一種基于輕量級(jí)虛擬化的網(wǎng)絡(luò)仿真方法

郭 亮

（三亞學(xué)院信息與智能工程學(xué)院，三亞 572022）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)研究與實(shí)驗(yàn)變得越來越復(fù)雜，但高校開展新型網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)卻因硬件投入大、升級(jí)更新慢、維護(hù)管理復(fù)雜等因素阻礙了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)教學(xué)研究的開展。特別是針對某些需要大量物理設(shè)備才能順利進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，許多普通高校無法提供足夠的硬件資源。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的研究已經(jīng)成為當(dāng)前教育研究的新熱點(diǎn)，究其緣由主要是信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展已經(jīng)使部分虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的設(shè)計(jì)與開發(fā)成為現(xiàn)實(shí)，使各類虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成為可能。當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)以及網(wǎng)絡(luò)仿真軟件已有一定的發(fā)展基礎(chǔ)，例如有Cisco packet tracer、Boson NetSim、Huawei eNSP、GNS3、EVE-NG、Ns3、Opnet，以及基于Docker 技術(shù)的多種仿真方案。但上述平臺(tái)存在不開源、仿真局限性、資源利用率低、上手困難等多種問題［1］。本設(shè)計(jì)組合開源世界的多個(gè)系統(tǒng)軟件所構(gòu)建的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是解決上述問題的一種有效辦法。

1 相關(guān)技術(shù)

Linux 命名空間是一種操作系統(tǒng)級(jí)別的虛擬化技術(shù)，它可以將操作系統(tǒng)的資源隔離開來，使得不同的進(jìn)程可以擁有獨(dú)立的資源視圖。通過使用Linux 命名空間，可以實(shí)現(xiàn)多種不同方面的隔離任務(wù)，具體包括文件系統(tǒng)隔離、主機(jī)域名隔離、進(jìn)程間通信隔離、PID 編號(hào)空間隔離、網(wǎng)絡(luò)接口隔離和用戶號(hào)隔離。

Mininet［2］是由斯坦福大學(xué)基于Linux 命名空間開發(fā)的一種進(jìn)程級(jí)虛擬化網(wǎng)絡(luò)仿真工具，可以創(chuàng)建包含主機(jī)、交換機(jī)、控制器和鏈路的虛擬網(wǎng)絡(luò)，提供了可視化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚庉嫻ぞ呒案叨褥`活的軟件定義網(wǎng)絡(luò)的編程框架和仿真能力。

FRRouting［3］是一個(gè)功能齊全、高性能的Linux 平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)路由套裝模塊，實(shí)現(xiàn)了所有的標(biāo)準(zhǔn)路由協(xié)議，如BGP、RIP、OSPF、IS-IS 等，以及它們的許多擴(kuò)展功能，其操作配置過程與Cisco等主流路由器的配置基本相同且容易上手。

2 軟件配置

安裝FRRouting 軟件包并配置開啟相關(guān)路由服務(wù)及隔離功能，安裝Mininet 并修改其源碼以添加仿真路由器設(shè)備的Router 類。其中，關(guān)鍵代碼如下所示，主要思路為對每個(gè)路由器在各自的網(wǎng)絡(luò)命名空間中啟動(dòng)路由協(xié)議，且不同路由器可加載不同的路由協(xié)議，相互之間互不影響。

class Router（Node）：

def config（self，**params）：

super（Router，self）.config（**params）

self.cmd（‘sysctl net.ipv4.ip_forward=1’）

self.cmd（‘mkdir/var/run/mininet_frr’）

self.cmd（“mount-t tmpfs tmpfs/var/run/

mininet_frr”）

self.cmd（“cp-a/etc/frr/*/var/run/

mininet_frr”）

self.cmd（“mount-bind/var/run/

mininet_frr/etc/frr”）

self.cmd（“mount-t tmpfs tmpfs/var/

run/frr”）

self.cmd（“mount-t tmpfs tmpfs/var/

tmp/frr”）

def terminate（self）：

self.cmd（‘sysctl net.ipv4.ip_forward=0’）

self.cmd（“umount/etc/frr”）

self.cmd（“umount/var/run/mininet_frr”）

self.cmd（‘rm-rf/var/run/mininet_frr’）

super（Router，self）.terminate（）

3 OSPF虛鏈路實(shí)驗(yàn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

OSPF 組網(wǎng)要求所有非區(qū)域0 的其他區(qū)域應(yīng)該直接相鄰到區(qū)域0上。但現(xiàn)實(shí)中可能由于地理分布使得有些OSPF 區(qū)域無法直接與區(qū)域0 連接。此時(shí)，OSPF 的虛鏈路功能可用于將此區(qū)域連上主干區(qū)域，從而滿足組網(wǎng)條件。OSPF 的虛擬鏈路有兩個(gè)重要作用：其一是將非直接相鄰于骨干區(qū)的區(qū)域連接到骨干區(qū)；其二是連接分離的骨干區(qū)，功能如圖1、圖2所示。

圖1 連接分離的普通區(qū)域與骨干區(qū)

圖2 連接分離的骨干區(qū)

下面選虛鏈路的第一種用途進(jìn)行仿真方法驗(yàn)證，具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和IP 地址規(guī)劃見圖3，區(qū)域2 需要通過路由器r3 與r1 建立的虛鏈路連接上區(qū)域0。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼癐P分配

運(yùn)行miniedit.py，對照拓?fù)湓O(shè)計(jì)完成如圖4所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)。

圖4 OSPF網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

將上圖導(dǎo)出拓?fù)錇镻ython 腳本并調(diào)整其關(guān)鍵代碼如下所示：

class NetworkTopo（Topo）：

def build（self，**_opts）：

h1=self.addHost（‘h1’，ip=‘192.168.1.10/24’，

defaultRoute=‘via 192.168.1.1’）

h2=self.addHost（‘h2’，ip=‘192.168.2.10/24’，

defaultRoute=‘via 192.168.2.1’）

s1，s2=［self.addSwitch（s）for s in（‘s1’，

‘s2’，‘s3’）］

r1=self.addNode（‘r1’，cls=Router，ip=None）

r2=self.addNode（‘r2’，cls=Router，ip=None）

r3=self.addNode（‘r3’，cls=Router，ip=None）

r4=self.addNode（‘r4’，cls=Router，ip=None）

self.addLink（h1，s1，intfName2=‘s1-eth2’）

self.addLink（h2，s2，intfName2=‘s2-eth2’）

self.addLink（s1，r3，intfName1=‘s1-eth1’，

intfName2=‘r3-eth1’，params2=｛‘ip’：‘192.168.1.1/24’｝）

self.addLink（s2，r4，intfName1=‘s2-eth1’，

intfName2=‘r4-eth1’，params2=｛‘ip’：‘192.168.2.1/24’｝）

self.addLink（r1，r2，intfName1=‘r1-eth1’，

params1=｛‘ip’：‘192.168.12.1/30’｝，intfName2=

‘r2-eth0’，params2=｛‘ip’：‘192.168.12.2/30’｝）

self.addLink（r1，r4，intfName1=‘r1-eth0’，

params1=｛‘ip’：‘192.168.14.1/30’｝，intfName2=

‘r4-eth0’，params2=｛‘ip’：‘192.168.14.2/30’｝）

self.addLink（r2，r3，intfName1=‘r2-eth1’，

params1=｛‘ip’：‘192.168.23.1/30’｝，intfName2=

‘r3-eth0’，params2=｛‘ip’：‘192.168.23.2/30’｝）

3.2 驗(yàn)證基本配置

運(yùn)行上述腳本，首先驗(yàn)證拓?fù)溥B接情況及主機(jī)h1 和路由器r3 的初始配置及路由表，如圖5～圖7所示。

圖5 驗(yàn)證拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6 主機(jī)和路由器r3的ip地址驗(yàn)證

圖7 路由器r3的初始路由信息

3.3 OSPF配置及測試

對四個(gè)路由器r1、r2、r3、r4 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，如圖8 所示，其中在r1 與r3 之間建立虛鏈路，經(jīng)過一小段時(shí)間路由收斂后，通過查看r3的OSPF 鄰居和路由表驗(yàn)證虛鏈路建立成功，如圖8所示。

圖8 路由器配置和路由驗(yàn)證

在網(wǎng)絡(luò)收斂后，進(jìn)行主機(jī)h1、h2 連通性測試及通信路徑測試，驗(yàn)證了配置的正確性，如圖9所示。

圖9 主機(jī)連通性測試和路徑測試

最后，在r1 的r1-eth1 端口開啟wireshark 抓包分析，驗(yàn)證了OSPF的hello多播包和虛鏈路建立的單播hello包通告，如圖10所示。

圖10 抓包分析

4 結(jié)語

本文針對目前已有網(wǎng)絡(luò)仿真軟件存在的問題，基于Linux 命名空間隔離技術(shù)和相關(guān)開源技術(shù)設(shè)計(jì)出一種全虛擬化的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真方法。由于采用了輕量級(jí)虛擬化技術(shù)，經(jīng)測試該方法支持在硬件配置為1 核1GB 內(nèi)存的虛擬機(jī)上運(yùn)行近百個(gè)路由器并且實(shí)驗(yàn)操作簡便快捷，這為構(gòu)建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)以進(jìn)行研究和測試提供了一種途徑，有效地支撐了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究與教學(xué)，降低了實(shí)驗(yàn)投入和維護(hù)。后續(xù)工作將結(jié)合云計(jì)算技術(shù)開發(fā)網(wǎng)頁版網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，使多個(gè)用戶能通過在線方式將虛擬網(wǎng)絡(luò)部署在云服務(wù)器上。