基于SDN的高校計算機網絡實驗室設計

李月溶 薛濤 薛文生

摘? 要：網絡應用數量的迅猛增長，讓新型網絡創新架構SDN受到各界的廣泛推崇。為了解決許多高校的計算機網絡實驗室還不支持SDN相關實驗，對計算機相關專業學生在SDN的學習、應用和研究方面形成阻礙，不利于學生的系統學習和就業的問題，本文從SDN的理論建設出發，基于OpenFlow標準，搭建基于SDN的計算機網絡創新環境實驗平臺并設計了五種基本網絡連接通信情況，為高校計算機網絡實驗室提供能夠支持SDN相關實驗的低成本可行性設計方案。

關鍵詞：軟件定義網絡;SDN;控制器;OpenFlow

中圖分類號：TP391.1? ? ?文獻標識碼：A

Design and Research of the University Computer

Network Laboratory Based on SDN

LI Yuerong，XUE Tao，XUE Wensheng

（School of Computer Science，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China）

Abstract：With the rapid growth of network applications and huge traffic data，network links are congested，and network management is facing severe challenges.SDN has also been noticeable since its birth.However，at present，many computer network laboratories in universities do not support SDN experiments，which hinders the learning，application and research of SDN for computer-related majors，and is not conducive to students' systematic learning and employment.Based on the OpenFlow standard this paper builds an experimental platform of computer network innovation environment based on SDN，and provides a feasible design scheme to support SDN related experiments for computer network laboratories in colleges and universities.

Keywords：software defined network;SDN;controller;OpenFlow

1? ?引言（Introduction）

隨著大數據時代的到來，網絡應用數量的迅猛增長，用戶對流量的需求不斷擴大，封閉的網絡設備內置了過多的復雜協議，增加了運營商定制優化網絡的難度，科研人員無法在真實環境中大規模部署新協議，一系列問題的激化催生了軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）[1]。SDN是一種新興的網絡體系結構，具有動態性，可管理性，自適應性。該架構解耦了網絡控制和轉發功能，使網絡控制成為可直接編程的，并為應用程序和網絡服務抽象出底層基礎架構。SDN可以實現網絡虛擬化，是一種創新網絡架構，最具鮮明的特色在于具備松耦合的控制平面和數據平面、支持集中化的網絡狀態控制、實現低層網絡實施對上層應用的透明，能夠靈活控制網絡流量，使網絡能最大程度的接近智能化[2]。SDN在數據中心、園區、廣域網中的持續創新，使各廠商之間的博弈也將隨之進入白熱化[3]。然而目前很多高校的計算機網絡實驗室只支持傳統網絡實驗，使學生在學習SDN相關知識時缺乏實際操作，這不僅會增加理論知識的學習難度，也會導致理論知識和實際操作脫節，遇到實際問題無從下手。另外，讓大學生積極參與SDN技術實踐及研究對學生職業規劃發展和我國知識人才儲備有著積極影響。本文介紹了SDN的相關技術和架構，詳細闡述了如何為計算機網絡實驗室搭建SDN網絡實驗環境，為高校在計算機網絡實驗室進行SDN相關實驗提供思路。

2? ?SDN發展背景（SDN development background）

隨著大數據、云計算及相關技術的發展，帶來了服務器應用需求的爆炸式增長，眾多企業也迎來互聯網化、數字化浪潮。虛擬化技術因為能夠解決單一物理服務器承載能力有限的問題而更加引人注目。動態地為用戶分配所需資源，使用戶能夠靈活的進行各種操作是虛擬化技術最重要的特點，但這樣一來也是給網絡資源配置增加了負擔，并且虛擬化技術在最大化服務器使用效率的同時也帶來了性能損耗[4]。另一方面，網絡中充斥著很多互相沒有聯系的網絡協議，這些協議不能對共性問題進行抽象，這樣一來就會為本來繁瑣的傳統網絡增添復雜性，導致網絡變得更加脆弱和難以管理。因此，只有盡可能少的網絡變動才能勉強維持傳統網絡的通暢運轉，無形中給網絡管理員進行網絡管理增添了巨大壓力。

為此，集簡化網絡配置、優化網絡管理、提高網絡效率、平滑升級軟件等各種優點于一身的新型網絡創新架構SDN從誕生之初就備受各界的關注，如今更是受到各界的廣泛推崇。SDN使網絡行為能夠由位于提供物理連接的網絡設備之外的軟件控制。因此，網絡用戶可以定制其網絡的行為以支持新服務。通過將硬件與軟件分離，運營商可以快速地從封閉式和專有平臺的限制中引入創新型和差異化的新服務。從早期的各種開源組織、開源項目、初創公司，到連續四屆的開放網絡峰會。業界巨頭的戰略轉變，SDN的發展越來越壯大。

現下，每當數據中心網絡中基于軟件的服務通過因特網協議（IP）地址訪問時，就會引發動態配置，而SDN就可以很好的對服務器提供的所有主要資源，如計算容量、內存、存儲等進行調控，并且能根據根據負載性能響應做出相對應的調整，能夠提高資源利用率、節省存儲空間和加速網絡運行。SDN通過創建與物理組件執行相同角色的虛擬設備來解決網絡可編程性問題。當給出網絡命令的信道可以與用戶數據交換的信道分開時，編程網絡進行自適應調整變得非常容易，使得諸如超收斂的方法成為可能。

3? ?SDN網絡體系架構（SDN network architecture）

在SDN網絡體系架構中，網絡的控制平面和數據平面相互分離，并通過南向協議進行通信，使得邏輯集中的控制器可以對分布式的數據平面進行編程控制[5]。SDN顛覆了OSI的七層架構，將網絡劃分為轉發層、控制層和協同應用層，在SDN技術上運行的服務和應用程序是從提供網絡控制的物理連接的底層技術和硬件中抽象出來的。應用程序將通過API與網絡交互，而不是與硬件緊密耦合的管理接口。如圖1所示。

協同應用層是實現用戶目的的各種層應用程序集合，統稱為協同層應用程序。對于開發者而言，這一層是開放區域，供開發者進行開發各種創新應用。也為企業和數據中心網絡提供各種端到端的解決方案。需要特別說明的是，轉發平面、控制平面和管理平面并不是SDN獨有的。相比于同樣擁有這三個特質的傳統網絡，SDN能夠對它們進行集中控制，而這一點是傳統網絡無法做到的。控制層是SDN控制器管理網絡的基礎設施，主要負責網絡路徑交換的管理和邊界業務路由的生成，并負責維護不同的網絡信息、拓撲細節。控制器包含大量業務邏輯，維護網絡的全局視圖，應用程序和策略引擎將其視為單個邏輯交換機。轉發層也叫基礎設施層，主要由轉發器和連接器的線路構成基礎轉發網絡，這一層負責執行用戶數據的轉發，轉發過程中所需要的轉發表項是由控制層生成的。

在SDN架構中，SDN剝離了網絡的控制平面與數據平面，通過增加對網絡的可編程性來革新當前偏重靜態、配置復雜、改動麻煩的網絡架構。SDN允許網絡管理員通過動態的自動化SDN程序快速配置、管理、保護和優化網絡資源，他們可以自行編寫代碼，因為程序不依賴于專有軟件。數據平面也不必具體實現各種網絡協議，只需接收控制平面的操作指令并執行即可實現控制功能。SDN還有一個非常大的優點是它通過開放標準實施時簡化了網絡設計和操作，控制器提供的指令代替了多個供應商特定的設備和協議。它不屬于某一家商業公司，而是屬于所有IT企業和一些標準組織，因此SDN的發展也可以打破目前一些網絡巨頭的壟斷并為網絡技術的飛速發展提供動力。

4? SDN南向接口和OpenFlow（SDN south facinginterface and OpenFlow）

在SDN架構中，網絡的控制平面和數據平面相互分離，并通過南向協議進行通信，使邏輯集中的控制器能夠可以對分布式的數據平面進行編程控制[6]。南向接口是為網絡數據平面提供統一開放和具有更多編程能力的接口，控制器可以利用這些接口對數據平面設備進行編程控制和指導網絡流量的轉發。目前OpenFlow是標準化組織ONF唯一確定的控制器南向接口，在SDN發展中舉足輕重[7]。

南向接口對于SDN架構的演進非常重要。在一個真實網絡應用方案中，數據平面的南向接口能力決定了SDN方案用戶編程能力的上限。在南向接口中，應用最多的是OpenFlow協議，大多數SDN設備和控制器都對OpenFlow支持。相比傳統網絡的配置協議，支持OpenFlow的網絡設備給網絡管理員提供了一組更細粒度的可編程API。網絡運維人員通過OpenFlow協議可以自定義網絡設備的轉發行為。但是OpenFlow交換機只是定義了一種通用轉發抽象模型。最理想的SDN數據平面是協議無關的通用可編程網絡處理模型。

傳統的網絡體系結構已經不能適應企業、運營商和網絡端用戶的需求。創新網絡架構SDN已經成為新潮流。在高校計算機網絡實驗室中利用支持OpenFlow協議的OVS搭建SDN實驗環境無疑是最佳選擇。

5? SDN計算機網絡實驗室設計（Design of the SDN?computer network laboratory）

搭建支持SDN實驗的計算機網絡實驗室有助于學生在SDN實際應用場景中的學習，對SDN的理論學習具有指導意義。

5.1? ?利用Mininet搭建OpenFlow環境

Mininet是由一些虛擬的終端節點、交換機、路由器連接而成的一個網絡仿真器，它采用輕量級的虛擬化技術讓系統可以盡可能的接近真實網絡。采用Mininet平臺在計算機網絡實驗室來搭建OpenFlow環境最重要的原因是，在Mininet中得到驗證的代碼程序可以無縫遷移到真實的硬件環境中，因此非常適合教學研究。目前Mininet官方已經對各個版本的OpenFlow協議進行了測試，并把Mininet集成到了支持OpenFlow協議的開源控制器環境中。本文設計平臺中包括：VMware Player上的Mininet虛擬機、作為客戶端的putty、Xming（X-Server），其中putty能夠以圖形化輸出的方式運行程序，便于觀察到圖形化輸出結果。搭建步驟如下：

（1）啟動虛擬機程序中的Mininet虛擬機鏡像并登錄到Mininet虛擬機中。

（2）找到虛擬機的IP地址，建立與Mininet虛擬機的SSH會話，啟動Wireshark作為后臺進程。

（3）在Wireshark中選擇所用的數據包捕獲設備，或者選擇環回的網絡接口，捕獲和OpenFlow相關的流量。

（4）建立好Mininet仿真環境后，用OpenFlow控制器和交換機啟動OpenFlow協議的通信，如果能在Wireshark窗口查看到捕獲的數據包（圖2），則表示利用Mininet搭建OpenFlow環境成功。

5.2? ?OVS構建虛擬網絡

OVS（OpenvSwitch）是一個虛擬交換軟件，開發人員通過代碼編輯能夠控制網絡連接，實現網絡自動化。傳統的路由器基本需要處理所有的網絡路由功能，使用的路由協議也是在硬件中實現，網絡管理人員只能通過改變協議的參數或者主動選擇哪些協議用于路由。和傳統的路由器相比，OVS的結構更加簡單，它只考慮包的轉發，而沒有考慮任何路由規則或者轉發規則，所有的轉發規則由FlowTable定義，而路由功能由外部的controller中部署的應用程序處理并更新FlowTable。OVS模塊管理架構如圖3所示。

從圖3可以看出，OVS可以劃分為三大塊：數據面、控制面和管理面。數據面就是以用戶態的OVS-vswitchd和內核態的datapath為主的轉發模塊，以及與之相關聯的數據庫模塊OVSdb-server，控制面主要是由OVS-ofctl模塊負責，基于OpenFlow協議與數據面進行交互。而管理面則是由OVS提供的各種工具來負責，這些工具的提供也是為了方便用戶對底層各個模塊的控制管理，提高用戶體驗。

高校計算機網絡實驗室應不僅能支持簡單網絡實驗，還應支持各種復雜網絡的實驗以供學生學習研究。由于復雜網絡多種多樣，因此本文抽象出最基本的五種網絡情況，通過這五種模式的組合就可以構建出不同復雜度的網絡，為各種SDN實驗提供支持。

（1）構建物理機和物理機相互連接的網絡，網絡結構如圖4所示。

OVS-br0表示OVS的網橋，eth0和eth1表示主機上的網卡，并且這個主機安裝了OVS，host1、host2則是兩臺物理機。兩個網卡一端和OVS的網橋連接，一端和物理機連接，使物理機之間可以互通。

（2）構建虛擬機與虛擬機相連的網絡，網絡結構如圖5所示。

OVS-br0表示OVS的網橋，VM1和VM2是兩臺虛擬機。兩個虛擬機只要都和OVS網橋相連就可以實現互通。

（3）構建虛擬機與物理機相連的網絡，網絡結構如圖6所示。

虛擬機和物理機之間通過OVS網橋和網卡可實現互通。

（4）構建網橋和網橋相連的網絡，網絡結構如圖7所示。

（5）在不同的主機之間構建網橋之間的連接，構建結果如圖8所示。

主機上都必須裝有OVS網橋和網卡方可實現多臺主機互通。

6? ?結論（Conclusion）

本文從網絡業務需求和商業網絡前景兩個方面闡述了SDN產生的意義，展望了SDN的發展前景，引出高校計算機網絡實驗室需要具備SDN實驗環境的重要性和迫切性。然后詳細闡明了如何利用Mininet搭建OpenFlow環境，為SDN實驗提供能和實際環境無縫對接的虛擬實驗平臺。最后介紹了OVS虛擬交換機的基本結構，并抽象了五種基本網絡連接通信情況，讓學生可以在OVS中利用這五種模型構建復雜網絡進行實驗。這不僅能夠提高大學生的實際動手能力、利用理論和實踐相結合的學習方式，更能培養大學生自主創新思維，加深大學生對SDN和傳統網絡的區分和理解。

參考文獻（References）

[1] 張朝昆，崔勇，吳建平，等.軟件定義網絡（SDN）研究進展[J].軟件學報，2015，26（01）：62-81.

[2] 吳琪，王興偉，黃敏.基于SDN的OpenF-low交換機數據包流水線處理機制[J].計算機科學，2018，45（10）：295-299.

[3] Lorenzo M.Elguea，Felix Martinez-Rios.A New method to optimize BGProutes using SDN and reducing latency[J].Procedia Computer Science，2018，135.

[4] 周燁，李勇，王芳，等.基于OpenFlow的網絡實驗平臺技術[J].清華大學學報（自然科學版），2012，52（11）：1540-1544.

[5] 趙慧玲，馮明，史凡.SDN——未來網絡演進的重要趨勢[J].電信科學，2012，28（11）：1-5.

[6] 路學剛，李迅.軟件定義網絡在央行內聯網絡應用的思考[J].金融科技時代，2017（12）：42-45.

[7] 鄧書華，盧澤斌，羅成程，等.SDN研究簡述[J].計算機應用研究，2014，31（11）：3208-3213.