李養(yǎng)群 周梅

摘要：《軟件定義網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用》是一門(mén)較為前沿的課程。對(duì)該課程教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方法進(jìn)行了較為全面的梳理和總結(jié)。從基礎(chǔ)原理介紹、經(jīng)典應(yīng)用場(chǎng)景分析方面探討了SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，啟發(fā)學(xué)生結(jié)合網(wǎng)絡(luò)知識(shí)進(jìn)行思考。加強(qiáng)實(shí)踐內(nèi)容知識(shí)考核，考試中增加實(shí)驗(yàn)常見(jiàn)問(wèn)題和解決方法內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，以實(shí)現(xiàn)良好教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；課程內(nèi)容體系；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系；教學(xué)改革

DOIDOI：10.11907/rjdk.161194

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）007021302

0引言

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SoftwareDefined Networking，簡(jiǎn)稱SDN）技術(shù)起源于斯坦福大學(xué)于2008年提出的OpenFlow技術(shù)。OpenFlow的基本原理是將網(wǎng)絡(luò)控制功能與轉(zhuǎn)發(fā)功能相分離，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)自身的流表（Flow Table）進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，而控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備流表的管理，例如添加、修改、刪除等操作，同時(shí)控制器可將該功能通過(guò)應(yīng)用編程接口向用戶開(kāi)放，管理人員根據(jù)需求開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活部署和管理。開(kāi)放、集中式的軟件控制模式，對(duì)目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)勢(shì)必帶來(lái)影響，同時(shí)建立在其之上的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也必然要隨之演進(jìn)，其架構(gòu)如圖1所示?；A(chǔ)設(shè)施層主要包含網(wǎng)絡(luò)路由交換設(shè)備等。在控制層，通過(guò)Openflow接口協(xié)議，可獲得網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并將狀態(tài)信息反饋給應(yīng)用。應(yīng)用根據(jù)用戶指示，將指令通過(guò)控制器下發(fā)給路由設(shè)備的流表中，從而實(shí)現(xiàn)控制功能。在應(yīng)用層，用戶根據(jù)控制器提供的北向接口開(kāi)發(fā)和定制個(gè)性化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活管控。

SDN網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，具有如下特點(diǎn)：①控制功能與轉(zhuǎn)發(fā)功能相分離；②可由軟件通過(guò)開(kāi)放API進(jìn)行靈活管理和配置；③網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，網(wǎng)絡(luò)部署更靈活；④簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)全局或者部分網(wǎng)絡(luò)的管控。

SDN技術(shù)在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用。Google公司已經(jīng)在其內(nèi)部部署SDN廣域網(wǎng)絡(luò)連接各地?cái)?shù)據(jù)中心，通過(guò)SDN技術(shù)實(shí)現(xiàn)了帶寬利用率100%。思科公司也提出了開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境SDN解決方案，提供了onePK開(kāi)發(fā)工具套件，計(jì)劃在未來(lái)的硬件產(chǎn)品中均支持SDN功能。騰訊互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)也正在積極研究SDN技術(shù)以實(shí)現(xiàn)流量管理控制和流量按需調(diào)度。運(yùn)營(yíng)商正在積極研究和探討SDN技術(shù)如何應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心建設(shè)、城域網(wǎng)骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)等，以及SDN在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中的角色和方法Georg Hampe等針對(duì)SDN如何應(yīng)用到電信網(wǎng)中進(jìn)行了研究。SDN技術(shù)得到越來(lái)越多的應(yīng)用，鑒于此，筆者學(xué)校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)新開(kāi)設(shè)了《軟件定義網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用》這門(mén)課程。

這門(mén)新開(kāi)課程面臨著無(wú)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可借鑒、無(wú)教學(xué)內(nèi)容可參考、無(wú)實(shí)際教材可選用、無(wú)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可操作的情況。具體如下：

（1） 課程內(nèi)容體系確立?！盾浖x網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用》是一門(mén)具有一定的理論性、綜合性和實(shí)踐性課程，內(nèi)容前沿，概念較多，涉及了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開(kāi)發(fā)等內(nèi)容，內(nèi)容比較繁雜，具有一定的難度。因此，課程內(nèi)容既要介紹基礎(chǔ)理論知識(shí)，又要確保學(xué)生具有實(shí)踐應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐活動(dòng)提高理論認(rèn)識(shí)。

（2） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、平臺(tái)的選擇與定位。作為前沿技術(shù)，雖然已經(jīng)有相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)?zāi)M及仿真平臺(tái)，但這些平臺(tái)主要用于科研驗(yàn)證或?qū)嶋H工程實(shí)戰(zhàn)，對(duì)于初學(xué)者而言，有一定難度。在這些科研或者工程開(kāi)發(fā)平臺(tái)之上，如何凝練出關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，建立與之相符的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，需要結(jié)合教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行探索。

（3） 教學(xué)方法和手段的選擇。目前的教學(xué)主要采用理論教學(xué)加輔助實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行，這種方式是當(dāng)前的主流教學(xué)方式，大部分教師也習(xí)慣于這種教學(xué)方式，但該方法的缺點(diǎn)也是相當(dāng)明顯的。傳統(tǒng)教學(xué)方式從知識(shí)點(diǎn)出發(fā)，忽視課堂內(nèi)容的目標(biāo)性，學(xué)生學(xué)習(xí)之后，對(duì)于如何解決實(shí)際問(wèn)題仍然無(wú)法給出明確的思路和解決方法。因此，傳統(tǒng)的以知識(shí)點(diǎn)為中心的課堂理論教學(xué)必須改革，需將科研項(xiàng)目和教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，以此吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。

（4） 考核方式的調(diào)整和完善。目前考核方式基于平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)，期末考試主要考核理論知識(shí)，這導(dǎo)致部分學(xué)生不重視實(shí)驗(yàn)，在期末考試時(shí)根據(jù)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行短期突擊，導(dǎo)致成績(jī)無(wú)法體現(xiàn)實(shí)際問(wèn)題解決能力。另外，由于實(shí)驗(yàn)條件限制，多名同學(xué)共享實(shí)驗(yàn)環(huán)境，造成部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)“打醬油”的現(xiàn)象。

2課程教學(xué)模式

（1）教學(xué)理念和思路。目前，各學(xué)校都在積極參與國(guó)家“工程教育專業(yè)認(rèn)證”，《軟件定義網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用》課程應(yīng)用性強(qiáng)，是學(xué)生在未來(lái)工作中直接應(yīng)用的重要技能。因此，要充分圍繞“理論扎實(shí)和靈活應(yīng)用”這兩個(gè)方向進(jìn)行教學(xué)，充分提高學(xué)生的應(yīng)用和動(dòng)手能力。課程教學(xué)體系、教學(xué)方法和考核方法均圍繞該課程的“前沿性，應(yīng)用性、綜合性”特點(diǎn)而展開(kāi)。

（2）教學(xué)內(nèi)容確立。SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最主要的特點(diǎn)在于控制與平面相分離、可編程等特點(diǎn)。因此，《軟件定義網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用》課程也應(yīng)根據(jù)“控制面、轉(zhuǎn)發(fā)面、應(yīng)用層”這3個(gè)內(nèi)容展開(kāi)，并提供與之配套的應(yīng)用場(chǎng)景。針對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的這種特點(diǎn)，結(jié)合本課程的“前沿性，應(yīng)用性、綜合性”要求，提出了圖2所示的教學(xué)體系。首先，將課程內(nèi)容分為3大塊：基礎(chǔ)理論、支撐技術(shù)以及應(yīng)用場(chǎng)景，將應(yīng)用場(chǎng)景內(nèi)容貫穿于整個(gè)內(nèi)容體系之中。在基礎(chǔ)理論中，針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景，分析新的理論和技術(shù)可以為應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)哪些便利？有哪些作用為用戶帶來(lái)哪些收益？在基本技術(shù)中，為了實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用場(chǎng)景，需要使用哪些新技術(shù)？最后在應(yīng)用場(chǎng)景中，給出具體的實(shí)施方法和效果。在基礎(chǔ)理論中，主要講述SDN網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，理解控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面相分離的思想，并闡述支持這種分離機(jī)制的Openflow協(xié)議原理以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化思想。在基本技術(shù)環(huán)節(jié)中，進(jìn)一步闡述支持技術(shù)，包括Openflow協(xié)議技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制器、網(wǎng)絡(luò)控制器與應(yīng)用層的北向接口和面向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的南向接口，以及RESTful API和服務(wù)編排技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾砑夹g(shù)等。在應(yīng)用場(chǎng)景中，著重介紹當(dāng)前SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的一些場(chǎng)景，例如數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)資源監(jiān)控與分配、網(wǎng)絡(luò)安全管理、網(wǎng)絡(luò)流量識(shí)別與管控等應(yīng)用場(chǎng)景。

（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系架構(gòu)。課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系架構(gòu)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基本概念實(shí)驗(yàn)與綜合實(shí)驗(yàn)?；靖拍顚?shí)驗(yàn)主要用于驗(yàn)證SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基本概念和原理，包括各種Openflow流表控制實(shí)驗(yàn)、開(kāi)源控制器實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)控以及路由表的下發(fā)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)VxLAN等。而編程接口主要從SDN網(wǎng)絡(luò)可編程的角度進(jìn)行驗(yàn)證性分析，幫助理解采用主流的編程方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)管理。

（4） 教學(xué)和考核方法。結(jié)合上述典型應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)案例，采用案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)法。圍繞著“應(yīng)用場(chǎng)景需求→如何實(shí)現(xiàn)？需要哪些技術(shù) → 具體實(shí)現(xiàn)→實(shí)現(xiàn)結(jié)果總結(jié)與分析→凝練對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)”的思路展開(kāi)。例如，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全管理實(shí)驗(yàn)，需要針對(duì)來(lái)自不同用戶的網(wǎng)絡(luò)流量執(zhí)行不同的轉(zhuǎn)發(fā)策略，即在傳輸時(shí)，不同用戶的流量路徑不同。對(duì)不可靠用戶的流量將其定向到防火墻進(jìn)行過(guò)濾，