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淺析軟件定義網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)
面對(duì)日新月異的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)必須不斷的調(diào)整與更新。在近兩年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,出現(xiàn)了較多的問(wèn)題。下面是小編搜集整理的相關(guān)內(nèi)容的論文,歡迎大家閱讀參考。
摘要:圍繞網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的新需求,針對(duì)困擾計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一系列問(wèn)題,探討利用虛擬化技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)框架建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的方法,提出基于單機(jī)模式建立低成本、易擴(kuò)展的一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教改方案,給出參考實(shí)驗(yàn)實(shí)例,展示該平臺(tái)對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的兼容性和開(kāi)展綜合性與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的潛力。 關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程;實(shí)驗(yàn)教學(xué);軟件定義網(wǎng)絡(luò);OpenFlow
一、背景
1.1近年來(lái),虛擬化技術(shù)和云計(jì)算興起,云數(shù)據(jù)中心、多租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)等新的應(yīng)用場(chǎng)景推動(dòng)了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與管理模式的進(jìn)步,軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SoftwareDefinedNetworking,SDN)及其重要技術(shù)OpenFlow作為創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注熱點(diǎn),不少大學(xué)建立了SDN/OpenFlow試驗(yàn)網(wǎng),開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的創(chuàng)新研究與探索。從2008年美國(guó)斯坦福大學(xué)NickMcKeown教授領(lǐng)導(dǎo)的Ethane團(tuán)隊(duì)(Cleanslate計(jì)劃)首次提出OpenFlow協(xié)議原型[1],到2012年ONF發(fā)布SDN白皮書(shū)[2]1-12,SDN及OpenFlow完成了從試驗(yàn)平臺(tái)向業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)部署的跨越,SDN/OpenFlow解決方案已在谷歌等云計(jì)算數(shù)據(jù)中心內(nèi)部骨干網(wǎng)上發(fā)揮了令人矚目的作用[3],國(guó)內(nèi)外主流網(wǎng)絡(luò)廠商推出了多種SDN/OpenFlow交換機(jī)[4],SDN和OpenFlow技術(shù)的發(fā)展給網(wǎng)絡(luò)人才的專(zhuān)業(yè)需求注入了新的內(nèi)容,也給計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革指出了新的研究方向。
1.2目前網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)更新周期普遍較短,無(wú)論是采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),還是專(zhuān)用的課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),大多面臨擴(kuò)展和更新的要求,實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主,缺乏設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn),實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱。針對(duì)這些困擾實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問(wèn)題,已有不少實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的努力成果[5-7]。從目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案來(lái)看,多數(shù)仍依賴(lài)普通網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真與協(xié)議分析軟件,尚不足以完全解決上述問(wèn)題。
1.3為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的新需求,提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐動(dòng)手能力,給計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)提供低成本、易擴(kuò)展、一體化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),擴(kuò)展和深化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,有必要在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中引入SDN架構(gòu)和虛擬化技術(shù)。圍繞SDN和OpenFlow有很多開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)源項(xiàng)目,涵蓋了多種SDN系統(tǒng)構(gòu)件,包括OpenFlow軟件交換機(jī)、SDN控制器、業(yè)務(wù)流程工具、網(wǎng)絡(luò)虛擬化工具、仿真和測(cè)試工具等,豐富的開(kāi)源資源為建立新型網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了實(shí)現(xiàn)的可能.
二、SDN體系的主要組成
2.1SDN的概念與原理體系架構(gòu)
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的控制平面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備緊密耦合的,SDN的思想是將控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分離,把網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜性集中到控制平面,SDN控制軟件通過(guò)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的南向接口(如OpenFlow協(xié)議)控制數(shù)據(jù)平面,通過(guò)可編程的北向接口(開(kāi)放的API)為應(yīng)用層業(yè)務(wù)定制所需的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。SDN架構(gòu)能夠提供網(wǎng)絡(luò)抽象層面上的集中控制能力和網(wǎng)絡(luò)虛擬層面上的資源配置能力,使網(wǎng)絡(luò)虛擬化與計(jì)算虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化聯(lián)系一起,有力支持云計(jì)算服務(wù)的發(fā)展。
2.2SDN控制器
SDN控制器(SDN控制軟件)的功能相當(dāng)于SDN的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),向下提供對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的配置、控制和管理功能,向上為應(yīng)用業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)編程接口。SDN控制器在邏輯上是集中的,在物理上可以是分布式的。
2.3OpenFlow交換機(jī)
OpenFlow交換機(jī)是SDN數(shù)據(jù)平面的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,它按照流表(flowtable)的設(shè)置進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。流表由控制器通過(guò)安全通道配置,決定OpenFlow交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)行為。流表項(xiàng)包括跨多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次的匹配字段和轉(zhuǎn)發(fā)行為。OpenFlow交換機(jī)的協(xié)議工作層次可以根據(jù)組網(wǎng)需要進(jìn)行配置,可實(shí)現(xiàn)二層交換機(jī)、路由器和其他高層協(xié)議及策略的轉(zhuǎn)發(fā)功能。OpenFlow交換機(jī)有硬件形態(tài)和軟件形態(tài)兩種形式,硬件OpenFlow交換機(jī)適用于生產(chǎn)型網(wǎng)絡(luò)的組建,軟件交換機(jī)多用于搭建研究和測(cè)試平臺(tái)。由于軟件交換機(jī)成本低、配置靈活,對(duì)OpenFlow規(guī)范版本的更新及時(shí),適合在高校的科研教學(xué)環(huán)境中使用。對(duì)于教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),建議采用可運(yùn)行在虛擬機(jī)上的軟件交換機(jī)OpenvSwitch。
三、基于SDN和OpenFlow的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方案
3.1校園環(huán)境SDN的組網(wǎng)方式
校園環(huán)境中的SDN有不同的規(guī)模及組網(wǎng)方式,選擇哪種取決于其在科研和教學(xué)活動(dòng)中的目標(biāo)定位,可以將其分為園區(qū)模式、實(shí)驗(yàn)室模式和單機(jī)模式。園區(qū)模式基于校園網(wǎng)主干和硬件OpenFlow網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,用戶(hù)可利用SDN和OpenFlow提供的網(wǎng)絡(luò)虛擬化及邏輯隔離能力,在不影響校園網(wǎng)承載的正常業(yè)務(wù)的情況下,進(jìn)行大規(guī)模的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目研究和試驗(yàn),從而能夠在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)流量背景下,對(duì)新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、新型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)等研究項(xiàng)目展開(kāi)測(cè)試、評(píng)估和部署。實(shí)驗(yàn)室模式的OpenFlow交換機(jī)可利用多網(wǎng)卡服務(wù)器實(shí)現(xiàn),具體有兩種途徑:一種是在服務(wù)器上安裝NetFPGA板卡和OpenFlow軟件;另一種直接在服務(wù)器上安裝OpenvSwitch軟件,實(shí)現(xiàn)OpenFlow軟交換機(jī)。創(chuàng)新型研發(fā)工作可采用前者,教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以采用后者。單機(jī)模式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用虛擬機(jī)技術(shù)和SDN仿真軟件搭建。Mininet是斯坦福大學(xué)Ethane研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的SDN/OpenFlow網(wǎng)絡(luò)仿真工具。不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件,Mininet還是一個(gè)快捷的原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具,它集成了OpenvSwitch軟件交換機(jī),能運(yùn)行實(shí)際網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和原汁原味的代碼。在Mininet仿真平臺(tái)上可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)新功能的開(kāi)發(fā)測(cè)試,然后再遷移到實(shí)際的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)上。Mininet仿真的虛擬網(wǎng)絡(luò)還可以與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)連通。實(shí)驗(yàn)室模式和單機(jī)模式的SDN環(huán)境都可以作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建方案,前者更接近真實(shí)網(wǎng)絡(luò),但是組網(wǎng)需要更多計(jì)算機(jī)(每一個(gè)主機(jī)或交換機(jī)節(jié)點(diǎn)都需要一臺(tái)物理主機(jī)),而Mininet能夠在一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)上仿真整個(gè)OpenFlow網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性及其拓?fù)湓O(shè)計(jì)的靈活性更好,因而更適合課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。
3.2基于Mininet的單機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建方案
Mininet是基于Linux內(nèi)核虛擬化技術(shù)開(kāi)發(fā)的輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(tái),它提供了仿真SDN網(wǎng)絡(luò)的所有構(gòu)件:OpenFlow交換機(jī)、SDN控制器、虛擬主機(jī)節(jié)點(diǎn)。Mininet虛擬機(jī)鏡像中還預(yù)裝了常用的協(xié)議分析工具Wireshark,能夠在獨(dú)立的圖形化界面中分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流量,可作為搭建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的一個(gè)一體化解決方案。給出了Mininet單機(jī)環(huán)境的構(gòu)成。由于每臺(tái)主機(jī)都能構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立和完備的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),完全可以按照通用PC機(jī)房的模式建設(shè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室,其在容量和擴(kuò)展性上的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。實(shí)際上,部分學(xué)生的個(gè)人計(jì)算機(jī)已經(jīng)安裝了虛擬機(jī)系統(tǒng),搭建個(gè)人Mininet實(shí)驗(yàn)環(huán)境可謂簡(jiǎn)便易行,作為集中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的補(bǔ)充,不僅能夠解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足的問(wèn)題,還能進(jìn)一步開(kāi)展課外自主實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新探索活動(dòng)。
四、Mininet單機(jī)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)
由于采用了虛擬機(jī)技術(shù),教學(xué)時(shí)能夠在Mininet平臺(tái)使用流行操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試命令和協(xié)議分析工具,對(duì)仿真網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試,還可以通過(guò)圖形化交互窗口進(jìn)行管理,保證了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在Mininet環(huán)境中的無(wú)縫銜接,這是Mininet優(yōu)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件(如NS2、OpenNet)的地方。Mininet提供預(yù)定義的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(最小化拓?fù)洹?shù)型、星型等),支持用戶(hù)編寫(xiě)腳本自定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù),還能通過(guò)API開(kāi)發(fā)新型網(wǎng)絡(luò)功能。因此,在該平臺(tái)上安排教學(xué)實(shí)驗(yàn)有很大的設(shè)計(jì)空間,給出了綜合性與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的參考實(shí)例。通過(guò)所示的綜合性實(shí)驗(yàn),學(xué)生既能觀察交換機(jī)外部行為,又能深入學(xué)習(xí)內(nèi)部工作原理及算法實(shí)現(xiàn);設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有助于提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力,建立對(duì)網(wǎng)絡(luò)對(duì)象的系統(tǒng)級(jí)認(rèn)知。從實(shí)例中看到,驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)均能夠利用常用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試命令和協(xié)議分析工具完成。使用Mininet實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要掌握虛擬機(jī)技術(shù)和多種自由軟件安裝配置,綜合性實(shí)驗(yàn)需要學(xué)習(xí)Mininet的常用命令,設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生掌握Python腳本語(yǔ)言的編程,實(shí)施中需要增加實(shí)驗(yàn)環(huán)境維護(hù)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程指導(dǎo)的工作量,具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃可以根據(jù)專(zhuān)業(yè)定位、學(xué)時(shí)限定和培養(yǎng)目標(biāo)來(lái)規(guī)劃。
五、結(jié)語(yǔ)
SDN框架和虛擬化技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向,在此基礎(chǔ)上搭建的Mininet實(shí)驗(yàn)環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立和完備的一體化網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),能夠解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的諸多問(wèn)題。參考實(shí)驗(yàn)實(shí)例說(shuō)明了該平臺(tái)對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的兼容性以及靈活規(guī)劃綜合性與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的潛力。以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)改革方案,能夠?yàn)閷W(xué)生開(kāi)拓更大的自主學(xué)習(xí)與實(shí)踐探索的空間,使課程教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展接軌,充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)在創(chuàng)新人才培養(yǎng)過(guò)程中應(yīng)有的支撐作用。
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