基于Mininet模擬環(huán)境的軟件定義網(wǎng)絡(luò)實驗課程設(shè)計

摘 要：為深化研究生課程教學(xué)改革，針對軟件定義網(wǎng)絡(luò)實驗課程存在的實驗科目匱乏、硬件實驗環(huán)境尚難規(guī)模化部署和靈活性不足、學(xué)生上手難度大等問題，依據(jù)體現(xiàn)最新研究進展、增強差異對比實驗、設(shè)計模塊化實驗科目等建設(shè)思路，闡述如何基于Mininet軟件模擬環(huán)境配合POX、Kinetic、Pyretic等控制器開設(shè)SDN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建、SDN網(wǎng)絡(luò)特定拓撲繪制、網(wǎng)絡(luò)分割、防火墻編寫等實驗科目，最后說明取得的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò)：Mininet； OpenFlow； POX；實驗課程設(shè)計

引 言

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Sofiware Defined Network，SDN）是一種基于可編程網(wǎng)絡(luò)的新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，本質(zhì)上具有“控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離”“設(shè)備資源虛擬化”和“通用硬件及軟件可編程”三大特性，可實現(xiàn)全網(wǎng)流量行為的靈活控制，為核心網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用的創(chuàng)新提供了良好的平臺，SDN被普遍認為是IT界的第二次革命。

1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)實驗課程設(shè)計面臨的問題

1） SDN屬于新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，實驗科目比較匱乏。

SDN從2012年成為研究熱點，業(yè)界和學(xué)術(shù)界已開發(fā)和提出一些SDN網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備與搭建方案，也有一些介紹SDN相關(guān)技術(shù)的書籍（如《軟件定義網(wǎng)絡(luò)：SDN與OpenFlow解析》《深度解析SDN：利益、戰(zhàn)略、技術(shù)、實踐》《SDN核心技術(shù)剖析和實戰(zhàn)指南》等）面世，但高校很少開設(shè)軟件定義網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程，實驗科目更是不多，在這種情況下，缺乏可借鑒的教學(xué)成果，增加了軟件定義網(wǎng)絡(luò)實驗課程設(shè)計的難度。

2）硬件交換設(shè)備較貴，難以大規(guī)模部署用于實驗教學(xué)。

作為SDN網(wǎng)絡(luò)的主要南向通道協(xié)議，OpenFlow協(xié)議尚在更新發(fā)展之中。購買支持OpenFlow協(xié)議的硬件交換設(shè)備搭建環(huán)境，雖然環(huán)境真實，但OpenFlow協(xié)議更新較快，大概每半年就會更新一版，如果隨之更新硬件設(shè)備，會需要消耗大量經(jīng)費，目前條件下尚難以用于大規(guī)模實驗教學(xué)。

3）硬件實驗環(huán)境的靈活性不足。

大部分SDN網(wǎng)絡(luò)硬件交換設(shè)備所實現(xiàn)的OpenFlow版本是1.0，而對于1.1、1.2、1.3和1.4版本的實現(xiàn)則較少，另外，滿足1.3版本所要求的安全傳輸層協(xié)議（TLS）支持則更少，因此采用其所搭建起來的SDN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不夠完整。另外，在硬件實驗環(huán)境下，學(xué)生做特定網(wǎng)絡(luò)拓撲繪制、網(wǎng)絡(luò)分割等實驗時不夠靈活，需要分批次開展實驗，且實驗環(huán)境構(gòu)建與切換較為復(fù)雜，影響實驗教學(xué)的效果。

4）學(xué)生上手難度較大。

SDN本身就是新興技術(shù)，另外，在實現(xiàn)各類SDN技術(shù)時，用到了大量不同的編程語言（如Java、Python、C++等），存在不同的控制器實現(xiàn)（如POX、Kinetic、Pyretic等），需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析、虛擬機操作等相關(guān)基礎(chǔ)知識，因此，對于初學(xué)者而言，難度太大，不易上手，很多時間花在環(huán)境搭建和基礎(chǔ)知識更新學(xué)習(xí)上，不但會讓學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，而且不能起到很好的教學(xué)效果。

2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)實驗科目設(shè)計思路和方法

從SDN、OpenFlow等公開文檔與資料中搜集適合用于SDN實驗科目的素材，借鑒已有教學(xué)成果，軟件定義網(wǎng)絡(luò)實驗科目設(shè)計的總體思路為體現(xiàn)最新研究進展、增強差異對比實驗和設(shè)計模塊化實驗科目。

1）體現(xiàn)SDN最新研究進展，提高實驗科目的針對性。

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和課程目的，解析課程內(nèi)容，充分利用現(xiàn)有的SDN網(wǎng)絡(luò)公開資料和開源工具，在硬件條件尚不具備的情況下，開設(shè)SDN實驗科目，另外，實驗科目要體現(xiàn)SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最新研究進展，使實驗更有針對性，更貼近實際，提高學(xué)生的實踐動手能力和實際問題解決能力。

2）增加與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的差異對比實驗，使學(xué)生更易理解和掌握SDN的優(yōu)勢和不同。

SDN是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，依據(jù)學(xué)生所具備的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如TCP/IP協(xié)議族）的相關(guān)知識，為使學(xué)生更好掌握SDN網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識，增加與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運行方式的差異對比實驗，這樣不但使學(xué)生可以溫習(xí)舊知識、學(xué)習(xí)新知識，并且針對同樣的網(wǎng)絡(luò)通信問題，讓學(xué)生理解需要設(shè)計新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的必要性，使得學(xué)生掌握創(chuàng)新思維，為后繼開展創(chuàng)新型研究奠定基礎(chǔ)。

3）模塊化設(shè)計實驗科目，滿足不同學(xué)生的個性化培養(yǎng)需求。

因本課程面向解放軍信息工程大學(xué)所有層次、所有類型研究生開設(shè)，為滿足不同層次、不同水平學(xué)生的培養(yǎng)需求，擬構(gòu)建模塊化的實踐課程體系，可針對不同的培養(yǎng)對象和培養(yǎng)目標(biāo)，利用不同的實踐課程模塊化組織實驗教學(xué)。在課程實施過程中，可針對學(xué)習(xí)和動手能力較強的學(xué)生適當(dāng)增加難度較大的實驗科目，而針對學(xué)習(xí)和動手能力較差的學(xué)生適當(dāng)降低難度，使不同的培養(yǎng)對象都能有所收獲。另外，針對那些只是想了解和學(xué)習(xí)SDN前沿知識的學(xué)生，則適當(dāng)降低難度，減少實驗科目的難度和數(shù)量，使得他們也有信心學(xué)下去，而對于希望對SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有強烈興趣的學(xué)生，希望學(xué)到更多的知識，提高自身能力，則可布置更多的授課內(nèi)容與難度較高的實驗科目。

3 Mininet模擬環(huán)境介紹

斯坦福大學(xué)Nick McKeown教授帶領(lǐng)的研究小組基于Linux Container架構(gòu)，開發(fā)出了一套進程虛擬化的平臺_Mininet。在Mininet的幫助下，你可以輕易地在自己的筆記本上搭建一個軟件定義網(wǎng)絡(luò)，對基于OpenFlow、Open vSwitch的各種協(xié)議等進行開發(fā)驗證且所有的代碼幾乎可以無縫遷移到真實的硬件環(huán)境中。在自己的筆記本上，就可以搭建一套媲美真實硬件環(huán)境的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，并輕松進行各項實驗，一行命令就可以創(chuàng)建一個支持SDN的任意拓撲的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并可以靈活地進行相關(guān)測試，驗證了設(shè)計的正確后，又可以輕松部署到真實的硬件環(huán)境中，因此Mininet給我們提供了一個非常便捷、非常優(yōu)秀的SDN網(wǎng)絡(luò)研究與測試平臺，而無需使用昂貴的專業(yè)級硬件實驗平臺，也避免了使用傳統(tǒng)虛擬機搭建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的負擔(dān)。

Mininet作為一個輕量級軟件定義網(wǎng)絡(luò)研發(fā)和測試平臺，其主要特性包括：

（1）支持OpenFlow、Open vSwitch等軟件定義網(wǎng)絡(luò)組件；

（2）方便多人協(xié)同開發(fā)；

（3）支持系統(tǒng)級的還原測試；

（4）支持復(fù)雜拓撲、自定義拓撲：

（5）提供Python API；

（6）很好的硬件移植性（Linux兼容），結(jié)果有更好的說服力；

（7）高擴展性，支持超過4 096臺主機的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

4 軟件定義網(wǎng)絡(luò)實驗課程設(shè)計概況

軟件定義網(wǎng)絡(luò)實驗課程可設(shè)3種實驗類型（基礎(chǔ)型、驗證型和綜合型）和11個實驗科目，可根據(jù)不同培養(yǎng)對象的不同培養(yǎng)需求，模塊化組織實驗教學(xué)內(nèi)容。

1）基礎(chǔ)型實驗科目。

基礎(chǔ)型實驗主要要求學(xué)生掌握后繼實驗所必需的實驗基礎(chǔ)環(huán)境及基本使用方法，主要是Mininet實驗環(huán)境的搭建與Mininet基本使用，詳見表1。該部分實驗可由學(xué)生自己選擇學(xué)時數(shù)。

2）驗證型實驗科目。

驗證型實驗主要使用Mininet模擬環(huán)境對Mininet與SDN網(wǎng)絡(luò)的特色與優(yōu)勢功能進行試驗與驗證，如特定網(wǎng)絡(luò)拓撲繪制、二層防火墻編寫、網(wǎng)絡(luò)分割等，詳見表2。該部分實驗可由學(xué)生自己選擇學(xué)時數(shù)。

3）綜合型實驗科目。

綜合型實驗主要針對學(xué)習(xí)興趣濃厚、動手能力較強的學(xué)生，為其設(shè)計更復(fù)雜、更實用的實驗科目，也可根據(jù)技術(shù)的最新進展引進一些技術(shù)小課題作為實驗科目，需要學(xué)生獨立思考、查閱文獻資料、尋求解決方案，進一步提高學(xué)生解決實際問題的能力，詳見表3。該部分難度較大，授課時不做硬性要求，由感興趣的學(xué)生選做，既可抵消前面的學(xué)時，又可額外完成。

5 結(jié)語

針對軟件定義網(wǎng)絡(luò)實驗課程存在的實驗科目匱乏、硬件實驗環(huán)境尚難規(guī)?；渴鸷挽`活性不足、學(xué)生上手難度大等問題，依據(jù)體現(xiàn)最新研究進展、增強差異對比實驗、設(shè)計模塊化實驗科曰等建設(shè)思路，通過Mininet軟件模擬環(huán)境配合POX、Kinetic、Pyretic等控制器開設(shè)SDN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建、SDN網(wǎng)絡(luò)特定拓撲繪制、網(wǎng)絡(luò)分割、防火墻編寫等實驗科目，涉及不同的培養(yǎng)難度和層次，充分考慮不同培養(yǎng)對象的個性化需求。未來，我們準(zhǔn)備依托已成功搭建的OpenStack云平臺及其支持SDN的Neutron組件擴充SDN網(wǎng)絡(luò)實驗科目。