軟件定義網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

何榮希 林子薇 雷田穎 劉彤彤

摘 要 針對(duì)難以用硬件設(shè)備大規(guī)模部署軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的現(xiàn)狀，基于Mininet軟件搭建軟件定義數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，有助于學(xué)生了解軟件定義網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景、掌握Mininet仿真平臺(tái)、理解軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和OpenFlow協(xié)議的報(bào)文結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞 軟件定義網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) Mininet

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2018.08.047

Abstract For the current situation of large-scale deployment of software-defined network experimental platforms with hardware devices， Mininet software is used to build a software-defined data center network simulation platform， and experimental tests are conducted to help students understand the application scenarios of software-defined networks， master the Mininet simulation platform， Understand the message structure of the software-defined network architecture and the OpenFlow protocol.

Keywords software-defined network； data center network； experimental teaching； Mininet

0 引言

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）可以解耦合控制層與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層，很好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)直接可編程，支持網(wǎng)絡(luò)集中控制，使網(wǎng)絡(luò)的開放性及靈活性得到空前提升，為網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新發(fā)展提供了良好的平臺(tái)。SDN架構(gòu)分為應(yīng)用層、控制層和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層。[1]其中，應(yīng)用層用于業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)，控制層負(fù)責(zé)下發(fā)及管理數(shù)據(jù)層的轉(zhuǎn)發(fā)表，而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層則依照控制層下發(fā)的流表進(jìn)行高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。OpenFlow[2]作為應(yīng)用最廣泛的南向接口協(xié)議，很好地規(guī)范了控制層與數(shù)據(jù)層之間的信息交互形式。北向接口對(duì)上層業(yè)務(wù)應(yīng)用開放，可實(shí)現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)施對(duì)上層應(yīng)用的透明，使得上層業(yè)務(wù)應(yīng)用能夠靈活地對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及資源進(jìn)行調(diào)用。[3]

近年來(lái)，SDN受到學(xué)術(shù)界及商業(yè)界的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的主要演進(jìn)方向之一。[4]自2008年Nick McKeown教授等人提出OpenFlow協(xié)議原型開始，普林斯頓大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)以及蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)等國(guó)外高校逐漸開設(shè)SDN課程，其他很多大學(xué)也將SDN教學(xué)加入高級(jí)網(wǎng)絡(luò)課程中。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的發(fā)展也給予高度重視，各大高校建立不少SDN相關(guān)研究室，這為SDN技術(shù)的發(fā)展注入活力，同時(shí)也為本科生和研究生計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)實(shí)踐開辟了新方向。[5]目前國(guó)內(nèi)很多高校雖緊追網(wǎng)絡(luò)發(fā)展潮流，也有大量學(xué)者從事SDN的相關(guān)研究，但還少有開設(shè)SDN課程，相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段更是匱乏。為了彌補(bǔ)這一缺陷，有必要在本科生和研究生課程中增加SDN相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)（Data Center Network，DCN）是SDN應(yīng)用最廣泛的場(chǎng)景之一，通過(guò)模擬測(cè)試軟件定義數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)（Software-defined Data Center Network，SDCN），有助于學(xué)生直觀理解SDN架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模式。為此，本文設(shè)計(jì)SDCN的相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)，利用Mininet仿真軟件搭建、測(cè)試SDCN，并通過(guò)Wireshark軟件抓包查看及理解OpenFlow協(xié)議的報(bào)文結(jié)構(gòu)，有助于學(xué)生了解SDN應(yīng)用場(chǎng)景、熟悉Minient仿真平臺(tái)、理解SDN架構(gòu)和OpenFlow協(xié)議。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

由于受實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和場(chǎng)地等因素限制，難以采用硬件交換設(shè)備大規(guī)模部署SDN實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為了解決這一問(wèn)題，可利用Mininet仿真軟件進(jìn)行SDN仿真和測(cè)試。Mininet是Stanford大學(xué)Nick McKeown研究小組基于Linux Container架構(gòu)開發(fā)的虛擬化平臺(tái)，利用它很容易在一臺(tái)PC上搭建SDN網(wǎng)絡(luò)，對(duì)基于OpenFlow、Open vSwitch等協(xié)議進(jìn)行開發(fā)驗(yàn)證，[6]而且Mininet安裝簡(jiǎn)單，能夠?qū)?shí)驗(yàn)成本大大降低，并提高實(shí)驗(yàn)靈活性。

1.1 Mininet安裝

Mininet的安裝方法主要有如下三種：

（1）在虛擬機(jī)中安裝Mininet鏡像：首先需要安裝VMware Workstation、Virtualbox、VMware Fusion等虛擬機(jī)軟件，其次下載Mininet VM鏡像，并將下載好的鏡像導(dǎo)入虛擬機(jī)軟件中即可。

（2）通過(guò)GitHub獲取安裝Mininet源代碼：在Ubuntu14.04或更高版本下，可通過(guò)命令#git clone http：//github.com/mininet/mininet.git獲取源代碼，通過(guò)#mininet/util/install.sh進(jìn)行指定參數(shù)進(jìn)行安裝。本文選擇該方法，且指定參數(shù)-n3V 2.5.0來(lái)安裝mininet的核心文件、OpenFlow1.3版本以及Open vSwitch2.5.0，更多可選參數(shù)可通過(guò)-h獲取。

（3）Mininet文件包安裝：在Ubuntu14.04或更高版本下通過(guò)命令#sudo apt-get install mininet/precise-backports安裝Mininet文件包。

1.2 控制器部署

當(dāng)前主流的遠(yuǎn)程控制器有NOX、POX、Floodlight、OpenDayLight和RYU等控制器。本文采用基于JAVA語(yǔ)言的Floodlight控制器。[7]

安裝Floodlight控制器十分簡(jiǎn)單。首先，下載安裝jdk8，修改profile文件，并通過(guò)java -version查看是否安裝成功。其次，執(zhí)行命令#sudo apt-get install build-essential default-jdk ant python-dev，通過(guò)#git clone git：//github.com/floodlight/floodlight.git下載Floodlight1.2版本。隨后，在版本1.2增加以下配置，#cd floodlight，#git submodule init，#git submodule update，#ant。最后，通過(guò)#sudo mkdir /var/lib/floodlight，#sudo chmod 777 /var/lib/floodlight創(chuàng)建文件夾并附上普通用戶權(quán)限，通過(guò)#java -jar target/floodlight.jar即可運(yùn)行Floodlight。當(dāng)然還需要安裝Eclipse等開發(fā)環(huán)境，并將Floodlight導(dǎo)入。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

DCN作為SDN最為廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景之一，其與SDN結(jié)合可以更好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中管理、故障檢測(cè)及恢復(fù)、流量管理以及虛擬機(jī)遷移等功能。[8]該實(shí)驗(yàn)基于Mininet及Floodlight模擬SDCN，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菐椭鷮W(xué)生熟悉Mininet使用方法、理解SDN的工作原理和OpenFlow1.3協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)、掌握利用Mininet搭建自定義拓?fù)湟约熬W(wǎng)絡(luò)測(cè)試方法。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：（1）利用Mininet的Pyhton API搭建多數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；?）模擬數(shù)據(jù)中心的流量分布；（3）連接Floodlight控制器進(jìn)行簡(jiǎn)單的路徑選擇；（4）啟用Wireshark抓包軟件，查看OpenFlow 1.3協(xié)議的報(bào)文結(jié)構(gòu)。

2.2.1 拓?fù)鋭?chuàng)建

利用Mininet創(chuàng)建拓?fù)渥詈?jiǎn)單便捷的方法就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建參數(shù)--topo來(lái)創(chuàng)建單一交換機(jī)、線形、樹形三種基本類型拓?fù)?。Mininet 2.2.0或以上版本還可通過(guò)內(nèi)置的可視化工具miniedit創(chuàng)建拓?fù)鋱D。然而，上述兩種方法創(chuàng)建大型拓?fù)鋾r(shí)均存在一定局限性。因此，更通用的方法是通過(guò)Python API編寫腳本來(lái)創(chuàng)建自定義拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體過(guò)程為：

首先，創(chuàng)建自定義拓?fù)漕?，并可以根?jù)需要選擇性導(dǎo)入Topo、Mininet、Open vSwitch、TCLink等包。其次，分別通過(guò)addSwitch（ ）、addHost（ ）和addLink（ ， ）方法來(lái)添加交換機(jī)、主機(jī)和鏈路。最后，通過(guò)#mn --custom 文件名.py的方式啟動(dòng)拓?fù)洹?/p>

本文通過(guò)編寫自定義拓?fù)湮募attree.py，建立樹形拓?fù)淠_本，通過(guò)命令#mn --custom fattree.py --topo=mytopo –switch ovs，protocol=OpenFlow13 --controller=remote， （ip=， port=）來(lái)生成SDCN拓?fù)?、連接Floodlight控制器、選擇Open vSwitch交換機(jī)及OpenFlow1.3協(xié)議。樹形SDCN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒ê诵膶咏粨Q機(jī)、匯聚層交換機(jī)、邊緣層交換機(jī)和主機(jī)，如圖1所示，拓?fù)溥B接信息如圖2所示。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

（1）用mininet>pingall進(jìn)行連通性測(cè)試，結(jié)果如圖3所示，表示8臺(tái)主機(jī)之間均連通。

（2）用mininet>iperf h1 h2，mininet>iperf h1 h3，mininet>iperf h1 h5測(cè)試TCP帶寬，結(jié)果如圖4所示，每組測(cè)試均返回兩個(gè)值，分別為發(fā)送數(shù)據(jù)的速率和接收數(shù)據(jù)的速率。

（3）分別用mininet>h1 ping –c 1 h2，mininet>h1 ping –c 1 h3，mininet>h1 ping –c 1 h5，測(cè)試ICMP包往返時(shí)間的最小值、平均值、最小值和算術(shù)平均偏差值，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

（4）模擬數(shù)據(jù)中心流量測(cè)試。為了模擬數(shù)據(jù)中心流量的隨機(jī)性，需要在mininet中添加自定義命令iperfmulti，為每臺(tái)主機(jī)隨機(jī)選取其余主機(jī)來(lái)組成iperf udp測(cè)試的通信節(jié)點(diǎn)對(duì)。具體過(guò)程為：首先在mininet/net.py中定義相應(yīng)函數(shù)，其次在mininet/cli.py中注冊(cè)函數(shù)，然后在bin/mn中將iperfmulti加入可執(zhí)行命令列表中，最后，通過(guò)命令#～/mininet/util/install.sh –n重新編譯mininet核心文件。

通過(guò)命令mininet>iperfmulti 來(lái)模擬多對(duì)隨機(jī)主機(jī)間的通信。實(shí)驗(yàn)設(shè)置bw=0.025M，通過(guò)執(zhí)行命令可為h1-h8這8臺(tái)主機(jī)隨機(jī)選取通信主機(jī)，結(jié)果如圖6所示。測(cè)試結(jié)果以日志形式保存，示例如圖7所示，可查看一定時(shí)間間隔內(nèi)的傳輸速率、帶寬、時(shí)延抖動(dòng)和丟包率。

2.2.3 Wireshark抓包

在仿真測(cè)試過(guò)程中，開啟Wireshark軟件，以Packet-out消息為例，其理論報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖8所示。抓取到的兩個(gè)封裝了ICMP和LLDP的Packet-out消息如圖9-10所示。對(duì)比可驗(yàn)證理論結(jié)構(gòu)與實(shí)際消息結(jié)構(gòu)相符。

3 結(jié)語(yǔ)

作為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)的主要方向之一，SDN有著令人矚目的發(fā)展前景。為了順應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展潮流，在本科生和研究生網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中引入SDN相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)，對(duì)其教學(xué)和研究具有重要意義。SDCN作為SDN最廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景之一，通過(guò)設(shè)計(jì)SDCN實(shí)驗(yàn)方案、搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐來(lái)學(xué)習(xí)SDN的應(yīng)用場(chǎng)景、熟悉Mininet仿真平臺(tái)、理解SDN架構(gòu)及OpenFlow協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模式，有助于了解新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，培養(yǎng)對(duì)新興技術(shù)的自主學(xué)習(xí)及創(chuàng)新能力。

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