OVS Pi:基于樹莓派的SDN 無線化研究

西南民族大學計算機科學與技術學院 王 磊

在傳統的網絡結構中，部署網絡后，若想進行修改，將會涉及到諸多網絡設備，如交換機、路由器等，而由于各個廠家支持的標準不甚統一，導致修改這些設備配置的過程十分繁瑣。在這種情況下，SDN（Software-Defined Networking，軟件定義網絡）這種新型網絡架構的提出就顯得尤為重要。

SDN采用數控分離的思想，把網絡設備的控制層和數據轉發層分離開來，核心技術運用了OpenFlow新型網絡交換模型，實現對網絡流量的靈活控制。同時，SDN網絡軟件可自主編程的特性，給予這一新型網絡體系架構巨大的潛力和發展前景，形成更為開放的體系結構，賦予了網絡資源更豐富的內涵。

本設計（OVS Pi）在SDN網絡體系架構的基礎上，結合樹莓派（Raspberry Pi）、OVS（Open vSwitch）虛擬交換機技術、Ad Hoc技術以及GRE（Generic Routing Encapsulation，通用路由封裝）技術等，提出了將SDN網絡無線化的發展方向。OVS技術的加入，能夠以虛擬交換機的形式，取代SDN網絡中昂貴的支持OpenFlow協議的交換機。采用Ad Hoc技術，使得樹莓派之間以無線的形式連接，更好的適應各種狀況和地形。采用GRE隧道技術，將整個網絡連通，使得整體網絡受控制器控制，各網絡節點間在受控情況下實現自由通訊。這為未來的SDN網絡發展提出了新的可能。

一、研究背景和意義

在傳統網絡中是以TCP/IP為核心的，對網絡轉發策略的控制和數據的轉發都集中在網絡中的同一個設備上，當需要對整個網絡策略進行調整，或要求獲取網絡中某些資源信息時，網絡很難準確、快速地提供給網絡管理人員和網絡開發人員準確的網絡動態信息。而SDN網絡體系架構的提出能夠解決這一問題，它通過OpenFlow這一核心技術將網絡設備控制層與數據轉發層分離開來，實現了網絡的靈活編程化。較傳統網絡相比SDN網絡架構在邏輯上更簡單，方便及時響應網絡變化，并據此做出相應網絡策略。

Ad Hoc技術是點對點的對等式網絡，沒有中心控制節點，所有節點地位平等。在本設計中，主要利用其無線和地位平等的特性。無線能夠使得樹莓派間以無線方式連接，解決有線網絡中的距離限制。地位平等則與SDN中的交換機相對應，在SDN中，所有的交換機地位也是平等的，只負責轉發數據即可。

本設計中涉及的OVS（Open vSwitch）虛擬交換機技術，能夠通過軟件形式虛擬化交換機的部件，創建虛擬網橋、虛擬端口，并將物理網卡與虛擬端口綁定，以達到實現交換機功能的目的。將樹莓派和SDN結合起來，組建小型無線化的SDN網絡。利用樹莓派造價低廉、功能強大的優點，通過在樹莓派上部署OVS虛擬交換機的方式，將樹莓派改造成SDN網絡中的交換機，在降低SDN組網的成本的基礎上，使得本設計不僅具有實驗價值，也能夠有市場價值。有線SDN網絡的部署能夠解決數控分離的問題，而SDN網絡的無線化，則是在繼承SDN數控分離思想的基礎上做出的大膽嘗試，這樣的模式將能夠滿足在野外、狹小空間、網絡覆蓋中斷時的通訊需求。如：實時且移動性的監控農牧區因受氣候和放牧影響而引起的草場退化情況。

本設計的研究目標為：（1）結合樹莓派和OVS技術，在樹莓派上進行編程和軟件配置。利用OVS的軟件功能，創建虛擬網橋、虛擬端口，并將物理網卡與虛擬端口綁定，實現SDN交換機的功能，使得樹莓派以交換機的身份參與到SDN網絡中，大大降低組建小型SDN網絡的成本，并且在減少體積、提高環境適用性等方向實現優化。（2）結合OVS Pi和Ad Hoc技術，對現有SDN網絡的模式進行創新，使樹莓派之間以Ad Hoc模式連接，嘗試組建無線化SDN網絡，大大提升原本有線模式下的距離限制。（3）實現無線SDN網絡的靈活配置。將OVS配置、網卡配置等以腳本形式完成，實現半自動化網絡配置，降低網絡管理員的負擔，并且實現開機自動加載配置，不必進行額外操作即可連通網絡。

二、OVS Pi系統詳細設計及實現

（一）網卡配置

由于本設計中樹莓派采用的是基于Debian9的Jessie系統，而主機則是Windows 8.0和Windows XP系統，因此網卡配置部分也略有不同。

（1）樹莓派無線網卡配置

由于樹莓派間要以Ad Hoc模式進行連接，因此要先對樹莓派的無線網卡做出相應的配置。首先使用ifconfig -a命令，查看無線網卡名稱。（本設計中以樹莓派自帶無線網卡wlan0為配置對象，擴展的USB無線網卡wlan1連接WIFI，以供PuTTY連接。）確定名稱（wlan0）后，將該網卡設置為Ad Hoc模式，配置wireless-essid為Ad-Hoc，wireless-mode為Ad- Hoc，wireless-channel為3，并配置IP為10.0.0.2、BroadCast為10.0.0.255、NetMask為255.255.255.0、NetWork為10.0.0.0。Pi_2網卡配置除IP變為10.0.0.3以外，其他均相同，不再贅述。配置完成后，使用ifconfig wlan0命令查看wlan0的網卡配置是否正確，然后使用iwconfig wlan0命令查看無線網卡wlan0的具體配置情況，如圖1和圖2所示，觀察到ESSID為ad-hoc，Mode為Ad-Hoc，且Pi_1與Pi_2的Cell值相同，則說明Ad Hoc模式的Pi_1與Pi_2的無線網卡已經成功配對。

圖1 Pi_1 iwconfig查看wlan0及Cell值

圖2 Pi_2 iwconfig查看wlan0及Cell值

（2）主機有線網卡配置

本設計中，為了確保通訊成功，所有主機所在網段為10.0.1.0，IP為10.0.1.X(X:1～254)。在Host_1和Host_2上修改相關的IP配置，將IP地址分別設置為10.0.1.2和10.0.1.3，子網掩碼均設置為為255.255.255.0。網關及DNS不做配置。

（三） OVS配置

此部分配置以Pi_1為例，Pi_2配置類似。

（1）網橋配置

在同一個樹莓派上通過建立并配置多個虛擬網橋，完成端口數據的轉發、丟棄以及配置GRE通道等操作，達到實現交換機功能的目的。具體配置的網橋數量與網絡規模大小相關，需要針對不同規模進行修改。由于本次測試采用兩臺樹莓派進行，因此只需要建立兩個網橋br0和br1即可。

設置br0端口IP為20.0.0.2/24。由于本次測試所用控制器為Pi_1上開啟的Floodlight，因此，設置網橋br0遠程控制器IP為10.0.0.2，端口為6653。

設置br1端口IP為30.0.0.2/24。同樣，設置網橋br1遠程控制器IP為10.0.0.2，端口為6653。

（2）掛載網卡

將無線網卡（wlan0）掛載到br0上。采用OVS自身的命令addport，將wlan0掛載到網橋br0上，使得OVS Pi能夠通過網橋br0控制數據從wlan0端口通過。

將有線網卡（eth0/enxb827eb649b1c）掛載到br1上。采用OVS自身的命令add-port，將eth0掛載到網橋br1上，使得OVS Pi能夠控制從br1上的eth0端口進出的數據。

（3） GRE通道配置

由于不連續的子網無法相互通信，而本設計實現時在不同樹莓派上的OVS配置的網橋的端口IP就屬于非連續子網，因此如果不做任何操作，它們之間是無法轉發數據的。而GRE是VPN的第三層隧道協議，GRE通道的建立，就能很好的解決這個問題。為此在不同樹莓派上配置OVS時，需要在網橋中分別配置指向對方的GRE通道。

由于要借助wlan0組成的Ad Hoc網絡進行數據通訊，因此，將網橋br0的wlan0端口模式修改為GRE模式，建立GRE通道，指向對端wlan0的IP。

為了使br1與對端樹莓派的網橋相互通訊，需要在網橋br1上建立虛擬端口gre1，并配置為GRE模式，指向對端網橋br0的虛擬端口br0的IP。這樣就能夠打通所有網橋間的通信，使網絡實現互通互聯。

三、OVS Pi詳細測試

（一）測試前的準備工作

在測試前要首先清除之前的配置，運行sudo ovs-vsctl del-br br0和sudo ovs-vsctl del-br br1命令，并用ifconfig命令和sudo ovs-vsctl show命令檢測是否刪除成功。在本次測試過程中，該小型SDN網絡拓撲圖如下圖3所示：

圖3 測試網絡的網絡拓撲圖

（二）開啟Floodlight

進入floodlight/ 目錄下運行java -jar target/floodlight.jar開啟SDN控制器Floodlight。在開啟控制器的樹莓派上打開瀏覽器,進入Floodlight用戶頁面，地址為http://localhost:8080/ui/index.html。

（三）配置OVS

下面將詳細配置Pi_1的OVS配置，Pi_2的配置與Pi_1相近，不再贅述。首先建立網橋br0、br1，設置br0端口IP為20.0.0.2/24，設置網橋br0遠程控制器IP為10.0.0.2，端口為6653，設置br1端口IP為30.0.0.2/24，網橋br1遠程控制器IP為10.0.0.2，端口為6653。將無線網卡（wlan0）掛載到br0上。將有線網卡掛載到br1上。

在網橋br0的wlan0端口建立gre通道，指向對端wlan0的IP。在網橋br1上建立虛擬端口gre1，并配置為gre模式，指向對端網橋br0的虛擬端口br0的IP。

完成上述配置后，我們使用sudo ovs-vsctl show命令查看Pi_1當前的配置信息如圖4所示。

（四） 通訊測試

整體配置結束后，使用Ping命令進行通訊測試。首先進行交換機之間的Ping測試。

Pi_1 ping Pi_2 br0。在Pi_1上執行命令ping 20.0.0.3 -c 4。

Pi_1 ping Pi_2 br1。在Pi_1上執行命令ping 30.0.0.3 -c 4。

Pi_1 ping Pi_2 wlan0。在Pi_1上執行命令ping 10.0.0.3 -c 4。

然后進行主機之間的Ping測試。Host_1 Ping Host_2。在Host_1上執行命令ping 10.0.1.3。

Host_2 Ping Host_1。在Host_2上執行命令ping 10.0.1.2。

圖4 Pi_1 OVS配置

（五） 添加流表控制通訊

利用Curl工具，添加流表，達到阻斷通訊的目的，確認當前組建的小型SDN無線網絡可以被Floodlight控制器控制。

在Pi_1或Pi_2上，打開Terminal，執行以下命令

curl -X POST -d ‘{“switch”: “00:00:b8:27:eb:71:18:e4”,”name”:”flow-1”,”in_port”:”1”,”active”:”true”,”actions”:”output=1”}’http://10.0.0.2:8080/wm/staticflowpusher/json

得到返回消息“Entry Pushed!”，證明推送流表成功。然后利用Curl工具查看流表，執行以下命令curl -X GET http://10.0.0.2:8080/wm/staticflowpusher/list/all/json確認流表添加成功。

此時，用Host_1 Ping Host_2，發現返回消息為“請求超時！”或“無法訪問目標主機”。證明Host_1與Host_2通訊被阻斷，即證明Floodlight能夠控制當前小型SDN無線網絡。

利用Curl刪除流表flow-1。Host_1 Ping Host_2再次成功。

經過上述過程和驗證，說明Floodlight能夠成功控制當前SDN無線網絡。

四、結論

隨著SDN概念的演進和發展，它在網絡技術領域的潛力受到了科研機構、產業巨頭以及風險投資等各方的高度關注。諸多現象表明，SDN具備巨大的潛在價值。而通過樹莓派、OVS、Ad Hoc等技術，將SDN網絡實現無線化，也是SDN網絡的諸多發展方向之一。因此，研究SDN網絡無線化是具有比較大的意義的。

本設計是通過OVS技術，將樹莓派改造為SDN網絡中的交換機。同時，對于OVS技術和Ad Hoc技術，二者的結合也將碰撞出更多未知的可能。目前本設計確認了同網段主機能夠相互通信，接下來還可以對處于不同VLAN、子網的主機通訊方面進行進一步研究。

由于本設計的成功，確認了小型SDN網絡無線化的可能性，在規模上還未支持中、大型網絡。雖然本設計到此就結束了，但整體的項目遠遠還沒有結束。還有很多需要擴展的地方。例如，本設計只實現了樹莓派之間的無線化，對于主機與樹莓派之間以無線化連接還在進一步探索中。