基于軟件定義網絡的計算機網絡課程實驗教學研究

羅奇 肖瑤星 楊輝

摘要：伴隨著網絡新技術發展速度的加快，社會發展過程中對于人才的需要也在發生著變化。而從現實的角度來講，計算機網絡課程實驗教學雖然在新時期已經做出了一定的改變，但是，其中依然存在諸多不可忽視的問題。而在此過程中，要想全面提升計算機網絡課程實踐教學的整體質量，合理應用軟件定義網絡必不可少。本次研究中，文章就針對軟件定義網絡體系的主要組成部分以及在軟件定義網絡大環境下開展計算機網絡課程實驗教學的策略兩個方面出發進行了具體的探討和研究。

關鍵詞：軟件定義網絡;計算機網絡課程;實驗教學;研究

中圖分類號： TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）16-0130-02

最近幾年，云計算技術和虛擬化技術在人們生活和工作中的應用越來越普遍，而在此過程中，為了使所培養的人才能夠更好地適應人才發展的需要，促進學生實踐動手能力和自主學習能力的提升，計算機網絡課程實驗教學也需要做出相應的改變。院校方面需要為學生建立具有較強擴展性、使用成本較低、具有一體化特點的網絡實驗課程教學平臺。在此基礎上，為學生設置更多能夠滿足學生未來發展需要的開源項目，全面提升計算機網絡課程實驗教學的質量，為學生未來的更好發展打下良好的基礎。

1 軟件定義網絡體系的主要組成部分

1.1 支撐軟件定義網絡體系的原理與概念

以往，在計算機網絡中，網絡設備是連接數據轉發平面和控制平面的最重要載體，而軟件定義網絡的基本理念則在于實現數據轉發平面與控制平面的相互獨立，借由控制平面來體現網絡協議的復雜性，軟件定義網絡數據控制平面均包含南向接口，具備較強的標準性和開放性，在此基礎上，借助北向接口來實現編程，其主要目的在于服務應用層的業務定制。

軟件定義網絡架構在虛擬層面上能夠實現計算機網絡資源配置能力的提升，在抽象層面上能夠實現計算機網絡集中控制能力的提升，在此基礎上，真正將存儲虛擬化、計算機虛擬化、網絡虛擬化有機地結合到一起，為云計算服務的高質量落實打下良好的基礎，提供充足的支持。具體如圖1所示。

1.2 支撐軟件定義網絡體系運行的控制器

軟件定義網絡的控制器與軟件定義網絡的操作系統有著相似的作用，從向下的角度來講，在數據轉發過程中，能夠實現對過程的管理、控制和資源配置[1]。從向上的角度來講，能夠為網絡編程活動的開展提供接口。從邏輯的角度來講，軟件定義網絡控制器具有較強的集中性特點，而從物理的角度來講，分布式是其最主要的特點。

1.3 支撐軟件定義網絡體系運行的交換機

支持軟件定義網絡數據平面的最重要載體就是網絡設備，而其中，OpenFlow交換機是必不可少的一個主要組成部分，設備在執行轉發任務的過程中主要的依據是flow table。flow table在實際的控制過程中要保證通道安全，安全性是判斷交換機是否可以執行轉發命令的重要標準。flow table在工作的過程中無論是進行轉發，還是進行字段匹配，都需要跨越多個網絡協議[2]。OpenFlow交換機在落實協議工作的過程中，其配置需要充分考慮組網需要，不僅能夠實現常規的路由器轉發以及二級交換機的轉發，在此基礎上，在其他高層協議的轉發方面也有著十分重要的作用。

OpenFlow交換機有兩種形態，一種是軟件形態，一種是硬件形態。其中，硬件形態的OpenFlow交換機非常適合組建生產型網絡，軟件形態的OpenFlow交換機則更適合測試平臺和研究平臺的搭建。由于OpenFlow交換機自身具有交換成本低、配置靈活度高的特點，因此，使用單位能夠及時更新版本，在高校科研環境中具有極高的應用價值。而在教學實驗平臺的建立方面，OpenSwitch交換機具有更加廣泛的應用范圍。

2 在軟件定義網絡大環境下開展計算機網絡課程實驗教學的策略

2.1 校園環境場域下軟件定義網絡組網的策略

校園環境場域下，軟件定義網絡無論是在組網方式方面還是在規模方面都存在較大的差異，其具體的選擇需要考慮到教學活動的開展目標以及科研活動的開展目標，在此基礎上，根據不同的使用需要可以將其劃分為不同的模式，科研園區內部可選擇園區模式，學生獨立實踐可選擇單機模式，實驗室內部可選擇實驗室模式。

在園區模式中，其主要依托的設備為OpenFlow硬件網絡設備以及校園網的主干，用戶在實際使用的過程中可以借助OpenFlow以及軟件定義網絡自身強大的邏輯隔離能力和網絡虛擬化能力，在校園網正常業務受影響的前提下，開展較大規模的創新網絡試驗活動和創新網絡項目研究活動，在此基礎上，最大限度地保證網絡流量背景的真實性，做好新型網絡業務和新型網絡協議的部署工作、評估工作以及測試工作。

在單機模式中，其使用平臺的建立主要依托軟件定義網絡仿真軟件的搭建以及現階段十分流行的虛擬機技術。迷你網最早由斯坦福大學研究團隊開發，是現階段應用十分廣泛的一種網絡仿真工具[3]。和傳統的網絡模擬軟件存在較大的差異，迷你網還能用于原型系統的快捷開發，它能運行原汁原味的代碼以及實際的網絡協議棧。在迷你網仿真平臺上，還可以開發測試網絡新功能，開發測試通過后，再將相關功能遷移到現實的目標網絡中。與此同時，實際網絡與虛擬網絡還能最大限度的實現連通。

在實驗室模式中，OpenFlow對于網卡服務器沒有特定要求，可通過兩種方式來實現，第一種是將OpenFlow軟件以及NetFPGA安裝在服務器上。第二種是將OpenvSwitch軟件安裝在服務器上，在此基礎上，建立模擬的OpenFlow軟交換機。在創新型研發工作的開展過程中，前者是最好的選擇，而在搭建教學實驗平臺的過程中，后者的應用最為普遍。

軟件定義網絡環境中，無論是單機模式還是實驗室模式都可以支撐教學實驗平臺的構建，而相比之下，實驗室模式與真實網絡環境的運行原理更加接近，但是，組網需要多臺計算機協同工作，而迷你網只在單一計算機上即可實現對整個OpenFlow網絡的模擬，具有更高的可擴展性，因此，在課程教學實驗領域中的應用十分普遍。

2.2 以迷你網絡為基礎的構建單機實驗環境的策略

迷你網屬于輕量級網絡虛擬化平臺的一種，它主要基于Linux內核虛擬化技術開發，在實際應用的過程中，能夠對軟件定義網絡大背景下所需要的所有組件進行仿真，包括虛擬主機節點、軟件定義網絡控制器、OpenFlow交換機都能夠實現仿真[4]。除此之外，系統還在迷你網虛擬機鏡像中進行了Wireshark工具的預裝，這是現實中十分常用的一種協議分析工具，能夠實現網絡協議流量的獨立分析，進而以圖形化界面為單位進行網絡協議流量的分析，在搭建網絡實驗環境的過程中，這種方式具有較強的一體化特征。

從現實的角度來講，我們可以將每臺主機都看作是一個具備較強完備性和獨立性的網絡實驗平臺，在基礎上，在網絡實驗室的建設過程中可以完全依照PC機房的制式來進行操作，無論是在擴展性方面還是在容量方面都具有十分明顯的優勢。事實上，現階段很多學生使用的個人計算機就已經進行了虛擬機系統的安裝，因此，在迷你網實驗環境的搭建過程中也更容易操作，在集中實驗環節之外，可以進行有效補充，在此基礎上，有效解決實驗課時有限和實驗設備不足的問題，鼓勵學生在課外進行創新探索以及自主實驗。

2.3 在迷你網大環境下進行單機網絡實驗的具體策略

要想將虛擬機技術引入到實際教學中，使虛擬機技術能夠充分發揮自身對實驗教學活動的推動作用，在實際教學活動的開展過程中，無論是現階段比較流行的協議分析工具還是操作系統的網絡測試命令，都能夠在迷你網平臺上實現，與此同時，迷你網還能夠用于測試仿真網絡，實現對圖形化交互窗口的高質量管理，能夠有效地將迷你網網絡環境中的實驗內容與傳統網絡的實驗內容無縫地連接到一起，這也是相比于傳統網絡仿真軟件來說，迷你網最明顯的優勢。迷你網能夠提供多種網絡拓撲結構的預定義，用戶在實際操作的過程中能夠通過腳本編寫的方式實現自定義的網絡拓撲，與此同時，在新型網絡功能的開發過程中API也能發揮十分重要的作用[5]。因此，在這一平臺上進行教學實驗的安排具有十分廣闊的空間。相比于傳統的教學方式，決定可以充分發揮自己的想象力進行自主探究，而不需要再揣摩教師的教學思路，被限制在教師的教學思路之內進行探索，因此，更有利于學生實踐創新能力和實踐探索能力的培養，在此基礎上，使學生能夠更好地適應未來社會的發展需要，成長為具有較強專業素養的人才。

從綜合性實驗教學活動的開展情況來看，通過在迷你網大環境下進行單機網絡實驗的教學，學生可以對交換機的運作原理進行觀察，與此同時，還能認真分析交換機的外部行為，明確交換機的運作方式以及計算方式。學生在自主設計實驗的過程中，自身的實踐動手能力也能得到相應的提升，在此基礎上，對網絡對象的系統級能夠產生更加深入的認知。從實際操作中我們可以發現這樣一個問題，對實驗細節進行驗證也可以借助協議分析工具以及網絡測試命令來實現。

在迷你網的實驗環境下，可以實現多重軟件的自由安裝配置，與此同時，對于虛擬機技術的相關問題也能夠有更加深刻的掌握。學生在進行綜合性實驗活動過程中，要熟練掌握迷你網的常用命令，與此同時，學生在設計實驗的過程中，需要能夠編寫Python腳本語言。而在此過程中，教師需要做好針對學生實驗過程的指導工作，引導學生進行實驗環境的維護，在教學計劃的制定過程中，教師也需要考慮到學生學時的問題，另一方面需要考慮到學生專業定位的問題，在此基礎上，為學生制定合理的培養目標。

3 結語

綜上所述，虛擬化技術以及軟件定義網絡是現階段網絡技術發展的重要趨勢，在此基礎上，通過迷你網絡實驗環境的搭建，不僅能夠實現網絡實驗平臺的獨立化，與此同時，還能真正實現網絡實驗平臺的一體化，針對現階段計算機課程網絡實驗教學活動開展過程中存在的諸多問題也能夠給出十分明確的解決方案。從參考實例的角度來講，這一平臺不僅對傳統實驗具有較強的兼容性，與此同時，自身在進行活動規劃的過程中還具有較強的靈活性，能夠為課程教學提供強有力的支撐。

參考文獻：

[1]康梅娟.“互聯網+”背景下計算機網絡課程教學改革[J].教育現代化，2019，6（96）：132-133，136.

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[3]常燕.基于MOOC的計算機硬件課程實驗教學研究[J].科技資訊，2019，17（33）：134-135.

[4]袁藝，聶秀山.“以本為本”形勢下計算機網絡課程教學改革探討與展望[J].教育教學論壇，2019（46）：267-268.

[5]周既松，蘇代玉，陳蓮.發揮“雙因素”作用提高學生參與度? 促進計算機網絡實踐教學改革[J].科技資訊，2019，17（31）：146，148.

【通聯編輯：唐一東】