互联网实验平台的资源管理及现实轮询系统构建与实施

第一章 绪论

1.1研究背景

20世纪60年代以来，互联网经历了快速的发展历程，如今互联网几乎遍布世界各地，成为人们日常生活不可或缺的一部分，并且在社会和经济的发展过程中起到了越来越重要的推进作用。回首互联网的起源，它是诞生于实验网。作为互联网的雏形APPA，最初就是只拥有很少的几个节点规模的实验网络，经过多年的科学研究与网络实验，最终获得了很大成功。着眼于未来，由于当前互联网在可扩展、安全性等诸多方面存在各种各样的技术难题，欧美的地区和国家己经积极展开对未来互联网的研究工作，力图使互联网更完善、也更安全。

现如今，我们对未来互联网的研究路线，是在吸取了过去互联网诞生与发展过程中的经验与教训的基础上，从未来互联网实验技术的研究，以及实验创新环境的建立方向开始的。主要原因有以下两个方面:第一，为了更方便的对基于未来互联网研究而提出的新服务、新概念、新架构等进行验证和评估，我们采用了建立实验验证平台和研究实验技术这种方式，从而可以推动这些新的算法和机制能够在功能和性能等方面得到完善和提升。第二，建立对未来互联网的实验验证平台并研究未来互联网实验技术的这种尝试，是对互联网未来发展方向的最好的一种探究方式。在欧美各国对未来互联网的种类繁多的研究项目中，欧盟的FIRE计划和美国的GENI计划，PlaLanb平台，Emulab平台等，都是基于实验和验证的实验床课题。

1.2 网络试验平台现状

欧美目前对未来互联网实验技术和实验创新环境的研究己有一段时间，其中现在己经拥有的实验验证平台主要有以下几个:

1.Emulab和Netbed

Emulab是犹他大学搭建的大型网络仿真实验环境，它集成了网络仿真、网络模拟和实验床等技术，并且提供了图形化的界面，可以远程设置实验拓扑、配置仿真节点、进行网络控制及重构。Netbed在Emulab基础上，添加了对分布式节点的支撑。同时其集成了Dummy广域网仿真器，从而提升了对广域网的仿真能力，增强了实验环境的扩展性。然而，Emulab和Nethed的缺点是，不能有效地集成真实设备和网络环境，同时也不具备设备级的再编码能力，对于新的路由算法、协议和设备的评估，需要对实验环境作复杂的配置，从而提高了门槛，不易于使用。

2.DE一TER

DE一TER是由美国政府投入五百多万美金在伯克利大学和南加州大学建立的网络实验环境，用于研究网络安全防御技术。

1.3 研究目标和研究内容

本课题旨在基于OpenFfow技术，在搭建完成该实验平台网络环境的基础上，设计实现其资源管理和现实监控系统。对实验床的节点、交换机和路由等所有资源进行统一管理，并对其现实进行实时监控，以图形、列表等形式反馈给系统管理员。

本课题研究的目标是:

1.深入研究叩enflow技术，并依据该技术搭建大型网络试验平台。

2.在大型网络试验平台搭建成功的基础上，设计实现其资源管理和现实轮询系统，对实验平台进行管理和监控。

1.4本论文目的和内容划分

本文所涉及的课题将根据斯坦福大学提出的openflow技术，建立大型网络试验平台。并在其基础上，设计实现实验平台的资源管理和现实轮询系统。从而为实验平台的可管可控提供强有力的支持。

本文的内容是大型网络试验平台的资源管理和现实轮询系统的设计与实现，全文主要分为六章。

第一章为综述了整篇论文，简易介绍了课题的背景和研究的意义，以及论文的研究目标和研究内容;

第二章介绍了本课题涉及的重要概念和技术。涉及到网络仿真，openflow网络构成以及Nox控制器。重点介绍了openflow网络构成，包括opennow交换机、Flowviso:和eontroller，分析了openflow技术的特点和与众不同的管控机制。

第三章阐述了资源管理和现实轮询系统的系统架构，并分别对它的四个模块(信息查询模块、流表管理模块、流迁移模块以及前端显示模块)进行了简要介绍。

第四章介绍了各模块的详细设计与具体实现。

第五章对系统功能进行了相关测试。

第六章对整个论文进行了总结并对该课题的发展方向作了展望。

第二章 相关概念和技术

2.1 OpenFlow网络

2.1.1网络构成

OpenFlow网络由OpenFlow交换机、FloWVisor和Controller三部分组成。Ope叮low交换机转发数据层;F10wVisor虚拟化网络;Colltroller对网络集中控制，实现控制层功能。openFlow网络的结构如图2一1所示：

第三章系统架构.................................................19

3.1系统概述.............................................19

3.2需求分析.......................................................20

3.2.1主要功能...................................................................................20

3.2.2用例分析....................................................................20

3.3模块介绍...............................................................27

第四章详细设计与实现....................................................................30

4.1交换机查询模块..................................................30

4.1.1模块功能设计.................................................................30

4.1.2模块运行流程.............................30

4.1.3模块实现........................................................................31

4.1.4程序主体..................................................................38

4.2流查询与管理模块..................................39

4.2.1模块功能设计.........................................................................39

4.2.2模块运行流程.....................................................................39

4.2.3模块实现，........................40

4.2.4程序主体............................................................................47

4.3拓扑查询模块..............................................................47

4.3.1模块功能设计.................................................47

4.3.2模块功能实现.....................................................48

4.4数据处理与前端显示模块.............................................................51

4.4.1模块功能设计...................................................51

4.4.2模块功能实现..........................................51

4.5总结...............................................................................57

第五章系统测试......................................................59

5.1测试方法................................................................................59

5，2测试环境................................................................................59

5.3测试项目及结果..........................................................59

5.3.1交换机查询模块...........................................................59

5.3.2流查询与管理模块..............................................................62

5.3.3拓扑查询模块........................................................................64

5.4测试结果分析.......................................................................65

第六章总结与展望....................................................66

6.1完成的主要工作总结...........................................................66

6.2对未来研究方向的展望.....................................................67

第六章 总结与展望

6.1完成的主要工作总结

随着因特网的快速发展，网络的规划、应用和协议的设计面临着新的挑战，在实验环境中对网络规划、新应用和协议进行评估是应对挑战的有效手段。因此建立大型网络试验平台，以提供可重构、可扩展、高逼真以及可重现的网络实验环境，是对未来互联网进行探索和研究的最好方式。

目前，搭建大型网络试验平台的技术主要包括测试床、网络模拟和网络仿真等三种类型。在这几种实现技术中，测试床的实验结果最接近真实，但是其造价过高和结构复杂的特点，使得其规模有限，且难以大规模推广。网络模拟实验过程可控可操作，并且灵活度很高且代价很低，而且可以设计复杂多样的网络拓扑，不过它无法引入实际网络流量，对实际细节的支持度也不高。网络仿真拥有以上两者的优点。在网络仿真的实验环境里，网络应用是运行在实际硬件平台上的，可以和实际环境进行交互，十分灵活且易于扩展，同时其实验环境可以配置，过程可以控制，流程可以重复，并且能够生成真实的网络流量。从而使得我们采用网络仿真来作为构建大规模网络试验平台的核心技术。然而现有的网络仿真实验平台存在着无法验证新技术的缺点，因此我们在网络仿真的基础上采用了OpenFfow协议，由于OpenFfow是基于可编程网络设备技术路线的代表性技术，完全满足了我们的需求。

本课题旨在基于OpenFlow技术，在搭建完成该实验平台网络环境的基础上，设计实现其资源管理和现实监控系统。对实验床的节点、交换机和路由等所有资源进行统一管理，并对其现实进行实时监控，以图形、列表等形式将结果反馈给系统管理员论文的主要成果如下:

(l)设计了一个分层的架构，分层模式可以将不同模块的变更相分离，并将复杂问题分解成较小的且容易管理的片断。而且该模式可以允许实现细节的抽象，方便高级层次中不同的应用共享低级层次内的资源。我们的软件架构允许在不改动控制层的情况下，实现很多不同的用户接口。

(2)对OpenF10w协议进行了深入研究，将OpenFlow各种信息的数据定义，以及相关命令深入理解，在此基础上完成了底层模块的开发工作。

(3)实现了交换机查询模块:本模块主要功能是实时采集交换机现实数据，并将其转化为XML文档，以供数据处理模块以及可视化模块调用，并且模块收集的数据可以通过数据处理模块与其它底层模块共享。

(4)实现了流管理模块:本模块的主要功能一是响应用户提出的各种流管理方面的请求，对交换机中的流进行相应的变更和管理;二是提供所有交换机的流表详细信息的展示与查询功能。

(5)实现了拓扑查询模块:本模块主要功能是实时网络链路现实信息，并以拓扑图的形式展现给用户，方便用户掌握实验平台当前的网络拓扑现实，以便于网络的管理和链路故障的分析处理，并可以向其他模块提供后台支撑。

(6)实现了数据处理和前端显示模块:本模块对底层模块的数据进行处理并将其显示在web页面上，同时提供给用户以页面方式远程调用底层模块的方法，使网络管控更方便、更直观。

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