胡國強+陳毅

摘 要： 針對現(xiàn)有的英語多媒體教室網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測工作量大與維護復(fù)雜的問題，結(jié)合SDN網(wǎng)絡(luò)的快速演進，在綜合考慮網(wǎng)絡(luò)智能化和虛擬化的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種新型多媒體教室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。此架構(gòu)基于SDN技術(shù)，通過SDN的控制器集中管理所有的中控設(shè)備。詳細描述了該方案的設(shè)計思想、總體架構(gòu)，通過Mininet仿真平臺進行測試，從而驗證了該方案的可行性。最后，通過實際部署SDN網(wǎng)絡(luò)，說明基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)有助于教師更好地開展教學，有助于學生更好地學習。

關(guān)鍵詞： SDN； 多媒體教室； 中控設(shè)備； 集中管理

中圖分類號： TN915.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0088?04

Abstract： Since the workload of the network monitoring for available English multimedia classroom is heavy， and its maintenance is complex， on the basis of the rapid evolution of SDN network and comprehensive consideration of the network intellectualization and virtualization， a new multimedia classroom network architecture was designed. All central control devices are managed intensively with the SDN technology based architecture through the controller of SDN. The design concept and overall architecture of this scheme are described in detail. The scheme was tested with Mininet simulation platform to verify its feasibility. The SDN network was deployed practically to show that the multimedia classroom network based on SDN is conducive to the better development of teaching for teachers， and better development of learning for students.

Keywords： SDN； multimedia classroom； central control equipment； concentrated management

當前，先進的互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)對教育產(chǎn)生巨大的影響，大力推進教育技術(shù)信息化、科學化、智能化是世界教育追求的目標[1]。作為新型教育技術(shù)的載體，高校英語多媒體教室不僅提供了多種英語教學方式，而且為教師提供了充分利用各種課件的條件，為學生提供了聯(lián)系英語口語和聽力的條件。隨著高校辦學規(guī)模擴大，高校英語多媒體教室的數(shù)量也在不斷增加，英語多媒體專網(wǎng)的規(guī)模也在不斷擴張。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和中控設(shè)備的增加加大了多媒體管理人員的壓力，加大了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的工作量。龐大的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系故障率高且維護繁瑣，如何能減輕多媒體網(wǎng)絡(luò)的工作量，提高工作效率，更好地為使用英語多媒體教室的師生提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)是當前亟待解決的問題。

在這樣的環(huán)境下，本文提出了一種基于SDN的新型多媒體教室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，此架構(gòu)將多媒體教室管理系統(tǒng)劃分為應(yīng)用層、控制層、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層三大層?；赟DN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中的控制解耦來簡化多媒體教室網(wǎng)絡(luò)的配置與管理。

1 SDN多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 現(xiàn)有英語多媒體教室網(wǎng)絡(luò)管理存在的問題

隨著多媒體教室的不斷普及，多媒體教室網(wǎng)絡(luò)越來越龐大，其在管理和維護方面暴露出很多問題，有些問題甚至影響了老師的教學[2]。傳統(tǒng)的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)存在的問題如下：

（1） 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（包括交換機和中控設(shè)備）的配置是通過網(wǎng)絡(luò)管理員手工輸入命令行配置的，工作量大。

（2） 網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)分離，新業(yè)務(wù)的部署需要接入新設(shè)備來實現(xiàn)。需要調(diào)整業(yè)務(wù)時，網(wǎng)絡(luò)部署就顯得非常低效，甚至無法實施[3]。

（3） 只有基于大帶寬的粗放型帶寬保障措施，細粒化的帶寬質(zhì)量保證和監(jiān)控無從談起[4]。對于特殊需要網(wǎng)絡(luò)帶寬的教學或?qū)嵙曊n程只能保證網(wǎng)絡(luò)連通，沒有辦法保證用戶體驗，從而影響教學效果。

（4） 英語多媒體教室交換機+中控設(shè)備的結(jié)構(gòu)導致多媒體教室網(wǎng)絡(luò)排查故障繁瑣。

由此可見，基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多媒體網(wǎng)絡(luò)在管理和維護中存在諸多問題。隨著SDN網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，本文引入了SDN技術(shù)來解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的英語多媒體網(wǎng)絡(luò)面臨的問題。

1.2 基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的概念

SDN起源于2006年美國GENI項目資助的斯坦福大學Clean Slate課題。2009年，斯坦福大學Nick McKeown教授為首的研究團隊提出了基于OpenFlow的SDN概念用于校園網(wǎng)絡(luò)的試驗創(chuàng)新[5]。其核心是利用分層的思想，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與控制相分離，目的在于改變結(jié)構(gòu)和功能日趨復(fù)雜，管控能力日趨減弱，且難以進化發(fā)展的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)?；赟DN的多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在控制平面，通過可編程和邏輯中心化的控制器，多媒體教室網(wǎng)絡(luò)管理人員可以掌控所有的網(wǎng)絡(luò)信息來部署新協(xié)議和管理配置網(wǎng)絡(luò)等；在數(shù)據(jù)平面，盡可能地采用標準化通用設(shè)備（交換機和中控設(shè)備），提高接入網(wǎng)設(shè)備的統(tǒng)一性、通用性和適配性，降低網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)程度[6]。兩層之間采用開放的統(tǒng)一接口（如OpenFlow等）進行交互[7]。SDN控制器通過標準接口向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備統(tǒng)一下發(fā)標準規(guī)則，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備僅需按照這些規(guī)則執(zhí)行相應(yīng)的動作即可。本文認為基于SDN的多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通過集中化的控制實現(xiàn)了對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、中控設(shè)備和接入網(wǎng)中的教學資源細粒度的管理。

1.3 基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)的特征

多媒體教室網(wǎng)絡(luò)中的SDN控制器集中管理所有的交換機和中控設(shè)備，隨時可以獲取多媒體教室網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)拓撲及流表信息，有利于網(wǎng)絡(luò)的高效管理和優(yōu)化，更有利于多媒體教室網(wǎng)絡(luò)故障的快速定位和排除。根據(jù)需要安裝查看網(wǎng)絡(luò)流量和性能的開源軟件，有助于網(wǎng)管監(jiān)控整個網(wǎng)絡(luò)，保障了正常的教學秩序。

基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一的SDN控制器對整個網(wǎng)絡(luò)進行集中控制，根據(jù)業(yè)務(wù)的具體要求通過修改流表，統(tǒng)一下發(fā)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則和動作，可實現(xiàn)多路徑轉(zhuǎn)發(fā)和負載均衡，提高多媒體教室網(wǎng)絡(luò)的可靠性和帶寬利用率[8]。

2 基于SDN的多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具體設(shè)計

2.1 基于SDN的多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計思路

基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，總體上遵循“易于管理、集中控制、整合資源、易于維護”的指導思想，既要保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性、易用性和安全性，又面保障網(wǎng)絡(luò)的可擴展性、可伸縮性和業(yè)務(wù)部署能力。

在設(shè)計時還應(yīng)注意以下幾點：在簡化管理的基礎(chǔ)上能滿足教學服務(wù)的要求；與現(xiàn)有的多媒體交換機和中控設(shè)備完全融合；不影響現(xiàn)有系統(tǒng)的使用；維護簡單，易于找到故障節(jié)點。

2.2 基于SDN的多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

基于對SDN的多媒體網(wǎng)絡(luò)教室的定位、特征和設(shè)計思路的探討，按照SDN的經(jīng)典架構(gòu)結(jié)合現(xiàn)有多媒體網(wǎng)絡(luò)元素將基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)從低到高劃分為三層，如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層支持OpenFlow的交換機和中控設(shè)備及中控設(shè)備下聯(lián)的所有設(shè)備；

控制層支持OpenFlow的控制器，通過北向接口集中控制所有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層設(shè)備，其對應(yīng)用層提供靈活的開放接口，以滿足多媒體教室網(wǎng)絡(luò)不同應(yīng)用的調(diào)用要求；

應(yīng)用層基于SDN網(wǎng)絡(luò)的所有應(yīng)用，如教學管理平臺、遠程點播、安防監(jiān)控、考試巡視。

3 Mininet仿真實現(xiàn)

Stanford大學Nick McKeown的 研 究 小 組 基 于 LinuxContainer 架構(gòu)開發(fā)了一套進程虛擬化的Mininet 平臺[9]。 此平臺被譽為輕量級“軟件定義網(wǎng)絡(luò)” 研發(fā)和測試平臺，其支持OpenFlow，Open vSwitch 等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層部件的協(xié)議開發(fā)[10]；支持多人協(xié)同開發(fā)；支持系統(tǒng)級的還原測試；支持代碼無縫遷移到真實的硬件環(huán)境；支持復(fù)雜拓撲、 自定義拓撲，有很好的擴展性和高擴展性。本文基于Mininet 網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，對多媒體教室典型的網(wǎng)絡(luò)拓撲進行測試和分析，驗證設(shè)計方案的有效性。

3.1 測試環(huán)境搭建

硬件環(huán)境：CPU為AMD Opteron（TM） Processor 6168；內(nèi)存為16 GB。軟件環(huán)境：Centos 6.6操作系統(tǒng)；Floodlight控制平臺；Mininet仿真軟件。

在Centos 6.6中使用命令 java ?jar target/floodlight.jar 啟動 Floodlight，等待來自遠程 OpenFlow設(shè)備的連接，之后輸入命令 ： sudo mn??controller=remote??ip=127.0.0.1 ??port=6633，其中IP對應(yīng)安裝Floodlight系統(tǒng)的IP地址， 命令執(zhí)行后就可以將 Mininet 連接到遠程 Floodlight 控制器。

3.2 測試拓撲的建立

在測試環(huán)境搭建成功后，Centos 6.6使用命令mn命令創(chuàng)建拓撲，多媒體教室典型的網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。此拓撲包含4個節(jié)點， 分別是網(wǎng)關(guān)、 控制器和2個主機（可理解為中控設(shè)備）、控制器連接網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)關(guān)連接2個主機。通過IE瀏覽器訪問Floodlight控制平臺，訪問鏈接為外部地址+端口（8080）/UI/index.html，各節(jié)點信息如圖3所示。

3.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲連通性測試

在Mininet環(huán)境下用pingall測試h1主機和h2主機連通性，如圖4所示。研發(fā)人員可以通過Floodlight的Restful API接口來向Floodlight平臺請求交換機狀態(tài)、能力、拓撲等各種信息，而策略控制Static Flow Pusher機制則是通過Restful API接口來管理流表的。本文使用Static Flow Pusher 改變流表，讓h2 ping不通h1，具體命令如下：

sudo curl http：//219.245.196.25：8080/wm/staticflowentrypusher /clear//json

sudo curl ?X DELETE ?d ′{″name″：″flow?mod?1″}′

http：//：8080/wm/staticflowentrypusher/json

3.4 故障自恢復(fù)實驗

（1） 利用Floodlight控制平臺為網(wǎng)絡(luò)的主機之間設(shè)置兩條轉(zhuǎn)發(fā)路徑，為h1和h2下發(fā)主路徑，備份路徑，測試拓撲如圖5所示。

（2） 模擬單故障情形，Mininet中輸入命令link s1， 模擬鏈路中斷。使用Iperf從h1向h2發(fā)送數(shù)據(jù)，分別發(fā)送普通UDP數(shù)據(jù)分組和視頻文件流。

（3） 通過觀察h2的Iperf服務(wù)器端輸出信息以及使用WireShark抓包工具分析分組傳遞路徑可知，在上述故障情形下主機h1可通過備用路徑到達目的主機h2，系統(tǒng)能夠準確地檢測故障，并對故障情形進行診斷判別，最終能夠進行路由恢復(fù)，ping結(jié)果見圖6。

測試結(jié)果表明，基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是可行的，比傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更有優(yōu)勢。基于此，在南校區(qū)數(shù)字化教學樓兩個英語多媒體教室部署了SDN網(wǎng)絡(luò)，通過英語老師的實際使用情況來分析SDN多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)給英語教學服務(wù)帶來的影響。

4 實踐及效果分析

為了評測SDN多媒體教室網(wǎng)絡(luò)給英語教學帶來的效果，分別在2016年第一學期（已部署SDN）和2015年第二學期（未部署SDN）對在數(shù)字化樓多媒體教室上課的A班和B班學生和教師（共82人）就SDN多媒體網(wǎng)絡(luò)對英語教學產(chǎn)生的影響進行了訪談?wù){(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表1所示。

由統(tǒng)計結(jié)果可知，部署SDN多媒體網(wǎng)絡(luò)的多媒體教室比沒進行網(wǎng)絡(luò)改造的多媒體教室故障率底，沒有出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障；部署SDN后，師生對校園網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于在線視頻播放、在線學習、實時視頻交流三個方面滿意度大幅提升，部署的SDN網(wǎng)絡(luò)更好地滿足了英語教學的需求，提升了英語網(wǎng)絡(luò)教學的現(xiàn)代教育技術(shù)水平，有助于老師教學和學生英語學習。

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于SDN的英語多媒體教室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，解決了英語多媒體教室網(wǎng)絡(luò)管理中的一些問題。本文設(shè)計的 SDN 架構(gòu)采用 OpenFlow 技術(shù)實現(xiàn)了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的分離，通過控制器集中靈活管理多媒體教室的中控設(shè)備，減少了網(wǎng)管人員維護量。通過利用Mininet 軟件和Floodlight控制平臺，實現(xiàn)了控制器對中控設(shè)備的靈活控制，說明了基于SDN的多媒體教室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計方案可行。最后，經(jīng)過實踐驗證可知，SDN多媒體網(wǎng)絡(luò)給教學提供了更好的服務(wù)。

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