羅奇 肖瑤星 楊輝

摘要：伴隨著網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)發(fā)展速度的加快，社會發(fā)展過程中對于人才的需要也在發(fā)生著變化。而從現(xiàn)實的角度來講，計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)雖然在新時期已經(jīng)做出了一定的改變，但是，其中依然存在諸多不可忽視的問題。而在此過程中，要想全面提升計算機網(wǎng)絡(luò)課程實踐教學(xué)的整體質(zhì)量，合理應(yīng)用軟件定義網(wǎng)絡(luò)必不可少。本次研究中，文章就針對軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系的主要組成部分以及在軟件定義網(wǎng)絡(luò)大環(huán)境下開展計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)的策略兩個方面出發(fā)進行了具體的探討和研究。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò);計算機網(wǎng)絡(luò)課程;實驗教學(xué);研究

中圖分類號： TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）16-0130-02

最近幾年，云計算技術(shù)和虛擬化技術(shù)在人們生活和工作中的應(yīng)用越來越普遍，而在此過程中，為了使所培養(yǎng)的人才能夠更好地適應(yīng)人才發(fā)展的需要，促進學(xué)生實踐動手能力和自主學(xué)習(xí)能力的提升，計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)也需要做出相應(yīng)的改變。院校方面需要為學(xué)生建立具有較強擴展性、使用成本較低、具有一體化特點的網(wǎng)絡(luò)實驗課程教學(xué)平臺。在此基礎(chǔ)上，為學(xué)生設(shè)置更多能夠滿足學(xué)生未來發(fā)展需要的開源項目，全面提升計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)的質(zhì)量，為學(xué)生未來的更好發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系的主要組成部分

1.1 支撐軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系的原理與概念

以往，在計算機網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面的最重要載體，而軟件定義網(wǎng)絡(luò)的基本理念則在于實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面的相互獨立，借由控制平面來體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜性，軟件定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)控制平面均包含南向接口，具備較強的標準性和開放性，在此基礎(chǔ)上，借助北向接口來實現(xiàn)編程，其主要目的在于服務(wù)應(yīng)用層的業(yè)務(wù)定制。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在虛擬層面上能夠?qū)崿F(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)資源配置能力的提升，在抽象層面上能夠?qū)崿F(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)集中控制能力的提升，在此基礎(chǔ)上，真正將存儲虛擬化、計算機虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化有機地結(jié)合到一起，為云計算服務(wù)的高質(zhì)量落實打下良好的基礎(chǔ)，提供充足的支持。具體如圖1所示。

1.2 支撐軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系運行的控制器

軟件定義網(wǎng)絡(luò)的控制器與軟件定義網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)有著相似的作用，從向下的角度來講，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對過程的管理、控制和資源配置[1]。從向上的角度來講，能夠為網(wǎng)絡(luò)編程活動的開展提供接口。從邏輯的角度來講，軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器具有較強的集中性特點，而從物理的角度來講，分布式是其最主要的特點。

1.3 支撐軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系運行的交換機

支持軟件定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面的最重要載體就是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而其中，OpenFlow交換機是必不可少的一個主要組成部分，設(shè)備在執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的過程中主要的依據(jù)是flow table。flow table在實際的控制過程中要保證通道安全，安全性是判斷交換機是否可以執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)命令的重要標準。flow table在工作的過程中無論是進行轉(zhuǎn)發(fā)，還是進行字段匹配，都需要跨越多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[2]。OpenFlow交換機在落實協(xié)議工作的過程中，其配置需要充分考慮組網(wǎng)需要，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)的路由器轉(zhuǎn)發(fā)以及二級交換機的轉(zhuǎn)發(fā)，在此基礎(chǔ)上，在其他高層協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)方面也有著十分重要的作用。

OpenFlow交換機有兩種形態(tài)，一種是軟件形態(tài)，一種是硬件形態(tài)。其中，硬件形態(tài)的OpenFlow交換機非常適合組建生產(chǎn)型網(wǎng)絡(luò)，軟件形態(tài)的OpenFlow交換機則更適合測試平臺和研究平臺的搭建。由于OpenFlow交換機自身具有交換成本低、配置靈活度高的特點，因此，使用單位能夠及時更新版本，在高?？蒲协h(huán)境中具有極高的應(yīng)用價值。而在教學(xué)實驗平臺的建立方面，OpenSwitch交換機具有更加廣泛的應(yīng)用范圍。

2 在軟件定義網(wǎng)絡(luò)大環(huán)境下開展計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)的策略

2.1 校園環(huán)境場域下軟件定義網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的策略

校園環(huán)境場域下，軟件定義網(wǎng)絡(luò)無論是在組網(wǎng)方式方面還是在規(guī)模方面都存在較大的差異，其具體的選擇需要考慮到教學(xué)活動的開展目標以及科研活動的開展目標，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的使用需要可以將其劃分為不同的模式，科研園區(qū)內(nèi)部可選擇園區(qū)模式，學(xué)生獨立實踐可選擇單機模式，實驗室內(nèi)部可選擇實驗室模式。

在園區(qū)模式中，其主要依托的設(shè)備為OpenFlow硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及校園網(wǎng)的主干，用戶在實際使用的過程中可以借助OpenFlow以及軟件定義網(wǎng)絡(luò)自身強大的邏輯隔離能力和網(wǎng)絡(luò)虛擬化能力，在校園網(wǎng)正常業(yè)務(wù)受影響的前提下，開展較大規(guī)模的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)試驗活動和創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)項目研究活動，在此基礎(chǔ)上，最大限度地保證網(wǎng)絡(luò)流量背景的真實性，做好新型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的部署工作、評估工作以及測試工作。

在單機模式中，其使用平臺的建立主要依托軟件定義網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的搭建以及現(xiàn)階段十分流行的虛擬機技術(shù)。迷你網(wǎng)最早由斯坦福大學(xué)研究團隊開發(fā)，是現(xiàn)階段應(yīng)用十分廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)仿真工具[3]。和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件存在較大的差異，迷你網(wǎng)還能用于原型系統(tǒng)的快捷開發(fā)，它能運行原汁原味的代碼以及實際的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。在迷你網(wǎng)仿真平臺上，還可以開發(fā)測試網(wǎng)絡(luò)新功能，開發(fā)測試通過后，再將相關(guān)功能遷移到現(xiàn)實的目標網(wǎng)絡(luò)中。與此同時，實際網(wǎng)絡(luò)與虛擬網(wǎng)絡(luò)還能最大限度的實現(xiàn)連通。

在實驗室模式中，OpenFlow對于網(wǎng)卡服務(wù)器沒有特定要求，可通過兩種方式來實現(xiàn)，第一種是將OpenFlow軟件以及NetFPGA安裝在服務(wù)器上。第二種是將OpenvSwitch軟件安裝在服務(wù)器上，在此基礎(chǔ)上，建立模擬的OpenFlow軟交換機。在創(chuàng)新型研發(fā)工作的開展過程中，前者是最好的選擇，而在搭建教學(xué)實驗平臺的過程中，后者的應(yīng)用最為普遍。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，無論是單機模式還是實驗室模式都可以支撐教學(xué)實驗平臺的構(gòu)建，而相比之下，實驗室模式與真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的運行原理更加接近，但是，組網(wǎng)需要多臺計算機協(xié)同工作，而迷你網(wǎng)只在單一計算機上即可實現(xiàn)對整個OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的模擬，具有更高的可擴展性，因此，在課程教學(xué)實驗領(lǐng)域中的應(yīng)用十分普遍。

2.2 以迷你網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的構(gòu)建單機實驗環(huán)境的策略

迷你網(wǎng)屬于輕量級網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺的一種，它主要基于Linux內(nèi)核虛擬化技術(shù)開發(fā)，在實際應(yīng)用的過程中，能夠?qū)浖x網(wǎng)絡(luò)大背景下所需要的所有組件進行仿真，包括虛擬主機節(jié)點、軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器、OpenFlow交換機都能夠?qū)崿F(xiàn)仿真[4]。除此之外，系統(tǒng)還在迷你網(wǎng)虛擬機鏡像中進行了Wireshark工具的預(yù)裝，這是現(xiàn)實中十分常用的一種協(xié)議分析工具，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流量的獨立分析，進而以圖形化界面為單位進行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流量的分析，在搭建網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境的過程中，這種方式具有較強的一體化特征。

從現(xiàn)實的角度來講，我們可以將每臺主機都看作是一個具備較強完備性和獨立性的網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，在基礎(chǔ)上，在網(wǎng)絡(luò)實驗室的建設(shè)過程中可以完全依照PC機房的制式來進行操作，無論是在擴展性方面還是在容量方面都具有十分明顯的優(yōu)勢。事實上，現(xiàn)階段很多學(xué)生使用的個人計算機就已經(jīng)進行了虛擬機系統(tǒng)的安裝，因此，在迷你網(wǎng)實驗環(huán)境的搭建過程中也更容易操作，在集中實驗環(huán)節(jié)之外，可以進行有效補充，在此基礎(chǔ)上，有效解決實驗課時有限和實驗設(shè)備不足的問題，鼓勵學(xué)生在課外進行創(chuàng)新探索以及自主實驗。

2.3 在迷你網(wǎng)大環(huán)境下進行單機網(wǎng)絡(luò)實驗的具體策略

要想將虛擬機技術(shù)引入到實際教學(xué)中，使虛擬機技術(shù)能夠充分發(fā)揮自身對實驗教學(xué)活動的推動作用，在實際教學(xué)活動的開展過程中，無論是現(xiàn)階段比較流行的協(xié)議分析工具還是操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)測試命令，都能夠在迷你網(wǎng)平臺上實現(xiàn)，與此同時，迷你網(wǎng)還能夠用于測試仿真網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對圖形化交互窗口的高質(zhì)量管理，能夠有效地將迷你網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的實驗內(nèi)容與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實驗內(nèi)容無縫地連接到一起，這也是相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件來說，迷你網(wǎng)最明顯的優(yōu)勢。迷你網(wǎng)能夠提供多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的預(yù)定義，用戶在實際操作的過程中能夠通過腳本編寫的方式實現(xiàn)自定義的網(wǎng)絡(luò)拓撲，與此同時，在新型網(wǎng)絡(luò)功能的開發(fā)過程中API也能發(fā)揮十分重要的作用[5]。因此，在這一平臺上進行教學(xué)實驗的安排具有十分廣闊的空間。相比于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，決定可以充分發(fā)揮自己的想象力進行自主探究，而不需要再揣摩教師的教學(xué)思路，被限制在教師的教學(xué)思路之內(nèi)進行探索，因此，更有利于學(xué)生實踐創(chuàng)新能力和實踐探索能力的培養(yǎng)，在此基礎(chǔ)上，使學(xué)生能夠更好地適應(yīng)未來社會的發(fā)展需要，成長為具有較強專業(yè)素養(yǎng)的人才。

從綜合性實驗教學(xué)活動的開展情況來看，通過在迷你網(wǎng)大環(huán)境下進行單機網(wǎng)絡(luò)實驗的教學(xué)，學(xué)生可以對交換機的運作原理進行觀察，與此同時，還能認真分析交換機的外部行為，明確交換機的運作方式以及計算方式。學(xué)生在自主設(shè)計實驗的過程中，自身的實踐動手能力也能得到相應(yīng)的提升，在此基礎(chǔ)上，對網(wǎng)絡(luò)對象的系統(tǒng)級能夠產(chǎn)生更加深入的認知。從實際操作中我們可以發(fā)現(xiàn)這樣一個問題，對實驗細節(jié)進行驗證也可以借助協(xié)議分析工具以及網(wǎng)絡(luò)測試命令來實現(xiàn)。

在迷你網(wǎng)的實驗環(huán)境下，可以實現(xiàn)多重軟件的自由安裝配置，與此同時，對于虛擬機技術(shù)的相關(guān)問題也能夠有更加深刻的掌握。學(xué)生在進行綜合性實驗活動過程中，要熟練掌握迷你網(wǎng)的常用命令，與此同時，學(xué)生在設(shè)計實驗的過程中，需要能夠編寫Python腳本語言。而在此過程中，教師需要做好針對學(xué)生實驗過程的指導(dǎo)工作，引導(dǎo)學(xué)生進行實驗環(huán)境的維護，在教學(xué)計劃的制定過程中，教師也需要考慮到學(xué)生學(xué)時的問題，另一方面需要考慮到學(xué)生專業(yè)定位的問題，在此基礎(chǔ)上，為學(xué)生制定合理的培養(yǎng)目標。

3 結(jié)語

綜上所述，虛擬化技術(shù)以及軟件定義網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，在此基礎(chǔ)上，通過迷你網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境的搭建，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的獨立化，與此同時，還能真正實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的一體化，針對現(xiàn)階段計算機課程網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)活動開展過程中存在的諸多問題也能夠給出十分明確的解決方案。從參考實例的角度來講，這一平臺不僅對傳統(tǒng)實驗具有較強的兼容性，與此同時，自身在進行活動規(guī)劃的過程中還具有較強的靈活性，能夠為課程教學(xué)提供強有力的支撐。

參考文獻：

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[5]周既松，蘇代玉，陳蓮.發(fā)揮“雙因素”作用提高學(xué)生參與度? 促進計算機網(wǎng)絡(luò)實踐教學(xué)改革[J].科技資訊，2019，17（31）：146，148.

【通聯(lián)編輯：唐一東】