構(gòu)建SDN仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的探討與實(shí)踐

劉果+陳凡+李劍鋒+吳京京

摘要：軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其控制邏輯集中、轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離、網(wǎng)絡(luò)可編程化三個(gè)特點(diǎn)，給網(wǎng)絡(luò)資源管理帶來新的思路，SDN的研究也對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提出要求。文章介紹了SDN及其主要協(xié)議OpenFlow，分析了支持OpenFlow協(xié)議的主要網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的功能特點(diǎn)和可操作性。最后描述了基于Mininet的SDN仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建過程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯隔離策略來驗(yàn)證該平臺(tái)的有效性。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò)；仿真軟件；Mininet；邏輯隔離

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.06.019

本文著錄格式：劉果，陳凡，李劍鋒，等.構(gòu)建SDN仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的探討與實(shí)踐[J].軟件，2015，36（6）：103-108

DiscussionandPracticeonSDNSimulationPlatformConstruction

LIUGuo，CHENFan，LIJian-feng，WUJing-jing

[Abstract]：Software-DefinedNetworking（SDN）isnovelnetworkarchitecturewiththreemajorfeatures-controlcentralization，separationofcontrollingandforwardingandnetworkprogrammability，andthishasbroughtnewideasfornetworkresourcemanagement.ResearchonSDNmakesdemandsonthesimulationplatform.ThispaperintroducesSDNanditsmostimportantprotocolOpenFlow，anddiscussesthefeaturesandoperabilityofsomemainnetworksim-ulatorsthatsupporttheOpenFlowprotocol.Finally，wetakeMininetasanexampletodescribetheconstructionprocessofSDNsimulationplatform，andimplementasimplestrategyoflogicisolationtoverifyitsvalidity.

[Keywords]：Software-DefinedNetworking；Simulator；Mininet；LogicIsolation

0引言

伴隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，眾多新的互聯(lián)網(wǎng)在線業(yè)務(wù)的用戶量也在急劇增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的增多和規(guī)模的擴(kuò)大對(duì)網(wǎng)絡(luò)承載和管理都提出了巨大的挑戰(zhàn)。2009年提出的SDN（Software-DefinedNetworking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）是近幾年興起的一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)這些挑戰(zhàn)提出了新的思路[1]，其核心協(xié)議是OpenFlow[2]。OpenFlow允許遠(yuǎn)程控制器通過控制網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)來決定數(shù)據(jù)包的路徑。這種控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的方式可以用來進(jìn)行更為靈活、精細(xì)的流量管理[3]。

模擬構(gòu)建真實(shí)網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的主要手段之一。實(shí)現(xiàn)方式有試驗(yàn)床、純粹數(shù)學(xué)模型和網(wǎng)絡(luò)仿真，其中最常用的方法是網(wǎng)絡(luò)仿真[4]。許多學(xué)者利用仿真軟件或者自定義仿真模型來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究[5-8]。網(wǎng)絡(luò)仿真軟件有很多，其中對(duì)OpenFlow提供較好支持的有Mininet[9]、NS-3[10]，OpenvSwitch[11]、Estinet9.0[12]。建立SDN仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)SDN相關(guān)研究與開發(fā)工作順利開展非常必要。

1SDN與OpenFlow

SDN是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)理念，它將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行分離，并實(shí)現(xiàn)可編程化控制。ONF提出的典型SDN架構(gòu)定義如圖1所示[13]。其中最上層為應(yīng)用層，包括各種不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用。控制層主要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)平面資源的編排、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)信息等。基礎(chǔ)設(shè)施層負(fù)責(zé)基于流表的數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集。

OpenFlow是控制器與交換機(jī)間通信遵循的協(xié)議。OpenFlow最早由斯坦福大學(xué)的NickMcKeown教授提出，它將控制功能從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中分離出來，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上維護(hù)流表結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)分組按照流表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而流表的生成、維護(hù)、配置由中央控制器來管理。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備（交換機(jī)或者路由器）的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)依賴于設(shè)備中保存的地址信息（MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表或者IP地址路由表），而OpenFlow交換機(jī)使用的流表規(guī)則包括網(wǎng)絡(luò)各層的基本配置信息，所以在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)規(guī)則更靈活豐富。控制器提供了可供編程的北向接口，網(wǎng)絡(luò)管理者可以基于這些接口開發(fā)出特定的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[14]。

2支持OpenFlow的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件

隨著SDN的快速發(fā)展，SDN的研究和仿真己成為從事SDN的研究人員所必須從事的一項(xiàng)工作。網(wǎng)絡(luò)仿真軟件是支持網(wǎng)絡(luò)研究工作的工具和平臺(tái)。本節(jié)將會(huì)介紹當(dāng)前主流的幾款支持OpenFlow協(xié)議并能用于SDN網(wǎng)絡(luò)研究的仿真軟件。

2.1Mininet

Mininet[9]是2010年斯坦福大學(xué)基于LinuxContainer架構(gòu)開發(fā)的一款輕量級(jí)的SDN網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)。使用者可以通過Mininet輕易地在一臺(tái)機(jī)器上（本地PC機(jī)、云平臺(tái)或VM虛擬機(jī)）搭建一個(gè)SDN環(huán)境，同時(shí)可通過Mininet的命令行界面與搭建的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行交互，并且可將其部署在一個(gè)真實(shí)的硬件中。

Mininet具有如下特征：（1）可自定義拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，（2）允許多個(gè)并行開發(fā)人員在同一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上獨(dú)立工作，（3）支持系統(tǒng)級(jí)的回歸測(cè)試，（4）提供了簡(jiǎn)單的和可擴(kuò)展的PythonAPI，（5）可運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的Unix/Linux網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，（6）良好的硬件移植性和可擴(kuò)展性。但是，Mininet的使用也有一些限制，如基于Mininet的網(wǎng)絡(luò)不能超出一個(gè)服務(wù)器上的可用CPU和帶寬資源，并且不能運(yùn)行不與Linux兼容的OpenFlow交換機(jī)或應(yīng)用。2.2NS-3

NS-3[lo]是Berkley大學(xué)發(fā)開的一個(gè)離散事件的網(wǎng)絡(luò)仿真器，它是在GNUGPLv2license下授予許可的一個(gè)免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，采用了C++/Python語言對(duì)其進(jìn)行開發(fā)，可廣泛地用于研究和開發(fā)。N3-3并不是NS-2的擴(kuò)展，二者的腳本語言不同，NS-3也不支持NS-2的API。

NS-3仿真支持OpenFlow交換機(jī)。NS-3模擬的OpenFlow交換機(jī)可通過OpenFlowAPI對(duì)交換機(jī)進(jìn)行配置，以及使用MPLS（MultipleprotocolLabelSwitching，多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)）的擴(kuò)展來支持服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)水平協(xié)定。NS-3目前使用OpenFlow交換庫(kù)（OpenFlowswitchlibrary，OFSID），OFSID是OpenFlow軟件實(shí)現(xiàn)的分配，它被愛立信的研究人員創(chuàng)建，并加入了MPLS功能。為了在NS-3中使用OpenFlow模塊，必須下載和構(gòu)建OFSID，將OFSID構(gòu)建到libopenflow.a庫(kù)，以及鏈接OpenFlowswitchmodule到NS-3bulid中。

2.30penSwitch

OpenSwitch[ll]是一個(gè)多層的虛擬交換軟件，通過編程擴(kuò)展可使得大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化，并支持標(biāo)準(zhǔn)的管理接口和協(xié)議，在開源Apache2.0license下授予許可。OpenSwitch可移植到多個(gè)虛擬平臺(tái)和交換芯片上，如Xen、KVM和Virtualbox等，并且它已經(jīng)被集成到多個(gè)虛擬管理系統(tǒng)中，如OpenStack、OpenQRM和OpenNebula等，其程序包可安裝于Ubuntu、Debian和Fedora等多個(gè)Linux操作系統(tǒng)上。

OpenSwitch提供了對(duì)OpenFlow的支持，可用于模擬單個(gè)OpenFlow交換機(jī)。在實(shí)際的OpenFlow環(huán)境搭建中，一個(gè)Ubuntu系統(tǒng)的PC機(jī)上安裝OpenSwitch的程序包，通過簡(jiǎn)單的配置網(wǎng)橋、端口，就可將該P(yáng)C機(jī)配置為一臺(tái)OpenFlow交換機(jī)。OpenSwitch也支持查詢交換機(jī)狀態(tài)和操作流表。

2.4EstiNet

EstiNet[15]是臺(tái)灣思銳科技推出的網(wǎng)絡(luò)仿真器，可用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、測(cè)試、協(xié)議開發(fā)和應(yīng)用性能預(yù)測(cè)。它運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)中，直接采用LinuxTCP/IP協(xié)議棧來產(chǎn)生高可信度的仿真結(jié)果，支持基于UNIX的應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件。

EstiNet的最新版本9.0提供了對(duì)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)仿真的支持，便于開展軟件定義網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究。它可以模擬幾千個(gè)1.0.0或1.3.4版本的OpenFlow交換機(jī)。EstiNet允許OpenDaylight、NOX、POX、Floodlight等常用SDN控制器直接運(yùn)行在EstiNet中的控制器節(jié)點(diǎn)之上，并且支持研究人員自己開發(fā)的控制器應(yīng)用。它能準(zhǔn)確、快速地模擬控制器應(yīng)用和OpenFlow交換機(jī)之間的交互，以及交換機(jī)之間鏈路的特性，例如帶寬、鏈路延遲、鏈路故障時(shí)間。

3基于Mininet的仿真實(shí)例

在介紹了幾種主要的仿真軟件后，這里將基于專業(yè)的SDN仿真軟件Mininet，介紹搭建SDN仿真環(huán)境的過程，并實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)邏輯隔離策略。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置為：云平臺(tái)服務(wù)器上搭建有不同的虛擬服務(wù)器，分屬于不同的用戶。用戶遠(yuǎn)程登錄自己的虛擬服務(wù)器之后，安全上不允許直接訪問同一局域網(wǎng)的其他虛擬服務(wù)器。

3.1實(shí)驗(yàn)方案

方案采用圖2所示拓?fù)洌粋€(gè)控制器Controller，一臺(tái)主機(jī)Hostl，兩臺(tái)服務(wù)器Serverl、Server2，兩臺(tái)交換機(jī)Switchl、Switch2。通過控制器對(duì)交換機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)主機(jī)Hostl可以分別訪問服務(wù)器Serverl、Server2，但是Serverl和Server2不能互相訪問，以此實(shí)現(xiàn)邏輯隔離。

3.2環(huán)境搭建

仿真實(shí)驗(yàn)使用開源的Floodlight項(xiàng)目作為控制器，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓贛ininet里實(shí)現(xiàn)。具體步驟如下：

（1）啟動(dòng)控制器Floodlight

.java-jarfloodlight.jar

（2）用Python編寫自定義拓?fù)?h2s.py；

（3）通過Xshell工具登錄到Mininet，調(diào)用拓?fù)湮募⑦B接至控制器，指令如下：

sudomn--custom～Mininet/custom/3h2s.py--topomytopo--controller=remote，ip=192.168.1.106，port=6633

（4）xterm指令打開服務(wù)器節(jié)點(diǎn)終端，搭建web服務(wù)器。

Python-mSimpleHTTPServer80

各設(shè)備的主要參數(shù)見表1。

設(shè)備信息

3.3測(cè)試步驟

網(wǎng)絡(luò)中測(cè)試連通性的最常用方法就是ping測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)在節(jié)點(diǎn)Serverl和Server2節(jié)點(diǎn)上搭建了web服務(wù)器，除了ping測(cè)試外，也可通過訪問服務(wù)器操作和服務(wù)器端的訪問日志來驗(yàn)證連通性。邏輯隔離策略以流條目的形式，通過控制器下發(fā)至對(duì)應(yīng)交換機(jī)。在下發(fā)前后，對(duì)設(shè)備間的連通性進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證邏輯隔離策略是否有效。

3.3.1初始連通性測(cè)試

Floodlight控制器中有一個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)模塊Forwarding，能夠自動(dòng)為數(shù)據(jù)包尋找可用的最短路徑，該模塊默認(rèn)是開啟狀態(tài)。在此狀態(tài)下，若各交換機(jī)中無流條目限制，各終端節(jié)點(diǎn)能互相訪問。

首先進(jìn)行pingall測(cè)試。然后測(cè)試各終端對(duì)服務(wù)器的訪問情況。圖2為Serverl訪問Server2的示例。

3.3.2下發(fā)流條目

向靠近兩個(gè)服務(wù)器的交換機(jī)Switch2下發(fā)兩條流條目（圖4），限制兩個(gè)服務(wù)器間的互相訪問。下發(fā)流條目后，再次進(jìn)行pingall測(cè)試和訪問服務(wù)器測(cè)試。

3.4結(jié)果分析

流條目下發(fā)前后，pingall測(cè)試結(jié)果見圖5，服務(wù)器的訪問情況統(tǒng)計(jì)見表2。

在默認(rèn)流表的情況下，pingall測(cè)試無丟包，主機(jī)Hostl可以訪問兩個(gè)服務(wù)器，且服務(wù)器間也可以正常互相訪問。

修改流表，對(duì)Serverl訪問Server2的流量，Action里output與input端口設(shè)置為一致，這樣便阻斷了Serverl與Server2的連接。進(jìn)行該操作后，主機(jī)Hostl仍能正常訪問兩個(gè)服務(wù)器。但兩個(gè)服務(wù)器不能互訪，實(shí)現(xiàn)了邏輯上的隔離，實(shí)驗(yàn)達(dá)到預(yù)期效果。

4總結(jié)

基于OpenFlow的SDN技術(shù)已經(jīng)越來越得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的認(rèn)可，各機(jī)構(gòu)對(duì)其研究力度也在不斷增加。文章介紹了常用的幾種SDN仿真軟件，并以Mininet為例描述了SDN仿真環(huán)境的搭建過程，通過簡(jiǎn)單的邏輯隔離策略驗(yàn)證了所搭建平臺(tái)的有效性。下一階段，我們將進(jìn)一步拓展該平臺(tái)，開展流量監(jiān)控、訪存控制等實(shí)驗(yàn)。

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