軟件定義網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

黃家瑋，劉敬玲，徐文茜，李又明，王建新

（中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

黃家瑋，劉敬玲，徐文茜，李又明，王建新

（中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

以控制器集中控制交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)驗(yàn)為例，展示基于真實(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核的輕量級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑渲?、路由配置和用戶交互流程，具體介紹實(shí)驗(yàn)方案、設(shè)計(jì)思想和實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)；虛擬化；Mininet；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1 背 景

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Def ned Networking，SDN）是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，針對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中硬件設(shè)備繁雜、網(wǎng)絡(luò)配置麻煩、迭代升級(jí)緩慢的問(wèn)題，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分離成集中式的控制平面和分布式的轉(zhuǎn)發(fā)平面，通過(guò)集中式的控制器（Controller）以標(biāo)準(zhǔn)化的接口對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行管理和配置[1]。軟件定義網(wǎng)絡(luò)的核心在于利用軟件編程技術(shù)，為網(wǎng)絡(luò)提供靈活的可編程能力，具有集中統(tǒng)一管理網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)管動(dòng)態(tài)流量、部署自動(dòng)化的特點(diǎn)。因此，作為目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱點(diǎn)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)逐漸被引入計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)空間安全等相關(guān)專業(yè)的知識(shí)體系中，成為本科和研究生計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的一個(gè)重要教學(xué)內(nèi)容[2]。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要良好的硬件支持，以提供網(wǎng)絡(luò)編程和操作的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，但現(xiàn)在支持軟件定義網(wǎng)絡(luò)功能的硬件設(shè)備相對(duì)昂貴，在有限的資金投入下，很難開(kāi)展大規(guī)模的課程實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，目前采用硬件設(shè)備的實(shí)驗(yàn)也存在靈活性受限的問(wèn)題，學(xué)生難以深入進(jìn)行實(shí)踐操作，最終影響了教學(xué)效果。

為幫助學(xué)生掌握軟件定義網(wǎng)絡(luò)的工作原理，筆者利用Mininet[3]網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，搭建基于真實(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核的輕量級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提供配置靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、價(jià)格低廉、可重復(fù)性的軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生可以通過(guò)簡(jiǎn)單易操作的實(shí)驗(yàn)，理解軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，掌握其工作流程。

2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件

目前，軟件定義網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件主要是Mininet和NS3[4]。兩種軟件各自具有以下的功能特點(diǎn)。

Mininet基于 Linux Container 架構(gòu)，是斯坦福大學(xué)Nick McKeown 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)進(jìn)程虛擬化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以在計(jì)算機(jī)上模擬完整的網(wǎng)絡(luò)主機(jī)、鏈路和交換機(jī)。Mininet支持OpenFlow[5]、OpenSwitch[6]等各種軟件定義網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，提供一個(gè)低成本軟件定義網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，目前被作為OpenFlow協(xié)議演示和測(cè)試的官方演示平臺(tái)。同時(shí)，Mininet還配備了WireShark抓包軟件，方便開(kāi)發(fā)者和學(xué)習(xí)者進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研究。

NS3是一個(gè)面向離散事件的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)仿真器，由C++和Python語(yǔ)言編寫，包含了許多開(kāi)發(fā)模塊，以支持多種協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)。目前，其最新版本已經(jīng)支持軟件定義網(wǎng)絡(luò)的OpenFlow協(xié)議，可以方便地創(chuàng)建模擬一個(gè)OpenFlow環(huán)境，用于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)模擬。

NS3的軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器是其自主開(kāi)發(fā)，缺乏靈活性；而Mininet除了可以使用其內(nèi)部嵌入的控制器，還可以靈活地加載其他控制器。同時(shí)，相對(duì)Mininet輕量級(jí)的模塊庫(kù)，NS3模塊庫(kù)過(guò)于龐大。此外，Mininet還提供Python API，能簡(jiǎn)化在實(shí)際開(kāi)發(fā)研究過(guò)程中涉及底層代碼的修改等操作。因此，我們選擇采用Mininet平臺(tái)來(lái)進(jìn)行軟件定義網(wǎng)絡(luò)的模擬實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)方案

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

我們基于Mininet平臺(tái)，設(shè)計(jì)了“軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)控制”實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的目的是幫助學(xué)生熟悉Mininet網(wǎng)絡(luò)模擬平臺(tái)，理解控制器的工作流程，掌握網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?chuàng)建過(guò)程和聯(lián)通測(cè)試方法。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理

實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容如下：①利用腳本語(yǔ)言創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；②測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性；③配置OpenDayLight控制器，編輯交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)原理主要是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)表進(jìn)行編輯，控制軟件定義網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

3.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境包括部署在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)的兩臺(tái)虛擬機(jī)，分別部署OpenDayLight控制器和Mininet模擬器。網(wǎng)絡(luò)中還有三臺(tái)互連的虛擬交換機(jī)s1、s2、s3，形成一個(gè)環(huán)路。每臺(tái)交換機(jī)上連接一臺(tái)主機(jī)，以方便測(cè)試所需。

3.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.4.1 創(chuàng)建拓?fù)?/p>

Mininet模擬器使用Python腳本完成實(shí)驗(yàn)配置，在導(dǎo)入常見(jiàn)的功能和輔助模塊后，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠x為MyTopo類，使用形如h1 = self.addHost(‘h1’) 代碼創(chuàng)建三臺(tái)主機(jī)h1、h2和h3，使用形如s1 = self.addSwitch(‘s1’) 代碼創(chuàng)建三臺(tái)交換機(jī)s1、s2和s3，使用形如self. addLink(s1,s2)代碼添加鏈路s1-s2、s1-s3、s2-s3、h1-s1、s2-h2和s3-h3。最終，可以開(kāi)啟控制器服務(wù)，通過(guò)OpenDayLight的Web UI可以查看網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。

圖1 OpenDayLight控制器顯示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3.4.2 連通測(cè)試

在Mininet模擬器上執(zhí)行pingall命令，測(cè)試主機(jī)間的聯(lián)通情況。從圖2可知，Mininet上執(zhí)行pingall后，所有主機(jī)間均相互聯(lián)通。

圖2 第一次pingall后終端顯示結(jié)果

查看交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)表，可以看到每臺(tái)交換機(jī)都出現(xiàn)3條轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)，分別是指明目的地址為h1、h2、h3 3臺(tái)主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，這說(shuō)明已經(jīng)成功建立實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

3.4.3 轉(zhuǎn)發(fā)控制

我們通過(guò)控制器對(duì)交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)行為實(shí)施控制，通過(guò)OpenDayLight控制器的web UI，對(duì)交換機(jī)s1增加了一條新的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)。該轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)將丟棄發(fā)往端口3的所有數(shù)據(jù)包。

在交換機(jī)s1中，目的地址為主機(jī)h3的數(shù)據(jù)包是經(jīng)由端口3轉(zhuǎn)發(fā)出去，而新增的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)將會(huì)丟棄此類數(shù)據(jù)包。因此，當(dāng)此時(shí)Mininet模擬器再次執(zhí)行pingall指令后，h1與h3無(wú)法互相聯(lián)通，其結(jié)果如圖3所示。這說(shuō)明控制器在交換機(jī)上新增的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)已經(jīng)截?cái)嗔私粨Q機(jī)s1與s3之間的直通鏈路。

圖3 增加新轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)后pingall結(jié)果

對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)而言，交換機(jī)是通過(guò)“學(xué)習(xí)”知道網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)的位置，從而更新自己的轉(zhuǎn)發(fā)表，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。而從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，交換機(jī)上的轉(zhuǎn)發(fā)表是通過(guò)控制器進(jìn)行管理操作的，交換機(jī)僅負(fù)責(zé)在數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。這也就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)平面和控制平面的分離。

4 結(jié) 語(yǔ)

在基于Mininet的軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生利用虛擬環(huán)境可以靈活、簡(jiǎn)便、快速地搭建實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，開(kāi)展面向Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核和真實(shí)網(wǎng)絡(luò)操作的課程實(shí)驗(yàn)，不但可以深入理解軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和工作原理，還可以直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備操作，在知識(shí)掌握和應(yīng)用能力方面都得到了有效的提升。

[1] 張朝昆, 崔勇, 唐翯祎, 等. 軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)研究進(jìn)展[J]. 軟件學(xué)報(bào), 2015, 26(1)： 62-81.

[2] 張連成, 奚琪, 郭毅, 等. 基于Mininet模擬環(huán)境的軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2015(6)： 104-107.

[3] Lantz B, Heller B, McKeown N. A network in a laptop： rapid prototyping for software-def ned networks [C]// Proceedings of the 9th ACM SIGCOMM Workshop on Hot Topics in Networks. New York： ACM, 2010： 1-6.

[4] The network simulator[EB/OL]. (2013-02-10)[2015-04-10]. http：//www.isi.edu/nsnam/ns.

[5] McKeown N, Anderson T, Balakrishnan H, et al. OpenFlow： Enabling innovation in campus networks[J]. ACM SIGCOMM CCR, 2008, 38(2)： 69-74.

[6] OpenFlow switch specif cation, version 1.4.0[EB/OL]. (2013-05-10)[2015-04-10]. https：//www. opennetworking.org/.

（編輯：史志偉）

1672-5913(2017)03-0152-03

G642

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中延時(shí)敏感的傳輸控制機(jī)制研究”（61572530） ；賽爾網(wǎng)絡(luò)下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目“基于IPv6的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)傳輸控制機(jī)制研究”（NGII20160113）；湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目“網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)課程的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐”。

黃家瑋，男，教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論，jiaweihuang@csu.edu.cn。