淺析軟件定義網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

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摘要：圍繞網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的新需求，針對(duì)困擾計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一系列問題，探討利用虛擬化技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)框架建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的方法，提出基于單機(jī)模式建立低成本、易擴(kuò)展的一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教改方案，給出參考實(shí)驗(yàn)實(shí)例，展示該平臺(tái)對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的兼容性和開展綜合性與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的潛力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；OpenFlow

1背景

近年來，虛擬化技術(shù)和云計(jì)算興起，云數(shù)據(jù)中心、多租戶網(wǎng)絡(luò)等新的應(yīng)用場(chǎng)景推動(dòng)了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與管理模式的進(jìn)步，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SoftwareDefinedNetworking，SDN）及其重要技術(shù)OpenFlow作為創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注熱點(diǎn)，不少大學(xué)建立了SDN/OpenFlow試驗(yàn)網(wǎng)，開展網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的創(chuàng)新研究與探索。從2008年美國斯坦福大學(xué)NickMcKeown教授領(lǐng)導(dǎo)的Ethane團(tuán)隊(duì)（Cleanslate計(jì)劃）首次提出OpenFlow協(xié)議原型[1]，到2012年ONFSDN白皮書[2]1-12，SDN及OpenFlow完成了從試驗(yàn)平臺(tái)向業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)部署的跨越，SDN/OpenFlow解決方案已在谷歌等云計(jì)算數(shù)據(jù)中心內(nèi)部骨干網(wǎng)上發(fā)揮了令人矚目的作用[3]，國內(nèi)外主流網(wǎng)絡(luò)廠商推出了多種SDN/OpenFlow交換機(jī)[4]，SDN和OpenFlow技術(shù)的發(fā)展給網(wǎng)絡(luò)人才的專業(yè)需求注入了新的內(nèi)容，也給計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革指出了新的研究方向。目前網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)更新周期普遍較短，無論是采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還是專用的課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，大多面臨擴(kuò)展和更新的要求，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱。針對(duì)這些困擾實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題，已有不少實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的努力成果[5-7]。從目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案來看，多數(shù)仍依賴普通網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真與協(xié)議分析軟件，尚不足以完全解決上述問題。為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的新需求，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，給計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)提供低成本、易擴(kuò)展、一體化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，擴(kuò)展和深化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有必要在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中引入SDN架構(gòu)和虛擬化技術(shù)。圍繞SDN和OpenFlow有很多開放標(biāo)準(zhǔn)的開源項(xiàng)目，涵蓋了多種SDN系統(tǒng)構(gòu)件，包括OpenFlow軟件交換機(jī)、SDN控制器、業(yè)務(wù)流程工具、網(wǎng)絡(luò)虛擬化工具、仿真和測(cè)試工具等，豐富的開源資源為建立新型網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了實(shí)現(xiàn)的可能.

2SDN體系的主要組成

2.1SDN的概念與原理體系架構(gòu)

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的控制平面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面是通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備緊密耦合的，SDN的思想是將控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，把網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜性集中到控制平面，SDN控制軟件通過開放標(biāo)準(zhǔn)的南向接口（如OpenFlow協(xié)議）控制數(shù)據(jù)平面，通過可編程的北向接口（開放的API）為應(yīng)用層業(yè)務(wù)定制所需的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。SDN架構(gòu)能夠提供網(wǎng)絡(luò)抽象層面上的集中控制能力和網(wǎng)絡(luò)虛擬層面上的資源配置能力，使網(wǎng)絡(luò)虛擬化與計(jì)算虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化聯(lián)系一起，有力支持云計(jì)算服務(wù)的發(fā)展。

2.2SDN控制器

SDN控制器（SDN控制軟件）的功能相當(dāng)于SDN的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，向下提供對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的配置、控制和管理功能，向上為應(yīng)用業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)編程接口。SDN控制器在邏輯上是集中的，在物理上可以是分布式的。

2.3OpenFlow交換機(jī)

OpenFlow交換機(jī)是SDN數(shù)據(jù)平面的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它按照流表（flowtable）的設(shè)置進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。流表由控制器通過安全通道配置，決定OpenFlow交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)行為。流表項(xiàng)包括跨多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次的匹配字段和轉(zhuǎn)發(fā)行為。OpenFlow交換機(jī)的協(xié)議工作層次可以根據(jù)組網(wǎng)需要進(jìn)行配置，可實(shí)現(xiàn)二層交換機(jī)、路由器和其他高層協(xié)議及策略的轉(zhuǎn)發(fā)功能。OpenFlow交換機(jī)有硬件形態(tài)和軟件形態(tài)兩種形式，硬件OpenFlow交換機(jī)適用于生產(chǎn)型網(wǎng)絡(luò)的組建，軟件交換機(jī)多用于搭建研究和測(cè)試平臺(tái)。由于軟件交換機(jī)成本低、配置靈活，對(duì)OpenFlow規(guī)范版本的更新及時(shí)，適合在高校的科研教學(xué)環(huán)境中使用。對(duì)于教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建議采用可運(yùn)行在虛擬機(jī)上的軟件交換機(jī)OpenvSwitch。

3基于SDN和OpenFlow的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方案

3.1校園環(huán)境SDN的組網(wǎng)方式

校園環(huán)境中的SDN有不同的規(guī)模及組網(wǎng)方式，選擇哪種取決于其在科研和教學(xué)活動(dòng)中的目標(biāo)定位，可以將其分為園區(qū)模式、實(shí)驗(yàn)室模式和單機(jī)模式。園區(qū)模式基于校園網(wǎng)主干和硬件OpenFlow網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，用戶可利用SDN和OpenFlow提供的網(wǎng)絡(luò)虛擬化及邏輯隔離能力，在不影響校園網(wǎng)承載的正常業(yè)務(wù)的情況下，進(jìn)行大規(guī)模的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目研究和試驗(yàn)，從而能夠在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)流量背景下，對(duì)新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、新型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)等研究項(xiàng)目展開測(cè)試、評(píng)估和部署。實(shí)驗(yàn)室模式的OpenFlow交換機(jī)可利用多網(wǎng)卡服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，具體有兩種途徑：一種是在服務(wù)器上安裝NetFPGA板卡和OpenFlow軟件；另一種直接在服務(wù)器上安裝OpenvSwitch軟件，實(shí)現(xiàn)OpenFlow軟交換機(jī)。創(chuàng)新型研發(fā)工作可采用前者，教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以采用后者。單機(jī)模式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用虛擬機(jī)技術(shù)和SDN仿真軟件搭建。Mininet是斯坦福大學(xué)Ethane研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的SDN/OpenFlow網(wǎng)絡(luò)仿真工具。不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，Mininet還是一個(gè)快捷的原型系統(tǒng)開發(fā)工具，它集成了OpenvSwitch軟件交換機(jī)，能運(yùn)行實(shí)際網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和原汁原味的代碼。在Mininet仿真平臺(tái)上可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)新功能的開發(fā)測(cè)試，然后再遷移到實(shí)際的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)上。Mininet仿真的虛擬網(wǎng)絡(luò)還可以與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)連通。實(shí)驗(yàn)室模式和單機(jī)模式的SDN環(huán)境都可以作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建方案，前者更接近真實(shí)網(wǎng)絡(luò)，但是組網(wǎng)需要更多計(jì)算機(jī)（每一個(gè)主機(jī)或交換機(jī)節(jié)點(diǎn)都需要一臺(tái)物理主機(jī)），而Mininet能夠在一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)上仿真整個(gè)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性及其拓?fù)湓O(shè)計(jì)的靈活性更好，因而更適合課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。

3.2基于Mininet的單機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建方案

Mininet是基于Linux內(nèi)核虛擬化技術(shù)開發(fā)的輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(tái)，它提供了仿真SDN網(wǎng)絡(luò)的所有構(gòu)件：OpenFlow交換機(jī)、SDN控制器、虛擬主機(jī)節(jié)點(diǎn)。Mininet虛擬機(jī)鏡像中還預(yù)裝了常用的協(xié)議分析工具Wireshark，能夠在獨(dú)立的圖形化界面中分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流量，可作為搭建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的一個(gè)一體化解決方案。給出了Mininet單機(jī)環(huán)境的構(gòu)成。由于每臺(tái)主機(jī)都能構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立和完備的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完全可以按照通用PC機(jī)房的模式建設(shè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，其在容量和擴(kuò)展性上的優(yōu)勢(shì)顯而易見。實(shí)際上，部分學(xué)生的個(gè)人計(jì)算機(jī)已經(jīng)安裝了虛擬機(jī)系統(tǒng)，搭建個(gè)人Mininet實(shí)驗(yàn)環(huán)境可謂簡便易行，作為集中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的補(bǔ)充，不僅能夠解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足的問題，還能進(jìn)一步開展課外自主實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新探索活動(dòng)。

4Mininet單機(jī)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)

由于采用了虛擬機(jī)技術(shù)，教學(xué)時(shí)能夠在Mininet平臺(tái)使用流行操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試命令和協(xié)議分析工具，對(duì)仿真網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，還可以通過圖形化交互窗口進(jìn)行管理，保證了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在Mininet環(huán)境中的無縫銜接，這是Mininet優(yōu)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件（如NS2、OpenNet）的地方。Mininet提供預(yù)定義的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（最小化拓?fù)洹湫?、星型等），支持用戶編寫腳本自定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，還能通過API開發(fā)新型網(wǎng)絡(luò)功能。因此，在該平臺(tái)上安排教學(xué)實(shí)驗(yàn)有很大的設(shè)計(jì)空間，給出了綜合性與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的參考實(shí)例。通過所示的綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生既能觀察交換機(jī)外部行為，又能深入學(xué)習(xí)內(nèi)部工作原理及算法實(shí)現(xiàn)；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有助于提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，建立對(duì)網(wǎng)絡(luò)對(duì)象的系統(tǒng)級(jí)認(rèn)知。從實(shí)例中看到，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)均能夠利用常用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試命令和協(xié)議分析工具完成。使用Mininet實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要掌握虛擬機(jī)技術(shù)和多種自由軟件安裝配置，綜合性實(shí)驗(yàn)需要學(xué)習(xí)Mininet的常用命令，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生掌握Python腳本語言的編程，實(shí)施中需要增加實(shí)驗(yàn)環(huán)境維護(hù)和實(shí)驗(yàn)過程指導(dǎo)的工作量，具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃可以根據(jù)專業(yè)定位、學(xué)時(shí)限定和培養(yǎng)目標(biāo)來規(guī)劃。

5結(jié)語

SDN框架和虛擬化技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，在此基礎(chǔ)上搭建的Mininet實(shí)驗(yàn)環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立和完備的一體化網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的諸多問題。參考實(shí)驗(yàn)實(shí)例說明了該平臺(tái)對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的兼容性以及靈活規(guī)劃綜合性與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的潛力。以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)改革方案，能夠?yàn)閷W(xué)生開拓更大的自主學(xué)習(xí)與實(shí)踐探索的空間，使課程教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展接軌，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)在創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中應(yīng)有的支撐作用。

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作者:徐磊 單位:華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院