摘 要：為深化研究生課程教學(xué)改革，針對(duì)軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程存在的實(shí)驗(yàn)科目匱乏、硬件實(shí)驗(yàn)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(jìn)展、增強(qiáng)差異對(duì)比實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)模塊化實(shí)驗(yàn)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?fù)淅L制、網(wǎng)絡(luò)分割、防火墻編寫等實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

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(shí)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(tái)，SDN被普遍認(rèn)為是IT界的第二次革命。

1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)面臨的問題

1） SDN屬于新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，實(shí)驗(yàn)科目比較匱乏。

SDN從2012年成為研究熱點(diǎn)，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(shí)踐》《SDN核心技術(shù)剖析和實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)的難度。

2）硬件交換設(shè)備較貴，難以大規(guī)模部署用于實(shí)驗(yàn)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(gòu)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(shí)，但OpenFlow協(xié)議更新較快，大概每半年就會(huì)更新一版，如果隨之更新硬件設(shè)備，會(huì)需要消耗大量經(jīng)費(fèi)，目前條件下尚難以用于大規(guī)模實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3）硬件實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)的OpenFlow版本是1.0，而對(duì)于1.1、1.2、1.3和1.4版本的實(shí)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(shí)驗(yàn)環(huán)境下，學(xué)生做特定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淅L制、網(wǎng)絡(luò)分割等實(shí)驗(yàn)時(shí)不夠靈活，需要分批次開展實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建與切換較為復(fù)雜，影響實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)各類SDN技術(shù)時(shí)，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(shí)現(xiàn)（如POX、Kinetic、Pyretic等），需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析、虛擬機(jī)操作等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，因此，對(duì)于初學(xué)者而言，難度太大，不易上手，很多時(shí)間花在環(huán)境搭建和基礎(chǔ)知識(shí)更新學(xué)習(xí)上，不但會(huì)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(shí)驗(yàn)科目設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)科目的素材，借鑒已有教學(xué)成果，軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)科目設(shè)計(jì)的總體思路為體現(xiàn)最新研究進(jìn)展、增強(qiáng)差異對(duì)比實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)模塊化實(shí)驗(yàn)科目。

1）體現(xiàn)SDN最新研究進(jìn)展，提高實(shí)驗(yàn)科目的針對(duì)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(shí)驗(yàn)科目，另外，實(shí)驗(yàn)科目要體現(xiàn)SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最新研究進(jìn)展，使實(shí)驗(yàn)更有針對(duì)性，更貼近實(shí)際，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和實(shí)際問題解決能力。

2）增加與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的差異對(duì)比實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生更易理解和掌握SDN的優(yōu)勢(shì)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(shí)，為使學(xué)生更好掌握SDN網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識(shí)，增加與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式的差異對(duì)比實(shí)驗(yàn)，這樣不但使學(xué)生可以溫習(xí)舊知識(shí)、學(xué)習(xí)新知識(shí)，并且針對(duì)同樣的網(wǎng)絡(luò)通信問題，讓學(xué)生理解需要設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)驗(yàn)科目，滿足不同學(xué)生的個(gè)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(shí)踐課程體系，可針對(duì)不同的培養(yǎng)對(duì)象和培養(yǎng)目標(biāo)，利用不同的實(shí)踐課程模塊化組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在課程實(shí)施過程中，可針對(duì)學(xué)習(xí)和動(dòng)手能力較強(qiáng)的學(xué)生適當(dāng)增加難度較大的實(shí)驗(yàn)科目，而針對(duì)學(xué)習(xí)和動(dòng)手能力較差的學(xué)生適當(dāng)降低難度，使不同的培養(yǎng)對(duì)象都能有所收獲。另外，針對(duì)那些只是想了解和學(xué)習(xí)SDN前沿知識(shí)的學(xué)生，則適當(dāng)降低難度，減少實(shí)驗(yàn)科目的難度和數(shù)量，使得他們也有信心學(xué)下去，而對(duì)于希望對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有強(qiáng)烈興趣的學(xué)生，希望學(xué)到更多的知識(shí)，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(shí)驗(yàn)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(jìn)程虛擬化的平臺(tái)_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(gè)軟件定義網(wǎng)絡(luò)，對(duì)基于OpenFlow、Open vSwitch的各種協(xié)議等進(jìn)行開發(fā)驗(yàn)證且所有的代碼幾乎可以無縫遷移到真實(shí)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(shí)硬件環(huán)境的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，并輕松進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，一行命令就可以創(chuàng)建一個(gè)支持SDN的任意拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并可以靈活地進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確后，又可以輕松部署到真實(shí)的硬件環(huán)境中，因此Mininet給我們提供了一個(gè)非常便捷、非常優(yōu)秀的SDN網(wǎng)絡(luò)研究與測(cè)試平臺(tái)，而無需使用昂貴的專業(yè)級(jí)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也避免了使用傳統(tǒng)虛擬機(jī)搭建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的負(fù)擔(dān)。

Mininet作為一個(gè)輕量級(jí)軟件定義網(wǎng)絡(luò)研發(fā)和測(cè)試平臺(tái)，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(jí)的還原測(cè)試；

（4）支持復(fù)雜拓?fù)洹⒆远x拓?fù)洌?/p>

（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(kuò)展性，支持超過4 096臺(tái)主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

4 軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)概況

軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程可設(shè)3種實(shí)驗(yàn)類型（基礎(chǔ)型、驗(yàn)證型和綜合型）和11個(gè)實(shí)驗(yàn)科目，可根據(jù)不同培養(yǎng)對(duì)象的不同培養(yǎng)需求，模塊化組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

1）基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)科目。

基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)主要要求學(xué)生掌握后繼實(shí)驗(yàn)所必需的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)環(huán)境及基本使用方法，主要是Mininet實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建與Mininet基本使用，詳見表1。該部分實(shí)驗(yàn)可由學(xué)生自己選擇學(xué)時(shí)數(shù)。

2）驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)科目。

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要使用Mininet模擬環(huán)境對(duì)Mininet與SDN網(wǎng)絡(luò)的特色與優(yōu)勢(shì)功能進(jìn)行試驗(yàn)與驗(yàn)證，如特定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淅L制、二層防火墻編寫、網(wǎng)絡(luò)分割等，詳見表2。該部分實(shí)驗(yàn)可由學(xué)生自己選擇學(xué)時(shí)數(shù)。

3）綜合型實(shí)驗(yàn)科目。

綜合型實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)學(xué)習(xí)興趣濃厚、動(dòng)手能力較強(qiáng)的學(xué)生，為其設(shè)計(jì)更復(fù)雜、更實(shí)用的實(shí)驗(yàn)科目，也可根據(jù)技術(shù)的最新進(jìn)展引進(jìn)一些技術(shù)小課題作為實(shí)驗(yàn)科目，需要學(xué)生獨(dú)立思考、查閱文獻(xiàn)資料、尋求解決方案，進(jìn)一步提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，詳見表3。該部分難度較大，授課時(shí)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(shí)，又可額外完成。

5 結(jié)語

針對(duì)軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程存在的實(shí)驗(yàn)科目匱乏、硬件實(shí)驗(yàn)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(jìn)展、增強(qiáng)差異對(duì)比實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)模塊化實(shí)驗(yàn)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?fù)淅L制、網(wǎng)絡(luò)分割、防火墻編寫等實(shí)驗(yàn)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(duì)象的個(gè)性化需求。未來，我們準(zhǔn)備依托已成功搭建的OpenStack云平臺(tái)及其支持SDN的Neutron組件擴(kuò)充SDN網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)科目。