黃家瑋，劉敬玲，徐文茜，李又明，王建新

（中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

實驗與實訓(xùn)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)的實驗教學(xué)方案設(shè)計

黃家瑋，劉敬玲，徐文茜，李又明，王建新

（中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

以控制器集中控制交換機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的實驗為例，展示基于真實操作系統(tǒng)內(nèi)核的輕量級虛擬實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)拓撲配置、路由配置和用戶交互流程，具體介紹實驗方案、設(shè)計思想和實驗過程。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)；虛擬化；Mininet；實驗教學(xué)

1 背 景

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Def ned Networking，SDN）是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，針對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中硬件設(shè)備繁雜、網(wǎng)絡(luò)配置麻煩、迭代升級緩慢的問題，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分離成集中式的控制平面和分布式的轉(zhuǎn)發(fā)平面，通過集中式的控制器（Controller）以標準化的接口對各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行管理和配置[1]。軟件定義網(wǎng)絡(luò)的核心在于利用軟件編程技術(shù)，為網(wǎng)絡(luò)提供靈活的可編程能力，具有集中統(tǒng)一管理網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)管動態(tài)流量、部署自動化的特點。因此，作為目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱點，軟件定義網(wǎng)絡(luò)逐漸被引入計算機科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)空間安全等相關(guān)專業(yè)的知識體系中，成為本科和研究生計算機網(wǎng)絡(luò)課程的一個重要教學(xué)內(nèi)容[2]。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)的實驗教學(xué)需要良好的硬件支持，以提供網(wǎng)絡(luò)編程和操作的實驗環(huán)境，但現(xiàn)在支持軟件定義網(wǎng)絡(luò)功能的硬件設(shè)備相對昂貴，在有限的資金投入下，很難開展大規(guī)模的課程實驗。同時，目前采用硬件設(shè)備的實驗也存在靈活性受限的問題，學(xué)生難以深入進行實踐操作，最終影響了教學(xué)效果。

為幫助學(xué)生掌握軟件定義網(wǎng)絡(luò)的工作原理，筆者利用Mininet[3]網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，搭建基于真實操作系統(tǒng)內(nèi)核的輕量級虛擬實驗平臺，提供配置靈活、擴展性強、價格低廉、可重復(fù)性的軟件定義網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境。學(xué)生可以通過簡單易操作的實驗，理解軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，掌握其工作流程。

2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)實驗?zāi)M軟件

目前，軟件定義網(wǎng)絡(luò)的實驗?zāi)M軟件主要是Mininet和NS3[4]。兩種軟件各自具有以下的功能特點。

Mininet基于 Linux Container 架構(gòu)，是斯坦福大學(xué)Nick McKeown 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)進程虛擬化的實驗平臺，可以在計算機上模擬完整的網(wǎng)絡(luò)主機、鏈路和交換機。Mininet支持OpenFlow[5]、OpenSwitch[6]等各種軟件定義網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，提供一個低成本軟件定義網(wǎng)絡(luò)仿真實驗環(huán)境，目前被作為OpenFlow協(xié)議演示和測試的官方演示平臺。同時，Mininet還配備了WireShark抓包軟件，方便開發(fā)者和學(xué)習(xí)者進行開發(fā)和研究。

NS3是一個面向離散事件的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)仿真器，由C++和Python語言編寫，包含了許多開發(fā)模塊，以支持多種協(xié)議棧的開發(fā)。目前，其最新版本已經(jīng)支持軟件定義網(wǎng)絡(luò)的OpenFlow協(xié)議，可以方便地創(chuàng)建模擬一個OpenFlow環(huán)境，用于網(wǎng)絡(luò)實時模擬。

NS3的軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器是其自主開發(fā)，缺乏靈活性；而Mininet除了可以使用其內(nèi)部嵌入的控制器，還可以靈活地加載其他控制器。同時，相對Mininet輕量級的模塊庫，NS3模塊庫過于龐大。此外，Mininet還提供Python API，能簡化在實際開發(fā)研究過程中涉及底層代碼的修改等操作。因此，我們選擇采用Mininet平臺來進行軟件定義網(wǎng)絡(luò)的模擬實驗。

3 實驗方案

3.1 實驗?zāi)康?/p>

我們基于Mininet平臺，設(shè)計了“軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)控制”實驗。實驗的目的是幫助學(xué)生熟悉Mininet網(wǎng)絡(luò)模擬平臺，理解控制器的工作流程，掌握網(wǎng)絡(luò)拓撲的創(chuàng)建過程和聯(lián)通測試方法。

3.2 實驗內(nèi)容和原理

實驗主要內(nèi)容如下：①利用腳本語言創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)拓撲；②測試網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性；③配置OpenDayLight控制器，編輯交換機轉(zhuǎn)發(fā)表項。實驗原理主要是通過網(wǎng)絡(luò)控制器對交換機的轉(zhuǎn)發(fā)表進行編輯，控制軟件定義網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

3.3 實驗環(huán)境

實驗環(huán)境包括部署在同一個網(wǎng)段內(nèi)的兩臺虛擬機，分別部署OpenDayLight控制器和Mininet模擬器。網(wǎng)絡(luò)中還有三臺互連的虛擬交換機s1、s2、s3，形成一個環(huán)路。每臺交換機上連接一臺主機，以方便測試所需。

3.4 實驗過程

3.4.1 創(chuàng)建拓撲

Mininet模擬器使用Python腳本完成實驗配置，在導(dǎo)入常見的功能和輔助模塊后，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)拓撲。網(wǎng)絡(luò)拓撲定義為MyTopo類，使用形如h1 = self.addHost(‘h1’) 代碼創(chuàng)建三臺主機h1、h2和h3，使用形如s1 = self.addSwitch(‘s1’) 代碼創(chuàng)建三臺交換機s1、s2和s3，使用形如self. addLink(s1,s2)代碼添加鏈路s1-s2、s1-s3、s2-s3、h1-s1、s2-h2和s3-h3。最終，可以開啟控制器服務(wù)，通過OpenDayLight的Web UI可以查看網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（見圖1）。

圖1 OpenDayLight控制器顯示的網(wǎng)絡(luò)拓撲

3.4.2 連通測試

在Mininet模擬器上執(zhí)行pingall命令，測試主機間的聯(lián)通情況。從圖2可知，Mininet上執(zhí)行pingall后，所有主機間均相互聯(lián)通。

圖2 第一次pingall后終端顯示結(jié)果

查看交換機的轉(zhuǎn)發(fā)表，可以看到每臺交換機都出現(xiàn)3條轉(zhuǎn)發(fā)表項，分別是指明目的地址為h1、h2、h3 3臺主機轉(zhuǎn)發(fā)路徑，這說明已經(jīng)成功建立實驗場景。

3.4.3 轉(zhuǎn)發(fā)控制

我們通過控制器對交換機的轉(zhuǎn)發(fā)行為實施控制，通過OpenDayLight控制器的web UI，對交換機s1增加了一條新的轉(zhuǎn)發(fā)表項。該轉(zhuǎn)發(fā)表項將丟棄發(fā)往端口3的所有數(shù)據(jù)包。

在交換機s1中，目的地址為主機h3的數(shù)據(jù)包是經(jīng)由端口3轉(zhuǎn)發(fā)出去，而新增的轉(zhuǎn)發(fā)表項將會丟棄此類數(shù)據(jù)包。因此，當此時Mininet模擬器再次執(zhí)行pingall指令后，h1與h3無法互相聯(lián)通，其結(jié)果如圖3所示。這說明控制器在交換機上新增的轉(zhuǎn)發(fā)表項已經(jīng)截斷了交換機s1與s3之間的直通鏈路。

圖3 增加新轉(zhuǎn)發(fā)表項后pingall結(jié)果

對于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的交換機而言，交換機是通過“學(xué)習(xí)”知道網(wǎng)絡(luò)中主機的位置，從而更新自己的轉(zhuǎn)發(fā)表，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。而從以上的實驗結(jié)果可以看出，在軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，交換機上的轉(zhuǎn)發(fā)表是通過控制器進行管理操作的，交換機僅負責(zé)在數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。這也就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)平面和控制平面的分離。

4 結(jié) 語

在基于Mininet的軟件定義網(wǎng)絡(luò)實驗中，學(xué)生利用虛擬環(huán)境可以靈活、簡便、快速地搭建實驗網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，開展面向Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核和真實網(wǎng)絡(luò)操作的課程實驗，不但可以深入理解軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和工作原理，還可以直接進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備操作，在知識掌握和應(yīng)用能力方面都得到了有效的提升。

[1] 張朝昆, 崔勇, 唐翯祎, 等. 軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)研究進展[J]. 軟件學(xué)報, 2015, 26(1)： 62-81.

[2] 張連成, 奚琪, 郭毅, 等. 基于Mininet模擬環(huán)境的軟件定義網(wǎng)絡(luò)實驗課程設(shè)計[J]. 計算機教育, 2015(6)： 104-107.

[3] Lantz B, Heller B, McKeown N. A network in a laptop： rapid prototyping for software-def ned networks [C]// Proceedings of the 9th ACM SIGCOMM Workshop on Hot Topics in Networks. New York： ACM, 2010： 1-6.

[4] The network simulator[EB/OL]. (2013-02-10)[2015-04-10]. http：//www.isi.edu/nsnam/ns.

[5] McKeown N, Anderson T, Balakrishnan H, et al. OpenFlow： Enabling innovation in campus networks[J]. ACM SIGCOMM CCR, 2008, 38(2)： 69-74.

[6] OpenFlow switch specif cation, version 1.4.0[EB/OL]. (2013-05-10)[2015-04-10]. https：//www. opennetworking.org/.

（編輯：史志偉）

1672-5913(2017)03-0152-03

G642

國家自然科學(xué)基金項目“數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中延時敏感的傳輸控制機制研究”（61572530） ；賽爾網(wǎng)絡(luò)下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新項目“基于IPv6的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)傳輸控制機制研究”（NGII20160113）；湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目“網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)課程的虛擬實驗教學(xué)研究與實踐”。

黃家瑋，男，教授，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)理論，jiaweihuang@csu.edu.cn。