- 相關(guān)推薦
淺析軟件定義網(wǎng)絡(luò )的計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗教學(xué)
面對日新月異的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù),網(wǎng)絡(luò )課程實(shí)驗教學(xué)環(huán)節必須不斷的調整與更新。在近兩年的實(shí)驗教學(xué)中,出現了較多的問(wèn)題。下面是小編搜集整理的相關(guān)內容的論文，歡迎大家閱讀參考。
摘要：圍繞網(wǎng)絡(luò )新技術(shù)發(fā)展對人才培養的新需求，針對困擾計算機網(wǎng)絡(luò )課程實(shí)驗教學(xué)的一系列問(wèn)題，探討利用虛擬化技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò )框架建設實(shí)驗教學(xué)平臺的方法，提出基于單機模式建立低成本、易擴展的一體化實(shí)驗平臺教改方案，給出參考實(shí)驗實(shí)例，展示該平臺對傳統網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗的兼容性和開(kāi)展綜合性與設計性實(shí)驗的潛力�！ ￡P(guān)鍵詞：計算機網(wǎng)絡(luò )課程;實(shí)驗教學(xué);軟件定義網(wǎng)絡(luò );OpenFlow
一、背景
1.1近年來(lái)，虛擬化技術(shù)和云計算興起，云數據中心、多租戶(hù)網(wǎng)絡(luò )等新的應用場(chǎng)景推動(dòng)了傳統網(wǎng)絡(luò )設計與管理模式的進(jìn)步，軟件定義網(wǎng)絡(luò )(SoftwareDefinedNetworking，SDN)及其重要技術(shù)OpenFlow作為創(chuàng )新網(wǎng)絡(luò )架構，已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注熱點(diǎn)，不少大學(xué)建立了SDN/OpenFlow試驗網(wǎng)，開(kāi)展網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域的創(chuàng )新研究與探索。從2008年美國斯坦福大學(xué)NickMcKeown教授領(lǐng)導的Ethane團隊(Cleanslate計劃)首次提出OpenFlow協(xié)議原型[1]，到2012年ONF發(fā)布SDN白皮書(shū)[2]1-12，SDN及OpenFlow完成了從試驗平臺向業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )部署的跨越，SDN/OpenFlow解決方案已在谷歌等云計算數據中心內部骨干網(wǎng)上發(fā)揮了令人矚目的作用[3]，國內外主流網(wǎng)絡(luò )廠(chǎng)商推出了多種SDN/OpenFlow交換機[4]，SDN和OpenFlow技術(shù)的發(fā)展給網(wǎng)絡(luò )人才的專(zhuān)業(yè)需求注入了新的內容，也給計算機網(wǎng)絡(luò )課程理論與實(shí)驗教學(xué)的改革指出了新的研究方向。
1.2目前網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗室建設更新周期普遍較短，無(wú)論是采用傳統網(wǎng)絡(luò )設備的實(shí)驗平臺，還是專(zhuān)用的課程教學(xué)實(shí)驗系統，大多面臨擴展和更新的要求，實(shí)驗設備和實(shí)驗學(xué)時(shí)不足，實(shí)驗內容以驗證性實(shí)驗為主，缺乏設計性實(shí)驗和綜合性實(shí)驗，實(shí)踐環(huán)節薄弱。針對這些困擾實(shí)驗教學(xué)的問(wèn)題，已有不少實(shí)驗教學(xué)改革的努力成果[5-7]。從目前的實(shí)驗教學(xué)改革方案來(lái)看，多數仍依賴(lài)普通網(wǎng)絡(luò )設備或傳統網(wǎng)絡(luò )仿真與協(xié)議分析軟件，尚不足以完全解決上述問(wèn)題。
1.3為了適應網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展對人才培養的新需求，提升學(xué)生自主學(xué)習能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，給計算機網(wǎng)絡(luò )課程教學(xué)提供低成本、易擴展、一體化的實(shí)驗平臺，擴展和深化實(shí)驗內容，有必要在網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗教學(xué)改革中引入SDN架構和虛擬化技術(shù)。圍繞SDN和OpenFlow有很多開(kāi)放標準的開(kāi)源項目，涵蓋了多種SDN系統構件，包括OpenFlow軟件交換機、SDN控制器、業(yè)務(wù)流程工具、網(wǎng)絡(luò )虛擬化工具、仿真和測試工具等，豐富的開(kāi)源資源為建立新型網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗平臺提供了實(shí)現的可能.
二、SDN體系的主要組成
2.1SDN的概念與原理體系架構
傳統計算機網(wǎng)絡(luò )的控制平面和數據轉發(fā)平面是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )設備緊密耦合的，SDN的思想是將控制平面與數據轉發(fā)平面分離，把網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的復雜性集中到控制平面，SDN控制軟件通過(guò)開(kāi)放標準的南向接口(如OpenFlow協(xié)議)控制數據平面，通過(guò)可編程的北向接口(開(kāi)放的API)為應用層業(yè)務(wù)定制所需的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。SDN架構能夠提供網(wǎng)絡(luò )抽象層面上的集中控制能力和網(wǎng)絡(luò )虛擬層面上的資源配置能力，使網(wǎng)絡(luò )虛擬化與計算虛擬化、存儲虛擬化聯(lián)系一起，有力支持云計算服務(wù)的發(fā)展。
2.2SDN控制器
SDN控制器(SDN控制軟件)的功能相當于SDN的網(wǎng)絡(luò )操作系統，向下提供對數據轉發(fā)設備的配置、控制和管理功能，向上為應用業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò )編程接口。SDN控制器在邏輯上是集中的，在物理上可以是分布式的。
2.3OpenFlow交換機
OpenFlow交換機是SDN數據平面的網(wǎng)絡(luò )設備，它按照流表(flowtable)的設置進(jìn)行轉發(fā)。流表由控制器通過(guò)安全通道配置，決定OpenFlow交換機的轉發(fā)行為。流表項包括跨多個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議層次的匹配字段和轉發(fā)行為。OpenFlow交換機的協(xié)議工作層次可以根據組網(wǎng)需要進(jìn)行配置，可實(shí)現二層交換機、路由器和其他高層協(xié)議及策略的轉發(fā)功能。OpenFlow交換機有硬件形態(tài)和軟件形態(tài)兩種形式，硬件OpenFlow交換機適用于生產(chǎn)型網(wǎng)絡(luò )的組建，軟件交換機多用于搭建研究和測試平臺。由于軟件交換機成本低、配置靈活，對OpenFlow規范版本的更新及時(shí)，適合在高校的科研教學(xué)環(huán)境中使用。對于教學(xué)實(shí)驗平臺，建議采用可運行在虛擬機上的軟件交換機OpenvSwitch。
三、基于SDN和OpenFlow的網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗教學(xué)平臺建設方案
3.1校園環(huán)境SDN的組網(wǎng)方式
校園環(huán)境中的SDN有不同的規模及組網(wǎng)方式，選擇哪種取決于其在科研和教學(xué)活動(dòng)中的目標定位，可以將其分為園區模式、實(shí)驗室模式和單機模式。園區模式基于校園網(wǎng)主干和硬件OpenFlow網(wǎng)絡(luò )設備，用戶(hù)可利用SDN和OpenFlow提供的網(wǎng)絡(luò )虛擬化及邏輯隔離能力，在不影響校園網(wǎng)承載的正常業(yè)務(wù)的情況下，進(jìn)行大規模的創(chuàng )新網(wǎng)絡(luò )項目研究和試驗，從而能夠在真實(shí)網(wǎng)絡(luò )流量背景下，對新型網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、新型網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)等研究項目展開(kāi)測試、評估和部署。實(shí)驗室模式的OpenFlow交換機可利用多網(wǎng)卡服務(wù)器實(shí)現，具體有兩種途徑：一種是在服務(wù)器上安裝NetFPGA板卡和OpenFlow軟件;另一種直接在服務(wù)器上安裝OpenvSwitch軟件，實(shí)現OpenFlow軟交換機。創(chuàng )新型研發(fā)工作可采用前者，教學(xué)實(shí)驗平臺可以采用后者。單機模式的實(shí)驗平臺利用虛擬機技術(shù)和SDN仿真軟件搭建。Mininet是斯坦福大學(xué)Ethane研究團隊開(kāi)發(fā)的SDN/OpenFlow網(wǎng)絡(luò )仿真工具。不同于傳統的網(wǎng)絡(luò )模擬軟件，Mininet還是一個(gè)快捷的原型系統開(kāi)發(fā)工具，它集成了OpenvSwitch軟件交換機，能運行實(shí)際網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧和原汁原味的代碼。在Mininet仿真平臺上可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )新功能的開(kāi)發(fā)測試，然后再遷移到實(shí)際的目標網(wǎng)絡(luò )上。Mininet仿真的虛擬網(wǎng)絡(luò )還可以與實(shí)際網(wǎng)絡(luò )連通。實(shí)驗室模式和單機模式的SDN環(huán)境都可以作為教學(xué)實(shí)驗平臺的構建方案，前者更接近真實(shí)網(wǎng)絡(luò )，但是組網(wǎng)需要更多計算機(每一個(gè)主機或交換機節點(diǎn)都需要一臺物理主機)，而Mininet能夠在一臺個(gè)人計算機上仿真整個(gè)OpenFlow網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )的擴展性及其拓撲設計的靈活性更好，因而更適合課程教學(xué)實(shí)驗應用。
3.2基于Mininet的單機實(shí)驗環(huán)境構建方案
Mininet是基于Linux內核虛擬化技術(shù)開(kāi)發(fā)的輕量級網(wǎng)絡(luò )虛擬化平臺，它提供了仿真SDN網(wǎng)絡(luò )的所有構件：OpenFlow交換機、SDN控制器、虛擬主機節點(diǎn)。Mininet虛擬機鏡像中還預裝了常用的協(xié)議分析工具Wireshark，能夠在獨立的圖形化界面中分析網(wǎng)絡(luò )協(xié)議流量，可作為搭建網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗環(huán)境的一個(gè)一體化解決方案。給出了Mininet單機環(huán)境的構成。由于每臺主機都能構成一個(gè)獨立和完備的網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗平臺，完全可以按照通用PC機房的模式建設網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗室，其在容量和擴展性上的優(yōu)勢顯而易見(jiàn)。實(shí)際上，部分學(xué)生的個(gè)人計算機已經(jīng)安裝了虛擬機系統，搭建個(gè)人Mininet實(shí)驗環(huán)境可謂簡(jiǎn)便易行，作為集中實(shí)驗環(huán)節的補充，不僅能夠解決實(shí)驗設備和實(shí)驗課時(shí)不足的問(wèn)題，還能進(jìn)一步開(kāi)展課外自主實(shí)驗與創(chuàng )新探索活動(dòng)。
四、Mininet單機環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗
由于采用了虛擬機技術(shù)，教學(xué)時(shí)能夠在Mininet平臺使用流行操作系統的網(wǎng)絡(luò )測試命令和協(xié)議分析工具，對仿真網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行測試，還可以通過(guò)圖形化交互窗口進(jìn)行管理，保證了傳統的網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗內容在Mininet環(huán)境中的無(wú)縫銜接，這是Mininet優(yōu)于傳統網(wǎng)絡(luò )仿真軟件(如NS2、OpenNet)的地方。Mininet提供預定義的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構(最小化拓撲、樹(shù)型、星型等)，支持用戶(hù)編寫(xiě)腳本自定義網(wǎng)絡(luò )拓撲，還能通過(guò)API開(kāi)發(fā)新型網(wǎng)絡(luò )功能。因此，在該平臺上安排教學(xué)實(shí)驗有很大的設計空間，給出了綜合性與設計性實(shí)驗的參考實(shí)例。通過(guò)所示的綜合性實(shí)驗，學(xué)生既能觀(guān)察交換機外部行為，又能深入學(xué)習內部工作原理及算法實(shí)現;設計性實(shí)驗有助于提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，建立對網(wǎng)絡(luò )對象的系統級認知。從實(shí)例中看到，驗證性實(shí)驗細節均能夠利用常用網(wǎng)絡(luò )測試命令和協(xié)議分析工具完成。使用Mininet實(shí)驗環(huán)境需要掌握虛擬機技術(shù)和多種自由軟件安裝配置，綜合性實(shí)驗需要學(xué)習Mininet的常用命令，設計性實(shí)驗需要學(xué)生掌握Python腳本語(yǔ)言的編程，實(shí)施中需要增加實(shí)驗環(huán)境維護和實(shí)驗過(guò)程指導的工作量，具體的實(shí)驗教學(xué)計劃可以根據專(zhuān)業(yè)定位、學(xué)時(shí)限定和培養目標來(lái)規劃。
五、結語(yǔ)
SDN框架和虛擬化技術(shù)是網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，在此基礎上搭建的Mininet實(shí)驗環(huán)境是一個(gè)獨立和完備的一體化網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗平臺，能夠解決目前實(shí)驗教學(xué)存在的諸多問(wèn)題。參考實(shí)驗實(shí)例說(shuō)明了該平臺對傳統網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗的兼容性以及靈活規劃綜合性與設計性實(shí)驗的潛力。以此為基礎進(jìn)一步完善實(shí)驗改革方案，能夠為學(xué)生開(kāi)拓更大的自主學(xué)習與實(shí)踐探索的空間，使課程教學(xué)與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展接軌，充分發(fā)揮計算機網(wǎng)絡(luò )課程實(shí)驗教學(xué)在創(chuàng )新人才培養過(guò)程中應有的支撐作用。
參考文獻：
[1]McKeownM,AndersonT,BalakrishnanH,etal.OpenFlow:Enablinginnovationincampusnetworks[J].ComputerCommunicationReview,2008,38(2):69-74.
[2]FoundationON.Software-Definednetworking[J].TheNewNormforNetworks,2012(7):1-12.
[3]劉誠明.軟件定義網(wǎng)絡(luò )[M].北京:人民郵電出版社,2013:50-51.
[4]黃韜,劉江,魏亮,等.軟件定義網(wǎng)絡(luò )核心原理與應用實(shí)踐[M].北京:人民郵電出版社,2015:85-97.
[5]周?chē)?計算機網(wǎng)絡(luò )課程實(shí)驗教學(xué)改革探討[J].計算機教育,2016(7):45-48.
[6]吳敏綱,詹沐清.高校計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗教學(xué)改革與探討[J].信息與電腦(理論版),2015(21):174-174.
[7]劉倫.開(kāi)放式計算機實(shí)驗教學(xué)改革研究[J].計算機教育,2013(2):100-102.
[8]AzodolmolkyS.軟件定義網(wǎng)絡(luò ):基于OpenFlow的SDN技術(shù)解密[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014:137-159.
【淺析軟件定義網(wǎng)絡(luò )的計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗教學(xué)】相關(guān)文章：
淺析參考文獻的定義08-23
淺析計算機網(wǎng)絡(luò )病毒的防治措施10-24
淺析計算機網(wǎng)絡(luò )輔助教學(xué)10-28
淺析計算機網(wǎng)絡(luò )信息安全技術(shù)07-09
網(wǎng)絡(luò )工程計算機網(wǎng)絡(luò )課程實(shí)驗教學(xué)研究05-03
淺析關(guān)于計算機網(wǎng)絡(luò )故障分析與維護08-11
淺析計算機網(wǎng)絡(luò )中心的雷電防護技術(shù)10-16
計算機網(wǎng)絡(luò )畢業(yè)論文-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )技術(shù)淺析08-16