软件定义网络课程教学实验设计

何荣希 林子薇 雷田颖 刘彤彤

摘 要 针对难以用硬件设备大规模部署软件定义网络实验平台的现状，基于Mininet软件搭建软件定义数据中心网络仿真平台，并进行实验测试，有助于学生了解软件定义网络的应用场景、掌握Mininet仿真平台、理解软件定义网络架构和OpenFlow协议的报文结构。

关键词 软件定义网络 数据中心网络 实验教学 Mininet

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2018.08.047

Abstract For the current situation of large-scale deployment of software-defined network experimental platforms with hardware devices， Mininet software is used to build a software-defined data center network simulation platform， and experimental tests are conducted to help students understand the application scenarios of software-defined networks， master the Mininet simulation platform， Understand the message structure of the software-defined network architecture and the OpenFlow protocol.

Keywords software-defined network； data center network； experimental teaching； Mininet

0 引言

软件定义网络（Software Defined Network，SDN）可以解耦合控制层与数据转发层，很好地实现网络直接可编程，支持网络集中控制，使网络的开放性及灵活性得到空前提升，为网络的创新发展提供了良好的平台。SDN架构分为应用层、控制层和数据转发层。[1]其中，应用层用于业务应用开发，控制层负责下发及管理数据层的转发表，而数据转发层则依照控制层下发的流表进行高速数据转发。OpenFlow[2]作为应用最广泛的南向接口协议，很好地规范了控制层与数据层之间的信息交互形式。北向接口对上层业务应用开放，可实现底层网络设施对上层应用的透明，使得上层业务应用能够灵活地对底层网络设备及资源进行调用。[3]

近年来，SDN受到学术界及商业界的广泛关注，被认为是当前网络体系架构的主要演进方向之一。[4]自2008年Nick McKeown教授等人提出OpenFlow协议原型开始，普林斯顿大学、哥伦比亚大学以及苏黎世联邦理工大学等国外高校逐渐开设SDN课程，其他很多大学也将SDN教学加入高级网络课程中。近年来，我国对未来网络领域的发展也给予高度重视，各大高校建立不少SDN相关研究室，这为SDN技术的发展注入活力，同时也为本科生和研究生计算机网络课程的教学实践开辟了新方向。[5]目前國内很多高校虽紧追网络发展潮流，也有大量学者从事SDN的相关研究，但还少有开设SDN课程，相关实验教学手段更是匮乏。为了弥补这一缺陷，有必要在本科生和研究生课程中增加SDN相关实践环节。数据中心网络（Data Center Network，DCN）是SDN应用最广泛的场景之一，通过模拟测试软件定义数据中心网络（Software-defined Data Center Network，SDCN），有助于学生直观理解SDN架构的网络运行模式。为此，本文设计SDCN的相关仿真实验，利用Mininet仿真软件搭建、测试SDCN，并通过Wireshark软件抓包查看及理解OpenFlow协议的报文结构，有助于学生了解SDN应用场景、熟悉Minient仿真平台、理解SDN架构和OpenFlow协议。

1 实验平台搭建

由于受实验经费和场地等因素限制，难以采用硬件交换设备大规模部署SDN实验平台。为了解决这一问题，可利用Mininet仿真软件进行SDN仿真和测试。Mininet是Stanford大学Nick McKeown研究小组基于Linux Container架构开发的虚拟化平台，利用它很容易在一台PC上搭建SDN网络，对基于OpenFlow、Open vSwitch等协议进行开发验证，[6]而且Mininet安装简单，能够将实验成本大大降低，并提高实验灵活性。

1.1 Mininet安装

Mininet的安装方法主要有如下三种：

（1）在虚拟机中安装Mininet镜像：首先需要安装VMware Workstation、Virtualbox、VMware Fusion等虚拟机软件，其次下载Mininet VM镜像，并将下载好的镜像导入虚拟机软件中即可。

（2）通过GitHub获取安装Mininet源代码：在Ubuntu14.04或更高版本下，可通过命令#git clone http：//github.com/mininet/mininet.git获取源代码，通过#mininet/util/install.sh进行指定参数进行安装。本文选择该方法，且指定参数-n3V 2.5.0来安装mininet的核心文件、OpenFlow1.3版本以及Open vSwitch2.5.0，更多可选参数可通过-h获取。

（3）Mininet文件包安装：在Ubuntu14.04或更高版本下通过命令#sudo apt-get install mininet/precise-backports安装Mininet文件包。

1.2 控制器部署

当前主流的远程控制器有NOX、POX、Floodlight、OpenDayLight和RYU等控制器。本文采用基于JAVA语言的Floodlight控制器。[7]

安装Floodlight控制器十分简单。首先，下载安装jdk8，修改profile文件，并通过java -version查看是否安装成功。其次，执行命令#sudo apt-get install build-essential default-jdk ant python-dev，通过#git clone git：//github.com/floodlight/floodlight.git下载Floodlight1.2版本。随后，在版本1.2增加以下配置，#cd floodlight，#git submodule init，#git submodule update，#ant。最后，通过#sudo mkdir /var/lib/floodlight，#sudo chmod 777 /var/lib/floodlight创建文件夹并附上普通用户权限，通过#java -jar target/floodlight.jar即可运行Floodlight。当然还需要安装Eclipse等开发环境，并将Floodlight导入。

2 实验设计

2.1 实验目的

DCN作为SDN最为广泛的应用场景之一，其与SDN结合可以更好地实现网络的集中管理、故障检测及恢复、流量管理以及虚拟机迁移等功能。[8]该实验基于Mininet及Floodlight模拟SDCN，实验目的是帮助学生熟悉Mininet使用方法、理解SDN的工作原理和OpenFlow1.3协议的数据报文结构、掌握利用Mininet搭建自定义拓扑以及网络测试方法。

2.2 实验内容

实验内容如下：（1）利用Mininet的Pyhton API搭建多数据中心网络拓扑；（2）模拟数据中心的流量分布；（3）连接Floodlight控制器进行简单的路径选择；（4）启用Wireshark抓包软件，查看OpenFlow 1.3协议的报文结构。

2.2.1 拓扑创建

利用Mininet创建拓扑最简单便捷的方法就是通过网络构建参数--topo来创建单一交换机、线形、树形三种基本类型拓扑。Mininet 2.2.0或以上版本还可通过内置的可视化工具miniedit创建拓扑图。然而，上述两种方法创建大型拓扑时均存在一定局限性。因此，更通用的方法是通过Python API编写脚本来创建自定义拓扑结构，具体过程为：

首先，创建自定义拓扑类，并可以根据需要选择性导入Topo、Mininet、Open vSwitch、TCLink等包。其次，分别通过addSwitch（ ）、addHost（ ）和addLink（ ， ）方法来添加交换机、主机和链路。最后，通过#mn --custom 文件名.py的方式启动拓扑。

本文通过编写自定义拓扑文件fattree.py，建立树形拓扑脚本，通过命令#mn --custom fattree.py --topo=mytopo –switch ovs，protocol=OpenFlow13 --controller=remote， （ip=， port=）来生成SDCN拓扑、连接Floodlight控制器、选择Open vSwitch交换机及OpenFlow1.3协议。树形SDCN网络拓扑包括核心层交换机、汇聚层交换机、边缘层交换机和主机，如图1所示，拓扑连接信息如图2所示。

2.2.2 网络测试

（1）用mininet>pingall进行连通性测试，结果如图3所示，表示8台主机之间均连通。

（2）用mininet>iperf h1 h2，mininet>iperf h1 h3，mininet>iperf h1 h5测试TCP带宽，结果如图4所示，每组测试均返回两个值，分别为发送数据的速率和接收数据的速率。

（3）分别用mininet>h1 ping –c 1 h2，mininet>h1 ping –c 1 h3，mininet>h1 ping –c 1 h5，测试ICMP包往返时间的最小值、平均值、最小值和算术平均偏差值，测试结果如图5所示。

（4）模拟数据中心流量测试。为了模拟数据中心流量的随机性，需要在mininet中添加自定义命令iperfmulti，为每台主机随机选取其余主机来组成iperf udp测试的通信节点对。具体过程为：首先在mininet/net.py中定义相应函数，其次在mininet/cli.py中注册函数，然后在bin/mn中将iperfmulti加入可执行命令列表中，最后，通过命令#～/mininet/util/install.sh –n重新编译mininet核心文件。

通过命令mininet>iperfmulti 来模拟多对随机主机间的通信。实验设置bw=0.025M，通过执行命令可为h1-h8这8台主机随机选取通信主机，结果如图6所示。测试结果以日志形式保存，示例如图7所示，可查看一定时间间隔内的传输速率、带宽、时延抖动和丢包率。

2.2.3 Wireshark抓包

在仿真测试过程中，开启Wireshark软件，以Packet-out消息为例，其理论报文结构如图8所示。抓取到的两个封装了ICMP和LLDP的Packet-out消息如图9-10所示。对比可验证理论结构与实际消息结构相符。

3 结语

作为未来网络架构演进的主要方向之一，SDN有着令人瞩目的发展前景。为了顺应网络的发展潮流，在本科生和研究生网络教学实验课程中引入SDN相关实践环节，对其教学和研究具有重要意义。SDCN作为SDN最广泛的应用场景之一，通过设计SDCN实验方案、搭建实验平台，学生可通过动手实践来学习SDN的应用场景、熟悉Mininet仿真平台、理解SDN架构及OpenFlow协议下的网络运行模式，有助于了解新型网络技术，培养对新兴技术的自主学习及创新能力。

参考文献

[1] Nunes B A A，Mendonca M， Nguyen X N， et al. A survey of software-defined networking： Past， present， and future of programmable networks[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，2014.16（3）：1617-1634.

[2] Mckeown N，Anderson T，Balakrishnan H， et al. OpenFlow：enabling innovation in campus networks[J]. Acm Sigcomm Computer Communication Review，2008.38（2）：69-74.

[3] 雷葆华，王峰，王茜，等.SDN核心技术剖析和实战指南[M].北京：电子工业出版社，2013：14-18.

[4] 崔来中.下一代互联网技术课程教学探索[J].计算机教育，2014（20）：70-73.

[5] 徐磊.基于軟件定义网络的计算机网络课程实验教学研究[J].计算机教育，2017（5）：150-153.

[6] 张连成，奚琪，郭毅，等.基于Mininet模拟环境的软件定义网络实验课程设计[J].计算机教育，2015（6）：104-107.

[7] Floodlight Editor，Floodlight Manual[OL].[2017-09-11]，http：//www.project floodlight.org

[8] 吴强，徐鑫，刘国燕.基于SDN技术的数据中心基础网络构[J].电信科学，2013.29（1）：130-133.