基于虛擬化技術(shù)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

葉 進(jìn)， 馮露葶， 何華光， 李陶深

(廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，南寧 530004)

·專題研討——虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(43)·

基于虛擬化技術(shù)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

葉 進(jìn)， 馮露葶， 何華光， 李陶深

(廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，南寧 530004)

提出了采取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段進(jìn)行軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network，SDN)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，給出了具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。采用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)Mininet構(gòu)建SDN網(wǎng)絡(luò)，采用OpenDayLight控制器集中式控制SDN網(wǎng)絡(luò)。最后以“SDN轉(zhuǎn)發(fā)表控制”實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)提出的SDN實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程展示。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生只需通過簡單的操作就可以完成SDN控制器對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集中化管控與調(diào)度。提出的基于虛擬化技術(shù)的SDN實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案有助于提高SDN課程的教學(xué)質(zhì)量和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)SDN的興趣。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)； 軟件定義網(wǎng)絡(luò)； 虛擬化； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network，SDN)作為一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)成為近幾年來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的熱門。國內(nèi)外眾多互聯(lián)網(wǎng)廠商、通信設(shè)備廠商、芯片廠商、電信運(yùn)營商都紛紛推出了自己的SDN產(chǎn)品和解決方案，并進(jìn)行SDN實(shí)際部署。2012年，谷歌宣布通過在全球數(shù)據(jù)中心部署SDN將數(shù)據(jù)中心之間的互聯(lián)鏈路利用率提升至90%以上，標(biāo)志著SDN正式進(jìn)入商用階段。同時(shí)，我國對(duì)搶占未來網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域發(fā)展先機(jī)也給予了高度重視，2013年2月23日，國務(wù)院正式下發(fā)8號(hào)文件，將未來網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)設(shè)施項(xiàng)目列入《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃(2012-2030年)》。

SDN起源于美國斯坦福大學(xué)。2008年，McKeown等[1]提出SDN的概念：將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)平面和控制平面兩個(gè)功能模塊相分離，通過集中式的控制器以標(biāo)準(zhǔn)化的接口對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行管理和配置。SDN的核心特點(diǎn)就是通過SDN控制器集中式控制網(wǎng)絡(luò)，掌握網(wǎng)絡(luò)設(shè)備現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)處理能力，對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控分配，提高網(wǎng)絡(luò)鏈路和網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

將SDN引入教學(xué)課程是個(gè)必然的趨勢。同時(shí)，在以往對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)中，特別注重理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，通過各種不同的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)案例來幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本概念和算法協(xié)議的工作原理，掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信和組網(wǎng)的相關(guān)操作[3-4]。所以，本文提出SDN的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)并重。

1 SDN實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要手段，是學(xué)科專業(yè)知識(shí)體系與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[5-11]。目前，國內(nèi)市面上的SDN產(chǎn)品并不多，同時(shí)許多高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、實(shí)驗(yàn)采購經(jīng)費(fèi)短缺等一系列問題，所以提出基于虛擬化技術(shù)進(jìn)行SDN實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

虛擬化技術(shù)是一種對(duì)計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行抽象模擬的技術(shù)，在已有計(jì)算機(jī)硬件資源的基礎(chǔ)上，模擬出虛擬硬件資源。通過虛擬化技術(shù)可以最大限度地屏蔽軟硬件資源的差異性，根據(jù)需要靈活分配資源，減少總體成本[12]。所以，在SDN教學(xué)中，可采用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)Mininet構(gòu)建SDN網(wǎng)絡(luò)。Mininet是斯坦福大學(xué)的 Nick McKeown 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組基于 Linux Container 架構(gòu)，開發(fā)出的一套進(jìn)程虛擬化的網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[13-14]，可以在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上模擬一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)主機(jī)、鏈接和交換機(jī)。同時(shí)，在Mininet平臺(tái)上，除了可以進(jìn)行SDN網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)行現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，是個(gè)擴(kuò)展性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)。另外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為了更好地向?qū)W生展示SDN控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制過程，可以讓Mininet平臺(tái)遠(yuǎn)程連接SDN控制器，通過SDN控制器的可視化界面展示SDN控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)的集中式控制。所以，本文采用的控制器是OpenDayLight控制器，其可視化界面非常完善，同時(shí)也是一個(gè)高可用的、模塊化的、兼具規(guī)模和功能上的可擴(kuò)展性,并支持多協(xié)議的控制器基礎(chǔ)設(shè)施，專為在目前的多產(chǎn)商異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上部署SDN所設(shè)計(jì)。

綜上所述，SDN實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案就是采用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)Mininet構(gòu)建SDN網(wǎng)絡(luò)，采用OpenDayLight控制器集中式控制SDN網(wǎng)絡(luò)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案展示

通過“SDN轉(zhuǎn)發(fā)表控制”實(shí)驗(yàn)對(duì)提出的SDN實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案進(jìn)行展示。同時(shí)，通過該實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生明確SDN控制器對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行集中化的管控與調(diào)度，包括鏈路發(fā)現(xiàn)，拓?fù)涔芾?，策略制定和表?xiàng)下發(fā)等。

本實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。網(wǎng)絡(luò)中一共有3臺(tái)交換機(jī)s1、s2、s3，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)路。為了方便測試網(wǎng)絡(luò)的連通性，每臺(tái)交換機(jī)上連接一臺(tái)客戶機(jī)，分別為h1、h2、h3。同時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)由控制器c0進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖1 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

(1) 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌h(yuǎn)程連接控制器。Mininet使用Python進(jìn)行腳本書寫。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯a如下：

class MyTopo( Topo ):

def __init__( self ):

# Initialize topology

Topo.__init__( self )

# Add hosts and switches

h1= self.addHost( ′h1′ )

#Add other hosts: h2, h3.

s1= self.addSwitch( ′s1′ )

#Add other switchs: s2, s3.

# Add links

self.addLink( h1, s1)

#Add other links: s1and s2, s1and s3, s2and s3, h2and s2, h3and s3.

topos = { ′mytopo′: ( lambda: MyTopo() ) }

由此即可創(chuàng)建圖1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。Mininet遠(yuǎn)程連接SDN控制器OpenDayLight，打開圖2所示OpenDayLight控制器的Web UI可看到，Mininet成功遠(yuǎn)程連接OpenDayLight，OpenDayLight控制器獲取Mininet網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。同時(shí)，在Web UI里可以看到，控制器除了獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息以外，還可以對(duì)默認(rèn)路由、子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等進(jìn)行配置。

(2) 客戶機(jī)互相通信。在Mininet平臺(tái)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行指令pingall，讓客戶機(jī)互相通信，在圖2 OpenDayLight控制器Web UI中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯翱诳煽吹饺鐖D3所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，控制器發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的客戶機(jī)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓?，出現(xiàn)客戶機(jī)與交換機(jī)相連的鏈路。

(3) SDN控制器控制轉(zhuǎn)發(fā)表。在OpenDayLight控制器Web UI可以對(duì)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表進(jìn)行查看，以交換機(jī)s1為例，如圖4(a)所示的交換機(jī)s1轉(zhuǎn)發(fā)表有3個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)，分別是指明目的地址為h1、h2、h33臺(tái)客戶機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。由圖4(a)還可知，發(fā)往h1的數(shù)據(jù)包是由s1的端口1轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)往h2的數(shù)據(jù)包是由端口2轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)往h3的數(shù)據(jù)包是由端口3轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 OpenDayLight控制器Web UI

圖3 客戶機(jī)相互通信后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

對(duì)此，在OpenDayLight控制器Web UI上對(duì)交換

機(jī)s1增加一條轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)：讓交換機(jī)s1丟棄發(fā)往端口3的所有數(shù)據(jù)包。此時(shí)，查看交換機(jī)s1的轉(zhuǎn)發(fā)表，如圖4(b)所示，新增的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)已在轉(zhuǎn)發(fā)表中。新增加的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)，相當(dāng)于斷開了交換機(jī)s1與s3之間的直連鏈路，同時(shí)，發(fā)往客戶機(jī)h3的數(shù)據(jù)包均被交換機(jī)s1丟棄。這就導(dǎo)致Mininet平臺(tái)執(zhí)行指令pingall讓客戶機(jī)互相通信時(shí)，從圖5(a)可知，客戶機(jī)h1與h3無法進(jìn)行通信。因?yàn)閷?duì)SDN網(wǎng)絡(luò)而言，轉(zhuǎn)發(fā)表的下發(fā)是由控制器來完成，交換機(jī)已經(jīng)失去“自學(xué)習(xí)”的能力，在控制器未下發(fā)新的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)時(shí)，客戶機(jī)h1與客戶機(jī)h3的通信數(shù)據(jù)包(經(jīng)由交換機(jī)s1端口3)都會(huì)被交換機(jī)s1丟棄。所以，在控制器將新增的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)刪掉后，Mininet執(zhí)行指令pingall，從圖5(b)可知，客戶機(jī)h1與h3重新恢復(fù)通信。

(a) 新增轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)前

(b) 新增轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)后

(a) 客戶機(jī)h1與h3通信失敗

(b) 客戶機(jī)h1與h3通信成功

通過以上“SDN轉(zhuǎn)發(fā)表控制”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過程可以看出，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)Mininet模擬構(gòu)建SDN網(wǎng)絡(luò)，通過OpenDayLight控制器Web UI進(jìn)行簡單操作，就可以完成對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表的控制。同時(shí)，通過本次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)際操作過程中，可以體會(huì)SDN的核心思想：傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)平面和控制平面兩個(gè)功能模塊相分離，由控制器對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行集中化的管控與調(diào)度。

3 結(jié) 語

本文提出“Mininet網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)+OpenDayLight控制器”的SDN技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，并以“SDN轉(zhuǎn)發(fā)表控制”實(shí)驗(yàn)為例，展示了Mininet平臺(tái)自定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹㈧`活組網(wǎng)的功能，以及OpenDayLight控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的全局控制和管理。本方案通過輕量級(jí)的虛擬化技術(shù)，讓學(xué)生只需很小的部署開銷，就可以在自己的筆記本電腦進(jìn)行靈活、可拓展的SDN課程實(shí)驗(yàn)，有助于提升SDN課程的教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)SDN的興趣以及對(duì)SDN更進(jìn)一步的研究。

[1] Mckeown N, Anderson T, Balakrishnan H,etal. OpenFlow: enabling innovation in campus networks[J]. Acm Sigcomm Computer Communication Review, 2008, 38(2):69-74.

[2] 謝靈智. 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)革命:SDN與OpenFlow開始燎原?[J]. 信息安全與通信保密,2012(9):36-37,39.

[3] 潘江波, 鄧建高. 仿真軟件在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2011, 28(7):91-93.

[4] 錢 權(quán), 張 瑞, 袁 方. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2013, 32(5):142-145.

[5] 張 冰. 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用及發(fā)展前景[J]. 理工高教研究, 2005, 24(3):116-118.

[6] Huang X, Long Y, Gao Q. Summarization of distributed visual simulation technology[J]. Journal of System Simulation, 2010, 22(11):1747-2742.

[7] 郭齊勝, 徐享忠. 計(jì)算機(jī)仿真[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2011.

[8] 陳昌皓. 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用與研究[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè), 2013(13):136-137.

[9] Bell J T, Fogler H S. Vicher: A virtual reality based educational module for chemical reaction engineering[J]. Computer Applications in Engineering Education, 1996, 4(4):285-296.

[10] Geng R, Xu G, Yang X. Several Key Technologies of virtual simulation on aviation ammunition teaching software[M]. Engineering Education and Management. Springer Berlin Heidelberg, 2012:25-31.

[11] Barjis J, Gupta A, Sharda R,etal. Innovative teaching using simulation and virtual environments[J]. Interdisciplinary Journal of Information Knowledge & Management, 2013, 7:237-255.

[12] 張 青, 杜召陽, 白 佳. 采用虛擬化技術(shù)優(yōu)化IT基礎(chǔ)架構(gòu)有效提升IT服務(wù)提供能力[J]. 電信技術(shù), 2010(3):82-84.

[13] 雷葆華, 王 峰, 王 莤. SDN核心技術(shù)剖析和實(shí)戰(zhàn)指南[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2013.

[14] SIAMAK AZODOLMOLKY. 軟件定義網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

好奇——?jiǎng)?chuàng)新意識(shí)的萌芽；

興趣——?jiǎng)?chuàng)新思維的營養(yǎng)；

質(zhì)疑——?jiǎng)?chuàng)新行為的舉措；

探索——?jiǎng)?chuàng)新學(xué)習(xí)的方法。

SDN Experimental Teaching Scheme Based on Virtualization Technology

YEJin,FENGLuting,HEHuaguang,LITaoshen

(School of Computer, Electronics and Information, Guangxi University, Nanning 530004, China)

The paper briefly introduced the concept, characteristic and the development trend of SDN (Software Defined Network), and put forward virtual simulation experiment teaching means to SDN experiment teaching. The SDN experiment teaching scheme was designed as follows: Mininet, a network simulation platform, was adopted in simulating SDN networks, and OpenDayLight controller was adopted in the centralized control Network. Finally, using “SDN forwarding control” experiment as an example, the paper detailed the scheme of SDN experiment teaching by the whole experimental process. Students can use SDN controller to carry out the network of the centralized control and scheduling by the simple operation in the experiment. The proposed SDN experiment teaching scheme based on virtualization technology was helpful to improve the teaching quality of SDN and arouse the students’ interest in learning SDN.

computer network; software defined network (SDN); virtualization; experiment teaching

2016-05-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61462007)

葉 進(jìn)(1970-)，女，江蘇泰興人，博士，教授，現(xiàn)主要從事網(wǎng)絡(luò)協(xié)議優(yōu)化方面研究。

Tel.：0771-3237019; E-mail：yejin@gxu.edu.cn

TP 393

A

1006-7167(2017)03-0079-04