基于云計(jì)算的軟件定義網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

邢如意

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 徐州財(cái)經(jīng)分院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking,簡稱SDN）在近幾年來逐漸成為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的熱門。運(yùn)用軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造或設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的智能化控制，為核心網(wǎng)絡(luò)管理及應(yīng)用創(chuàng)新提供了新平臺(tái)。SDN技術(shù)還能有效降低設(shè)備負(fù)載和運(yùn)營成本，極大推動(dòng)下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。對于高校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)專業(yè)而言，將SDN技術(shù)引入課程教學(xué)是必然趨勢[1]，結(jié)合已有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，研究軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)和虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)，培養(yǎng)面向未來網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新型優(yōu)秀人才具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization,簡稱NFV）技術(shù)的綜合運(yùn)用。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)分離專用硬件、在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備上通過軟件方式模擬網(wǎng)絡(luò)功能。NFV技術(shù)本質(zhì)為虛擬化，在此之上開發(fā)具有特定功能的軟件功，如NAT、負(fù)載均衡、路由等，實(shí)現(xiàn)硬軟件功能解耦。SDN與NFV技術(shù)兩者實(shí)現(xiàn)互相彌補(bǔ)、互相促進(jìn)。

本文提出以云計(jì)算平臺(tái)OpenStack作為底層基礎(chǔ)設(shè)施，在其之上搭建以O(shè)penDayLight、OVS等SDN軟件為組合的在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述。

1 本文工作

由于軟件定義網(wǎng)絡(luò)專用交換機(jī)設(shè)備昂貴，難以大規(guī)模部署用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)采用模擬仿真方式進(jìn)行。當(dāng)前業(yè)界已經(jīng)分別有面向軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中控制平面和數(shù)據(jù)平面的多個(gè)開源項(xiàng)目，例如開源控制器軟件有OpenDayLight、Ryu、Floodlight，開源虛擬交換機(jī)軟件有OpenVSwitch、Linux Bridge，開源路由軟件有Quagga，BIRD。另外還有輕量級(jí)仿真平臺(tái)―Mininet、面向運(yùn)營商的軟件定義網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)―ONOS。

在已有面向仿真平臺(tái)建設(shè)方案研究中，WANG S Y等[2]提出了基于EstiNet構(gòu)建仿真平臺(tái)，何榮希等[3]、黃家瑋等[4]、李月溶等[5]提出了在VMWare虛擬機(jī)上搭建基于Mininet的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，魏亮等[6]提出了在利用SDN技術(shù)的基礎(chǔ)上引入了NFV、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)編排等創(chuàng)新技術(shù)，自主設(shè)計(jì)開發(fā)了基于SDN/NFV的未來網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。申海杰等[7]提出了基于Mininet為仿真平臺(tái)、Floodlight為控制器、OpenVirteX為網(wǎng)絡(luò)虛擬化層設(shè)計(jì)多租戶的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。張棟等[8]提出了基于Mininet+OVS+OpenDayLight組合開展實(shí)驗(yàn)，并自行設(shè)計(jì)開發(fā)了可自動(dòng)化評測的SDN仿真平臺(tái)。綜上研究可以看出，SDN實(shí)驗(yàn)環(huán)境基本上以Mininet為基礎(chǔ)，結(jié)合開源控制器OpenDayLight等進(jìn)行搭建，實(shí)驗(yàn)中使用Wireshark進(jìn)行抓包分析OpenFlow協(xié)議，底層虛擬化環(huán)境使用VMWare虛擬機(jī)。

本文提出以云計(jì)算平臺(tái)為底層基礎(chǔ)構(gòu)建軟件定義網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，底層采用OpenStack作為基礎(chǔ)設(shè)施，采用Mininet、OpenDayLight、Open vSwitch等開源框架搭建實(shí)驗(yàn)服務(wù)層，使用Spring開源框架和Beetl模板技術(shù)開發(fā)web層。平臺(tái)基于B/S架構(gòu)，教師和學(xué)生通過瀏覽器可直接使用，平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)環(huán)境的云端存儲(chǔ)、使用YAML描述實(shí)驗(yàn)環(huán)境模板、支持同一實(shí)驗(yàn)包含多臺(tái)虛擬機(jī)、學(xué)生之生實(shí)驗(yàn)環(huán)境隔離等功能。平臺(tái)支持多用戶同時(shí)訪問，教師可靈活定制實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹梢詫DN控制器與交換機(jī)的靈活組合。

2 平臺(tái)架構(gòu)

面向SDN的控制層已經(jīng)有較為成熟的開源框架，如OpenDayLight，Ryu等，在數(shù)據(jù)平面有Open vSwitch。當(dāng)前面向SDN的實(shí)驗(yàn)仿真中絕大多數(shù)場景都采用以上開源框架。

本文所述基于云計(jì)算的SDN實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，選擇OpenStack作為底層基礎(chǔ)設(shè)施，在OpenStack平臺(tái)上使用開源SDN框架等搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使用Java Spring技術(shù)開發(fā)面向?qū)W生和教師的在線實(shí)驗(yàn)?zāi)K中間件，使用Beetl模板開發(fā)操作界面，使用noVNC/webssh技術(shù)實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程虛擬機(jī)在線操作。平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)

平臺(tái)在架構(gòu)上可以分為三層：基礎(chǔ)設(shè)施層、服務(wù)層和應(yīng)用層。

基礎(chǔ)設(shè)施層以云計(jì)算平臺(tái)OpenStack為支撐，進(jìn)行底層網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源、計(jì)算資源調(diào)度和管理。

中間服務(wù)層則是在OpenStack基礎(chǔ)上搭建以Mininet、OpenDayLight、Open vSwitch為組合的實(shí)驗(yàn)服務(wù)環(huán)境。這些服務(wù)環(huán)境可以采用Qemu虛擬機(jī)或Docker容器方式運(yùn)行。

應(yīng)用層是面向?qū)W生和教師提供統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作和管理入口，具體功能為面向教師提供實(shí)驗(yàn)?zāi)０骞芾怼⒚嫦驅(qū)W生提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境操作界面。

3 平臺(tái)應(yīng)用分析

平臺(tái)使用時(shí)首先由教師創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹瑢?shí)驗(yàn)?zāi)０逯邪▽?shí)驗(yàn)用到的硬軟件配置和連接拓?fù)洹Ｓ布ㄒ褂玫奶摂M機(jī)數(shù)量及配置，軟件包括使用的SDN控制器和交換機(jī)開源軟件。連接拓?fù)鋭t是PC與交換機(jī)、交換機(jī)與控制器之間的連接狀態(tài)。圖2展示了YAML格式描述的實(shí)驗(yàn)?zāi)０迮渲梦募?/p>

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)０錣AML 配置文件

學(xué)生登錄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，可以看到實(shí)驗(yàn)列表，點(diǎn)擊某個(gè)實(shí)驗(yàn)標(biāo)題后可看到實(shí)驗(yàn)文檔、實(shí)驗(yàn)虛擬主機(jī)列表及主機(jī)下的相關(guān)SDN開源軟件，點(diǎn)擊虛擬機(jī)圖標(biāo)或SDN軟件圖標(biāo)后將彈出新窗口顯示目標(biāo)主機(jī)SSH界面。圖3展示了學(xué)生進(jìn)入的主界面及虛擬機(jī)操作界面。

圖3 學(xué)生操作界面

平臺(tái)在測試應(yīng)用中使用單臺(tái)物理機(jī)部署，硬件配置如表1所示。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括Mininet基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、Open vSwitch實(shí)驗(yàn)、OpenDayLight實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中使用的虛擬機(jī)包括3到6臺(tái)，以30人班級(jí)進(jìn)行開展教學(xué)，依靠OpenStack強(qiáng)大的底層支持，測試硬件能夠支撐實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用，保障實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。平臺(tái)使用用過程中在易用性、實(shí)用性、便捷性和性能上獲得了教師和學(xué)生的一致好評。

表1 服務(wù)器配置

4 結(jié)語

隨著OpenStack的版本更新迭代，OpenStack已成為構(gòu)建私有云的首選。本文所述平臺(tái)是基于OpenStack搭建軟件定義網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真平臺(tái)，為軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建提出了新思路。隨著容器技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，未來可以研究以容器為底層架構(gòu)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，從而構(gòu)建輕量化的軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。