基于SDN的智能化英語(yǔ)多媒體教室設(shè)計(jì)

胡國(guó)強(qiáng)+陳毅

摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有的英語(yǔ)多媒體教室網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)工作量大與維護(hù)復(fù)雜的問(wèn)題，結(jié)合SDN網(wǎng)絡(luò)的快速演進(jìn)，在綜合考慮網(wǎng)絡(luò)智能化和虛擬化的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新型多媒體教室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。此架構(gòu)基于SDN技術(shù)，通過(guò)SDN的控制器集中管理所有的中控設(shè)備。詳細(xì)描述了該方案的設(shè)計(jì)思想、總體架構(gòu)，通過(guò)Mininet仿真平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，從而驗(yàn)證了該方案的可行性。最后，通過(guò)實(shí)際部署SDN網(wǎng)絡(luò)，說(shuō)明基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)有助于教師更好地開(kāi)展教學(xué)，有助于學(xué)生更好地學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞： SDN； 多媒體教室； 中控設(shè)備； 集中管理

中圖分類號(hào)： TN915.5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）14?0088?04

Abstract： Since the workload of the network monitoring for available English multimedia classroom is heavy， and its maintenance is complex， on the basis of the rapid evolution of SDN network and comprehensive consideration of the network intellectualization and virtualization， a new multimedia classroom network architecture was designed. All central control devices are managed intensively with the SDN technology based architecture through the controller of SDN. The design concept and overall architecture of this scheme are described in detail. The scheme was tested with Mininet simulation platform to verify its feasibility. The SDN network was deployed practically to show that the multimedia classroom network based on SDN is conducive to the better development of teaching for teachers， and better development of learning for students.

Keywords： SDN； multimedia classroom； central control equipment； concentrated management

當(dāng)前，先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)對(duì)教育產(chǎn)生巨大的影響，大力推進(jìn)教育技術(shù)信息化、科學(xué)化、智能化是世界教育追求的目標(biāo)[1]。作為新型教育技術(shù)的載體，高校英語(yǔ)多媒體教室不僅提供了多種英語(yǔ)教學(xué)方式，而且為教師提供了充分利用各種課件的條件，為學(xué)生提供了聯(lián)系英語(yǔ)口語(yǔ)和聽(tīng)力的條件。隨著高校辦學(xué)規(guī)模擴(kuò)大，高校英語(yǔ)多媒體教室的數(shù)量也在不斷增加，英語(yǔ)多媒體專網(wǎng)的規(guī)模也在不斷擴(kuò)張。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和中控設(shè)備的增加加大了多媒體管理人員的壓力，加大了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的工作量。龐大的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系故障率高且維護(hù)繁瑣，如何能減輕多媒體網(wǎng)絡(luò)的工作量，提高工作效率，更好地為使用英語(yǔ)多媒體教室的師生提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

在這樣的環(huán)境下，本文提出了一種基于SDN的新型多媒體教室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，此架構(gòu)將多媒體教室管理系統(tǒng)劃分為應(yīng)用層、控制層、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層三大層?；赟DN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中的控制解耦來(lái)簡(jiǎn)化多媒體教室網(wǎng)絡(luò)的配置與管理。

1 SDN多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 現(xiàn)有英語(yǔ)多媒體教室網(wǎng)絡(luò)管理存在的問(wèn)題

隨著多媒體教室的不斷普及，多媒體教室網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越龐大，其在管理和維護(hù)方面暴露出很多問(wèn)題，有些問(wèn)題甚至影響了老師的教學(xué)[2]。傳統(tǒng)的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題如下：

（1） 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（包括交換機(jī)和中控設(shè)備）的配置是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理員手工輸入命令行配置的，工作量大。

（2） 網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)分離，新業(yè)務(wù)的部署需要接入新設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。需要調(diào)整業(yè)務(wù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)部署就顯得非常低效，甚至無(wú)法實(shí)施[3]。

（3） 只有基于大帶寬的粗放型帶寬保障措施，細(xì)?；膸捹|(zhì)量保證和監(jiān)控?zé)o從談起[4]。對(duì)于特殊需要網(wǎng)絡(luò)帶寬的教學(xué)或?qū)嵙?xí)課程只能保證網(wǎng)絡(luò)連通，沒(méi)有辦法保證用戶體驗(yàn)，從而影響教學(xué)效果。

（4） 英語(yǔ)多媒體教室交換機(jī)+中控設(shè)備的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致多媒體教室網(wǎng)絡(luò)排查故障繁瑣。

由此可見(jiàn)，基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多媒體網(wǎng)絡(luò)在管理和維護(hù)中存在諸多問(wèn)題。隨著SDN網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，本文引入了SDN技術(shù)來(lái)解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的英語(yǔ)多媒體網(wǎng)絡(luò)面臨的問(wèn)題。

1.2 基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的概念

SDN起源于2006年美國(guó)GENI項(xiàng)目資助的斯坦福大學(xué)Clean Slate課題。2009年，斯坦福大學(xué)Nick McKeown教授為首的研究團(tuán)隊(duì)提出了基于OpenFlow的SDN概念用于校園網(wǎng)絡(luò)的試驗(yàn)創(chuàng)新[5]。其核心是利用分層的思想，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與控制相分離，目的在于改變結(jié)構(gòu)和功能日趨復(fù)雜，管控能力日趨減弱，且難以進(jìn)化發(fā)展的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)。基于SDN的多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在控制平面，通過(guò)可編程和邏輯中心化的控制器，多媒體教室網(wǎng)絡(luò)管理人員可以掌控所有的網(wǎng)絡(luò)信息來(lái)部署新協(xié)議和管理配置網(wǎng)絡(luò)等；在數(shù)據(jù)平面，盡可能地采用標(biāo)準(zhǔn)化通用設(shè)備（交換機(jī)和中控設(shè)備），提高接入網(wǎng)設(shè)備的統(tǒng)一性、通用性和適配性，降低網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)程度[6]。兩層之間采用開(kāi)放的統(tǒng)一接口（如OpenFlow等）進(jìn)行交互[7]。SDN控制器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備統(tǒng)一下發(fā)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備僅需按照這些規(guī)則執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作即可。本文認(rèn)為基于SDN的多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通過(guò)集中化的控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、中控設(shè)備和接入網(wǎng)中的教學(xué)資源細(xì)粒度的管理。

1.3 基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)的特征

多媒體教室網(wǎng)絡(luò)中的SDN控制器集中管理所有的交換機(jī)和中控設(shè)備，隨時(shí)可以獲取多媒體教室網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)拓?fù)浼傲鞅硇畔?，有利于網(wǎng)絡(luò)的高效管理和優(yōu)化，更有利于多媒體教室網(wǎng)絡(luò)故障的快速定位和排除。根據(jù)需要安裝查看網(wǎng)絡(luò)流量和性能的開(kāi)源軟件，有助于網(wǎng)管監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，保障了正常的教學(xué)秩序。

基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一的SDN控制器對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制，根據(jù)業(yè)務(wù)的具體要求通過(guò)修改流表，統(tǒng)一下發(fā)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則和動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)多路徑轉(zhuǎn)發(fā)和負(fù)載均衡，提高多媒體教室網(wǎng)絡(luò)的可靠性和帶寬利用率[8]。

2 基于SDN的多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具體設(shè)計(jì)

2.1 基于SDN的多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)思路

基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，總體上遵循“易于管理、集中控制、整合資源、易于維護(hù)”的指導(dǎo)思想，既要保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性、易用性和安全性，又面保障網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、可伸縮性和業(yè)務(wù)部署能力。

在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：在簡(jiǎn)化管理的基礎(chǔ)上能滿足教學(xué)服務(wù)的要求；與現(xiàn)有的多媒體交換機(jī)和中控設(shè)備完全融合；不影響現(xiàn)有系統(tǒng)的使用；維護(hù)簡(jiǎn)單，易于找到故障節(jié)點(diǎn)。

2.2 基于SDN的多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于對(duì)SDN的多媒體網(wǎng)絡(luò)教室的定位、特征和設(shè)計(jì)思路的探討，按照SDN的經(jīng)典架構(gòu)結(jié)合現(xiàn)有多媒體網(wǎng)絡(luò)元素將基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)從低到高劃分為三層，如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層支持OpenFlow的交換機(jī)和中控設(shè)備及中控設(shè)備下聯(lián)的所有設(shè)備；

控制層支持OpenFlow的控制器，通過(guò)北向接口集中控制所有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層設(shè)備，其對(duì)應(yīng)用層提供靈活的開(kāi)放接口，以滿足多媒體教室網(wǎng)絡(luò)不同應(yīng)用的調(diào)用要求；

應(yīng)用層基于SDN網(wǎng)絡(luò)的所有應(yīng)用，如教學(xué)管理平臺(tái)、遠(yuǎn)程點(diǎn)播、安防監(jiān)控、考試巡視。

3 Mininet仿真實(shí)現(xiàn)

Stanford大學(xué)Nick McKeown的 研 究 小 組 基 于 LinuxContainer 架構(gòu)開(kāi)發(fā)了一套進(jìn)程虛擬化的Mininet 平臺(tái)[9]。 此平臺(tái)被譽(yù)為輕量級(jí)“軟件定義網(wǎng)絡(luò)” 研發(fā)和測(cè)試平臺(tái)，其支持OpenFlow，Open vSwitch 等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層部件的協(xié)議開(kāi)發(fā)[10]；支持多人協(xié)同開(kāi)發(fā)；支持系統(tǒng)級(jí)的還原測(cè)試；支持代碼無(wú)縫遷移到真實(shí)的硬件環(huán)境；支持復(fù)雜拓?fù)洹?自定義拓?fù)?，有很好的擴(kuò)展性和高擴(kuò)展性。本文基于Mininet 網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，對(duì)多媒體教室典型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行測(cè)試和分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的有效性。

3.1 測(cè)試環(huán)境搭建

硬件環(huán)境：CPU為AMD Opteron（TM） Processor 6168；內(nèi)存為16 GB。軟件環(huán)境：Centos 6.6操作系統(tǒng)；Floodlight控制平臺(tái)；Mininet仿真軟件。

在Centos 6.6中使用命令 java ?jar target/floodlight.jar 啟動(dòng) Floodlight，等待來(lái)自遠(yuǎn)程 OpenFlow設(shè)備的連接，之后輸入命令 ： sudo mn??controller=remote??ip=127.0.0.1 ??port=6633，其中IP對(duì)應(yīng)安裝Floodlight系統(tǒng)的IP地址， 命令執(zhí)行后就可以將 Mininet 連接到遠(yuǎn)程 Floodlight 控制器。

3.2 測(cè)試拓?fù)涞慕?/p>

在測(cè)試環(huán)境搭建成功后，Centos 6.6使用命令mn命令創(chuàng)建拓?fù)洌嗝襟w教室典型的網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。此拓?fù)浒?個(gè)節(jié)點(diǎn)， 分別是網(wǎng)關(guān)、 控制器和2個(gè)主機(jī)（可理解為中控設(shè)備）、控制器連接網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)關(guān)連接2個(gè)主機(jī)。通過(guò)IE瀏覽器訪問(wèn)Floodlight控制平臺(tái)，訪問(wèn)鏈接為外部地址+端口（8080）/UI/index.html，各節(jié)點(diǎn)信息如圖3所示。

3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B通性測(cè)試

在Mininet環(huán)境下用pingall測(cè)試h1主機(jī)和h2主機(jī)連通性，如圖4所示。研發(fā)人員可以通過(guò)Floodlight的Restful API接口來(lái)向Floodlight平臺(tái)請(qǐng)求交換機(jī)狀態(tài)、能力、拓?fù)涞雀鞣N信息，而策略控制Static Flow Pusher機(jī)制則是通過(guò)Restful API接口來(lái)管理流表的。本文使用Static Flow Pusher 改變流表，讓h2 ping不通h1，具體命令如下：

sudo curl http：//219.245.196.25：8080/wm/staticflowentrypusher /clear//json

sudo curl ?X DELETE ?d ′{″name″：″flow?mod?1″}′

http：//：8080/wm/staticflowentrypusher/json

3.4 故障自恢復(fù)實(shí)驗(yàn)

（1） 利用Floodlight控制平臺(tái)為網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)之間設(shè)置兩條轉(zhuǎn)發(fā)路徑，為h1和h2下發(fā)主路徑，備份路徑，測(cè)試拓?fù)淙鐖D5所示。

（2） 模擬單故障情形，Mininet中輸入命令link s1， 模擬鏈路中斷。使用Iperf從h1向h2發(fā)送數(shù)據(jù)，分別發(fā)送普通UDP數(shù)據(jù)分組和視頻文件流。

（3） 通過(guò)觀察h2的Iperf服務(wù)器端輸出信息以及使用WireShark抓包工具分析分組傳遞路徑可知，在上述故障情形下主機(jī)h1可通過(guò)備用路徑到達(dá)目的主機(jī)h2，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)故障，并對(duì)故障情形進(jìn)行診斷判別，最終能夠進(jìn)行路由恢復(fù)，ping結(jié)果見(jiàn)圖6。

測(cè)試結(jié)果表明，基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是可行的，比傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更有優(yōu)勢(shì)?；诖耍谀闲^(qū)數(shù)字化教學(xué)樓兩個(gè)英語(yǔ)多媒體教室部署了SDN網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)英語(yǔ)老師的實(shí)際使用情況來(lái)分析SDN多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)給英語(yǔ)教學(xué)服務(wù)帶來(lái)的影響。

4 實(shí)踐及效果分析

為了評(píng)測(cè)SDN多媒體教室網(wǎng)絡(luò)給英語(yǔ)教學(xué)帶來(lái)的效果，分別在2016年第一學(xué)期（已部署SDN）和2015年第二學(xué)期（未部署SDN）對(duì)在數(shù)字化樓多媒體教室上課的A班和B班學(xué)生和教師（共82人）就SDN多媒體網(wǎng)絡(luò)對(duì)英語(yǔ)教學(xué)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了訪談?wù){(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表1所示。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，部署SDN多媒體網(wǎng)絡(luò)的多媒體教室比沒(méi)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)改造的多媒體教室故障率底，沒(méi)有出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障；部署SDN后，師生對(duì)校園網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于在線視頻播放、在線學(xué)習(xí)、實(shí)時(shí)視頻交流三個(gè)方面滿意度大幅提升，部署的SDN網(wǎng)絡(luò)更好地滿足了英語(yǔ)教學(xué)的需求，提升了英語(yǔ)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的現(xiàn)代教育技術(shù)水平，有助于老師教學(xué)和學(xué)生英語(yǔ)學(xué)習(xí)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于SDN的英語(yǔ)多媒體教室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，解決了英語(yǔ)多媒體教室網(wǎng)絡(luò)管理中的一些問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的 SDN 架構(gòu)采用 OpenFlow 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的分離，通過(guò)控制器集中靈活管理多媒體教室的中控設(shè)備，減少了網(wǎng)管人員維護(hù)量。通過(guò)利用Mininet 軟件和Floodlight控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了控制器對(duì)中控設(shè)備的靈活控制，說(shuō)明了基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案可行。最后，經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證可知，SDN多媒體網(wǎng)絡(luò)給教學(xué)提供了更好的服務(wù)。

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