基于自動化評測的軟件定義網絡虛擬仿真實驗平臺

張 棟，林為偉,2，葉福玲,2

基于自動化評測的軟件定義網絡虛擬仿真實驗平臺

張 棟1，林為偉1,2，葉福玲1,2

（1. 福州大學 數學與計算機科學學院，福建 福州 350116；2. 福州大學 網絡信息安全與計算機技術實驗教學中心，福建 福州 350116）

針對傳統網絡課程實驗平臺依賴驗證操作、實驗結果難評判、缺少操作數據分析等問題，提出面向軟件定義網絡課程的自動化評測虛擬仿真實驗平臺，描述了支持具有解決復雜網絡工程問題能力培養的實驗平臺架構，闡述了支持開放化、多元化的實驗方案與實驗操作自動化評測引擎的設計，收集并分析了實驗操作的錯誤或故障處理數據，描述了基于CVM和KVM的差異化方案，通過“SDN拓撲搭建和OpenDayLight操作”展示實驗平臺的系統方案。

自動化評測；軟件定義網絡；虛擬仿真；實驗平臺

計算機網絡是高校計算機專業的核心課程，網絡實驗是計算機網絡教學重要的、必不可少的環節[1]。虛擬仿真具有低成本、高效率、功能全、安全等優點，在計算機網絡實驗教學應用中已十分普遍[2-3]。但是，現有計算機網絡虛擬仿真實驗平臺存在著一些問題：（1）依賴教程步驟的操作驗證性實驗無法支撐解決復雜工程問題能力的培養；（2）實驗結果無法有效驗收，依賴實驗報告、實驗結果截圖，或客觀題、文本比對等方式；（3）學生實驗數據或實驗故障處理無法有效收集和整理分析，缺乏大數據時代的有效反饋和教學改進。此外，傳統網絡靈活性和可控性較差，增加部署協議或規則是很繁瑣的工作[4]。傳統網絡課程實驗設計多以驗證性實驗為主，難以在共性問題上突破，而軟件定義網絡（software defined network，SDN）的出現為問題解決提供了契機。

SDN是一種新型網絡創新架構，其核心技術是將控制平面與數據平面分離，為網絡應用和創新提供良好的平臺。2009年，剛剛誕生不久的SDN概念就入圍麻省理工學院《Technology Review》雜志評出的年度10大前沿技術，獲得了學術界和企業界的廣泛認可和大力支持[5-7]。因此，SDN這一顛覆性的技術被認為將對未來互聯網產生革命性的影響，在很大程度上代表了未來網絡的發展方向。

由于SDN開源軟件種類及版本多、安裝配置復雜，比如軟件定義網絡課程實驗直接采用現有系列開源軟件，將使課時難以負荷SDN實驗操作，因而考慮整合現有SDN開源工具和硬件設備，自制基于自動化評測的低成本、易擴展、一體化的實驗平臺[8]。SDN數控分離、集中控制的特點，增加了網絡的靈活性和可編程性，使平臺能更加專注于解決復雜網絡工程問題能力的培養，并且平臺可自動化、智能化評測實驗操作結果，能減輕教師批改實驗報告工作量，還可有效收集和整理分析實驗數據，為改進實驗教學提供大數據支持，有助于解決現有計算機網絡虛擬仿真實驗平臺面臨的共性問題。因此，自制基于自動化評測的SDN虛擬仿真實驗平臺成為了課程最終的選擇[9-11]。

1 實驗平臺的設計與實現

實驗平臺的設計緊密圍繞解決現有計算機網絡虛擬仿真實驗平臺面臨的共性問題。平臺整合系列開源工具，實現了Mininet實驗、OVS虛擬交換機實驗、控制器實驗、南向OpenFlow操作、北向基于REST API應用開發等SDN基礎操作的虛擬仿真實驗，以及以上述實驗為基礎的綜合案例設計實驗，訓練學生解決實際復雜網絡工程問題的能力。平臺設計實現了對應多元化方案實現和網絡操作的自動化評測引擎，用于實驗結果的自動化評測和錯誤提示，減輕批改工作量。平臺為在大數據時代有效收集和整體分析實驗數據、故障操作提供了有效支持。此外，平臺具備用戶管理、課程資源管理、題庫管理、自定義或隨機組卷等實驗教學平臺功能，支持多組學生用戶個人或組隊實驗[12]。

實驗平臺的技術方案采用了B/S架構，前端基于jQuery+ HTML，后端基于PHP，數據庫采用MySQL 5.7版本。基于此架構的網絡拓撲如圖1所示，服務器運行實驗平臺軟件，集成了鏡像創建和部署功能，便于管理員管理維護實驗的系統環境，同時還存儲了系統數據。平臺支持學生組隊實驗，每組學生可使用2臺虛擬機和1臺物理機。VM2操作系統為Ubuntu 16.04版本，主要安裝Mininet輕量級平臺、Open vSwitch虛擬交換機、網絡包分析軟件、Java Web服務器Apache，以及自動評測程序；VM3操作系統為Ubuntu 16.04版本，安裝OpenDayLight開源控制器，完成對VM2中OVS的控制，另外還安裝有http請求模擬工具Postman，而PC1用于完成基于OpenDayLight的北向API實驗。

圖1 實驗平臺網絡拓撲

實驗平臺提供了層次化的適應復雜網絡工程問題能力培養的實驗內容，見表1。實驗內容貫穿SDN的數據層、控制層和應用層的3層網絡架構，涵蓋了南北向協議，有助于全面理解和掌握SDN的知識與技術，并且難度循序漸進。

（1）基礎實驗，以操作性實驗為主，難度最小，目的是熟悉各類SDN開源工具的使用，包括使用Mininet搭建SDN網絡拓撲、Open vSwitch使用及Wireshark抓包實驗、OpenDayLight開源控制器操作、L2/L3/L4的流表下發與驗證。

（2）進階實驗，難度略微提高，包括控制平面和應用平面的北向協議、調用OpenDayLight北向API實現SDN北向應用開發。

（3）案例實驗，難度最大，針對SDN場景及案例，實驗平臺設計了綜合性的案例實驗及應用開發的工程性實驗，訓練學生綜合應用SDN知識和技術，培養解決復雜網絡工程問題的能力。

表1 平臺支持的實驗內容

針對傳統虛擬仿真實驗平臺實驗結果驗證效率較低、實驗數據收集分析困難，實驗平臺創新性地設計實現了實驗結果的自動化評測引擎，如圖2所示。學生提交實驗結果后，平臺根據拓撲搭建、流表下發與驗證或北向API調用和開發等不同的題型，選擇不同的評測引擎，獲取實驗結果，和標準答案完成比對，如果答案錯誤或有部分錯誤，平臺均會針對錯誤部分列出錯誤提示。自動化評測功能減輕了以往教師逐一核查實驗結果或實驗報告的工作量，有效防止了實驗文本報告的抄襲。由于自動化評測引擎能夠保存實驗評測結果至后臺數據庫，因此實驗平臺可利用評測數據，在實驗后為教師分析學生實驗操作和故障處理、改進實驗教學與答疑提供了持續化的大數據支持。

除了應有的通用功能，實驗平臺還實現了虛擬化的跨平臺支持，考慮實驗支持的并發用戶數、虛擬機數量、存儲容量、運行性能、成本等因素，提供了實驗平臺基于CVM和KVM的差異化的兩種產品方案。在SDN虛擬仿真實驗平臺功能的設計和實現、案例和作用方面，都立足“以學生為中心，以產出為導向”的理念，以培養解決復雜工程問題能力達成為核心。

圖2 自動化評測流程

2 實驗平臺的教學展示

通過“SDN拓撲搭建和OpenDayLight操作”實驗對提出的SDN虛擬仿真實驗教學平臺進行展示[13-15]。實驗共有3個小題，第一題要求使用Mininet搭建如圖3所示的網絡拓撲，并連接OpenDayLight控制器；第二題要求用控制器向交換機s1下發類型為select的組表，組表id設為1，設置為2個桶，動作分別為向交換機s2和s3轉發；第三題要求用控制器向交換機s1下發2條流表，id分別設為1、2，分別匹配h1、h2的數據包，動作設置為group:1。為了保證流表正常匹配，需將流表的優先級設置大于100。

圖3 基礎實驗案例網絡拓撲

實驗開始前，用戶需分別訪問虛擬機VM2和虛擬機VM3。實驗平臺支持遠程訪問，既可以通過平臺內置的VNC訪問虛擬機，也可以通過外部VNC訪問虛擬機，兩種方式均易于操作。登錄虛擬機之后，即可開始實驗。實驗過程中，通過虛擬機集成的系列開源軟件，可便捷地完成拓撲搭建、控制器下發流表等SDN基本實驗操作和驗證。

（1）拓撲搭建，遠程連接控制器。編寫拓撲的Python腳本，在Mininet啟動命令中加載，命令中還需包含控制器的地址和端口號，即可創建圖3的網絡拓撲。連接控制器成功后，在控制器的Web UI即可查看拓撲的圖形化展示，如圖4所示，和實驗要求的拓撲一致。

圖4 OpenDayLight查看拓撲的圖形化展示

（2）控制器向s1下發流表。在OpenDayLight的YangUI找到相應API，選擇put模式，按照題目要求設置好相應參數，對交換機s1（OpenFlow 1）操作下發流表。如操作無誤，則測試通過，如圖5所示；否則提交失敗，扣減相應分數，并給出錯誤提示，如圖6所示，修改后重新提交并測試通過。

圖5 實驗平臺評測第三題流表下發正確

圖6 實驗平臺評測第三題流表下發錯誤

3 結語

相比傳統網絡，SDN具有更強的靈活性和可編程性，對SDN課程實驗平臺的設計提出了更高要求。低成本、易擴展、一體化的SDN虛擬仿真實驗平臺，支持培養具有解決復雜網絡工程問題能力的多元化實驗方案部署的接口，設計了實驗操作的自動化評測引擎，能自動驗證實驗結果的有效性與正確性，有效收集和整理分析學生實驗操作中的錯誤或故障處理數據。在平臺功能設計、案例實現方面，立足于解決傳統網絡類課程虛擬仿真實驗平臺的共性問題，以支持培養學生解決復雜網絡工程問題能力為核心。

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Software defined network virtual simulation experiment platform based on automated evaluation

ZHANG Dong1, LIN Weiwei1,2, YE Fuling1,2

(1. College of Mathematics and Computer Science, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China; 2. Experimental Teaching Center of Network Information Security and Computer Technology, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China)

In view of the problems of traditional experimental platform of network courses such as dependence on verification operation, difficulty in judging experimental results and lack of operational data analysis, an automatic evaluation virtual simulation experimental platform for Software-defined Network course is proposed. The experimental platform architecture which supports the ability to solve complex network engineering problems is described, the design of an open and diversified experimental scheme and an automatic evaluation engine for experimental operation are illustrated, the errors or fault handling data of experimental operation are collected and analyzed, the differential scheme based on CVM and KVM is elaborated upon, and the system scheme of the experimental platform by “SDN topology nuilding and OpenDayLight operation” is demonstrated.

automated evaluation; software defined network; virtual simulation; experiment platform

TP 393; G 434

A

1002-4956(2019)07-0083-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.021

2018-12-10

教育部產學合作協同育人基金項目（201602012018）；福州大學學科特色創新創業課程建設項目；福建省服務產業特色專業建設

張棟（1981—），男，福建福州，博士，副教授，主要研究方向為軟件定義網絡.E-mail: zhangdong@fzu.edu.cn