湯中運 金 蓉 李傳煌

1(浙江工商大學信息與電子工程學院 浙江 杭州 310018)2(浙江工商大學網(wǎng)絡信息中心 浙江 杭州 310018)

0 引 言

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構已漸漸無法支持大量增長的新型計算機網(wǎng)絡應用，因此需要一個開放可編程的新型網(wǎng)絡體系架構來滿足各種類型的網(wǎng)絡業(yè)務請求。軟件定義網(wǎng)絡SDN是利用可編程軟件形式將網(wǎng)絡中的控制面與數(shù)據(jù)轉發(fā)面分離，實現(xiàn)集中控制靈活管理，從而使各類新型的計算機網(wǎng)絡應用可以在這樣的平臺上進行各種發(fā)展和創(chuàng)新。

而在大部分高校中的計算機網(wǎng)絡實驗室僅僅支持傳統(tǒng)網(wǎng)絡實驗，不支持SDN相關實驗。計算機等網(wǎng)絡相關專業(yè)的教學均停留在傳統(tǒng)網(wǎng)絡教學，無法提升學生對SDN網(wǎng)絡的實際操作能力，導致無法適應基于SDN的計算機應用開發(fā)和研究。本文闡述了SDN新型網(wǎng)絡架構的趨勢，提出建設支持SDN網(wǎng)絡實驗室的重要性，設計了網(wǎng)絡實驗室進行支持SDN實驗的改進方案，進行了傳統(tǒng)網(wǎng)絡實驗和SDN網(wǎng)絡實驗的對比，體現(xiàn)SDN的優(yōu)勢。

1 SDN及其實驗室意義

1.1 SDN背景與意義

網(wǎng)絡中的各類業(yè)務應用與日俱增，各行各業(yè)都朝著新型信息化、智能化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構及其基礎設施已經(jīng)漸漸開始無法承擔當前用戶、企業(yè)以及運營商的需求。網(wǎng)絡業(yè)務中的大數(shù)據(jù)大規(guī)模頻繁轉移，已經(jīng)完全超出了現(xiàn)有網(wǎng)絡架構的承載能力[1]。若僅僅提高網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)處理的速度已經(jīng)無法滿足上述需求，無法從本質上解決問題。只有打破現(xiàn)有的封閉式的網(wǎng)絡結構[2]，尋找一種高可用的、靈活的新型開放網(wǎng)絡架構[3]，使網(wǎng)絡設備中的處理數(shù)據(jù)單元可編程化，才能滿足各種大量新型的網(wǎng)絡應用需求。美國自然科學基金GENI支撐的以OpenFlow技術為核心[4]的“GENI Enterprise”[5]項目成為最具影響力的計劃。OpenFlow技術定義了網(wǎng)絡的轉發(fā)流表，并將對其的控制開放給用戶，從而提供了自定義編程的功能，進而初步構建了一個開放可編程的通信網(wǎng)絡。

開放可編程網(wǎng)絡思想是構建新型網(wǎng)絡架構的核心所在。同時，OpenFlow技術在校園網(wǎng)絡取得了實驗創(chuàng)新，在這樣的影響下，軟件定義網(wǎng)絡(SDN)[6]概念被提出。成立于2011年的ONF[7]在最先提出基于OpenFlow技術的SDN之后，開始開展相關標準的制定及推廣工作，例如OpenFlow標準、SDN的白皮書，極大地推進了SDN和OpenFlow標準化的工作，從而使其成為全球新型網(wǎng)絡架構研究的熱點[8]。同時，ONF還在白皮書[9]中首次明確了SDN的典型框架[10]。如圖1所示，SDN的典型框架分為三層：基礎設施層(或稱為數(shù)據(jù)層)、控制層(或稱為服務層)和應用層(或稱為業(yè)務層)。在這樣三層分離的網(wǎng)絡架構中，上層通過接口對下層下發(fā)控制命令或者數(shù)據(jù)，下層通過接口反饋結果給上層。這樣的架構分離了控制平面與數(shù)據(jù)轉發(fā)平面，實現(xiàn)了集中管理和控制，ONF對分離之后兩層之間通信的南向接口進行了定義，規(guī)定利用OpenFlow等技術通信[11]。

圖1 SDN典型框架

1.2 SDN實驗室的意義

在ONF發(fā)布白皮書之后，基于OpenFlow的SDN完成了從試驗平臺到業(yè)務網(wǎng)絡部署的跨越。這個架構已在谷歌、微軟等數(shù)據(jù)中心內部骨干網(wǎng)上發(fā)揮了前所未有的作用[12]，國內外主流網(wǎng)絡廠商推出了多種OpenFlow交換機[13]。由于SDN的必然趨勢與強大優(yōu)勢，運營商已經(jīng)開始在某些區(qū)域部署SDN網(wǎng)絡，很多學校、醫(yī)院、企業(yè)的內部網(wǎng)絡也開始嘗試改造成SDN架構，傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構已經(jīng)開始漸漸向SDN架構轉變。2012年著名的Google公司發(fā)布了大型的商用SDN案例B4[14],B4充分利用了SDN的優(yōu)點，取得了很大的成功。2014年北京電信與華為技術有限公司合作完成全球首個運營商SDN商用部署，中國移動攜手華為推出全球首個SPTN SDN商用部署，四川聯(lián)通與華為一起完成全球首個SDN IPRAN商用部署。金融方面，中國工商銀行于2017年聯(lián)合華為實現(xiàn)了工行SDN云網(wǎng)架構，并成功運行了七大互聯(lián)網(wǎng)金融業(yè)務。通信設備商方面，華為、華三、銳捷、盛科等公司都發(fā)布了一系列的關于SDN的軟硬件產品。高校和科研機構方面，清華大學、北京郵電大學等一批高校的有關團隊在近些年也在專注于SDN研究。早在2011年，清華大學與盛科就合作一起部署了一個校內SDN網(wǎng)絡，北京郵電大學泛網(wǎng)無線通信實驗室也在部署一個校園SDN網(wǎng)絡用于研究和測試。

未來的各類計算機應用都將運行在SDN網(wǎng)絡架構上，計算機及網(wǎng)絡相關專業(yè)的學生在畢業(yè)后從事相關工作勢必會接觸SDN相關內容。因此，SDN相關的技術的教學是培養(yǎng)網(wǎng)絡專業(yè)人才的必修課，也給網(wǎng)絡技術相關的課程理論與實驗教學的改革指出了新的研究方向。目前大部分高?；緵]有支持SDN的計算機網(wǎng)絡實驗室，無法進行相關教學與實驗，學生畢業(yè)之后對SDN相關內容一無所知，僅僅只能從事傳統(tǒng)網(wǎng)絡的相關工作，從而失去了網(wǎng)絡行業(yè)的競爭力。因此，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡的基礎上，建設支持SDN的計算機網(wǎng)絡實驗室是高校計算機及網(wǎng)絡相關專業(yè)教學上的必然趨勢。同時，在SDN網(wǎng)絡教學中要注重理論和實踐相結合，培養(yǎng)具有扎實SDN理論基礎，較強SDN技術動手實踐能力的專業(yè)網(wǎng)絡人才，為今后從事SDN架構開發(fā)與研究打下堅實基礎。

2 Open vSwitch

2.1 Open vSwitch介紹

Open vSwitch是一款遵循Apache 2.0許可證的開源多層軟件交換機,它的目標是實現(xiàn)一個能同時支持多種標準的管理接口和協(xié)議的高質量軟件交換機平臺，并且可通過開放編程進行功能的擴展和控制。Open vSwitch作為一款軟件交換機，它的主要功能特別適用于虛擬化平臺環(huán)境。除了向虛擬網(wǎng)絡層公開標準控制和可見性接口外，它還被設計用于支持跨多個物理服務器的分布。Open vSwitch支持多種基于Linux的虛擬化技術，包括Xen/Xenserver、KVM和VirtualBox。在某一物理機器的虛擬化環(huán)境中，vSwitch主要有兩個作用：傳遞虛擬機之間的流量、實現(xiàn)虛擬機和外部網(wǎng)絡的通信[15]。Open vSwitch的大部分代碼都是通過C語言的獨立平臺編寫的，并且很容易移植到其他環(huán)境中。它的當前版本支持以下特性：

(1) 標準的802.1Q的Vlan模型，包括access口和trunk口。

(2) 在上聯(lián)交換機網(wǎng)卡上可選擇是否啟用LACP協(xié)議。

(3) 用NetFlow、sFlow和鏡像來提升可見度。

(4) QoS配置與流量管控。

(5) Geneve,GRE,VXLAN,STT和LISP隧道。

(6) 802.1ag連接容錯管理。

(7) OpenFlow 1.0及其更多的擴展。

(8) 基于C與Python的交互型可配置數(shù)據(jù)庫。

(9) 使用Linux內核模塊的高性能轉發(fā)。

在沒有內核模塊的幫助下，Open vSwitch也可以在用戶空間中運行。這個用戶空間實現(xiàn)比基于內核的交換機更容易移植。Open vSwitch的組成結構如圖2所示。除了Open vSwitch以外其他的虛擬交換機，包括VMware vNetwork distributed switch以及思科的Cisco Nexus 1000V等，它們提供的是一個集中式的控制方式。而Open vSwitch則是一個獨立的vSwitch，它運行在每個實現(xiàn)虛擬化的物理機器上，并提供遠程管理，提供了在虛擬化環(huán)境中遠程管理的協(xié)議[16]。Open vSwitch還可以利用OpenFlow的流表遠程管理交換機的行為。

圖2 Open vSwitch的組成結構

2.2 Open vSwitch與SDN

OpenFlow是目前實現(xiàn)SDN的最成熟的技術手段，而普通的OpenFlow交換機目前僅有較少廠家生產，且價格高昂，使用硬件進行學生實驗也有著數(shù)量不足、靈活性差等缺點。而Open vSwitch作為一款完全支持OpenFlow的虛擬軟件交換機，可以和SDN中OpenFlow控制器對接，不僅可以完全滿足SDN的相關實驗，還可以使學生在虛擬化技術的相關方面得到鍛煉。

OpenFlow是用于管理交換機流表的協(xié)議，ovs-ofctl則是Open vSwitch提供的命令行工具。在沒有配置OpenFlow控制器的模式下，用戶可以使用ovs-ofctl命令通過OpenFlow協(xié)議去連接Open vSwitch，創(chuàng)建、修改或刪除Open vSwitch中的流表項，并對Open vSwitch的運行狀況進行動態(tài)監(jiān)控。當數(shù)據(jù)包進入Open vSwitch后，會將數(shù)據(jù)包和流表中的流表項進行匹配，如果發(fā)現(xiàn)了匹配的流表項，則執(zhí)行該流表項中的指令集。相反，如果數(shù)據(jù)包在流表中沒有發(fā)現(xiàn)任何匹配，Open vSwitch會通過控制通道把數(shù)據(jù)包發(fā)到OpenFlow控制器中。因此，在Open vSwitch支持OpenFlow的前提下，它完全可以作為OpenFlow交換機，并且可以與大部分OpenFlow控制器對接，從而實現(xiàn)SDN[17]。

3 SDN的計算機網(wǎng)絡實驗室設計

支持SDN實驗的計算機網(wǎng)絡實驗室是開展SDN教學的前提。因此，需對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡實驗室進行改進，增加支持SDN的網(wǎng)絡設備，從而為學生提供SDN網(wǎng)絡實驗。Open vSwitch是較為適合學生進行SDN實驗的軟件工具。

3.1 計算機網(wǎng)絡實驗室改進

傳統(tǒng)網(wǎng)絡實驗室的網(wǎng)絡結構分為兩部分：學生實驗用PC機與網(wǎng)絡設備，網(wǎng)絡設備主要為路由器和交換機。將學生PC機分組，每組配置對應若干不同型號的交換機與路由器。學生進行實驗時，根據(jù)實驗的網(wǎng)絡拓撲，在機柜的配線架上進行PC機、交換機與路由器之間物理配線連接。連接結束后，根據(jù)實驗要求，對交換機和路由器進行命令配置。

支持SDN的網(wǎng)絡實驗室是將網(wǎng)絡設備軟件化、可編程化。因此在實驗室中需配備若干服務器，在服務器上安裝實現(xiàn)網(wǎng)絡交換路由功能的軟件，使服務器成為一臺軟件化的網(wǎng)絡設備。本文采用的是Open vSwitch軟件，將該軟件安裝至實驗室的服務器中，使服務器成為一臺支持OpenFlow的虛擬交換機。同時在服務器上安裝POX軟件作為SDN控制器，并與OpenFlow交換機對接。學生實驗時，將按照實驗要求，在軟件中對網(wǎng)絡進行配置，從而使學生在實驗室中真實感受到虛擬軟件交換機與原硬件交換機、SDN網(wǎng)絡設備與普通網(wǎng)絡設備的區(qū)別，從而掌握SDN技術。

本文實驗室原有實驗設備機柜中是傳統(tǒng)交換機和路由器，為了支持SDN，在每組機柜上增加服務器，用于安裝Open vSwitch作為OpenFlow交換機，同時在實驗室核心交換機上接入服務器安裝POX作為SDN控制器。本文實驗室拓撲如圖3所示，圖中虛線部分為SDN相關設備。

圖3 基于SDN的實驗室改進拓撲圖

3.2 Open vSwitch配置

本文安裝Open vSwitch采用的操作系統(tǒng)為Linux，在實驗室的所有服務器中安裝Ubuntu 12.04，在該系統(tǒng)上直接在線安裝Open vSwitch即可，本文的實驗室安裝的是Open vSwitch 2.3.0版本。啟動Open vSwitch后創(chuàng)建的網(wǎng)橋就相當于一臺交換機，然后根據(jù)實驗要求對網(wǎng)橋進行配置，如在網(wǎng)橋上增加端口，一個端口就是一個物理網(wǎng)卡，將端口加入到網(wǎng)橋之后，就相當于給這臺交換機增加端口，這個端口與普通交換機上端口的工作類型相似。同時，學生實驗中也可以輸入幫助命令來查看Open vSwitch支持的所有相關操作。其中包括了Open vSwitch對網(wǎng)橋和網(wǎng)絡接口的相關操作命令，同時還有與SDN控制器相關的命令，如連接控制器等。

3.3 SDN控制器對接Open vSwitch

本文采用的SDN控制器POX是一款使用Python開發(fā)的基于OpenFlow協(xié)議的SDN控制器，其優(yōu)點是簡潔、擴展性好，從而得到了廣泛的應用。它和Open vSwitch之間可以通過OpenFlow協(xié)議進行交互，Open vSwitch作為OpenFlow交換機與POX控制器對接。

在一臺服務器上直接下載安裝POX并啟動。在Open vSwitch上創(chuàng)建好一個網(wǎng)橋之后，輸入連接控制器命令，再輸入顯示網(wǎng)橋狀態(tài)的命令，若與控制器連接成功，則會顯示is_connected=true，如圖4所示。同時控制器端也會顯示已連接的OpenFlow交換的MAC地址。接下去就可以進行控制器對OpenFlow交換機下發(fā)流表等相關SDN的實驗。

圖4 Open vSwitch與POX對接成功圖

4 SDN的計算機網(wǎng)絡實驗實例

SDN的特性主要體現(xiàn)在兩方面：(1) 將網(wǎng)絡軟件化；(2) 實現(xiàn)網(wǎng)絡中控制面與轉發(fā)面分離。本文先以計算機網(wǎng)絡實驗課程中較為重要的VLAN配置實驗為例，主張教學時讓學生先進行普通交換機VLAN配置功能的實驗，再使用Open vSwitch進行實現(xiàn)同樣功能的實驗。讓學生進行了實驗過程的對比，從而使學生掌握虛擬網(wǎng)絡技術的基本原理和實現(xiàn)方法，同時感受傳統(tǒng)網(wǎng)絡實驗和SDN網(wǎng)絡實驗在實現(xiàn)相同功能下的區(qū)別，更深入了解網(wǎng)絡虛擬化的本質與特點。再以控制器下發(fā)流表至Open vSwitch的實驗為例，使學生掌握SDN網(wǎng)絡中轉發(fā)與控制分離的特點，感受SDN對網(wǎng)絡控制層面的區(qū)別，同時理解SDN實現(xiàn)方式中的OpenFlow協(xié)議。本節(jié)將介紹在本實驗室進行上述兩個實驗的過程，從而證明本文所提出實驗室改進方案可以實現(xiàn)支持SDN特性的實驗。

4.1 SDN中虛擬交換機的對比性實驗實例

學生進行網(wǎng)絡實驗時，需先明確實驗拓撲，普通交換機VLAN配置實驗拓撲如圖5所示，圖中網(wǎng)絡設備為普通二層交換機。Open vSwitch 的VLAN配置實驗拓撲如圖6所示，圖中的網(wǎng)絡設備為安裝了Open vSwitch的服務器。兩個實驗本質上僅僅只是將普通二層交換機換成一臺安裝Open vSwitch的服務器，設置了唯一變量，從而突出區(qū)別，增強對比性。

圖5 普通交換機VLAN配置實驗拓撲圖

圖6 Open vSwitch的VLAN配置實驗拓撲圖

(1) 普通交換機配置物理機VLAN實驗 學生在進行傳統(tǒng)網(wǎng)絡實驗的VLAN配置實驗時，是在普通交換機的端口上進行劃分VLAN的配置命令。按照圖5中的實驗要求，先對實驗PC機配置IP地址，再將交換機上與PC1連接的端口配置為VLAN 2，與PC2連接的端口配置為VLAN 2，與PC3連接的端口配置為VLAN 3。配置完成后，同一個VLAN內的PC之間可以互相通信，即PC1與PC2之間可以互相通信。不同VLAN之間無法通信，即PC1和PC2均無法與PC3通信，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡中VLAN的功能。

(2) Open vSwitch配置物理機VLAN實驗 學生在完成普通交換機配置VLAN實驗后，繼續(xù)使用Open vSwitch來對物理機配置VLAN實驗。實驗時PC的IP不變，再將服務器當作一臺交換機，將PC1與服務器的第二塊網(wǎng)卡(eth1)連接，將PC2與服務器的第三塊網(wǎng)卡(eth2)連接，將PC3與服務器的第三塊網(wǎng)卡(eth3)連接。

進入服務器啟動Open vSwitch之后，先建立一個名為br0的網(wǎng)橋，再將三張實驗所用的網(wǎng)卡都加入這個網(wǎng)橋中，查看網(wǎng)橋的具體信息，發(fā)現(xiàn)br0中已存在了上述3個端口。此時，三臺PC機已經(jīng)相當于通過Open vSwitch中的br0這個虛擬交換機連接，三臺PC機之間可以互相ping通。

與傳統(tǒng)實驗中配置VLAN相同，給每一個端口配置實驗要求的對應的VLAN，其實就是給每個端口打上標簽，按照Open vSwitch的命令為eth1配置VLAN2，為eth2配置VLAN2，為eth3配置VLAN3，如圖7所示。此時，實驗結果驗證與傳統(tǒng)實驗一致，因此使用Open vSwitch也實現(xiàn)了VLAN隔離的功能。

圖7 Open vSwitch中端口劃分VLAN

由于Open vSwitch實際是一個安裝在Ubuntu系統(tǒng)服務器下的一個軟件，是用軟件實現(xiàn)的虛擬交換機。因此在該服務器上還可以利用虛擬機軟件虛擬多個主機，用虛擬主機進行上述實驗。這些虛擬機也可以接入Open vSwitch，將虛擬機的虛擬網(wǎng)卡接入Open vSwitch的網(wǎng)橋就可以并通過Open vSwitch實現(xiàn)所需的網(wǎng)絡功能，包括上述實驗的對虛擬機的VLAN實現(xiàn)配置。

根據(jù)上述實驗結果，Open vSwitch作為一款軟件化的虛擬交換機，既可以實現(xiàn)在網(wǎng)絡拓撲中對物理主機的網(wǎng)絡配置，也可以實現(xiàn)對虛擬主機的網(wǎng)絡配置。同時，對虛擬主機和物理主機相連的混合網(wǎng)絡也可以進行同時配置，而一般傳統(tǒng)網(wǎng)絡交換機只能與物理主機連接，無法實現(xiàn)對虛擬機網(wǎng)絡配置的功能。雖然也有一些其他虛擬化軟件本身支持對虛擬機的VLAN劃分等其他虛擬機網(wǎng)絡配置功能，但是它們只是集成在軟件中，僅支持本軟件的虛擬機，既不是一個開源軟件，也不支持SDN。

4.2 SDN中控制與轉發(fā)分離實驗實例

SDN轉發(fā)與控制分離的網(wǎng)絡實驗可根據(jù)實驗目的設計實驗拓撲。本文中提出的SDN實驗室設計方案是以POX作為SDN控制器，Open vSwitch作為OpenFlow交換機的實驗環(huán)境，本節(jié)實例的實驗拓撲如圖8所示。

圖8 SDN控制器下發(fā)流表實驗拓撲圖

上述實驗拓撲在SDN實驗中應用較廣，可支持大部分SDN中控制器與OpenFlow交換機之間的實驗，也可在本實驗室中進行其他自定義的實驗拓撲。按照拓撲圖在本文的實驗室中連接好實驗設備后，在Open vSwitch終端輸入連接控制器的命令，如圖9所示，控制器顯示與OpenFlow交換機連接成功，如圖10所示。此時OpenFlow交換機會自動生成默認流表，默認流表的動作是將報文上傳至控制器，再將兩臺PC之間進行互相ping的操作，此時OpenFlow交換機中會出現(xiàn)由控制器自動下發(fā)的流表。

圖9 查看OpenFlow交換機中的流表

圖10 POX控制器下發(fā)流表

為了使實驗中控制器對OpenFlow交換機的控制效果更明顯，本節(jié)主要舉例在沒有默認流表的情況下，手動配置流表的實驗。將控制器與OpenFlow連接機連接后，暫不連接PC，此時OpenFlow交換機中沒有流表，如圖9所示。打開控制器終端，輸入導入核心模塊的命令，并命名為of，再獲取OpenFlow交換機對應的Key，如圖10所示。接下去開始手工設置流表的操作，圖10設置了“從1號端口流入的流量從2號端口流出”的流表。通過輸入OpenFlow交換機的Key將該流表下發(fā)之后，在OpenFlow交換機上再次輸入查看流表的命令，如圖9所示，出現(xiàn)了剛才設置的流表，表示實驗成功。

5 結 語

本文通過SDN特點與發(fā)展趨勢，闡述了建設支持SDN的高校計算機網(wǎng)絡實驗室的重要性，并設計了SDN網(wǎng)絡實驗室建設方案，包括將Open vSwitch軟件作為OpenFlow交換機與POX軟件的SDN控制器對接。在進行同一個實驗的前提下，對普通交換機和SDN交換機實現(xiàn)方法分別進行了說明，對比了兩種方法的不同之處，體現(xiàn)了SDN中軟件化虛擬網(wǎng)絡的優(yōu)勢。同時，還進行了SDN中控制器對OpenFlow交換機下發(fā)流表的實驗，體現(xiàn)SDN中控制面與轉發(fā)面分離，實現(xiàn)網(wǎng)絡統(tǒng)一管理的特性，從而讓學生在新型SDN實驗室中，切實體驗SDN網(wǎng)絡的特點，深入理解網(wǎng)絡趨勢。

本文提出的計算機網(wǎng)絡實驗室設計與實現(xiàn)方案能支持大部分SDN網(wǎng)絡實驗，除本文舉例的實驗外，支持多樣化自主設計實驗，使學生對SDN有更全面的認知，提升對SDN網(wǎng)絡的實際操作能力。同時還可使學生在同一個實驗室中體會到傳統(tǒng)網(wǎng)絡與SDN網(wǎng)絡的區(qū)別，更深入了解SDN的特性。