基于SDN的智能化英語多媒體教室設計

胡國強+陳毅

摘 要： 針對現有的英語多媒體教室網絡監測工作量大與維護復雜的問題，結合SDN網絡的快速演進，在綜合考慮網絡智能化和虛擬化的基礎上，設計一種新型多媒體教室網絡架構。此架構基于SDN技術，通過SDN的控制器集中管理所有的中控設備。詳細描述了該方案的設計思想、總體架構，通過Mininet仿真平臺進行測試，從而驗證了該方案的可行性。最后，通過實際部署SDN網絡，說明基于SDN的多媒體教室網絡有助于教師更好地開展教學，有助于學生更好地學習。

關鍵詞： SDN； 多媒體教室； 中控設備； 集中管理

中圖分類號： TN915.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0088?04

Abstract： Since the workload of the network monitoring for available English multimedia classroom is heavy， and its maintenance is complex， on the basis of the rapid evolution of SDN network and comprehensive consideration of the network intellectualization and virtualization， a new multimedia classroom network architecture was designed. All central control devices are managed intensively with the SDN technology based architecture through the controller of SDN. The design concept and overall architecture of this scheme are described in detail. The scheme was tested with Mininet simulation platform to verify its feasibility. The SDN network was deployed practically to show that the multimedia classroom network based on SDN is conducive to the better development of teaching for teachers， and better development of learning for students.

Keywords： SDN； multimedia classroom； central control equipment； concentrated management

當前，先進的互聯網和信息技術對教育產生巨大的影響，大力推進教育技術信息化、科學化、智能化是世界教育追求的目標[1]。作為新型教育技術的載體，高校英語多媒體教室不僅提供了多種英語教學方式，而且為教師提供了充分利用各種課件的條件，為學生提供了聯系英語口語和聽力的條件。隨著高校辦學規模擴大，高校英語多媒體教室的數量也在不斷增加，英語多媒體專網的規模也在不斷擴張。網絡設備和中控設備的增加加大了多媒體管理人員的壓力，加大了網絡監測的工作量。龐大的傳統網絡體系故障率高且維護繁瑣，如何能減輕多媒體網絡的工作量，提高工作效率，更好地為使用英語多媒體教室的師生提供優質的服務是當前亟待解決的問題。

在這樣的環境下，本文提出了一種基于SDN的新型多媒體教室網絡架構，此架構將多媒體教室管理系統劃分為應用層、控制層、網絡基礎設施層三大層。基于SDN的多媒體教室網絡通過網絡基礎設施中的控制解耦來簡化多媒體教室網絡的配置與管理。

1 SDN多媒體網絡架構

1.1 現有英語多媒體教室網絡管理存在的問題

隨著多媒體教室的不斷普及，多媒體教室網絡越來越龐大，其在管理和維護方面暴露出很多問題，有些問題甚至影響了老師的教學[2]。傳統的多媒體教室網絡存在的問題如下：

（1） 網絡設備（包括交換機和中控設備）的配置是通過網絡管理員手工輸入命令行配置的，工作量大。

（2） 網絡和業務分離，新業務的部署需要接入新設備來實現。需要調整業務時，網絡部署就顯得非常低效，甚至無法實施[3]。

（3） 只有基于大帶寬的粗放型帶寬保障措施，細粒化的帶寬質量保證和監控無從談起[4]。對于特殊需要網絡帶寬的教學或實習課程只能保證網絡連通，沒有辦法保證用戶體驗，從而影響教學效果。

（4） 英語多媒體教室交換機+中控設備的結構導致多媒體教室網絡排查故障繁瑣。

由此可見，基于傳統網絡結構的多媒體網絡在管理和維護中存在諸多問題。隨著SDN網絡的快速發展，本文引入了SDN技術來解決傳統網絡架構的英語多媒體網絡面臨的問題。

1.2 基于SDN的多媒體教室網絡架構的概念

SDN起源于2006年美國GENI項目資助的斯坦福大學Clean Slate課題。2009年，斯坦福大學Nick McKeown教授為首的研究團隊提出了基于OpenFlow的SDN概念用于校園網絡的試驗創新[5]。其核心是利用分層的思想，將數據轉發與控制相分離，目的在于改變結構和功能日趨復雜，管控能力日趨減弱，且難以進化發展的現有網絡基礎架構。基于SDN的多媒體網絡架構在控制平面，通過可編程和邏輯中心化的控制器，多媒體教室網絡管理人員可以掌控所有的網絡信息來部署新協議和管理配置網絡等；在數據平面，盡可能地采用標準化通用設備（交換機和中控設備），提高接入網設備的統一性、通用性和適配性，降低網絡異構程度[6]。兩層之間采用開放的統一接口（如OpenFlow等）進行交互[7]。SDN控制器通過標準接口向網絡設備統一下發標準規則，網絡設備僅需按照這些規則執行相應的動作即可。本文認為基于SDN的多媒體網絡架構通過集中化的控制實現了對現有的網絡設備、中控設備和接入網中的教學資源細粒度的管理。

1.3 基于SDN的多媒體教室網絡的特征

多媒體教室網絡中的SDN控制器集中管理所有的交換機和中控設備，隨時可以獲取多媒體教室網絡的靜態拓撲及流表信息，有利于網絡的高效管理和優化，更有利于多媒體教室網絡故障的快速定位和排除。根據需要安裝查看網絡流量和性能的開源軟件，有助于網管監控整個網絡，保障了正常的教學秩序。

基于SDN的多媒體教室網絡采用統一的SDN控制器對整個網絡進行集中控制，根據業務的具體要求通過修改流表，統一下發網絡的轉發規則和動作，可實現多路徑轉發和負載均衡，提高多媒體教室網絡的可靠性和帶寬利用率[8]。

2 基于SDN的多媒體網絡架構具體設計

2.1 基于SDN的多媒體網絡架構設計思路

基于SDN的多媒體教室網絡的構建，總體上遵循“易于管理、集中控制、整合資源、易于維護”的指導思想，既要保障網絡的穩定性、可靠性、易用性和安全性，又面保障網絡的可擴展性、可伸縮性和業務部署能力。

在設計時還應注意以下幾點：在簡化管理的基礎上能滿足教學服務的要求；與現有的多媒體交換機和中控設備完全融合；不影響現有系統的使用；維護簡單，易于找到故障節點。

2.2 基于SDN的多媒體網絡架構設計

基于對SDN的多媒體網絡教室的定位、特征和設計思路的探討，按照SDN的經典架構結合現有多媒體網絡元素將基于SDN的多媒體教室網絡的總體架構從低到高劃分為三層，如圖1所示。

網絡基礎設施層支持OpenFlow的交換機和中控設備及中控設備下聯的所有設備；

控制層支持OpenFlow的控制器，通過北向接口集中控制所有的網絡基礎設施層設備，其對應用層提供靈活的開放接口，以滿足多媒體教室網絡不同應用的調用要求；

應用層基于SDN網絡的所有應用，如教學管理平臺、遠程點播、安防監控、考試巡視。

3 Mininet仿真實現

Stanford大學Nick McKeown的 研 究 小 組 基 于 LinuxContainer 架構開發了一套進程虛擬化的Mininet 平臺[9]。 此平臺被譽為輕量級“軟件定義網絡” 研發和測試平臺，其支持OpenFlow，Open vSwitch 等網絡基礎設施層部件的協議開發[10]；支持多人協同開發；支持系統級的還原測試；支持代碼無縫遷移到真實的硬件環境；支持復雜拓撲、 自定義拓撲，有很好的擴展性和高擴展性。本文基于Mininet 網絡仿真平臺，對多媒體教室典型的網絡拓撲進行測試和分析，驗證設計方案的有效性。

3.1 測試環境搭建

硬件環境：CPU為AMD Opteron（TM） Processor 6168；內存為16 GB。軟件環境：Centos 6.6操作系統；Floodlight控制平臺；Mininet仿真軟件。

在Centos 6.6中使用命令 java ?jar target/floodlight.jar 啟動 Floodlight，等待來自遠程 OpenFlow設備的連接，之后輸入命令 ： sudo mn??controller=remote??ip=127.0.0.1 ??port=6633，其中IP對應安裝Floodlight系統的IP地址， 命令執行后就可以將 Mininet 連接到遠程 Floodlight 控制器。

3.2 測試拓撲的建立

在測試環境搭建成功后，Centos 6.6使用命令mn命令創建拓撲，多媒體教室典型的網絡如圖2所示。此拓撲包含4個節點， 分別是網關、 控制器和2個主機（可理解為中控設備）、控制器連接網關、網關連接2個主機。通過IE瀏覽器訪問Floodlight控制平臺，訪問鏈接為外部地址+端口（8080）/UI/index.html，各節點信息如圖3所示。

3.3 網絡拓撲連通性測試

在Mininet環境下用pingall測試h1主機和h2主機連通性，如圖4所示。研發人員可以通過Floodlight的Restful API接口來向Floodlight平臺請求交換機狀態、能力、拓撲等各種信息，而策略控制Static Flow Pusher機制則是通過Restful API接口來管理流表的。本文使用Static Flow Pusher 改變流表，讓h2 ping不通h1，具體命令如下：

sudo curl http：//219.245.196.25：8080/wm/staticflowentrypusher /clear//json

sudo curl ?X DELETE ?d ′{″name″：″flow?mod?1″}′

http：//：8080/wm/staticflowentrypusher/json

3.4 故障自恢復實驗

（1） 利用Floodlight控制平臺為網絡的主機之間設置兩條轉發路徑，為h1和h2下發主路徑，備份路徑，測試拓撲如圖5所示。

（2） 模擬單故障情形，Mininet中輸入命令link s1， 模擬鏈路中斷。使用Iperf從h1向h2發送數據，分別發送普通UDP數據分組和視頻文件流。

（3） 通過觀察h2的Iperf服務器端輸出信息以及使用WireShark抓包工具分析分組傳遞路徑可知，在上述故障情形下主機h1可通過備用路徑到達目的主機h2，系統能夠準確地檢測故障，并對故障情形進行診斷判別，最終能夠進行路由恢復，ping結果見圖6。

測試結果表明，基于SDN的多媒體教室網絡架構是可行的，比傳統的IP網絡架構更有優勢。基于此，在南校區數字化教學樓兩個英語多媒體教室部署了SDN網絡，通過英語老師的實際使用情況來分析SDN多媒體網絡架構給英語教學服務帶來的影響。

4 實踐及效果分析

為了評測SDN多媒體教室網絡給英語教學帶來的效果，分別在2016年第一學期（已部署SDN）和2015年第二學期（未部署SDN）對在數字化樓多媒體教室上課的A班和B班學生和教師（共82人）就SDN多媒體網絡對英語教學產生的影響進行了訪談調查，調查結果如表1所示。

由統計結果可知，部署SDN多媒體網絡的多媒體教室比沒進行網絡改造的多媒體教室故障率底，沒有出現網絡故障；部署SDN后，師生對校園網絡應用于在線視頻播放、在線學習、實時視頻交流三個方面滿意度大幅提升，部署的SDN網絡更好地滿足了英語教學的需求，提升了英語網絡教學的現代教育技術水平，有助于老師教學和學生英語學習。

5 結 語

本文提出了一種基于SDN的英語多媒體教室網絡架構，解決了英語多媒體教室網絡管理中的一些問題。本文設計的 SDN 架構采用 OpenFlow 技術實現了業務數據和控制數據的分離，通過控制器集中靈活管理多媒體教室的中控設備，減少了網管人員維護量。通過利用Mininet 軟件和Floodlight控制平臺，實現了控制器對中控設備的靈活控制，說明了基于SDN的多媒體教室網絡架構的設計方案可行。最后，經過實踐驗證可知，SDN多媒體網絡給教學提供了更好的服務。

參考文獻

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