基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)研究

徐磊

摘 要：圍繞網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)發(fā)展對人才培養(yǎng)的新需求，針對困擾計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(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)實驗教學(xué)平臺的方法，提出基于單機模式建立低成本、易擴展的一體化實驗平臺教改方案，給出參考實驗實例，展示該平臺對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實驗的兼容性和開展綜合性與設(shè)計性實驗的潛力。

關(guān)鍵詞：計算機網(wǎng)絡(luò)課程；實驗教學(xué)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；OpenFlow

文章編號：1672-5913（2017）05-0150-04

中圖分類號：G642

1 背 景

近年來，虛擬化技術(shù)和云計算興起，云數(shù)據(jù)中心、多租戶網(wǎng)絡(luò)等新的應(yīng)用場景推動了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與管理模式的進步，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking，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，不少大學(xué)建立了SDN/ OpenFlow試驗網(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)Nick McKeown教授領(lǐng)導(dǎo)的Ethane團隊（Clean slate計劃）首次提出OpenFlow協(xié)議原型[1]，到2012年ONF發(fā)布SDN白皮書 [2]1-12，SDN及OpenFlow完成了從試驗平臺向業(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[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，也給計算機網(wǎng)絡(luò)課程理論與實驗教學(xué)的改革指出了新的研究方向。

目前網(wǎng)絡(luò)實驗室建設(shè)更新周期普遍較短，無論是采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實驗平臺，還是專用的課程教學(xué)實驗系統(tǒng)，大多面臨擴展和更新的要求，實驗設(shè)備和實驗學(xué)時不足，實驗內(nèi)容以驗證性實驗為主，缺乏設(shè)計性實驗和綜合性實驗，實踐環(huán)節(jié)薄弱。針對這些困擾實驗教學(xué)的問題，已有不少實驗教學(xué)改革的努力成果[5-7]。從目前的實驗教學(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)展對人才培養(yǎng)的新需求，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和實踐動手能力，給計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)提供低成本、易擴展、一體化的實驗平臺，擴展和深化實驗內(nèi)容，有必要在網(wǎng)絡(luò)實驗教學(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)的開源項目，涵蓋了多種SDN系統(tǒng)構(gòu)件，包括OpenFlow軟件交換機、SDN控制器、業(yè)務(wù)流程工具、網(wǎng)絡(luò)虛擬化工具、仿真和測試工具等，豐富的開源資源為建立新型網(wǎng)絡(luò)實驗平臺提供了實現(xiàn)的可能[8]。

2 SDN體系的主要組成

2.1 SDN的概念與原理體系架構(gòu)

傳統(tǒng)計算機網(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的原理體系架構(gòu)見圖1[2]7。

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)虛擬化與計算虛擬化、存儲虛擬化聯(lián)系一起，有力支持云計算服務(wù)的發(fā)展。

2.2 SDN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。

2.3 OpenFlow交換機

OpenFlow交換機是SDN數(shù)據(jù)平面的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它按照流表（flow table）的設(shè)置進行轉(zhuǎn)發(fā)。流表由控制器通過安全通道配置，決定OpenFlow交換機的轉(zhuǎn)發(fā)行為。流表項包括跨多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次的匹配字段和轉(zhuǎn)發(fā)行為。OpenFlow交換機的協(xié)議工作層次可以根據(jù)組網(wǎng)需要進行配置，可實現(xiàn)二層交換機、路由器和其他高層協(xié)議及策略的轉(zhuǎn)發(fā)功能。

OpenFlow交換機有硬件形態(tài)和軟件形態(tài)兩種形式，硬件OpenFlow交換機適用于生產(chǎn)型網(wǎng)絡(luò)的組建，軟件交換機多用于搭建研究和測試平臺。由于軟件交換機成本低、配置靈活，對OpenFlow規(guī)范版本的更新及時，適合在高校的科研教學(xué)環(huán)境中使用。對于教學(xué)實驗平臺，建議采用可運行在虛擬機上的軟件交換機Open vSwitch。

3 基于SDN和OpenFlow的網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺建設(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)活動中的目標(biāo)定位，可以將其分為園區(qū)模式、實驗室模式和單機模式。

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，進行大規(guī)模的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)項目研究和試驗，從而能夠在真實網(wǎng)絡(luò)流量背景下，對新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、新型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)等研究項目展開測試、評估和部署。

實驗室模式的OpenFlow交換機可利用多網(wǎng)卡服務(wù)器實現(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 Open vSwitch軟件，實現(xiàn)OpenFlow軟交換機。創(chuàng)新型研發(fā)工作可采用前者，教學(xué)實驗平臺可以采用后者。

單機模式的實驗平臺利用虛擬機技術(shù)和SDN仿真軟件搭建。Mininet是斯坦福大學(xué)Ethane研究團隊開發(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還是一個快捷的原型系統(tǒng)開發(fā)工具，它集成了Open vSwitch軟件交換機，能運行實際網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和原汁原味的代碼。在Mininet仿真平臺上可以進行網(wǎng)絡(luò)新功能的開發(fā)測試，然后再遷移到實際的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)上。Mininet仿真的虛擬網(wǎng)絡(luò)還可以與實際網(wǎng)絡(luò)連通。endprint

實驗室模式和單機模式的SDN環(huán)境都可以作為教學(xué)實驗平臺的構(gòu)建方案，前者更接近真實網(wǎng)絡(luò)，但是組網(wǎng)需要更多計算機（每一個主機或交換機節(jié)點都需要一臺物理主機），而Mininet能夠在一臺個人計算機上仿真整個OpenFlow網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的擴展性及其拓?fù)湓O(shè)計的靈活性更好，因而更適合課程教學(xué)實驗應(yīng)用。

3.2 基于Mininet的單機實驗環(huán)境構(gòu)建方案

Mininet是基于Linux 內(nèi)核虛擬化技術(shù)開發(fā)的輕量級網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺，它提供了仿真SDN網(wǎng)絡(luò)的所有構(gòu)件：OpenFlow交換機、SDN控制器、虛擬主機節(jié)點。Mininet虛擬機鏡像中還預(yù)裝了常用的協(xié)議分析工具Wireshark，能夠在獨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)實驗環(huán)境的一個一體化解決方案。表1給出了Mininet單機環(huán)境的構(gòu)成。

由于每臺主機都能構(gòu)成一個獨立和完備的網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，完全可以按照通用PC機房的模式建設(shè)網(wǎng)絡(luò)實驗室，其在容量和擴展性上的優(yōu)勢顯而易見。實際上，部分學(xué)生的個人計算機已經(jīng)安裝了虛擬機系統(tǒng)，搭建個人Mininet實驗環(huán)境可謂簡便易行，作為集中實驗環(huán)節(jié)的補充，不僅能夠解決實驗設(shè)備和實驗課時不足的問題，還能進一步開展課外自主實驗與創(chuàng)新探索活動。

4 Mininet單機環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)實驗

由于采用了虛擬機技術(shù)，教學(xué)時能夠在Mininet平臺使用流行操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)測試命令和協(xié)議分析工具，對仿真網(wǎng)絡(luò)進行測試，還可以通過圖形化交互窗口進行管理，保證了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實驗內(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)?、樹型、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，在該平臺上安排教學(xué)實驗有很大的設(shè)計空間，表2給出了綜合性與設(shè)計性實驗的參考實例。

通過所示的綜合性實驗，學(xué)生既能觀察交換機外部行為，又能深入學(xué)習(xí)內(nèi)部工作原理及算法實現(xiàn)；設(shè)計性實驗有助于提高學(xué)生的實踐動手能力，建立對網(wǎng)絡(luò)對象的系統(tǒng)級認(rèn)知。從實例中看到，驗證性實驗細(xì)節(jié)均能夠利用常用網(wǎng)絡(luò)測試命令和協(xié)議分析工具完成。

使用Mininet實驗環(huán)境需要掌握虛擬機技術(shù)和多種自由軟件安裝配置，綜合性實驗需要學(xué)習(xí)Mininet的常用命令，設(shè)計性實驗需要學(xué)生掌握Python腳本語言的編程，實施中需要增加實驗環(huán)境維護和實驗過程指導(dǎo)的工作量，具體的實驗教學(xué)計劃可以根據(jù)專業(yè)定位、學(xué)時限定和培養(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實驗環(huán)境是一個獨立和完備的一體化網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，能夠解決目前實驗教學(xué)存在的諸多問題。參考實驗實例說明了該平臺對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實驗的兼容性以及靈活規(guī)劃綜合性與設(shè)計性實驗的潛力。以此為基礎(chǔ)進一步完善實驗改革方案，能夠為學(xué)生開拓更大的自主學(xué)習(xí)與實踐探索的空間，使課程教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展接軌，充分發(fā)揮計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(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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（編輯：孫怡銘）endprint