplib # ... :pyobject: SimpleSwitch13 :end-before: __init__ コンフィグ設定 """""""""""""" STPライブラリの ``set_config()`` メソッドを用いてコンフィグ設定を行います。 ここではサンプルとして、以下の値を設定します。 ===================== =============== ====== OpenFlowスイッチ 項目 設定値 ===================== =============== ====== dpid=0000000000000001 bridge.priority 0x8000 dpid=0000000000000002 bridge.priority 0x9000 dpid=0000000000000003 bridge.priority 0xa000 ===================== =============== ====== この設定によりdpid=0000000000000001のOpenFlowスイッチのブリッジIDが 常に最小の値となり、ルートブリッジに選択されることになります。 .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/app/simple_switch_stp_13.py :dedent: 4 :pyobject: SimpleSwitch13.__init__ STPイベント処理 """"""""""""""" 「 :ref:`ch_link_aggregation` 」と同様にSTPライブラリから通知される イベントを受信するイベントハンドラを用意します。 STPライブラリで定義された ``stplib.EventPacketIn`` イベントを利用することで、 BPDUパケットを除いたパケットを受信することが出来るため、 「 :ref:`ch_switching_hub` 」と同様のパケットハンドリンクを行います。 .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/app/simple_switch_stp_13.py :dedent: 4 :prepend: @set_ev_cls(stplib.EventPacketIn, MAIN_DISPATCHER) :pyobject: SimpleSwitch13._packet_in_handler :end-before: pkt = packet.Packet(msg.data) :append: # ... ネットワークトポロジの変更通知イベント( ``stplib.EventTopologyChange`` )を 受け取り、学習したMACアドレスおよび登録済みのフローエントリを初期化しています。 .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/app/simple_switch_stp_13.py :dedent: 4 :pyobject: SimpleSwitch13.delete_flow .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/app/simple_switch_stp_13.py :dedent: 4 :prepend: @set_ev_cls(stplib.EventTopologyChange, MAIN_DISPATCHER) :pyobject: SimpleSwitch13._topology_change_handler ポート状態の変更通知イベント( ``stplib.EventPortStateChange`` )を受け取り、 ポート状態のデバッグログ出力を行っています。 .. rst-class:: sourcecode .. literalinclude:: ../../ryu/app/simple_switch_stp_13.py :dedent: 4 :prepend: @set_ev_cls(stplib.EventPortStateChange, MAIN_DISPATCHER) :pyobject: SimpleSwitch13._port_state_change_handler 以上のように、スパニングツリー機能を提供するライブラリと、ライブラリを 利用するアプリケーションによって、スパニングツリー機能を持つスイッチングハブの アプリケーションを実現しています。 まとめ ------ 本章では、スパニングツリーライブラリの利用を題材として、以下の項目に ついて説明しました。 * hub.Eventを用いたイベント待ち合わせ処理の実現方法 * hub.Timeoutを用いたタイマー制御処理の実現方法