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        基于SDN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)及其測(cè)量創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)方案

        2018-04-02 01:24:41劉乃安李曉輝魏建軍
        計(jì)算機(jī)教育 2018年3期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        劉乃安,李曉輝,韋 娟,魏建軍

        (西安電子科技大學(xué) 通信與信息工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,陜西 西安;網(wǎng)絡(luò)與信息安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心,陜西 西安 710071)

        0 引 言

        計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程,其實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)不僅是理論教學(xué)的深化和補(bǔ)充,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力,也起著非常重要的作用。如何開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系、內(nèi)容、方法的研究和探索,建立與理論教學(xué)改革相協(xié)調(diào)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,保證和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,是值得探討和研究的問(wèn)題[1]。

        現(xiàn)有計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)實(shí)驗(yàn)存在很多問(wèn)題,例如內(nèi)容比較枯燥,缺少非常重要的測(cè)量方面的內(nèi)容,缺少深層次的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面的內(nèi)容,缺少綜合遠(yuǎn)程虛擬仿真的手段。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(softwaredef ned networking,簡(jiǎn)稱SDN)技術(shù)分離了網(wǎng)絡(luò)的控制平面和數(shù)據(jù)平面,為研發(fā)網(wǎng)絡(luò)新應(yīng)用和未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了一種新的解決方案[2-3]。

        SDN主要有如下3個(gè)特征[4-5]:①網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放可編程,SDN建立了新的網(wǎng)絡(luò)抽象模型,為用戶提供了一套完整的通用API,使用戶可以在控制器上編程,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的配置、控制和管理,從而加快網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)部署的進(jìn)程。②控制平面與數(shù)據(jù)平面的分離[6],此處的分離是指控制平面與數(shù)據(jù)平面的解耦合??刂破矫婧蛿?shù)據(jù)平面之間不再相互依賴,兩者可以獨(dú)立完成體系結(jié)構(gòu)的演進(jìn),類似于計(jì)算機(jī)工業(yè)的Wintel模式,雙方只需要遵循統(tǒng)一的開(kāi)放接口進(jìn)行通信即可。控制平面與數(shù)據(jù)平面的分離是SDN架構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的重要標(biāo)志,是網(wǎng)絡(luò)獲得更多可編程能力的架構(gòu)基礎(chǔ)。③邏輯上的集中控制,主要是指對(duì)分布式網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的集中統(tǒng)一管理。在SDN架構(gòu)中,控制器會(huì)擔(dān)負(fù)起收集和管理所有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的重任,邏輯集中控制為軟件編程定義網(wǎng)絡(luò)功能提供了架構(gòu)基礎(chǔ),也為網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化管理提供了可能[7]。

        基于SDN技術(shù)可以很好地解決上述問(wèn)題,基于SDN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室可以讓學(xué)生親自進(jìn)行交換機(jī)、路由器和SDN交換機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),從而讓學(xué)生直觀、全方位了解各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,真正加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)原理的認(rèn)識(shí),提高學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技能和實(shí)戰(zhàn)能力。

        1 基于SDN的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體方案

        1.1 總體方案和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

        基于SDN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)及其測(cè)量創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是西安電子科技大學(xué)的建設(shè)項(xiàng)目,是一個(gè)集計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線IP網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)課程教學(xué)、學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究的綜合網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),其總體方案如圖1所示。

        圖1 SDN實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體方案

        整個(gè)實(shí)驗(yàn)室提供一套完整的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)解決方案,可滿足60個(gè)學(xué)生的同步教學(xué)和實(shí)驗(yàn)需求。目前配置有30臺(tái)接入層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,12臺(tái)核心/匯聚層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,3種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)90臺(tái),并設(shè)有配套網(wǎng)絡(luò)流量分析儀、網(wǎng)絡(luò)損傷儀(實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能模擬)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀等。

        整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可按需靈活搭建各種實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu),標(biāo)準(zhǔn)的3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。其中接入層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以按需接入實(shí)驗(yàn)主機(jī)或無(wú)線AP設(shè)備。每名學(xué)生可以獨(dú)立擁有一個(gè)接入層網(wǎng)絡(luò),包括一臺(tái)接入層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和無(wú)線AP設(shè)備。

        圖2 SDN實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

        1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)與功能

        實(shí)驗(yàn)室會(huì)側(cè)重學(xué)生的實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能力。目前國(guó)內(nèi)高校采用的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)依然停留在軟件模擬和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議學(xué)習(xí)層面。很多計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信方面的學(xué)生理論知識(shí)儲(chǔ)備很多,疲于埋頭學(xué)習(xí)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信理論知識(shí),但是由于缺乏開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,學(xué)生失去了對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體的把握和理解,也無(wú)法構(gòu)成專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。

        實(shí)驗(yàn)室提供開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái),學(xué)生可以從零開(kāi)始搭建傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及SDN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,在開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上重新設(shè)計(jì)基于交換機(jī)和路由器的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò),自定義交換機(jī)功能模塊,模擬當(dāng)前靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的諸多不足和限制因素。

        實(shí)驗(yàn)室提供豐富的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例和小型網(wǎng)絡(luò)搭建實(shí)驗(yàn),能讓學(xué)生有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)際操作,按照工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)流程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還能讓學(xué)生在實(shí)踐中理解網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和各種組網(wǎng)真實(shí)工作原理。

        2 基于SDN技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

        2.1 開(kāi)發(fā)理念

        基于SDN技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一款基于全可編程SoC FPGA的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)提供了非常靈活的系統(tǒng)可編程能力,支持系統(tǒng)軟件層面和硬件層面的完全可編程能力。平臺(tái)本身采用了開(kāi)放的軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì),支持現(xiàn)場(chǎng)可編程和設(shè)計(jì)升級(jí),無(wú)需改變平臺(tái)硬件。

        平臺(tái)采用Xilinx公司的Zynq全可編程器件,該器件系列集成 ARM處理器的軟件可編程性與FPGA 的硬件可編程性,配備雙核 ARM Cortex-A9 處理器,該處理器與可編程邏輯集成,可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能功耗比和最大的設(shè)計(jì)靈活性,可針對(duì)不同應(yīng)用定制不同硬件處理模塊,并可進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)。支持512KB L2高速緩存和256KB片上存儲(chǔ)器可容納整個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),ARM處理器與FPGA之間的帶寬高達(dá)100Gbps。

        基于SDN技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括核心/匯聚層節(jié)點(diǎn)和接入層節(jié)點(diǎn)兩部分。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都可以按需配置成特定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,比如交換機(jī)、路由器和SDN交換機(jī)等,包括開(kāi)放軟件系統(tǒng)和開(kāi)放的硬件參考設(shè)計(jì),可用于各類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)原型設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

        2.2 核心/匯聚節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)

        核心/匯聚層節(jié)點(diǎn)采用Xilinx公司的Zynq系列高端器件XC7Z100芯片,利用其靈活的軟硬件可編程能力以及豐富的外設(shè)和接口,構(gòu)建了一個(gè)可編程可重構(gòu)的多功能網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。該平臺(tái)通過(guò)ZYNQ可編程邏輯部分?jǐn)U展有八路千兆以太網(wǎng)、八路萬(wàn)兆SFP+光接口,以及一個(gè)QSFP光接口;同時(shí)通過(guò)ZYNQ處理器部分?jǐn)U展有用于調(diào)試的千兆以太網(wǎng)、串口以及USB-HUB、IIC、CAN等常用接口。利用ZYNQ軟硬件都可編程的特點(diǎn),該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)功能靈活多變的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

        匯聚層/核心層節(jié)點(diǎn)硬件如圖3所示,其內(nèi)部主要采用圖4所示的芯片和系統(tǒng)。

        圖3 匯聚層/核心層節(jié)點(diǎn)硬件

        圖4 匯聚層/核心層節(jié)點(diǎn)核心系統(tǒng)框圖

        2.3 接入節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)

        接入層節(jié)點(diǎn)采用Xilinx公司的ZYNQXC7Z020芯片,具有四路可重配置的千兆網(wǎng)絡(luò)接口,利用其靈活的軟硬件可編程能力以及豐富的外設(shè)和接口構(gòu)建。該平臺(tái)采用ZYNQ 7020芯片,內(nèi)嵌有ARM Cortex-A9雙硬核可支持Linux操作系統(tǒng)。同時(shí)片內(nèi)具有豐富的可編程邏輯資源,可針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景,不同需求而定制不同的硬件處理模塊,并且可以進(jìn)行功能動(dòng)態(tài)重構(gòu)。此外,平臺(tái)還具有豐富的擴(kuò)展IO,并且具有兼容樹(shù)莓派的GPIO、攝像頭和顯示屏接口,便于進(jìn)行功能擴(kuò)展。

        詩(shī)眼即詩(shī)中最能體現(xiàn)情感傾向及內(nèi)容意蘊(yùn)的詞或句。有些詩(shī)鑒賞時(shí)只要找準(zhǔn)詩(shī)眼并圍繞詩(shī)眼發(fā)散提問(wèn),就能“牽一發(fā)而動(dòng)全身”,有關(guān)層次結(jié)構(gòu)、思想內(nèi)容、寫(xiě)作手法的問(wèn)題都能迎刃而解。

        接入層節(jié)點(diǎn)硬件如圖5所示。

        接入層節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖如圖6所示。

        圖5 接入層節(jié)點(diǎn)硬件

        圖6 接入層節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

        3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

        創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)兩部分。

        3.1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)

        傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)部分包括通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)3部分,典型實(shí)驗(yàn)見(jiàn)表1。

        其中,每種實(shí)驗(yàn)都包含了協(xié)議學(xué)習(xí)和配置、設(shè)備使用、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析3部分內(nèi)容。以交換機(jī)部分實(shí)驗(yàn)為例,典型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表2。

        3.2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)

        軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)部分包括SDN基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和SDN高級(jí)實(shí)驗(yàn)兩部分。

        基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分主要圍繞SDN體系結(jié)構(gòu)和OpenFlow協(xié)議來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,高級(jí)實(shí)驗(yàn)部分主要包括SDN系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方面的內(nèi)容,典型內(nèi)容見(jiàn)表3和表4。

        表1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

        表2 交換機(jī)部分實(shí)驗(yàn)

        表3 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分

        表4 高級(jí)實(shí)驗(yàn)部分

        4 結(jié) 語(yǔ)

        SDN作為新的下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),把下層基礎(chǔ)設(shè)施抽象給上層應(yīng)用,使得網(wǎng)絡(luò)像計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施一樣,可大規(guī)模編程和管理?;赟DN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)及其測(cè)量創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)意義重大,可以極大地提升學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能力,加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)本身的理解。

        網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室使得學(xué)生能夠針對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組網(wǎng)中碰到的問(wèn)題,設(shè)計(jì)合理解決方案,設(shè)計(jì)滿足特定需求的流程,并能夠在實(shí)踐環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí),考慮成本、效率、精度等因素;能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行研究,包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析與解釋數(shù)據(jù),并通過(guò)信息綜合得到合理有效的結(jié)論,對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)改革起到了極大的推進(jìn)作用。

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