OVS Pi:基于樹(shù)莓派的SDN 無(wú)線化研究

西南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 王 磊

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，部署網(wǎng)絡(luò)后，若想進(jìn)行修改，將會(huì)涉及到諸多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如交換機(jī)、路由器等，而由于各個(gè)廠家支持的標(biāo)準(zhǔn)不甚統(tǒng)一，導(dǎo)致修改這些設(shè)備配置的過(guò)程十分繁瑣。在這種情況下，SDN（Software-Defined Networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）這種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的提出就顯得尤為重要。

SDN采用數(shù)控分離的思想，把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制層和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層分離開(kāi)來(lái)，核心技術(shù)運(yùn)用了OpenFlow新型網(wǎng)絡(luò)交換模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制。同時(shí)，SDN網(wǎng)絡(luò)軟件可自主編程的特性，給予這一新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)巨大的潛力和發(fā)展前景，形成更為開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)，賦予了網(wǎng)絡(luò)資源更豐富的內(nèi)涵。

本設(shè)計(jì)（OVS Pi）在SDN網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合樹(shù)莓派（Raspberry Pi）、OVS（Open vSwitch）虛擬交換機(jī)技術(shù)、Ad Hoc技術(shù)以及GRE（Generic Routing Encapsulation，通用路由封裝）技術(shù)等，提出了將SDN網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化的發(fā)展方向。OVS技術(shù)的加入，能夠以虛擬交換機(jī)的形式，取代SDN網(wǎng)絡(luò)中昂貴的支持OpenFlow協(xié)議的交換機(jī)。采用Ad Hoc技術(shù)，使得樹(shù)莓派之間以無(wú)線的形式連接，更好的適應(yīng)各種狀況和地形。采用GRE隧道技術(shù)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連通，使得整體網(wǎng)絡(luò)受控制器控制，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間在受控情況下實(shí)現(xiàn)自由通訊。這為未來(lái)的SDN網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提出了新的可能。

一、研究背景和意義

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中是以TCP/IP為核心的，對(duì)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)策略的控制和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)都集中在網(wǎng)絡(luò)中的同一個(gè)設(shè)備上，當(dāng)需要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)策略進(jìn)行調(diào)整，或要求獲取網(wǎng)絡(luò)中某些資源信息時(shí)，網(wǎng)絡(luò)很難準(zhǔn)確、快速地提供給網(wǎng)絡(luò)管理人員和網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)人員準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)信息。而SDN網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的提出能夠解決這一問(wèn)題，它通過(guò)OpenFlow這一核心技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制層與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層分離開(kāi)來(lái)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的靈活編程化。較傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在邏輯上更簡(jiǎn)單，方便及時(shí)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化，并據(jù)此做出相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)策略。

Ad Hoc技術(shù)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有中心控制節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)地位平等。在本設(shè)計(jì)中，主要利用其無(wú)線和地位平等的特性。無(wú)線能夠使得樹(shù)莓派間以無(wú)線方式連接，解決有線網(wǎng)絡(luò)中的距離限制。地位平等則與SDN中的交換機(jī)相對(duì)應(yīng)，在SDN中，所有的交換機(jī)地位也是平等的，只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)即可。

本設(shè)計(jì)中涉及的OVS（Open vSwitch）虛擬交換機(jī)技術(shù)，能夠通過(guò)軟件形式虛擬化交換機(jī)的部件，創(chuàng)建虛擬網(wǎng)橋、虛擬端口，并將物理網(wǎng)卡與虛擬端口綁定，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)交換機(jī)功能的目的。將樹(shù)莓派和SDN結(jié)合起來(lái)，組建小型無(wú)線化的SDN網(wǎng)絡(luò)。利用樹(shù)莓派造價(jià)低廉、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)在樹(shù)莓派上部署OVS虛擬交換機(jī)的方式，將樹(shù)莓派改造成SDN網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)，在降低SDN組網(wǎng)的成本的基礎(chǔ)上，使得本設(shè)計(jì)不僅具有實(shí)驗(yàn)價(jià)值，也能夠有市場(chǎng)價(jià)值。有線SDN網(wǎng)絡(luò)的部署能夠解決數(shù)控分離的問(wèn)題，而SDN網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線化，則是在繼承SDN數(shù)控分離思想的基礎(chǔ)上做出的大膽嘗試，這樣的模式將能夠滿足在野外、狹小空間、網(wǎng)絡(luò)覆蓋中斷時(shí)的通訊需求。如：實(shí)時(shí)且移動(dòng)性的監(jiān)控農(nóng)牧區(qū)因受氣候和放牧影響而引起的草場(chǎng)退化情況。

本設(shè)計(jì)的研究目標(biāo)為：（1）結(jié)合樹(shù)莓派和OVS技術(shù)，在樹(shù)莓派上進(jìn)行編程和軟件配置。利用OVS的軟件功能，創(chuàng)建虛擬網(wǎng)橋、虛擬端口，并將物理網(wǎng)卡與虛擬端口綁定，實(shí)現(xiàn)SDN交換機(jī)的功能，使得樹(shù)莓派以交換機(jī)的身份參與到SDN網(wǎng)絡(luò)中，大大降低組建小型SDN網(wǎng)絡(luò)的成本，并且在減少體積、提高環(huán)境適用性等方向?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化。（2）結(jié)合OVS Pi和Ad Hoc技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有SDN網(wǎng)絡(luò)的模式進(jìn)行創(chuàng)新，使樹(shù)莓派之間以Ad Hoc模式連接，嘗試組建無(wú)線化SDN網(wǎng)絡(luò)，大大提升原本有線模式下的距離限制。（3）實(shí)現(xiàn)無(wú)線SDN網(wǎng)絡(luò)的靈活配置。將OVS配置、網(wǎng)卡配置等以腳本形式完成，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)配置，降低網(wǎng)絡(luò)管理員的負(fù)擔(dān)，并且實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)自動(dòng)加載配置，不必進(jìn)行額外操作即可連通網(wǎng)絡(luò)。

二、OVS Pi系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

（一）網(wǎng)卡配置

由于本設(shè)計(jì)中樹(shù)莓派采用的是基于Debian9的Jessie系統(tǒng)，而主機(jī)則是Windows 8.0和Windows XP系統(tǒng)，因此網(wǎng)卡配置部分也略有不同。

（1）樹(shù)莓派無(wú)線網(wǎng)卡配置

由于樹(shù)莓派間要以Ad Hoc模式進(jìn)行連接，因此要先對(duì)樹(shù)莓派的無(wú)線網(wǎng)卡做出相應(yīng)的配置。首先使用ifconfig -a命令，查看無(wú)線網(wǎng)卡名稱。（本設(shè)計(jì)中以樹(shù)莓派自帶無(wú)線網(wǎng)卡wlan0為配置對(duì)象，擴(kuò)展的USB無(wú)線網(wǎng)卡wlan1連接WIFI，以供PuTTY連接。）確定名稱（wlan0）后，將該網(wǎng)卡設(shè)置為Ad Hoc模式，配置wireless-essid為Ad-Hoc，wireless-mode為Ad- Hoc，wireless-channel為3，并配置IP為10.0.0.2、BroadCast為10.0.0.255、NetMask為255.255.255.0、NetWork為10.0.0.0。Pi_2網(wǎng)卡配置除IP變?yōu)?0.0.0.3以外，其他均相同，不再贅述。配置完成后，使用ifconfig wlan0命令查看wlan0的網(wǎng)卡配置是否正確，然后使用iwconfig wlan0命令查看無(wú)線網(wǎng)卡wlan0的具體配置情況，如圖1和圖2所示，觀察到ESSID為ad-hoc，Mode為Ad-Hoc，且Pi_1與Pi_2的Cell值相同，則說(shuō)明Ad Hoc模式的Pi_1與Pi_2的無(wú)線網(wǎng)卡已經(jīng)成功配對(duì)。

圖1 Pi_1 iwconfig查看wlan0及Cell值

圖2 Pi_2 iwconfig查看wlan0及Cell值

（2）主機(jī)有線網(wǎng)卡配置

本設(shè)計(jì)中，為了確保通訊成功，所有主機(jī)所在網(wǎng)段為10.0.1.0，IP為10.0.1.X(X:1～254)。在Host_1和Host_2上修改相關(guān)的IP配置，將IP地址分別設(shè)置為10.0.1.2和10.0.1.3，子網(wǎng)掩碼均設(shè)置為為255.255.255.0。網(wǎng)關(guān)及DNS不做配置。

（三） OVS配置

此部分配置以Pi_1為例，Pi_2配置類似。

（1）網(wǎng)橋配置

在同一個(gè)樹(shù)莓派上通過(guò)建立并配置多個(gè)虛擬網(wǎng)橋，完成端口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、丟棄以及配置GRE通道等操作，達(dá)到實(shí)現(xiàn)交換機(jī)功能的目的。具體配置的網(wǎng)橋數(shù)量與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小相關(guān)，需要針對(duì)不同規(guī)模進(jìn)行修改。由于本次測(cè)試采用兩臺(tái)樹(shù)莓派進(jìn)行，因此只需要建立兩個(gè)網(wǎng)橋br0和br1即可。

設(shè)置br0端口IP為20.0.0.2/24。由于本次測(cè)試所用控制器為Pi_1上開(kāi)啟的Floodlight，因此，設(shè)置網(wǎng)橋br0遠(yuǎn)程控制器IP為10.0.0.2，端口為6653。

設(shè)置br1端口IP為30.0.0.2/24。同樣，設(shè)置網(wǎng)橋br1遠(yuǎn)程控制器IP為10.0.0.2，端口為6653。

（2）掛載網(wǎng)卡

將無(wú)線網(wǎng)卡（wlan0）掛載到br0上。采用OVS自身的命令addport，將wlan0掛載到網(wǎng)橋br0上，使得OVS Pi能夠通過(guò)網(wǎng)橋br0控制數(shù)據(jù)從wlan0端口通過(guò)。

將有線網(wǎng)卡（eth0/enxb827eb649b1c）掛載到br1上。采用OVS自身的命令add-port，將eth0掛載到網(wǎng)橋br1上，使得OVS Pi能夠控制從br1上的eth0端口進(jìn)出的數(shù)據(jù)。

（3） GRE通道配置

由于不連續(xù)的子網(wǎng)無(wú)法相互通信，而本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)在不同樹(shù)莓派上的OVS配置的網(wǎng)橋的端口IP就屬于非連續(xù)子網(wǎng)，因此如果不做任何操作，它們之間是無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的。而GRE是VPN的第三層隧道協(xié)議，GRE通道的建立，就能很好的解決這個(gè)問(wèn)題。為此在不同樹(shù)莓派上配置OVS時(shí)，需要在網(wǎng)橋中分別配置指向?qū)Ψ降腉RE通道。

由于要借助wlan0組成的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，因此，將網(wǎng)橋br0的wlan0端口模式修改為GRE模式，建立GRE通道，指向?qū)Χ藈lan0的IP。

為了使br1與對(duì)端樹(shù)莓派的網(wǎng)橋相互通訊，需要在網(wǎng)橋br1上建立虛擬端口gre1，并配置為GRE模式，指向?qū)Χ司W(wǎng)橋br0的虛擬端口br0的IP。這樣就能夠打通所有網(wǎng)橋間的通信，使網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)。

三、OVS Pi詳細(xì)測(cè)試

（一）測(cè)試前的準(zhǔn)備工作

在測(cè)試前要首先清除之前的配置，運(yùn)行sudo ovs-vsctl del-br br0和sudo ovs-vsctl del-br br1命令，并用ifconfig命令和sudo ovs-vsctl show命令檢測(cè)是否刪除成功。在本次測(cè)試過(guò)程中，該小型SDN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下圖3所示：

圖3 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

（二）開(kāi)啟Floodlight

進(jìn)入floodlight/ 目錄下運(yùn)行java -jar target/floodlight.jar開(kāi)啟SDN控制器Floodlight。在開(kāi)啟控制器的樹(shù)莓派上打開(kāi)瀏覽器,進(jìn)入Floodlight用戶頁(yè)面，地址為http://localhost:8080/ui/index.html。

（三）配置OVS

下面將詳細(xì)配置Pi_1的OVS配置，Pi_2的配置與Pi_1相近，不再贅述。首先建立網(wǎng)橋br0、br1，設(shè)置br0端口IP為20.0.0.2/24，設(shè)置網(wǎng)橋br0遠(yuǎn)程控制器IP為10.0.0.2，端口為6653，設(shè)置br1端口IP為30.0.0.2/24，網(wǎng)橋br1遠(yuǎn)程控制器IP為10.0.0.2，端口為6653。將無(wú)線網(wǎng)卡（wlan0）掛載到br0上。將有線網(wǎng)卡掛載到br1上。

在網(wǎng)橋br0的wlan0端口建立gre通道，指向?qū)Χ藈lan0的IP。在網(wǎng)橋br1上建立虛擬端口gre1，并配置為gre模式，指向?qū)Χ司W(wǎng)橋br0的虛擬端口br0的IP。

完成上述配置后，我們使用sudo ovs-vsctl show命令查看Pi_1當(dāng)前的配置信息如圖4所示。

（四） 通訊測(cè)試

整體配置結(jié)束后，使用Ping命令進(jìn)行通訊測(cè)試。首先進(jìn)行交換機(jī)之間的Ping測(cè)試。

Pi_1 ping Pi_2 br0。在Pi_1上執(zhí)行命令ping 20.0.0.3 -c 4。

Pi_1 ping Pi_2 br1。在Pi_1上執(zhí)行命令ping 30.0.0.3 -c 4。

Pi_1 ping Pi_2 wlan0。在Pi_1上執(zhí)行命令ping 10.0.0.3 -c 4。

然后進(jìn)行主機(jī)之間的Ping測(cè)試。Host_1 Ping Host_2。在Host_1上執(zhí)行命令ping 10.0.1.3。

Host_2 Ping Host_1。在Host_2上執(zhí)行命令ping 10.0.1.2。

圖4 Pi_1 OVS配置

（五） 添加流表控制通訊

利用Curl工具，添加流表，達(dá)到阻斷通訊的目的，確認(rèn)當(dāng)前組建的小型SDN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以被Floodlight控制器控制。

在Pi_1或Pi_2上，打開(kāi)Terminal，執(zhí)行以下命令

curl -X POST -d ‘{“switch”: “00:00:b8:27:eb:71:18:e4”,”name”:”flow-1”,”in_port”:”1”,”active”:”true”,”actions”:”output=1”}’http://10.0.0.2:8080/wm/staticflowpusher/json

得到返回消息“Entry Pushed!”，證明推送流表成功。然后利用Curl工具查看流表，執(zhí)行以下命令curl -X GET http://10.0.0.2:8080/wm/staticflowpusher/list/all/json確認(rèn)流表添加成功。

此時(shí)，用Host_1 Ping Host_2，發(fā)現(xiàn)返回消息為“請(qǐng)求超時(shí)！”或“無(wú)法訪問(wèn)目標(biāo)主機(jī)”。證明Host_1與Host_2通訊被阻斷，即證明Floodlight能夠控制當(dāng)前小型SDN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

利用Curl刪除流表flow-1。Host_1 Ping Host_2再次成功。

經(jīng)過(guò)上述過(guò)程和驗(yàn)證，說(shuō)明Floodlight能夠成功控制當(dāng)前SDN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

四、結(jié)論

隨著SDN概念的演進(jìn)和發(fā)展，它在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的潛力受到了科研機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)巨頭以及風(fēng)險(xiǎn)投資等各方的高度關(guān)注。諸多現(xiàn)象表明，SDN具備巨大的潛在價(jià)值。而通過(guò)樹(shù)莓派、OVS、Ad Hoc等技術(shù)，將SDN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線化，也是SDN網(wǎng)絡(luò)的諸多發(fā)展方向之一。因此，研究SDN網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化是具有比較大的意義的。

本設(shè)計(jì)是通過(guò)OVS技術(shù)，將樹(shù)莓派改造為SDN網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)。同時(shí)，對(duì)于OVS技術(shù)和Ad Hoc技術(shù)，二者的結(jié)合也將碰撞出更多未知的可能。目前本設(shè)計(jì)確認(rèn)了同網(wǎng)段主機(jī)能夠相互通信，接下來(lái)還可以對(duì)處于不同VLAN、子網(wǎng)的主機(jī)通訊方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。

由于本設(shè)計(jì)的成功，確認(rèn)了小型SDN網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化的可能性，在規(guī)模上還未支持中、大型網(wǎng)絡(luò)。雖然本設(shè)計(jì)到此就結(jié)束了，但整體的項(xiàng)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)還沒(méi)有結(jié)束。還有很多需要擴(kuò)展的地方。例如，本設(shè)計(jì)只實(shí)現(xiàn)了樹(shù)莓派之間的無(wú)線化，對(duì)于主機(jī)與樹(shù)莓派之間以無(wú)線化連接還在進(jìn)一步探索中。