基于虚拟化技术的软件定义网络实验教学方案

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SSN1006—7167
CN31一l707／’F
第36卷第3期2017年3月
V01．36No．3Mar．2017
基于虚拟化技术的软件定义网络实验教学方案
叶进，冯露葶，何华光，李陶深
(广西大学计算机与电子信息学院，南宁530004)
摘要：提出了采取虚拟仿真实验教学手段进行软件定义网络(SoftwareDefined
Network，SDN)实验教学，给出了具体的实验教学方案。采用网络仿真平台Mininet
构建SDN网络，采用OpenDayLight控制器集中式控制SDN网络。最后以“SDN转
发表控制”实验为例，对提出的SDN实验教学方案进行实验过程展示。在整个实
验的实验过程中，学生只需通过简单的操作就可以完成SDN控制器对整个网络设
备集中化管控与调度。提出的基于虚拟化技术的SDN实验教学方案有助于提高
SDN课程的教学质量和激发学生学习SDN的兴趣。
关键词：计算机网络；软件定义网络；虚拟化；实验教学
中图分类号：TP393文献标志码：A
文章编号：1006—7167(2017)03—0079—04
SDNExperimentalTeachingSchemeBasedonVirtualizationTechnology
YEJin，FENGLuting，HEHuaguang，LITaoshen
(SchoolofComputer，ElectronicsandInformation，GuangxiUniversity，Nanning530004，China)
Abstract：Thepaperbrieflyintroducedtheconcept，characteristicandthedevelopmenttrendofSDN(SoftwareDefined
Network)，andputforwardvirtualsimulationexperimentteachingmeanstoSDNexperimentteaching．TheSDN
experimentteachingschemewasdesignedasfollows：Mininet，anetworksimulationplatform，wasadoptedinsimulating
SDNnetworks，andOpenDayLightcontrollerwasadoptedinthecentralizedcontrolNetwork．Finally，using“SDN
forwardingcontrol”experimentasanexample，thepaperdetailedtheschemeofSDNexperimentteachingbythewhole
experimentalprocess．StudentscanuseSDNcontrollertocarryoutthenetworkofthecentralizedcontrolandscheduling
bythesimpleoperationintheexperiment．TheproposedSDNexperimentteachingschemebasedonvirtualization
technologywashelpfultoimprovetheteachingqualityofSDNandarousethestudents’interestinlearningSDN．
Keywords：computernetwork；softwaredefinednetwork(SDN)；virtualization；experimentteaching
0引言
软件定义网络(SoftwareDefinedNetwork，SDN)作
为一种新型网络创新架构成为近几年来网络技术领域
的热门。国内外众多互联网厂商、通信设备厂商、芯片
厂商、电信运营商都纷纷推出了自己的SDN产品和解
收稿日期：2016-05．26
基金项目：国家自然科学基金项目(61462007)
作者简介：叶进(1970一)，女，江苏泰兴人，博士，教授，现主要从
事网络协议优化方面研究。
Tel．：0771-3237019；E—mail：yejin@gxu．edu．cn
决方案，并进行SDN实际部署。2012年，谷歌宣布通
过在全球数据中心部署SDN将数据中心之间的互联
链路利用率提升至90％以上，标志着SDN正式进入商
用阶段。同时，我国对抢占未来网络领域发展先机也
给予了高度重视，2013年2月23日，国务院正式下发
8号文件，将未来网络试验设施项目列入《国家重大科
技基础设施建设中长期规划(2012—2030年)》。
SDN起源于美国斯坦福大学。2008年，McKeown
等…提出SDN的概念：将传统网络设备的数据平面和
控制平面两个功能模块相分离，通过集中式的控制器
以标准化的接口对各种网络设备进行管理和配置。
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SDN的核心特点就是通过SDN控制器集中式控制网
络，掌握网络设备现有的网络处理能力，对网络流量进
行动态调控分配，提高网络链路和网络资源的利用率。
将SDN引入教学课程是个必然的趋势。同时，在
以往对计算机网络的教学中，特别注重理论教学和实
践教学相结合，通过各种不同的网络实验案例来帮助
学生理解计算机网络的基本概念和算法协议的工作原
理，掌握计算机网络通信和组网的相关操作一圳。所
以，本文提出SDN的实验教学与理论教学并重。
1SDN实验教学方案
虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验
教学的重要手段，是学科专业知识体系与信息技术深
度融合的产物"。“。目前，国内市面上的SDN产品并
不多，同时许多高校实验教学中普遍存在的实验设备
陈旧、实验采购经费短缺等一系列问题，所以提出基于
虚拟化技术进行SDN实验教学。
虚拟化技术是一种对计算机资源进行抽象模拟的
技术，在已有计算机硬件资源的基础上，模拟出虚拟硬
件资源。通过虚拟化技术可以最大限度地屏蔽软硬件
资源的差异性，根据需要灵活分配资源，减少总体成
本¨2|。所以，在SDN教学中，可采用网络仿真平台
Mininet构建SDN网络。Mininet是斯坦福大学的Nick
McKeown教授领导的研究小组基于LinuxContainer架
构，开发出的一套进程虚拟化的网络仿真实验平
台¨3。14J，可以在同一台计算机上模拟一个完整的网络
主机、链接和交换机。同时，在Mininet平台上，除了可
以进行SDN网络实验，还可以进行现有计算机网络教
学实验，是个扩展性强的网络仿真平台。另外，在实验
教学中，为了更好地向学生展示SDN控制器对网络的
控制过程，可以让Mininet平台远程连接SDN控制器，
通过SDN控制器的可视化界面展示SDN控制器对网
络的集中式控制。所以，本文采用的控制器是
OpenDayLight控制器，其可视化界面非常完善，同时也
是一个高可用的、模块化的、兼具规模和功能上的可扩
展性，并支持多协议的控制器基础设施，专为在目前的
多产商异构网络上部署SDN所设计。
综上所述，SDN实验教学方案就是采用网络仿真
平台Mininet构建SDN网络，采用OpenDayLight控制
器集中式控制SDN网络。
2实验教学方案展示
通过“SDN转发表控制”实验对提出的SDN实验
教学方案进行展示。同时，通过该实验，可以让学生明
确SDN控制器对整个网络中的设备进行集中化的管
控与调度，包括链路发现，拓扑管理，策略制定和表项
下发等。
本实验的网络拓扑如图1所示。网络中一共有3
台交换机s。、s：、s，，形成一个网络环路。为了方便测
试网络的连通性，每台交换机上连接一台客户机，分别
为h．、h：、h，。同时，该网络由控制器c0进行远程控
制。
图1实验网络拓扑
(1)创建网络拓扑，远程连接控制器。Mininet使
用Python进行脚本书写。网络拓扑代码如下：
classMyTopo(Topo)：
def—in“一(self)：
#Initialize
topology
Topo．一in“一(self)
#Addhostsandswitches
hI=self．addHost(’hl’)
#Addother
hosts：h2，h3．
Sl=self．addSwitch(’Sl’)
#Addotherswitchs：S2，S3．
#Addlinks
self．addLink(hl，S1)
#Addotherlinks：Sland82，SlandS3，S2andS3，h2and
82，h3andS3．
topos={’mytopo’：(1ambda：MyTopo())l
由此即可创建图l的网络拓扑。Mininet远程连
接SDN控制器OpenDayLight，打开图2所示
OpenDayLight控制器的WebUI可看到，Mininet成功
远程连接OpenDayLight，OpenDayLight控制器获取
Mininet网络拓扑。同时，在WebUI里可以看到，控制
器除了获取网络拓扑、网络节点信息以外，还可以对默
认路由、子网网关等进行配置。
(2)客户机互相通信。在Mininet平台中对网络
执行指令pingall，让客户机互相通信，在图2
OpenDayLight控制器WebUI中的网络拓扑窗口可看
到如图3所示的网络拓扑，控制器发现了网络中的客
户机，进行网络拓扑更新，出现客户机与交换机相连的
链路。
(3)SDN控制器控制转发表。在OpenDayLight
控制器WebUI可以对交换机转发表进行查看，以交
换机S。为例，如图4(a)所示的交换机S。转发表有3
个转发表项，分别是指明目的地址为h，、h：、h，3台客
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图2OpenDayLight控制器WebUI
E衄
图3客户{：『l相互通信后的网络拓扑
户机的转发路径。由图4(a)还可知，发往h．的数据
包是由S，的端HI转发，发往h：的数据包是由端IZl2
转发，发往h，的数据包是由端口3转发。
对此。在OpenDayLight控制器WebUI上对交换
Hod●
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DFl∞∞0(3OO0DOD口E
机S．增加一条转发表项：让交换机S。丢弃发往端口3
的所有数据包。此时，查看交换机S，的转发表，如图4
(b)所示，新增的转发表项已在转发表中。新增加的
转发表项，相当于断开了交换机S．与S，之间的直连链
路，同时，发往客户机h，的数据包均被交换机S．丢
弃。这就导致Mininet平台执行指令pingall让客户机
互相通信时，从图5(a)可知，客户机h。与h，无法进
行通信。因为对SDN网络而言，转发表的下发是由控
制器来完成，交换机已经失去“自学习”的能力，在控
制器未下发新的转发表项时，客户机h，与客户机h，
的通信数据包(经由交换机S．端El3)都会被交换机
S，丢弃。所以，在控制器将新增的转发表项删掉后，
Mininet执行指令pingall，从图5(b)可知，客户机h。与
h，重新恢复通信。
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COuntCountSecondi
nD．02’‘OUTPUT·aF磬●‘蠲
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(a)新增转发表项前
新增转麓曩琐：．LJTpuT：c．#’1
二二：三二二二二二；l三-三-j-誓．二jL—二—-‘·．．二二二．二_．．．二．．_j二‘‘-二‘————二．—‘——__昌：—：土L—二：占‘—盏：‘．．二．．．．‘譬三．．．．—‘．．．．．二．—．．一
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(b)新增转发表项后
图4交换机S，转发表
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(a)客J’·机11．与h；通信失败
图5客户机相互通信结果
通过以上“SDN转发表控制”实验的实验过程可
以看出，学生可以通过网络仿真平台Mininet模拟构建
SDN网络，通过OpenDayLight控制器WebUI进行简
单操作，就可以完成对SDN网络中交换机转发表的控
制。同时，通过本次实验，学生在实际操作过程中，可
以体会SDN的核心思想：传统网络设备的数据平面和
控制平面两个功能模块相分离，由控制器对整个网络
中的设备进行集中化的管控与调度。
3结语
本文提出“Mininet网络仿真实验平台+
OpenDayLight控制器”的SDN技术虚拟仿真实验教学
方案，并以“SDN转发表控制”实验为例，展示了
Mininet平台自定义网络拓扑、灵活组网的功能，以及
OpenDayLight控制器对网络设备的全局控制和管理。
本方案通过轻量级的虚拟化技术，让学生只需很小的
部署开销，就可以在自己的笔记本电脑进行灵活、可拓
展的SDN课程实验，有助于提升SDN课程的教学质
量，激发学生学习SDN的兴趣以及对SDN更进一步
的研究。
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