基于Mininet的胖樹SDN網(wǎng)絡(luò)仿真

王德強(qiáng)+王敢甫

摘要：相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的僵化，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking，SDN）架構(gòu)可以更好地適應(yīng)與滿足當(dāng)前復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)需求。以采用胖樹（Fat-tree）拓?fù)涞臄?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)為例，介紹如何采用SDN網(wǎng)絡(luò)仿真軟件

Mininet方便而快捷地部署SDN仿真環(huán)境，調(diào)整鏈路性能?？蔀閿?shù)據(jù)中心的管理與部署提供參考，有利于簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的工作，加速應(yīng)用上線。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)仿真；胖樹拓?fù)?；?shù)據(jù)中心；鏈路性能

0 引言

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking，SDN） 因其對(duì)僵化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的解綁，可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)部署與管理，有利于網(wǎng)絡(luò)快速適應(yīng)生產(chǎn)生活需求，從而快速地從理論進(jìn)入實(shí)踐。SDN概念白提出后，開始在如數(shù)據(jù)中心、廣域網(wǎng)的部署升級(jí)中大量應(yīng)用。同時(shí)，SDN網(wǎng)絡(luò)也被科研、生產(chǎn)工作者廣泛實(shí)驗(yàn)研究。然而一個(gè)完整的SDN網(wǎng)絡(luò)至少需要控制器、OpenFlow交換機(jī)、終端結(jié)點(diǎn)等設(shè)備來(lái)構(gòu)建，超出了大部分研究工作者所具備的實(shí)驗(yàn)條件。對(duì)此，如OpenNet、NS3、Mininet等仿真軟件可以幫助研究者方便、快速地使用筆記本電腦等工具構(gòu)建一個(gè)SDN網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，并進(jìn)行技術(shù)方案、功能擴(kuò)展的驗(yàn)證。

Mininet的操作與拓?fù)浣⑾鄬?duì)方便，所建立拓?fù)涞慕K端結(jié)點(diǎn)、交換機(jī)與調(diào)用的相關(guān)應(yīng)用均由源碼運(yùn)行支持，仿真度較高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以直接移植到實(shí)際環(huán)境。此外，Mininet對(duì)于基于OpenFlow協(xié)}義的SDN網(wǎng)絡(luò)支持較好，適合于單機(jī)上建立SDN網(wǎng)絡(luò)仿真。

數(shù)據(jù)中心是對(duì)SDN應(yīng)用較快較廣泛的地方，其最迫切地需求是為服務(wù)器群組提供高效的雙向帶寬互聯(lián)，通常采用層次性多根網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其中胖樹（Fat-tree）結(jié)構(gòu)因其簡(jiǎn)單易用而得到廣泛應(yīng)用。本文使用Mininet作為仿真T具，基于此構(gòu)建如Top02的胖樹結(jié)構(gòu)的SDN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真。

1 使用Mininet創(chuàng)建拓?fù)?/p>

使用Mininet創(chuàng)建拓?fù)溆芯帉懩_本創(chuàng)建拓?fù)浠蚴褂胢iniedit 工具創(chuàng)建拓?fù)鋬煞N常用方式。通過編寫腳本創(chuàng)建拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)更加精細(xì)的拓?fù)涠x與自動(dòng)化測(cè)試等功能；使用miniedit工具創(chuàng)建拓?fù)鋭t可以通過視圖，更加直觀地創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并可以在?dǎo)出的拓?fù)淠_本中添加命令，進(jìn)一步精細(xì)化拓?fù)涠x。

1.1 編寫腳本建立拓?fù)?/p>

通過編寫腳本創(chuàng)建拓?fù)涫亲畛Ｒ姷耐負(fù)浯罱ǚ绞?。Mininet常使用Python語(yǔ)言編寫拓?fù)淠_本，表l給出了在編寫腳本過程中會(huì)使用到的主要類：

除此之外，還有如記錄日志的setLogLevel、info等類。若需要在腳本中調(diào)用終端命令，還需要導(dǎo)入call類。

導(dǎo)入合適的類后即可白定義拓?fù)?，包括添加組件與建立連接。需要添加的組件包括終端結(jié)點(diǎn)、OpenFlow交換機(jī)、控制器等。在根據(jù)自身需求定義好拓?fù)浜?，調(diào)用CLI以便調(diào)試。例如，建立圖l中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，所編寫的Python腳本如圖2。

Topol定義了包含一臺(tái)控制器controller，兩臺(tái)OpenFlow交換機(jī)sl、s2，兩臺(tái)終端主機(jī)hl、h2的SDN網(wǎng)絡(luò)。腳本運(yùn)行后將自動(dòng)創(chuàng)建topol的拓?fù)?，并在?chuàng)建完成后開啟CLI以輸入調(diào)試命令。在當(dāng)前腳本基礎(chǔ)上，用戶可以在腳本中進(jìn)一步根據(jù)自身需求精細(xì)化定義拓?fù)洌岣叻抡娼Y(jié)果精度。

除了直接編寫腳本定義拓?fù)涞姆绞?，用戶還可以使用Mininet所提供的可視化工具miniedit來(lái)更直觀的、便捷地建立拓?fù)洹?/p>

1.2使用miniedit創(chuàng)建拓?fù)?/p>

miniedit是Mininet2.2.0版本起內(nèi)置的一個(gè)可視化工具，位于安裝目錄下/mininet/examples/miniedit.py。用戶可以使用miniedit工具，通過拖拽圖標(biāo)的方式搭建拓?fù)?，并在通過運(yùn)行測(cè)試后導(dǎo)出該拓?fù)涞哪_本。

在創(chuàng)建拓?fù)涞倪^程中，還可以通過圖標(biāo)→右鍵→Properties來(lái)設(shè)置組件的屬性，如控制器類型、交換機(jī)類型、終端結(jié)點(diǎn)IP、鏈路帶寬等。如果需要使用到外部控制器，則控制器的Properties設(shè)置控制器類型為Remote Controller，并填寫對(duì)應(yīng)端口。完成拓?fù)浯罱ê笤贓dit→Perferences中選擇是否調(diào)用CLI，所使用的OpenFlow版本等。

完成以上設(shè)置后即可運(yùn)行拓?fù)湟詼y(cè)試拓?fù)涞拇罱ㄇ闆r。在運(yùn)行后若沒有問題，可通過File-> Export Leve12Script導(dǎo)出所搭建拓?fù)涞哪_本。相較于直接編寫腳本白定義拓?fù)?，miniedit這個(gè)可視化工具更加的直觀、便捷，提供的屬性設(shè)置也較豐富，可以滿足實(shí)驗(yàn)的通用需求。當(dāng)然，研究者也可以通過修改導(dǎo)出的腳本以及Mininet相關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的拓?fù)浯罱ㄅc更豐富的拓?fù)涔δ堋?/p>

2 鏈路性能測(cè)試

2.1測(cè)試環(huán)境、工具與拓?fù)湓谕負(fù)鋭?chuàng)建完成后，可以使用相關(guān)工具進(jìn)行鏈路性能的測(cè)試，以驗(yàn)證所構(gòu)建的仿真環(huán)境是否符合設(shè)定。測(cè)試可以使用ping驗(yàn)證拓?fù)溥B通性，使用iperf測(cè)試帶寬是否符合預(yù)設(shè)。

性能測(cè)試過程可以在拓?fù)浣⒑笳{(diào)用CLI，通過CLI接口手工測(cè)試；也可以將測(cè)試過程寫入腳本中，自動(dòng)運(yùn)行出結(jié)果。需要注意的是，在拓?fù)鋭偨r(shí)，由于控制器的流表來(lái)不及下發(fā)，可能會(huì)出現(xiàn)部分終端結(jié)點(diǎn)ping不通；而iperf測(cè)帶寬的過程中，也會(huì)因QoS限制等原因出現(xiàn)帶寬測(cè)試不準(zhǔn)確或達(dá)不到所要需求的情況。因此，對(duì)于拓?fù)湫阅艿臏y(cè)試最好是在流表下發(fā)之后進(jìn)行。

這里，本文構(gòu)建了一個(gè)4層次4端口交換機(jī)胖樹拓?fù)洌▓D3），并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試演示。仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境在虛擬機(jī)上構(gòu)建，在VMware上創(chuàng)建一臺(tái)Ubuntu虛擬機(jī)，并安裝SDN控制器與Mininet仿真軟件。具體配置如表2、3：

2.2 測(cè)試過程與結(jié)果endprint

2.2.1 連通性測(cè)試

在拓?fù)浣⒊晒?，可以通過CLI或者白動(dòng)化測(cè)試來(lái)調(diào)用pingall測(cè)試拓?fù)溥B通性。在控制器與OpenFlow交換機(jī)建立連接后，控制器將會(huì)默認(rèn)學(xué)習(xí)拓?fù)洌㈦S后響應(yīng)OpenFlow交換機(jī)的詢問，下發(fā)相應(yīng)流表。但在拓?fù)鋭偨⑼戤厱r(shí)，由于控制器對(duì)拓?fù)涞膶W(xué)習(xí)與流表下發(fā)處理較慢，會(huì)出現(xiàn)部分結(jié)點(diǎn)ping不同的現(xiàn)象。對(duì)此，可以在ping測(cè)試前下發(fā)流表，以避免ping不同與鏈路帶寬測(cè)試不準(zhǔn)確的情況。連通性測(cè)試結(jié)果如圖4，在控制器中顯示拓?fù)湫Ч鐖D5。在設(shè)計(jì)鏈路結(jié)點(diǎn)全部ping通后，即可進(jìn)行帶寬測(cè)試。

2.2.2 寬帶性能測(cè)試

帶寬性能測(cè)試的目的在于調(diào)整拓?fù)涞膸捫阅?，讓仿真的帶寬性能盡可能符合設(shè)定值。帶寬的設(shè)置可以在Mininet建立拓?fù)涞倪^程中設(shè)置，如在miniedit中對(duì)新添加的鏈路設(shè)置右鍵→Properties→Bandwidth.或者在腳本中添加鏈接時(shí)使用如下代碼設(shè)置鏈路：

h/s/={bw：10}

net.add Link（h1，sl，cls= TCLink，**hlsl）

其中{'bw：10}中的10為設(shè)置的帶寬，單位Mbps，這樣就可以設(shè)置鏈路hl-sl的帶寬。除此之外，還可以在拓?fù)浣⒊晒?，通過更改OpenFlow交換機(jī)的QoS來(lái)限速。但以上方法受限于Mininet仿真對(duì)鏈路轉(zhuǎn)發(fā)的支持不夠，并不能很準(zhǔn)確的達(dá)到設(shè)置的帶寬值，尤其是設(shè)置的帶寬較大，如超過50Mbps時(shí)。因此，在拓?fù)浣⒑笫褂胕perf來(lái)測(cè)試帶寬是否符合預(yù)期并做調(diào)整就很有必要。

以圖3所示胖樹拓?fù)錇槔?，分別測(cè)試主機(jī)hl與h2、h3、h5之間的鏈路帶寬。按照下發(fā)的流表，這三條鏈路將分別最高接入層、匯聚層、核心層，通過交換機(jī)的數(shù)量為l、3、5臺(tái)。其鏈路帶寬測(cè)試結(jié)果如表4。

這里，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分配了充足的CPU資源，使用了較大內(nèi)存與固態(tài)硬盤，測(cè)試帶寬未加限制，為極限帶寬。因此，所測(cè)出的帶寬較大，達(dá)到了30Gbps。而在不同硬件環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所能達(dá)到的極限速度也會(huì)有所差異，且因硬件差異，所測(cè)極限速度也會(huì)相差較大。對(duì)于仿真而言，這里所測(cè)得的極限速度意義不大，重要的是可以設(shè)置帶寬為所需要的值。如在腳本中設(shè)置以上三條鏈路帶寬為lOOMbps，測(cè)得結(jié)果如圖6，與設(shè)計(jì)的帶寬性能有仍有15%左右差距，。需要調(diào)整設(shè)置帶寬為115Mbps時(shí)，其帶寬性能才與設(shè)計(jì)值接近，如圖7。

此外.由表4可以看出鏈路帶寬隨著鏈路通過交換機(jī)數(shù)量的增多而下降，但由于同處一個(gè)網(wǎng)段，不需跨網(wǎng)傳輸，因此波動(dòng)不大。若需要使用UDP協(xié)議測(cè)試帶寬，由于iperf對(duì)于UDP協(xié)議萬(wàn)兆網(wǎng)卡的支持不好，需要使用iperB來(lái)進(jìn)行測(cè)試。使用iperf測(cè)試帶寬時(shí)可以看到設(shè)定參數(shù)下的一些性能指標(biāo)，如使用TCP協(xié)議測(cè)試帶寬時(shí)的重傳數(shù)，使用UDP協(xié)議測(cè)試帶寬時(shí)的丟包率等，可以作為進(jìn)一步細(xì)化鏈路性能的指標(biāo)使用。

2.3 自動(dòng)化測(cè)試

如果要編寫腳本自動(dòng)化測(cè)試，可以在腳本中調(diào)用以下命令來(lái)實(shí)現(xiàn)：

（1）下發(fā)流表：

在腳本中下發(fā)指定流表需要從subprocess模塊導(dǎo)入call類，調(diào)用格式如下：

call（["ovs命令行工具"，"操作"，"交換機(jī)名"，"流表"

如為交換機(jī)sl添加一條流表：

call（["ovs-ofctl"，"add-flow"，"sl"，"piiorily=20，dl src=

00：00：00：00：00：01，actions=output：3"]）

（2） Ping測(cè)試：

調(diào)用格式：

net.pingAll（）或net.ping（[測(cè)試主機(jī)列表]）

（3）帶寬測(cè)試：

調(diào)用格式：

net.iperf（[測(cè)試主機(jī)列表]，'協(xié)議'，'帶寬'，

'測(cè)試時(shí)長(zhǎng)'，'端口'）

如使用UDP協(xié)議，1000M帶寬測(cè)試hl與h5之間的帶寬：

net.iperf （[hl，h5]，'UDP'，'100M'） 以上命令需要在拓?fù)浣⒑蟮拇a段中調(diào)用，若在腳本中下發(fā)相應(yīng)流表后，ping測(cè)試與iperf測(cè)試將能更快進(jìn)行，結(jié)果也更準(zhǔn)確。

3 小結(jié)

本文通過實(shí)例介紹了如何使用Mininet快速便捷地創(chuàng)建SDN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并?duì)所創(chuàng)建SDN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能測(cè)試與調(diào)整設(shè)置，以更貼近實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，研究者可以對(duì)控制器策略模塊等進(jìn)行修改以測(cè)試方案正確性，也可測(cè)試SDN環(huán)境下各類應(yīng)用的性能和可行性。雖然Mininet對(duì)帶寬的限制仍難以做到準(zhǔn)確，但能降低對(duì)研究者實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求，因此，使用Mininet有利于SDN技術(shù)的發(fā)展與推廣。endprint