基于SDN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)及其測(cè)量創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)方案

劉乃安，李曉輝，韋 娟，魏建軍

（西安電子科技大學(xué) 通信與信息工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，陜西　西安；網(wǎng)絡(luò)與信息安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，陜西　西安　710071）

0 引 言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)不僅是理論教學(xué)的深化和補(bǔ)充，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，也起著非常重要的作用。如何開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系、內(nèi)容、方法的研究和探索，建立與理論教學(xué)改革相協(xié)調(diào)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，保證和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，是值得探討和研究的問題[1]。

現(xiàn)有計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)實(shí)驗(yàn)存在很多問題，例如內(nèi)容比較枯燥，缺少非常重要的測(cè)量方面的內(nèi)容，缺少深層次的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面的內(nèi)容，缺少綜合遠(yuǎn)程虛擬仿真的手段。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（softwaredef ned networking，簡(jiǎn)稱SDN）技術(shù)分離了網(wǎng)絡(luò)的控制平面和數(shù)據(jù)平面，為研發(fā)網(wǎng)絡(luò)新應(yīng)用和未來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了一種新的解決方案[2-3]。

SDN主要有如下3個(gè)特征[4-5]：①網(wǎng)絡(luò)開放可編程，SDN建立了新的網(wǎng)絡(luò)抽象模型，為用戶提供了一套完整的通用API，使用戶可以在控制器上編程，來實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的配置、控制和管理，從而加快網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)部署的進(jìn)程。②控制平面與數(shù)據(jù)平面的分離[6]，此處的分離是指控制平面與數(shù)據(jù)平面的解耦合。控制平面和數(shù)據(jù)平面之間不再相互依賴，兩者可以獨(dú)立完成體系結(jié)構(gòu)的演進(jìn)，類似于計(jì)算機(jī)工業(yè)的Wintel模式，雙方只需要遵循統(tǒng)一的開放接口進(jìn)行通信即可。控制平面與數(shù)據(jù)平面的分離是SDN架構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的重要標(biāo)志，是網(wǎng)絡(luò)獲得更多可編程能力的架構(gòu)基礎(chǔ)。③邏輯上的集中控制，主要是指對(duì)分布式網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的集中統(tǒng)一管理。在SDN架構(gòu)中，控制器會(huì)擔(dān)負(fù)起收集和管理所有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的重任，邏輯集中控制為軟件編程定義網(wǎng)絡(luò)功能提供了架構(gòu)基礎(chǔ)，也為網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化管理提供了可能[7]。

基于SDN技術(shù)可以很好地解決上述問題，基于SDN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室可以讓學(xué)生親自進(jìn)行交換機(jī)、路由器和SDN交換機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，從而讓學(xué)生直觀、全方位了解各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，真正加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)原理的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技能和實(shí)戰(zhàn)能力。

1 基于SDN的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體方案

1.1 總體方案和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于SDN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)及其測(cè)量創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是西安電子科技大學(xué)的建設(shè)項(xiàng)目，是一個(gè)集計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)、無線IP網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)課程教學(xué)、學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究的綜合網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其總體方案如圖1所示。

圖1　SDN實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體方案

整個(gè)實(shí)驗(yàn)室提供一套完整的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)解決方案，可滿足60個(gè)學(xué)生的同步教學(xué)和實(shí)驗(yàn)需求。目前配置有30臺(tái)接入層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，12臺(tái)核心/匯聚層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，3種無線網(wǎng)絡(luò)90臺(tái)，并設(shè)有配套網(wǎng)絡(luò)流量分析儀、網(wǎng)絡(luò)損傷儀（實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能模擬）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀等。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可按需靈活搭建各種實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，標(biāo)準(zhǔn)的3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。其中接入層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以按需接入實(shí)驗(yàn)主機(jī)或無線AP設(shè)備。每名學(xué)生可以獨(dú)立擁有一個(gè)接入層網(wǎng)絡(luò)，包括一臺(tái)接入層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和無線AP設(shè)備。

圖2　SDN實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)與功能

實(shí)驗(yàn)室會(huì)側(cè)重學(xué)生的實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能力。目前國(guó)內(nèi)高校采用的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)依然停留在軟件模擬和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議學(xué)習(xí)層面。很多計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信方面的學(xué)生理論知識(shí)儲(chǔ)備很多，疲于埋頭學(xué)習(xí)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信理論知識(shí)，但是由于缺乏開放的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生失去了對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體的把握和理解，也無法構(gòu)成專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。

實(shí)驗(yàn)室提供開放的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)，學(xué)生可以從零開始搭建傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及SDN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在開放網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上重新設(shè)計(jì)基于交換機(jī)和路由器的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，自定義交換機(jī)功能模塊，模擬當(dāng)前靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的諸多不足和限制因素。

實(shí)驗(yàn)室提供豐富的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例和小型網(wǎng)絡(luò)搭建實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)際操作，按照工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)流程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，開放的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還能讓學(xué)生在實(shí)踐中理解網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和各種組網(wǎng)真實(shí)工作原理。

2 基于SDN技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

2.1 開發(fā)理念

基于SDN技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一款基于全可編程SoC FPGA的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)提供了非常靈活的系統(tǒng)可編程能力，支持系統(tǒng)軟件層面和硬件層面的完全可編程能力。平臺(tái)本身采用了開放的軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，支持現(xiàn)場(chǎng)可編程和設(shè)計(jì)升級(jí)，無需改變平臺(tái)硬件。

平臺(tái)采用Xilinx公司的Zynq全可編程器件，該器件系列集成 ARM處理器的軟件可編程性與FPGA 的硬件可編程性，配備雙核 ARM Cortex-A9 處理器，該處理器與可編程邏輯集成，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能功耗比和最大的設(shè)計(jì)靈活性，可針對(duì)不同應(yīng)用定制不同硬件處理模塊，并可進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)。支持512KB L2高速緩存和256KB片上存儲(chǔ)器可容納整個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，ARM處理器與FPGA之間的帶寬高達(dá)100Gbps。

基于SDN技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括核心/匯聚層節(jié)點(diǎn)和接入層節(jié)點(diǎn)兩部分。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都可以按需配置成特定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，比如交換機(jī)、路由器和SDN交換機(jī)等，包括開放軟件系統(tǒng)和開放的硬件參考設(shè)計(jì)，可用于各類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)原型設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2.2　核心/匯聚節(jié)點(diǎn)開發(fā)

核心/匯聚層節(jié)點(diǎn)采用Xilinx公司的Zynq系列高端器件XC7Z100芯片，利用其靈活的軟硬件可編程能力以及豐富的外設(shè)和接口，構(gòu)建了一個(gè)可編程可重構(gòu)的多功能網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。該平臺(tái)通過ZYNQ可編程邏輯部分?jǐn)U展有八路千兆以太網(wǎng)、八路萬(wàn)兆SFP+光接口，以及一個(gè)QSFP光接口；同時(shí)通過ZYNQ處理器部分?jǐn)U展有用于調(diào)試的千兆以太網(wǎng)、串口以及USB-HUB、IIC、CAN等常用接口。利用ZYNQ軟硬件都可編程的特點(diǎn)，該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)功能靈活多變的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

匯聚層/核心層節(jié)點(diǎn)硬件如圖3所示，其內(nèi)部主要采用圖4所示的芯片和系統(tǒng)。

圖3　匯聚層/核心層節(jié)點(diǎn)硬件

圖4　匯聚層/核心層節(jié)點(diǎn)核心系統(tǒng)框圖

2.3 接入節(jié)點(diǎn)開發(fā)

接入層節(jié)點(diǎn)采用Xilinx公司的ZYNQXC7Z020芯片，具有四路可重配置的千兆網(wǎng)絡(luò)接口，利用其靈活的軟硬件可編程能力以及豐富的外設(shè)和接口構(gòu)建。該平臺(tái)采用ZYNQ 7020芯片，內(nèi)嵌有ARM Cortex-A9雙硬核可支持Linux操作系統(tǒng)。同時(shí)片內(nèi)具有豐富的可編程邏輯資源，可針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，不同需求而定制不同的硬件處理模塊，并且可以進(jìn)行功能動(dòng)態(tài)重構(gòu)。此外，平臺(tái)還具有豐富的擴(kuò)展IO，并且具有兼容樹莓派的GPIO、攝像頭和顯示屏接口，便于進(jìn)行功能擴(kuò)展。

詩(shī)眼即詩(shī)中最能體現(xiàn)情感傾向及內(nèi)容意蘊(yùn)的詞或句。有些詩(shī)鑒賞時(shí)只要找準(zhǔn)詩(shī)眼并圍繞詩(shī)眼發(fā)散提問，就能“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，有關(guān)層次結(jié)構(gòu)、思想內(nèi)容、寫作手法的問題都能迎刃而解。

接入層節(jié)點(diǎn)硬件如圖5所示。

接入層節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖5　接入層節(jié)點(diǎn)硬件

圖6　接入層節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)兩部分。

3.1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)部分包括通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)3部分，典型實(shí)驗(yàn)見表1。

其中，每種實(shí)驗(yàn)都包含了協(xié)議學(xué)習(xí)和配置、設(shè)備使用、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析3部分內(nèi)容。以交換機(jī)部分實(shí)驗(yàn)為例，典型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見表2。

3.2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)部分包括SDN基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和SDN高級(jí)實(shí)驗(yàn)兩部分。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分主要圍繞SDN體系結(jié)構(gòu)和OpenFlow協(xié)議來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，高級(jí)實(shí)驗(yàn)部分主要包括SDN系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方面的內(nèi)容，典型內(nèi)容見表3和表4。

表1　傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

表2　交換機(jī)部分實(shí)驗(yàn)

表3　基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分

表4　高級(jí)實(shí)驗(yàn)部分

4 結(jié) 語(yǔ)

SDN作為新的下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，把下層基礎(chǔ)設(shè)施抽象給上層應(yīng)用，使得網(wǎng)絡(luò)像計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施一樣，可大規(guī)模編程和管理?；赟DN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)及其測(cè)量創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)意義重大，可以極大地提升學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能力，加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)本身的理解。

網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室使得學(xué)生能夠針對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組網(wǎng)中碰到的問題，設(shè)計(jì)合理解決方案，設(shè)計(jì)滿足特定需求的流程，并能夠在實(shí)踐環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，考慮成本、效率、精度等因素；能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析與解釋數(shù)據(jù)，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論，對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)改革起到了極大的推進(jìn)作用。

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