基于SDN的网络实践本科毕业论文.docx
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1、 本科毕业论文(设计)基于SDN的网络实践基于SDN的网络实践 摘要随着网络应用的日益普及,现行的互联网控制技术出现了相当多的不可控问题。软件定义网络(SDN)顺应潮流适时地提出,以其核心思想“报文转发与数据控制分离”日渐被研究人员接受,SDN成为近几年互联网研究领域相当活跃的一个研究方向,尤其当前基于OpenFlow协议的SDN相关课题研究越来越多,本文亦采用OpenFlow协议1.0版本的相关标准进行论述。本论文的主要内容是论述基于Floodlinght+Mininet的模拟测试平台,采用当前v-switch交换机构建相关网络节点设计需要的虚拟平台,其采用java 编程的软件控制,模拟实验
2、目标SDN网络结构,并对小范围校园网络进行控制测试。关键词 :SDN, OpenFlow,虚拟平台 Network Practice Based On SDNABSTRACTWith the popularization of Internet, the Internet control technique appeared more uncontr- ollable problem. Software defined network (SDN) conform to the trend of timely, with the core idea of message forwarding a
3、nd data control separation increasingly by researchers to accept, SDN has become a quite active research direction in recent years Internet research field, especially the more and more research based on SDN OpenFlow protocol, this paper discusses the relevant standards also the OpenFlow protocol ver
4、sion 1. The main content of this thesis is the simulation testing platform based on Floodlinght+Mininet, using the v-switch switch to build network node virtual platform design, the use of Java programming software control, simulation design goal of SDN network node, and control test on small area C
5、ampus NetworkKeywords:SDN , OpenFlow , virtual platform 目 录第一章 绪论11.1选题依据11.2 SDN技术在国内外的发展和使用状况11.2.1国外SDN技术发展11.2.2 国内SDN技术发展21.3 论文结构3第二章 SDN和OpenFlow技术42.1 SDN技术42.1.1 SDN概念42.1.2 SDN技术框架42.2 OpenFlow技术62.2.1 OpenFlow 基本概念62.2.2 OpenFlow结构62.3 SDN技术应用72.4 SDN不足之处82.5本章小结9第三章 搭建虚拟测试平台103.1 Floodli
6、ght介绍103.2 Mininet介绍103.3平台搭建113.3.1 Ubuntu安装113.3.2 Floodlight安装过程143.3.3 Mininet安装163.3.4 安装wireshark173.4本章小结17第四章 基于平台的网络拓扑184.1拓扑构建184.2 本章小结20第五章 总结与展望21致谢22参考文献23第一章 绪论1.1选题依据互联网经过很长一段时间的发展和应用,现在成为校园、普通家庭以及工商机构非常重要的基本设施。互联网的大规模使用,使网络技术所负担的任务日益增多,网络的控制、监督和优化也越来越复杂,同时使路由器、交换机等设备支持的网络协议过于复杂,而且传统
7、使用的网络节点(路由器、交换机等)功能较少,对于相对繁多的网络业务 的承载能力有很大的限度,只能供给最低要求的互联通信能力,并不能实现最优化的服务体验。这些问题的存在很明显的阻碍了一些网络技术的发展和实现,例如当前的网络大数据、云计算和虚拟化网络技术等,并且限制了IP技术的长足发展。为了对现在和未来的互联网功能提供优质的服务,增强现代网络节点的可扩展性和灵活性,已经成了当今节点设计的突出研究方向。当前使用的路由器等网络设备,都是由生产商在产品出厂前,将控制程序提前固化锁定其中,因此软件定义网络要做的就是将数据转发和控制分开,可以脱离软件控制对于硬件的依赖。这样,在以后的网络发展的过程中,包括对
8、网络架构进行升级和调整时,可以不用改变底层的网络设备,最大程度的降低成本。综合以上叙述,美国斯坦福大学的Martin Casado和其导师McKeown教授提出了基于OpenFlow的SDN相关概念,以其可编程的特性,以及数据转发和网络控制分离的新思想,设计一个SDN的网络节点具有很重要的意义。1.2 SDN技术在国内外的发展和使用状况1.2.1国外SDN技术发展2006年,斯坦福大学研究人员在研究如何脱离当前网络进本架构的限制1,怎么更方便的应用网络时,最早的提出了OpenFlow概念,这个OpenFlow概念成为SDN基本协议,开始铺垫了SDN面向世界的快速发展。软件定义网络技术从提出不到
9、三年的时间内,已经成了互联网研究中最热门的方向。在国外有大量相关学科研究人员展开对SDN的研究分析,而且各大电信运营公司、网络设备生厂商、相关芯片提供商也在对这一技术广泛关注,并且开始了一部分技术的实现和应用,像现在思科和IBM等公司合作开发的OpenDaylight开源项目,已经比较成熟。2009年,相关机构发布了1.0版本的可商用OpenFlow协议,其后在2011年,为推动SDN更好更快的发展,以进行对其标准化,由Yahoo、Google和Facebook等公司的推动下,把现在广为人知的ONF(开放网络基金会)成立了。开放网络基金会成立以来快速发展,有越来越多的厂商、研究机构加入其中,S
10、DN技术成熟只是个时间问题。目前,OpenFlow已经在美国斯坦福大学、印第安纳大学、Internet2、欧洲OFLEIA、日本JGN2plus、韩国NetOpen网络服务平台以及其他的诸多科研机构中部署。美国斯坦福大学展开了有关OpenFlow协议、控制器可伸缩性、监测调试工具链、网络虚拟化、分组电路融合等方面的研究。英国Essex大学提出了一种由光流、光流元素和可编程OpenFlow控制器使能的OpenFlow网络结构,该结构具有操作任何用户定义的网络协议和场景的能力,能够提供智能的、用户控制的和可编程的光网络服务。1.2.2 国内SDN技术发展国内的清华大学、上海交通大学、北京邮电大学等
11、高校也较早参与并跟进OpenFlow使能的SDN相关技术研究。清华侧重于网络源地址有效性验证、IPv6支持、网络安全、无线嵌入式OpenFlow/MPLS技术以及未来网络体系结构创新环境(FINE)等方面的研究;上海交大针对网络虚拟化、网络可扩展性等方面开展了面向数据中心的SDN研究;北京邮电大学侧重于光网络基于OpenFlow的统一控制面研究。除国内外学术研究团体对SDN技术展开广泛研究外,各大传统设备商、初创公司、IT 服务提供商、芯片厂商、因特网内容提供商以及电信运营商对SDN技术跟进、产品研发和网络部署均产生了浓厚兴趣,并进行了积极实践。根据当前SDN的发展趋势,SDN已经成为解决目前
12、诸多网络问题的可行方案,我们相信,随着研究队伍的不断壮大,SDN技术会日趋完善,引导互联网技术走向一个更高的平台。1.3 论文结构本论文的主要内容是SDN网络节点设计,首先在绪论内容中,大致阐述了该课题的选题依据和背景,然后是相关技术的国内外发展,展现SDN这一新技术的优势;第二章将详细介绍SDN技术的核心内容,包括其概念、核心思想以及主要应用,另外还要介绍本论文SDN使用的标准协议OpenFlow的主要结构;第三章中,详细描述了SDN节点设计的模拟平台搭建的过程,即Floodlight+Mininet平台,概述这个平台的安装和应用;第四章里面写了基于上述模拟平台的SDN网络模拟测试过程以及相
13、关数据的记录。第二章 SDN和OpenFlow技术2.1 SDN技术2.1.1 SDN概念2006年由斯坦福大学的学生 Casado和导师McKeown教授提出SDN概念,SDN(soft define network)即软件定义网络。然后在2008年,他们发表名为OpenFlow:Enabling Innvwation in Campus Networks的论文,第一次介绍了协议OpenFlow的概念。2.1.2 SDN技术框架SDN中,报文转发和数据控制相分离,将路由器等网络设备与网络控制功能解耦,底层网络设备从网络控制中抽出,对网络不在产生本质性影响,通过网络控制软件的可编程性,提高了可
14、扩展性,通过程序方便的控制网络功能。简言之,就是传统网络设备专注于通讯功能,而其控制功能采用集中式管理,降低了成本,更有助于网络的升级和应对多种网络业务的需求2。SDN实现由设备生产商提供底层支持,而由网络控制者或运营商实现相应的软件程序控制,由传统的设备固化编程转向控制网络编程。因此,SDN提出的探索思路有两个出发点,从网络节点中把网络的控制作用脱离分开,而后用软件编程的方式控制数据。我们需要做到,在网络设备层和编程控制层有一个清晰的分割线,基于一个功能的单一硬件底层,完成整个编程控制流的思想。 ONF(开放网络基金会)经过长期的研究和探索,给出了SDN的框架结构体系,如图2.1图2.1 S
15、DN框架结构图可以看出,软件定义网络结构分为application layer(应用层)、control layer(控制层)、infrastructure layer(基础设施层)三层。这三层结构外部相互独立成体,而内部又密切关联。中间的控制层与应用层的各个业务应用通过北向接口(API)相互连接,而与底层的基础设施层的网络设备由南向接口实现,南向接口即以OpenFlow为协议标准,它的作用就是转发功能。基础设备层完成最基本的数据传递和报文转发功能,是整个网络结构的物理层,该层由支持SDN功能的各种网络节点互联而成,通过运营商提供,该层遵循OpenFlow协议,是整个网络框架的重要部分。基础设
16、施层在SDN中心控制层统一调度下,完成网络核心的数据转发功能。SDN控制层具有控制器功能,相当于一个集中式的控制部件,SDN控制层统一管理控制基础设施层的行为,将基础网络设施 的资源抽象,并且将全局的概括视图供给顶层应用,通过软件编程达到目的,从而脱离控制功能对硬件设施的依赖,提高灵活性,实现高度智能化。应用层是业务管理层,用于管理控制繁多的网络业务,通过该层直接与用户接触,可以给予用户优化之后的业务体验。概况地说,相对于传统网络,SDN 的优势在于: (1)能够对多厂商设备网络环境集中高效控制。 (2)能够降低网络管理控制的复杂度。 (3)可以快速部署新业务,实现网络的快速变革。 (4)可以
17、增强网络可靠性和安全性。 (5)能够实现与应用相对应的细粒度网络控制。 (6)具有更好的用户体验。2.2 OpenFlow技术2.2.1 OpenFlow 基本概念作为最早提出的SDN标准协议,OpenFlow从一个全新的角度定义和控制整个网络框架,Controller(控制器)和OF switch(交换机)协作完成数据报文转发,代替传统路由器单一的控制流量,实现了目前的控制和转发分离,成为一个新兴的网络交换模式,更网络优化更进一步。OpenFlow从提出开始就注定要掀起一股网络革新的狂潮,从 2007提出以后,它已经在软硬件方面获得很好的发展,更是在 08和09年 ,同时获得SIGCOMM最
18、佳演示奖,因为其被认为有能力改良未来的互联网发展,被评为“十大未来技术之一”。OpenFlow的发展历程:(1)2007年,OpenFlow 协议被提出;(2)2009年12月,1.0版本OpenFlow施行;(3)2011年,1.1、1.2版本的OpenFlow推出;本论文设计主要是基于OpenFlow1.0版本。2.2.2 OpenFlow结构OpenFlow 最初作为 SDN 的原型提出时,主要由 OpenFlow 交换机、控制器两部分组成。OpenFlow 交换机根据流表来转发数据包,代表着数据转发平面;控制器通过全网络视图来实现管控制功能,其控制逻辑表示控制平面,两层互相协作共同构成
19、网络控制功能。随着 SDN 概念的不断推广,ONF 也对 SDN 的定义和架构进行了详细介绍,进一步论述了 OpenFlow 和 SDN的相互关系3。 (1)OpenFlow Switch 交换机是SDN网络体系的重要组成部分,也是这篇论文设计的重点,负责报文转发,OF交换机有一个流表,对包进行直接查找和转发,然后利用OF协议,通过安全通道连接Controller,从而实现查询和管理流表。总体来看,OF交换机由流表、安全通道和OF协议组成,流表包括包头域、counter、action、匹配等细化内容,主要实现数据处理,而安全通道用来连接控制器和交换机,通过这个接口,控制器直接对交换机进行控制管
20、理。OF协议是一个标准,描述控制过程信息,也是上述通道结构的协议标准,它支持三种类型的信息:由控制器发起的CONTROLLER-TO-SWITCH,对SDN网络进行管理;由交换机发起的asynchronous,作用是把OF交换机状态变化同步到控制端,最后一种是symmetric消息,可有以上两者分别发起。图2.2 OpenFlow 结构图(2)Controller控制器对于整个网络节点联结具有控制性,通过标准协议对交换机/路由进行编程,决定不同数据包的流向,实现想要的功能。NOX作为一个OF网络的操作系统 ,通过在NOX上运行指令可以实现控制器的功能 ,在NOX系统上可以运行plugn-Ser
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