軟件定義網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建與運(yùn)用

韓穎錚，王萌，陸以勤

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641）

1 引言

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software-defined networking，SDN）是一種為解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)面臨的問(wèn)題和限制而提出的新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。SDN架構(gòu)具有控制平面和數(shù)據(jù)平面完全解耦、邏輯上集中化、網(wǎng)絡(luò)可編程的特點(diǎn)[1,2]。整個(gè) SDN架構(gòu)由數(shù)據(jù)層、控制層和應(yīng)用層組成。數(shù)據(jù)層的抽象化和控制層集中化使得部署新的應(yīng)用和服務(wù)變得更為簡(jiǎn)單和快捷。應(yīng)用程序無(wú)需了解網(wǎng)絡(luò)底層的結(jié)構(gòu)，只需通過(guò)調(diào)用控制層提供的 API（應(yīng)用程序編程接口）即可獲得網(wǎng)絡(luò)資源以滿足應(yīng)用需求。

控制層與數(shù)據(jù)層之間的接口稱為南向接口，定義了控制層與數(shù)據(jù)層之間的信息交換過(guò)程。南向接口可以是設(shè)備廠商自定義的API（如ARISTA公司的EAPI、思科公司的OnePK等），或是開(kāi)放 SDN 協(xié) 議 （ 如 OpenFlow、OpFlex、Netconf/YANG）訪問(wèn)接口，也可以是設(shè)備命令行接口（CLI）或標(biāo)準(zhǔn)路由協(xié)議（如BGP、IGP）會(huì)話等。OpenFlow是目前最為主流、發(fā)展最快的一個(gè)南向接口協(xié)議[3]。OpenFlow 強(qiáng)調(diào)控制與數(shù)據(jù)分離，在轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備上維護(hù)流表（flow table），按流表進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，流表的建立、維護(hù)及下發(fā)均由控制器來(lái)完成[4]。OpenFlow的流表結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)處理層次扁平化，使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理滿足細(xì)粒度的處理要求。BGP[5]是大型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上最成熟的協(xié)議之一，Internet骨干網(wǎng)所有路由器均支持該協(xié)議?？刂破鞲鶕?jù)全網(wǎng)拓?fù)浜蜖顟B(tài)，計(jì)算路徑并通過(guò)BGP下發(fā)至路由交換機(jī)，不需要對(duì)現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備的硬/軟件進(jìn)行升級(jí)即可進(jìn)行 SDN部署，大大降低了SDN的部署難度和成本。

以SDN創(chuàng)新應(yīng)用為主要內(nèi)容，提升網(wǎng)絡(luò)虛擬空間技術(shù)層次，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)信息新技術(shù)人才培養(yǎng)的要求和特點(diǎn)，引領(lǐng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及相關(guān)專業(yè)的教育教學(xué)改革，提高廣大高校的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與業(yè)界新技術(shù)、新協(xié)議的契合度，是一個(gè)非常值得研究和實(shí)踐的課題，國(guó)內(nèi)已有相關(guān)的大型創(chuàng)新應(yīng)用大賽的舉辦[6]，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是SDN教學(xué)及學(xué)生實(shí)踐的一個(gè)關(guān)鍵要素。當(dāng)前大部分高校和研究機(jī)構(gòu)以模擬軟件完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)，如參考文獻(xiàn)[7]提出了基于 Mininet的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，參考文獻(xiàn)[8]則采用 EstiNet構(gòu)建仿真平臺(tái)。參考文獻(xiàn)[9]在利用SDN技術(shù)的基礎(chǔ)上引入了NFV、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)編排等創(chuàng)新技術(shù)，自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于 SDN/NFV的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)者提供了良好的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，但該平臺(tái)還是基于模擬仿真環(huán)境，并且搭建類似平臺(tái)需要深度的技術(shù)支撐團(tuán)隊(duì)。模擬仿真環(huán)境下進(jìn)行SDN實(shí)驗(yàn)與實(shí)際環(huán)境是存在多方面的差異的，存在無(wú)法真實(shí)地反饋測(cè)試結(jié)果的情況。為解決這個(gè)問(wèn)題，本文結(jié)合了虛擬化和云計(jì)算技術(shù)，提出并搭建了一種基于真實(shí)硬件環(huán)境和云計(jì)算的開(kāi)放、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，作為基于SDN的創(chuàng)新應(yīng)用教學(xué)實(shí)驗(yàn)和學(xué)科競(jìng)賽平臺(tái)使用。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型設(shè)計(jì)和部署

2.1 平臺(tái)模型設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)是構(gòu)建整合多種實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)備、支持多用戶操作的開(kāi)放式SDN實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。多種實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)備是指兼容各種SDN控制協(xié)議、兼容虛擬網(wǎng)絡(luò)和各種廠商實(shí)體設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，提出以下設(shè)計(jì)原則。

· 整合多種虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)體網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)：即提供多種實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在控制器方面有如Floodlight[10]、Pox[11]等開(kāi)源控制器，也有VCF控制器、Agile控制器等廠商研制的控制器；在底層基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)方面有如Mininet、OpenvSwitch等虛擬網(wǎng)絡(luò)，也有用廠商研制的實(shí)體設(shè)備搭建的實(shí)體網(wǎng)絡(luò)。

· 支持多用戶的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)：用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)保留每個(gè)用戶的實(shí)驗(yàn)環(huán)境文件，使用戶在實(shí)驗(yàn)中斷后還可以再次繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，而不用在繼續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)又從頭開(kāi)始，并且不同用戶的實(shí)驗(yàn)不會(huì)互相干擾。

· 根據(jù)用戶預(yù)約進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)間編排：因計(jì)算、存儲(chǔ)和實(shí)體設(shè)備資源均是有限的，為合理安排共享實(shí)驗(yàn)，用戶預(yù)約實(shí)驗(yàn)資源，平臺(tái)根據(jù)預(yù)約進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)間編排。

基于以上原則，本文設(shè)計(jì)SDN創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由3個(gè)關(guān)鍵部分構(gòu)成，即云平臺(tái)、控制器和底層基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。云計(jì)算平臺(tái)提供快速、按需、彈性的資源構(gòu)建模式，能按照用戶的需求快速地構(gòu)建計(jì)算資源和開(kāi)發(fā)環(huán)境。云平臺(tái)、控制器、底層基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，控制器與底層基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間互聯(lián)構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)使用云平臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)各要素之間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源的優(yōu)化構(gòu)建和高效用比，并且實(shí)現(xiàn)不同控制器與底層基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之間的交替實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型

2.2 平臺(tái)部署

本文采用云平臺(tái)搭建共享SDN資源和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，詳細(xì)部署如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用了5臺(tái)通用服務(wù)器，相關(guān)的參數(shù)見(jiàn)表1。服務(wù)器之間通過(guò)高性能IP交換機(jī)交換數(shù)據(jù)。服務(wù)器1和服務(wù)器2為云主機(jī)，兩臺(tái)云主機(jī)通過(guò)多網(wǎng)卡一端連接實(shí)驗(yàn)內(nèi)網(wǎng)，一端連接校園網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)iSCSI協(xié)議[12,13]將服務(wù)器1、服務(wù)器2和服務(wù)器3、服務(wù)器4和服務(wù)器5組成存儲(chǔ)資源池，其中服務(wù)器1和服務(wù)器2作為iSCSI的主機(jī)系統(tǒng)，服務(wù)器3～服務(wù)器5作為存儲(chǔ)設(shè)備。在服務(wù)器5部署了一個(gè)自主開(kāi)發(fā)的預(yù)約系統(tǒng)ASVM。用戶訪問(wèn)預(yù)約系統(tǒng)Web頁(yè)面，登錄個(gè)人賬號(hào)后查找空閑的實(shí)驗(yàn)時(shí)間段進(jìn)行預(yù)約。預(yù)約成功后用戶遠(yuǎn)程控制虛擬機(jī)進(jìn)行SDN實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)編排模塊是預(yù)約系統(tǒng)的后臺(tái)支撐，根據(jù)用戶預(yù)約安排用戶占用的實(shí)驗(yàn)資源和時(shí)間，為用戶生成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)訪問(wèn)的IP地址和端口號(hào)。

表1 云平臺(tái)服務(wù)器參數(shù)

用戶登錄云主機(jī)后以模板創(chuàng)建定制的虛擬機(jī)充當(dāng)測(cè)試服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)云主機(jī)多網(wǎng)卡橋接模式連接至底層的SDN節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建由獨(dú)立的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)、控制器和底層網(wǎng)絡(luò)組成的真實(shí)SDN實(shí)驗(yàn)環(huán)境；另外，為豐富用戶的多種控制器的選擇，在云主機(jī)上也部署了開(kāi)源控制器，包括Floodlight[10]、Pox[11]等。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)詳細(xì)部署

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)部署了兩套商用SDN及相應(yīng)的廠商控制器，分別為OpenFlow網(wǎng)絡(luò)和BGP網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，控制器安裝在通用硬件服務(wù)器上，通過(guò)不同的網(wǎng)卡分別連接底層網(wǎng)絡(luò)和云平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制器提供了用戶友好的Web界面，用戶可以通過(guò)云平臺(tái)訪問(wèn)控制器的Web界面，按需組建控制器功能模塊，采用控制器提供的API開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序并部署到控制器上運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試和使用

根據(jù)模型設(shè)計(jì)完成部署工作后，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試運(yùn)行，測(cè)試結(jié)果如下所述。

3.1 預(yù)約和登錄測(cè)試

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)登錄預(yù)約系統(tǒng)后的頁(yè)面如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)預(yù)約平臺(tái)

預(yù)約成功后成功登錄至目標(biāo)云主機(jī)。通過(guò)云主機(jī)遠(yuǎn)程訪問(wèn)控制器頁(yè)面以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，圖 4所示為OpenFlow網(wǎng)絡(luò)控制器遠(yuǎn)程控制頁(yè)面。

圖4 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)控制器遠(yuǎn)程控制頁(yè)面

3.2 SDN實(shí)驗(yàn)測(cè)試

分別對(duì) OpenFlow網(wǎng)絡(luò)和 BGP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了SDN實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

在 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的連通性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，如圖5所示?？刂破饔?jì)算出路徑并下發(fā)流表。實(shí)驗(yàn)嘗試斷開(kāi)節(jié)點(diǎn)A與其他節(jié)點(diǎn)的鏈路，檢查兩臺(tái)服務(wù)器是否互ping成功，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)連通測(cè)試

表2 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下連通性測(cè)試

在BGP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的根據(jù)鏈路帶寬進(jìn)行路由計(jì)算的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，如圖6所示，在控制器上運(yùn)行路由算法，計(jì)算節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)8之間的最優(yōu)路徑，將路由表通過(guò)BGP下發(fā)至網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中。圖6中加粗實(shí)線標(biāo)記了控制器計(jì)算出的最優(yōu)路徑：1→3→5→8。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，加入當(dāng)前帶寬占用情況等因素，就可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)當(dāng)前鏈路空閑帶寬進(jìn)行路徑的動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并部署了一個(gè)SDN實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為開(kāi)放、創(chuàng)新的SDN應(yīng)用研究和開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，整合了多種實(shí)體和虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)使用云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化構(gòu)建和高效用比等特點(diǎn)。本文構(gòu)建的SDN實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為教育部科技發(fā)展中心舉辦的第一屆（2014年）、第二屆（2015年）和第三屆（2016年）全國(guó)高校SDN應(yīng)用創(chuàng)新開(kāi)發(fā)大賽的官方比賽平臺(tái)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了其實(shí)用性和價(jià)值性，現(xiàn)已開(kāi)放給作者所在高校的學(xué)生和研究人員開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]ON Foundation.Software-defined networking (SDN) definition [EB].2017.

[2]RISDIANTO A C, MULYANA E.Implementation and analysis of control and forwarding plane for SDN[C]//International Conference on Telecommunication Systems, Services, and Applications, Oct 30-31, 2012, Denpasar-Bali, Indonesia.Piscataway： IEEE Press, 2012： 227-231.

[3]MCKEOWN N, ANDERSON T, BALAKRISHNAN H, et al.OpenFlow： enabling innovation in campus networks[J].ACM Sigcomm Computer Communication Review, 2008, 38(2)：69-74.

[4]張朝昆, 崔勇, 唐翯祎, 等.軟件定義網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J].軟件學(xué)報(bào), 2015, 26(1)： 62-81.ZHANG C K, CUI R, TANG H Y, et al.State-of-the-art survey on software-defined networking[J].Journal of Software, 2015,26(1)： 62-81.

[5]REKHTER Y, LI T.A border gateway protocol 4 (BGP-4)[S].1995.

[6]華南理工大學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)工程研究中心.華南理工大學(xué)成功舉辦首屆全國(guó)高校SDN大賽[J].中國(guó)教育網(wǎng)絡(luò), 2014(9)： 9.Network Research Center, South China University of Technology.South China University of Technology successfully held the first national university SDN competition[J].China Education Network, 2014(9)： 9.

[7]黃家瑋, 韓瑞, 鐘萍, 等.基于Mininet 的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2015, 32(10)： 139-141.HUANG J W, HAN R, ZHONG P, et al.Plan of computer network experimental teaching based on Mininet[J].Experimental Technology and Management, 2015, 32(10)： 139-141.

[8]WANG S Y, CHOU C L, YANG C M.EstiNet OpenFlow network simulator and emulator[J].IEEE Communications Magazine, 2013, 51(9)： 110-117.

[9]魏亮, 李蓉, 吳正東, 等.基于SDN/NFV的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].電信科學(xué), 2017, 33(4)： 39-47.WEI L, LI R, WU Z D, et al.Future network experiment platform based on SDN/NFV[J].Telecommunications Science,2017, 33(4)： 39-47.

[10]ABDULLAH T.Testing of floodlight controller with Mininet in SDN topology[J].Sciencerise, 2014, 2(5)： 158.

[11]RAMADONA S, HIDAYATULLOH B A, SISWANTO D F,et al.The simulation of SDN network using POX controller：case in Politeknik Caltex Riau[C]//International Conference on Telecommunication Systems Services and Applications,Nov 25-26, 2015, Bandung, Indonesia.Piscataway： IEEE Press, 2015： 1-6.

[12]XINIDIS D, BILAS A, FLOURIS M D.Performance evaluation of commodity iSCSI-based storage systems[C]//Twenty-second IEEE NASA Goddard Conference on MASS Storage Systems and Technologies, Apr 11-14, 2005, Monterey, California, USA.Piscataway： IEEE Press, 2005： 261-269.

[13]LU Y, DU D H C.Performance study of iSCSI-based storage subsystems[J].IEEE Communications Magazine, 2003, 41(8)：76-82.