基于软件定义网络的计算机网络课程实验教学研究

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　　摘要：伴随着网络新技术发展速度的加快，社会发展过程中对于人才的需要也在发生着变化。而从现实的角度来讲，计算机网络课程实验教学虽然在新时期已经做出了一定的改变，但是，其中依然存在诸多不可忽视的问题。而在此过程中，要想全面提升计算机网络课程实践教学的整体质量，合理应用软件定义网络必不可少。本次研究中，文章就针对软件定义网络体系的主要组成部分以及在软件定义网络大环境下开展计算机网络课程实验教学的策略两个方面出发进行了具体的探讨和研究。
　　关键词：软件定义网络;计算机网络课程;实验教学;研究
　　中图分类号： TP311        文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）16-0130-02
　　最近几年，云计算技术和虚拟化技术在人们生活和工作中的应用越来越普遍，而在此过程中，为了使所培养的人才能够更好地适应人才发展的需要，促进学生实践动手能力和自主学习能力的提升，计算机网络课程实验教学也需要做出相应的改变。院校方面需要为学生建立具有较强扩展性、使用成本较低、具有一体化特点的网络实验课程教学平台。在此基础上，为学生设置更多能够满足学生未来发展需要的开源项目，全面提升计算机网络课程实验教学的质量，为学生未来的更好发展打下良好的基础。
　　1 软件定义网络体系的主要组成部分
　　1.1 支撑软件定义网络体系的原理与概念
　　以往，在计算机网络中，网络设备是连接数据转发平面和控制平面的最重要载体，而软件定义网络的基本理念则在于实现数据转发平面与控制平面的相互独立，借由控制平面来体现网络协议的复杂性，软件定义网络数据控制平面均包含南向接口，具备较强的标准性和开放性，在此基础上，借助北向接口来实现编程，其主要目的在于服务应用层的业务定制。
　　软件定义网络架构在虚拟层面上能够实现计算机网络资源配置能力的提升，在抽象层面上能够实现计算机网络集中控制能力的提升，在此基础上，真正将存储虚拟化、计算机虚拟化、网络虚拟化有机地结合到一起，为云计算服务的高质量落实打下良好的基础，提供充足的支持。具体如图1所示。
　　1.2 支撑软件定义网络体系运行的控制器
　　软件定义网络的控制器与软件定义网络的操作系统有着相似的作用，从向下的角度来讲，在数据转发过程中，能够实现对过程的管理、控制和资源配置[1]。从向上的角度来讲，能够为网络编程活动的开展提供接口。从逻辑的角度来讲，软件定义网络控制器具有较强的集中性特点，而从物理的角度来讲，分布式是其最主要的特点。
　　1.3 支撑软件定义网络体系运行的交换机
　　支持软件定义网络数据平面的最重要载体就是网络设备，而其中，OpenFlow交换机是必不可少的一个主要组成部分，设备在执行转发任务的过程中主要的依据是flow table。flow table在實际的控制过程中要保证通道安全，安全性是判断交换机是否可以执行转发命令的重要标准。flow table在工作的过程中无论是进行转发，还是进行字段匹配，都需要跨越多个网络协议[2]。OpenFlow交换机在落实协议工作的过程中，其配置需要充分考虑组网需要，不仅能够实现常规的路由器转发以及二级交换机的转发，在此基础上，在其他高层协议的转发方面也有着十分重要的作用。
　　OpenFlow交换机有两种形态，一种是软件形态，一种是硬件形态。其中，硬件形态的OpenFlow交换机非常适合组建生产型网络，软件形态的OpenFlow交换机则更适合测试平台和研究平台的搭建。由于OpenFlow交换机自身具有交换成本低、配置灵活度高的特点，因此，使用单位能够及时更新版本，在高校科研环境中具有极高的应用价值。而在教学实验平台的建立方面，OpenSwitch交换机具有更加广泛的应用范围。
　　2 在软件定义网络大环境下开展计算机网络课程实验教学的策略
　　2.1 校园环境场域下软件定义网络组网的策略
　　校园环境场域下，软件定义网络无论是在组网方式方面还是在规模方面都存在较大的差异，其具体的选择需要考虑到教学活动的开展目标以及科研活动的开展目标，在此基础上，根据不同的使用需要可以将其划分为不同的模式，科研园区内部可选择园区模式，学生独立实践可选择单机模式，实验室内部可选择实验室模式。
　　在园区模式中，其主要依托的设备为OpenFlow硬件网络设备以及校园网的主干，用户在实际使用的过程中可以借助OpenFlow以及软件定义网络自身强大的逻辑隔离能力和网络虚拟化能力，在校园网正常业务受影响的前提下，开展较大规模的创新网络试验活动和创新网络项目研究活动，在此基础上，最大限度地保证网络流量背景的真实性，做好新型网络业务和新型网络协议的部署工作、评估工作以及测试工作。
　　在单机模式中，其使用平台的建立主要依托软件定义网络仿真软件的搭建以及现阶段十分流行的虚拟机技术。迷你网最早由斯坦福大学研究团队开发，是现阶段应用十分广泛的一种网络仿真工具[3]。和传统的网络模拟软件存在较大的差异，迷你网还能用于原型系统的快捷开发，它能运行原汁原味的代码以及实际的网络协议栈。在迷你网仿真平台上，还可以开发测试网络新功能，开发测试通过后，再将相关功能迁移到现实的目标网络中。与此同时，实际网络与虚拟网络还能最大限度的实现连通。
　　在实验室模式中，OpenFlow对于网卡服务器没有特定要求，可通过两种方式来实现，第一种是将OpenFlow软件以及NetFPGA安装在服务器上。第二种是将OpenvSwitch软件安装在服务器上，在此基础上，建立模拟的OpenFlow软交换机。在创新型研发工作的开展过程中，前者是最好的选择，而在搭建教学实验平台的过程中，后者的应用最为普遍。
　　软件定义网络环境中，无论是单机模式还是实验室模式都可以支撑教学实验平台的构建，而相比之下，实验室模式与真实网络环境的运行原理更加接近，但是，组网需要多台计算机协同工作，而迷你网只在单一计算机上即可实现对整个OpenFlow网络的模拟，具有更高的可扩展性，因此，在课程教学实验领域中的应用十分普遍。 　　2.2 以迷你网络为基础的构建单机实验环境的策略
　　迷你网属于轻量级网络虚拟化平台的一种，它主要基于Linux内核虚拟化技术开发，在实际应用的过程中，能够对软件定义网络大背景下所需要的所有组件进行仿真，包括虚拟主机节点、软件定义网络控制器、OpenFlow交换机都能够实现仿真[4]。除此之外，系统还在迷你网虚拟机镜像中进行了Wireshark工具的预装，这是现实中十分常用的一种协议分析工具，能够实现网络协议流量的独立分析，进而以图形化界面为单位进行网络协议流量的分析，在搭建网络实验环境的过程中，这种方式具有较强的一体化特征。
　　从现实的角度来讲，我们可以将每台主机都看作是一个具备较强完备性和独立性的网络实验平台，在基础上，在网络实验室的建设过程中可以完全依照PC机房的制式来进行操作，无论是在扩展性方面还是在容量方面都具有十分明显的优势。事实上，现阶段很多学生使用的个人计算机就已经进行了虚拟机系统的安装，因此，在迷你网实验环境的搭建过程中也更容易操作，在集中实验环节之外，可以进行有效补充，在此基础上，有效解决实验课时有限和实验设备不足的问题，鼓励学生在课外进行创新探索以及自主实验。
　　2.3 在迷你网大环境下进行单机网络实验的具体策略
　　要想将虚拟机技术引入到实际教学中，使虚拟机技术能够充分发挥自身对实验教学活动的推动作用，在实际教学活动的开展过程中，无论是现阶段比较流行的协议分析工具还是操作系统的网络测试命令，都能够在迷你网平台上实现，与此同时，迷你网还能够用于测试仿真网络，实现对图形化交互窗口的高质量管理，能够有效地将迷你网网络环境中的实验内容与传统网络的实验内容无缝地连接到一起，这也是相比于传统网络仿真软件来说，迷你网最明显的优势。迷你网能够提供多种网络拓扑结构的预定义，用户在实际操作的过程中能够通过脚本编写的方式实现自定义的网络拓扑，与此同时，在新型网络功能的开发过程中API也能发挥十分重要的作用[5]。因此，在这一平台上进行教学实验的安排具有十分广阔的空间。相比于传统的教学方式，决定可以充分发挥自己的想象力进行自主探究，而不需要再揣摩教师的教学思路，被限制在教师的教学思路之内进行探索，因此，更有利于学生实践创新能力和实践探索能力的培养，在此基础上，使学生能够更好地适应未来社会的发展需要，成長为具有较强专业素养的人才。
　　从综合性实验教学活动的开展情况来看，通过在迷你网大环境下进行单机网络实验的教学，学生可以对交换机的运作原理进行观察，与此同时，还能认真分析交换机的外部行为，明确交换机的运作方式以及计算方式。学生在自主设计实验的过程中，自身的实践动手能力也能得到相应的提升，在此基础上，对网络对象的系统级能够产生更加深入的认知。从实际操作中我们可以发现这样一个问题，对实验细节进行验证也可以借助协议分析工具以及网络测试命令来实现。
　　在迷你网的实验环境下，可以实现多重软件的自由安装配置，与此同时，对于虚拟机技术的相关问题也能够有更加深刻的掌握。学生在进行综合性实验活动过程中，要熟练掌握迷你网的常用命令，与此同时，学生在设计实验的过程中，需要能够编写Python脚本语言。而在此过程中，教师需要做好针对学生实验过程的指导工作，引导学生进行实验环境的维护，在教学计划的制定过程中，教师也需要考虑到学生学时的问题，另一方面需要考虑到学生专业定位的问题，在此基础上，为学生制定合理的培养目标。
　　3 结语
　　综上所述，虚拟化技术以及软件定义网络是现阶段网络技术发展的重要趋势，在此基础上，通过迷你网络实验环境的搭建，不仅能够实现网络实验平台的独立化，与此同时，还能真正实现网络实验平台的一体化，针对现阶段计算机课程网络实验教学活动开展过程中存在的诸多问题也能够给出十分明确的解决方案。从参考实例的角度来讲，这一平台不仅对传统实验具有较强的兼容性，与此同时，自身在进行活动规划的过程中还具有较强的灵活性，能够为课程教学提供强有力的支撑。
　　参考文献：
　　[1]康梅娟.“互联网+”背景下计算机网络课程教学改革[J].教育现代化，2019，6（96）：132-133，136.
　　[2]黄雅晶.基于Cisco Packet Tracer工具的计算机网络课程实验教学总结[J].信息与电脑（理论版），2019，31（22）：230-232.
　　[3]常燕.基于MOOC的计算机硬件课程实验教学研究[J].科技资讯，2019，17（33）：134-135.
　　[4]袁艺，聂秀山.“以本为本”形势下计算机网络课程教学改革探讨与展望[J].教育教学论坛，2019（46）：267-268.
　　[5]周既松，苏代玉，陈莲.发挥“双因素”作用提高学生参与度  促进计算机网络实践教学改革[J].科技资讯，2019，17（31）：146，148.
　　【通联编辑：唐一东】
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