基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

羅奇 肖瑤星 楊輝

摘要：伴隨著網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)發(fā)展速度的加快，社會(huì)發(fā)展過(guò)程中對(duì)于人才的需要也在發(fā)生著變化。而從現(xiàn)實(shí)的角度來(lái)講，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)雖然在新時(shí)期已經(jīng)做出了一定的改變，但是，其中依然存在諸多不可忽視的問(wèn)題。而在此過(guò)程中，要想全面提升計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)踐教學(xué)的整體質(zhì)量，合理應(yīng)用軟件定義網(wǎng)絡(luò)必不可少。本次研究中，文章就針對(duì)軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系的主要組成部分以及在軟件定義網(wǎng)絡(luò)大環(huán)境下開(kāi)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略兩個(gè)方面出發(fā)進(jìn)行了具體的探討和研究。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò);計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程;實(shí)驗(yàn)教學(xué);研究

中圖分類(lèi)號(hào)： TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）16-0130-02

最近幾年，云計(jì)算技術(shù)和虛擬化技術(shù)在人們生活和工作中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，而在此過(guò)程中，為了使所培養(yǎng)的人才能夠更好地適應(yīng)人才發(fā)展的需要，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和自主學(xué)習(xí)能力的提升，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)也需要做出相應(yīng)的改變。院校方面需要為學(xué)生建立具有較強(qiáng)擴(kuò)展性、使用成本較低、具有一體化特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，為學(xué)生設(shè)置更多能夠滿足學(xué)生未來(lái)發(fā)展需要的開(kāi)源項(xiàng)目，全面提升計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，為學(xué)生未來(lái)的更好發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系的主要組成部分

1.1 支撐軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系的原理與概念

以往，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面的最重要載體，而軟件定義網(wǎng)絡(luò)的基本理念則在于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面的相互獨(dú)立，借由控制平面來(lái)體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜性，軟件定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)控制平面均包含南向接口，具備較強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)性和開(kāi)放性，在此基礎(chǔ)上，借助北向接口來(lái)實(shí)現(xiàn)編程，其主要目的在于服務(wù)應(yīng)用層的業(yè)務(wù)定制。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在虛擬層面上能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源配置能力的提升，在抽象層面上能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)集中控制能力的提升，在此基礎(chǔ)上，真正將存儲(chǔ)虛擬化、計(jì)算機(jī)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化有機(jī)地結(jié)合到一起，為云計(jì)算服務(wù)的高質(zhì)量落實(shí)打下良好的基礎(chǔ)，提供充足的支持。具體如圖1所示。

1.2 支撐軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系運(yùn)行的控制器

軟件定義網(wǎng)絡(luò)的控制器與軟件定義網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)有著相似的作用，從向下的角度來(lái)講，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)過(guò)程的管理、控制和資源配置[1]。從向上的角度來(lái)講，能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)編程活動(dòng)的開(kāi)展提供接口。從邏輯的角度來(lái)講，軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器具有較強(qiáng)的集中性特點(diǎn)，而從物理的角度來(lái)講，分布式是其最主要的特點(diǎn)。

1.3 支撐軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系運(yùn)行的交換機(jī)

支持軟件定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面的最重要載體就是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而其中，OpenFlow交換機(jī)是必不可少的一個(gè)主要組成部分，設(shè)備在執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的過(guò)程中主要的依據(jù)是flow table。flow table在實(shí)際的控制過(guò)程中要保證通道安全，安全性是判斷交換機(jī)是否可以執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)命令的重要標(biāo)準(zhǔn)。flow table在工作的過(guò)程中無(wú)論是進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，還是進(jìn)行字段匹配，都需要跨越多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[2]。OpenFlow交換機(jī)在落實(shí)協(xié)議工作的過(guò)程中，其配置需要充分考慮組網(wǎng)需要，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)的路由器轉(zhuǎn)發(fā)以及二級(jí)交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)，在此基礎(chǔ)上，在其他高層協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)方面也有著十分重要的作用。

OpenFlow交換機(jī)有兩種形態(tài)，一種是軟件形態(tài)，一種是硬件形態(tài)。其中，硬件形態(tài)的OpenFlow交換機(jī)非常適合組建生產(chǎn)型網(wǎng)絡(luò)，軟件形態(tài)的OpenFlow交換機(jī)則更適合測(cè)試平臺(tái)和研究平臺(tái)的搭建。由于OpenFlow交換機(jī)自身具有交換成本低、配置靈活度高的特點(diǎn)，因此，使用單位能夠及時(shí)更新版本，在高?？蒲协h(huán)境中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。而在教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立方面，OpenSwitch交換機(jī)具有更加廣泛的應(yīng)用范圍。

2 在軟件定義網(wǎng)絡(luò)大環(huán)境下開(kāi)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略

2.1 校園環(huán)境場(chǎng)域下軟件定義網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的策略

校園環(huán)境場(chǎng)域下，軟件定義網(wǎng)絡(luò)無(wú)論是在組網(wǎng)方式方面還是在規(guī)模方面都存在較大的差異，其具體的選擇需要考慮到教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展目標(biāo)以及科研活動(dòng)的開(kāi)展目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的使用需要可以將其劃分為不同的模式，科研園區(qū)內(nèi)部可選擇園區(qū)模式，學(xué)生獨(dú)立實(shí)踐可選擇單機(jī)模式，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部可選擇實(shí)驗(yàn)室模式。

在園區(qū)模式中，其主要依托的設(shè)備為OpenFlow硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及校園網(wǎng)的主干，用戶在實(shí)際使用的過(guò)程中可以借助OpenFlow以及軟件定義網(wǎng)絡(luò)自身強(qiáng)大的邏輯隔離能力和網(wǎng)絡(luò)虛擬化能力，在校園網(wǎng)正常業(yè)務(wù)受影響的前提下，開(kāi)展較大規(guī)模的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)活動(dòng)和創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目研究活動(dòng)，在此基礎(chǔ)上，最大限度地保證網(wǎng)絡(luò)流量背景的真實(shí)性，做好新型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的部署工作、評(píng)估工作以及測(cè)試工作。

在單機(jī)模式中，其使用平臺(tái)的建立主要依托軟件定義網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的搭建以及現(xiàn)階段十分流行的虛擬機(jī)技術(shù)。迷你網(wǎng)最早由斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)，是現(xiàn)階段應(yīng)用十分廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)仿真工具[3]。和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件存在較大的差異，迷你網(wǎng)還能用于原型系統(tǒng)的快捷開(kāi)發(fā)，它能運(yùn)行原汁原味的代碼以及實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。在迷你網(wǎng)仿真平臺(tái)上，還可以開(kāi)發(fā)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)新功能，開(kāi)發(fā)測(cè)試通過(guò)后，再將相關(guān)功能遷移到現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中。與此同時(shí)，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)與虛擬網(wǎng)絡(luò)還能最大限度的實(shí)現(xiàn)連通。

在實(shí)驗(yàn)室模式中，OpenFlow對(duì)于網(wǎng)卡服務(wù)器沒(méi)有特定要求，可通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，第一種是將OpenFlow軟件以及NetFPGA安裝在服務(wù)器上。第二種是將OpenvSwitch軟件安裝在服務(wù)器上，在此基礎(chǔ)上，建立模擬的OpenFlow軟交換機(jī)。在創(chuàng)新型研發(fā)工作的開(kāi)展過(guò)程中，前者是最好的選擇，而在搭建教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的過(guò)程中，后者的應(yīng)用最為普遍。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，無(wú)論是單機(jī)模式還是實(shí)驗(yàn)室模式都可以支撐教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建，而相比之下，實(shí)驗(yàn)室模式與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的運(yùn)行原理更加接近，但是，組網(wǎng)需要多臺(tái)計(jì)算機(jī)協(xié)同工作，而迷你網(wǎng)只在單一計(jì)算機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的模擬，具有更高的可擴(kuò)展性，因此，在課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分普遍。

2.2 以迷你網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的構(gòu)建單機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的策略

迷你網(wǎng)屬于輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(tái)的一種，它主要基于Linux內(nèi)核虛擬化技術(shù)開(kāi)發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，能夠?qū)浖x網(wǎng)絡(luò)大背景下所需要的所有組件進(jìn)行仿真，包括虛擬主機(jī)節(jié)點(diǎn)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器、OpenFlow交換機(jī)都能夠?qū)崿F(xiàn)仿真[4]。除此之外，系統(tǒng)還在迷你網(wǎng)虛擬機(jī)鏡像中進(jìn)行了Wireshark工具的預(yù)裝，這是現(xiàn)實(shí)中十分常用的一種協(xié)議分析工具，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流量的獨(dú)立分析，進(jìn)而以圖形化界面為單位進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流量的分析，在搭建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的過(guò)程中，這種方式具有較強(qiáng)的一體化特征。

從現(xiàn)實(shí)的角度來(lái)講，我們可以將每臺(tái)主機(jī)都看作是一個(gè)具備較強(qiáng)完備性和獨(dú)立性的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在基礎(chǔ)上，在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過(guò)程中可以完全依照PC機(jī)房的制式來(lái)進(jìn)行操作，無(wú)論是在擴(kuò)展性方面還是在容量方面都具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，現(xiàn)階段很多學(xué)生使用的個(gè)人計(jì)算機(jī)就已經(jīng)進(jìn)行了虛擬機(jī)系統(tǒng)的安裝，因此，在迷你網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建過(guò)程中也更容易操作，在集中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)之外，可以進(jìn)行有效補(bǔ)充，在此基礎(chǔ)上，有效解決實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限和實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生在課外進(jìn)行創(chuàng)新探索以及自主實(shí)驗(yàn)。

2.3 在迷你網(wǎng)大環(huán)境下進(jìn)行單機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的具體策略

要想將虛擬機(jī)技術(shù)引入到實(shí)際教學(xué)中，使虛擬機(jī)技術(shù)能夠充分發(fā)揮自身對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的推動(dòng)作用，在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展過(guò)程中，無(wú)論是現(xiàn)階段比較流行的協(xié)議分析工具還是操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試命令，都能夠在迷你網(wǎng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，與此同時(shí)，迷你網(wǎng)還能夠用于測(cè)試仿真網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形化交互窗口的高質(zhì)量管理，能夠有效地將迷你網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無(wú)縫地連接到一起，這也是相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件來(lái)說(shuō)，迷你網(wǎng)最明顯的優(yōu)勢(shì)。迷你網(wǎng)能夠提供多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的預(yù)定義，用戶在實(shí)際操作的過(guò)程中能夠通過(guò)腳本編寫(xiě)的方式實(shí)現(xiàn)自定義的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，與此同時(shí)，在新型網(wǎng)絡(luò)功能的開(kāi)發(fā)過(guò)程中API也能發(fā)揮十分重要的作用[5]。因此，在這一平臺(tái)上進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)的安排具有十分廣闊的空間。相比于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，決定可以充分發(fā)揮自己的想象力進(jìn)行自主探究，而不需要再揣摩教師的教學(xué)思路，被限制在教師的教學(xué)思路之內(nèi)進(jìn)行探索，因此，更有利于學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和實(shí)踐探索能力的培養(yǎng)，在此基礎(chǔ)上，使學(xué)生能夠更好地適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的發(fā)展需要，成長(zhǎng)為具有較強(qiáng)專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)的人才。

從綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展情況來(lái)看，通過(guò)在迷你網(wǎng)大環(huán)境下進(jìn)行單機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，學(xué)生可以對(duì)交換機(jī)的運(yùn)作原理進(jìn)行觀察，與此同時(shí)，還能認(rèn)真分析交換機(jī)的外部行為，明確交換機(jī)的運(yùn)作方式以及計(jì)算方式。學(xué)生在自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，自身的實(shí)踐動(dòng)手能力也能得到相應(yīng)的提升，在此基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)對(duì)象的系統(tǒng)級(jí)能夠產(chǎn)生更加深入的認(rèn)知。從實(shí)際操作中我們可以發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)問(wèn)題，對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行驗(yàn)證也可以借助協(xié)議分析工具以及網(wǎng)絡(luò)測(cè)試命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在迷你網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn)多重軟件的自由安裝配置，與此同時(shí)，對(duì)于虛擬機(jī)技術(shù)的相關(guān)問(wèn)題也能夠有更加深刻的掌握。學(xué)生在進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)過(guò)程中，要熟練掌握迷你網(wǎng)的常用命令，與此同時(shí)，學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，需要能夠編寫(xiě)Python腳本語(yǔ)言。而在此過(guò)程中，教師需要做好針對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的指導(dǎo)工作，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)境的維護(hù)，在教學(xué)計(jì)劃的制定過(guò)程中，教師也需要考慮到學(xué)生學(xué)時(shí)的問(wèn)題，另一方面需要考慮到學(xué)生專(zhuān)業(yè)定位的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上，為學(xué)生制定合理的培養(yǎng)目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，虛擬化技術(shù)以及軟件定義網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)迷你網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的獨(dú)立化，與此同時(shí)，還能真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的一體化，針對(duì)現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)課程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題也能夠給出十分明確的解決方案。從參考實(shí)例的角度來(lái)講，這一平臺(tái)不僅對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的兼容性，與此同時(shí)，自身在進(jìn)行活動(dòng)規(guī)劃的過(guò)程中還具有較強(qiáng)的靈活性，能夠?yàn)檎n程教學(xué)提供強(qiáng)有力的支撐。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】