1.OpenFlow
2008年，斯坦福大学成立了一个名为Clean Slate的特别工作小组，这个小组在2009年开发出了一个可以满足SDN网络转控分离架构的标准，即OpenFlow 1.0。同时该小组还开发出了OpenFlow的参考交换机和NOX控制器。OpenFlow标准协议允许控制器直接访问和操作网络设备的转发平面，这些设备可以是物理设备，也可以是虚拟的路由器或者交换机。转发平面则采用基于流的方式进行转发。
OpenFlow 1.0问世后不久就引起了业界关注。2011年3月21日，德国电信、脸书、谷歌、微软、雅虎等公司共同成立的了ONF（Open Networking Foundation）组织，旨在推广SDN，并加大OpenFlow的标准化力度。芯片商Broadcom，设备商Cisco、Juniper、HP等，各数据中心解决方案提供者以及众多运营商纷纷参与。该组织陆续制定了OpenFlow 1.1、1.2、1.3、1.4等标准，目前仍在继续完善中。随着越来越多的公司加入ONF，OpenFlow及SDN技术的影响力也越来越大。
OpenFlow协议各个版本的演进过程和主要变化如下图所示，目前使用和支持最多的是OpenFlow1.3版本。
OpenFlow交换机转发面由两部分组成：端口和流表。一个交换机可以有很多种端口，也可以有很多级流表。OpenFlow网络由OpenFlow网络设备（OpenFlow 交换机）、控制器（OpenFlow控制器）、用于连接设备和控制器的安全通道（Secure Channel）以及OpenFlow表项组成。其中，OpenFlow 交换机设备和OpenFlow控制器是组成OpenFlow网络的实体，要求能够支持安全信道和OpenFlow表项。
2.OpenFlow控制器
OpenFlow控制器位于SDN架构中的控制层，通过OpenFlow协议南向指导设备的转发。目前主流的OpenFlow控制器分为两大类：开源控制器和厂商开发的商用控制器。这里简要介绍几款较为知名的开源控制器。
1、NOX/POX
NOX是第一款真正的SDN OpenFlow控制器，由Nicira公司在08年开发，并且捐赠给了开源组织。NOX支持OpenFlow V1.0，并提供相关C++的API，采用异步的、基于时间的编程模型。而POX可以视作是更新的、基于Python的NOX版本，支持Windows，Mac OS和Linux系统上的Python开发，主要用于研究和教育领域。
2、ONOS
ONOS（Open Network Operating System）控制器是由The Open Networking Lab使用Java及Apache实现发布的首款开源SDN网络操作系统，主要面向服务提供商和企业骨干网。ONOS的设计宗旨是实现可靠性强、性能好、灵活度高的SDN控制器。
3、OpenDaylight
OpenDaylight是一个Linux 基金合作项目，该项目以开源社区为主导，使用Java语言实现开源框架，旨在推动创新实施以及软件定义网络透明化。面对SDN型网络，OpenDaylight作为项目核心，拥有一套模块化、可插拔且极为灵活的控制器，还包含一套模块合集，能够执行需要快速完成的网络任务。OpenDaylight控制器的命名以化学元素为名，最初的产品是Hydrogen（氢），当前已经发布了第八个版本Oxygen（氧），并且实现了OpenDaylight与NFV开放平台OPNFV(Open Platform for NFV)、开源云平台OpenStack和开放网络自动化平台ONAP(Open Network Automation Platform)同步。
3.OpenFlow交换机
OpenFlow交换机由硬件平面上的OpenFlow表项和软件平面上的安全通道构成，OpenFlow表项为OpenFlow的关键组成部分，由Controller下发来实现控制平面对转发平面的控制。
OpenFlow 交换机主要有下面两种：
• OpenFlow-Only Switch：仅支持OpenFlow转发。
• OpenFlow-Hybrid Switch：既支持OpenFlow转发，也支持普通二三层转发。
一个OpenFlow交换机可以有若干个OpenFlow实例，每个OpenFlow实例可以单独连接控制器，相当于一台独立的交换机，根据控制器下发的流表项指导流量转发。OpenFlow实例使得一个OpenFlow交换机同时被多组控制器控制成为可能。
OpenFlow交换机实际在转发过程中，依赖于OpenFlow表项，转发动作则是由交换机的OpenFlow接口完成。OpenFlow接口有下面三类。
物理接口：比如交换机的以太网口等。可以作为匹配的入接口和出接口。
逻辑接口：比如聚合接口、Tunnel接口等。可以作为匹配的入接口和出接口。
保留接口：由转发动作定义的接口，实现OpenFlow转发功能。
4.OpenFlow表项
OpenFlow的表项在V1.0阶段，只有普通的单播表项，也即我们通常所说的OpenFlow流表。随着OpenFlow协议的发展，更多的OpenFlow表项被添加进来，如组表（Group Table），计量表（Meter Table）等，以实现更多的转发特性以及QoS功能。
狭义的OpenFlow流表是指OpenFlow单播表项，广义的OpenFlow流表则包含了所有类型的OpenFlow表项。OpenFlow通过用户定义的流表来匹配和处理报文。所有流表项都被组织在不同的Flow Table中，在同一个Flow Table中按流表项的优先级进行先后匹配。一个OpenFlow的设备可以包含一个或者多个Flow Table。
4.1流表项组成
一条OpenFlow的表项（Flow Entry）由匹配域（Match Fields）、优先级（Priority）、处理指令（Instructions）和统计数据（如Counters）等字段组成，流表项的结构随着OpenFlow版本的演进不断丰富，不同协议版本的流表项结构如下。
(1)Match Fields
流表项匹配规则，可以匹配入接口、物理入接口，流表间数据，二层报文头，三层报文头，四层端口号等报文字段等。
(2)Priority
流表项优先级，定义流表项之间的匹配顺序，优先级高的先匹配。
(3)Counters
流表项统计计数，统计有多少个报文和字节匹配到该流表项。
(4)Instructions & Actions
流表项动作指令（Instructions & Actions）集，定义匹配到该流表项的报文需要进行的处理。当报文匹配流表项时，每个流表项包含的指令集就会执行。这些指令会影响到报文、动作集以及管道流程。 交换机不需要支持所有的指令类型，并且控制器可以询问。
Instructions
OpenFlow交换机所支持的指令类型。 具体的指令(Instructions)类型参见下表：
每个流表表项的指令集中每种指令类型最多只能有一个，指令的执行的优先顺序为：
Meter –> Apply-Actions -> Clear Actions -> Write-Actions -> Write-Metadata -> Goto-Table
当OpenFlow交换机无法执行某个流表项中的动作时，该交换机可以拒绝这个流表项，并向Controller返回unsupported flow error 信息。
Action
常见Action动作的类型如下：
(5)Timeouts
流表项的超时时间，包括了Idle Time和Hard Time。
Idle Time：在Idle Time时间超时后如果没有报文匹配到该流表项，则此流表项被删除。
Hard Time：在Hard Time时间超时后，无论是否有报文匹配到该流表项，此流表项都会被删除。
(6)Cookie
Controller下发的流表项的标识
4.2 流表处理流程
OpenFlow规范中定义了流水线式的处理流程，报文匹配处理流程如下图所示：
当报文进入Switch后，必须从最小的Flow Table开始依次匹配。Flow Table可以按次序从小到大越级跳转，但不能从某一Flow Table向前跳转至编号更小的Flow Table。当报文成功匹配一条Flow Entry后，将首先更新该Flow Entry对应的统计数据（如成功匹配数据包总数目和总字节数等），然后根据Flow Table中的指令进行相应操作，比如跳转至后续某一Flow Table继续处理，修改或者立即执行该数据包对应的Action Set等。当数据包已经处于最后一个Flow Table时，其对应的Action Set中的所有Action将被执行，包括转发至某一端口，修改数据包某一字段，丢弃数据包等。具体实现时，OpenFlow交换机还需要对匹配表项次数进行计数、更新匹配集和元数据等操作。
下图为流表匹配流程示意图。
4.3 Table Miss表项
每个流表（Flow Table）都包含一个Table Miss流表项，该表项用于定义在流表中没有匹配的报文的处理方式，该表项的匹配域为通配，即匹配任何报文，优先级为0，Instructions与正常表项相同。通常，如果Table-Miss表项不存在，默认行为是丢弃报文。
4.4 Flow Remove
Flow Entry可以由Controller通过OpenFlow消息进行删除，也可以在Idle Time超时或者Hard Time超时后自动删除。Idle Time超时有两种情况：某个流表表项长时间不匹配报文则idle_timeout字段设置为非0；某个流表表项一定时间过后，无论是否匹配报文 hard_timeout字段设置为非0。如果Controller在建立表项时，携带了Flow Remove标记，则表项在删除时，设备需要通知Controller Flow Remove消息。
5.OpenFlow组表
OpenFlow组表的表项被流表项（Flow Entry）所引用，提供组播报文转发功能。一系列的Group表项组成了Group Table，每个表项结构如图：
根据Group ID可检索到相应Group表项，每个Group表项包含多个动作Bucket，每个Bucket包含多个动作，Bucket内的动作执行顺序依照Action Set的顺序。
6.OpenFlow Meter表
Meter计量表项被流表项（Flow Entry）所引用，为所有引用Meter表项的流表项提供报文限速的功能。一系列的Meter表项组成了Meter Table， 每个Meter表项的组织结构如下：
一个Meter表项可以包含一个或者多个Meter Bands，每个Meter Band定义了速率以及动作，报文的速率超过了某些MeterBand，根据这些MeterBand中速率最大的那个定义的动作进行处理。
