《软件定义网络原理与应用》课程教学探究

李养群 周梅

摘要：《软件定义网络原理与应用》是一门较为前沿的课程。对该课程教学内容、实验内容、教学方法和考核方法进行了较为全面的梳理和总结。从基础原理介绍、经典应用场景分析方面探讨了SDN网络技术原理与实现过程，启发学生结合网络知识进行思考。加强实践内容知识考核，考试中增加实验常见问题和解决方法内容，提高学生的学习积极性，以实现良好教学效果。

关键词关键词：SDN网络技术；课程内容体系；实验内容体系；教学改革

DOIDOI：10.11907/rjdk.161194

中图分类号：G434文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）007021302

0引言

软件定义网络（SoftwareDefined Networking，简称SDN）技术起源于斯坦福大学于2008年提出的OpenFlow技术。OpenFlow的基本原理是将网络控制功能与转发功能相分离，网络设备根据自身的流表（Flow Table）进行数据包转发，而控制器实现对设备流表的管理，例如添加、修改、删除等操作，同时控制器可将该功能通过应用编程接口向用户开放，管理人员根据需求开发各种应用，实现网络的灵活部署和管理。开放、集中式的软件控制模式，对目前的网络架构势必带来影响，同时建立在其之上的网络应用也必然要随之演进，其架构如图1所示。基础设施层主要包含网络路由交换设备等。在控制层，通过Openflow接口协议，可获得网络状态，并将状态信息反馈给应用。应用根据用户指示，将指令通过控制器下发给路由设备的流表中，从而实现控制功能。在应用层，用户根据控制器提供的北向接口开发和定制个性化应用，实现网络的灵活管控。

SDN网络与传统网络架构相比，具有如下特点：①控制功能与转发功能相分离；②可由软件通过开放API进行灵活管理和配置；③网络功能虚拟化，网络部署更灵活；④简化网络管理，通过控制器实现全局或者部分网络的管控。

SDN技术在工业界得到了广泛应用。Google公司已经在其内部部署SDN广域网络连接各地数据中心，通过SDN技术实现了带宽利用率100%。思科公司也提出了开放式网络环境SDN解决方案，提供了onePK开发工具套件，计划在未来的硬件产品中均支持SDN功能。腾讯互联网企业也正在积极研究SDN技术以实现流量管理控制和流量按需调度。运营商正在积极研究和探讨SDN技术如何应用于数据中心建设、城域网骨干网、接入网等，以及SDN在未来网络演进中的角色和方法Georg Hampe等针对SDN如何应用到电信网中进行了研究。SDN技术得到越来越多的应用，鉴于此，笔者学校网络工程专业新开设了《软件定义网络原理与应用》这门课程。

这门新开课程面临着无实践经验可借鉴、无教学内容可参考、无实际教材可选用、无实验内容可操作的情况。具体如下：

（1） 课程内容体系确立。《软件定义网络原理与应用》是一门具有一定的理论性、综合性和实践性课程，内容前沿，概念较多，涉及了计算机网络原理、操作系统、网络应用开发等内容，内容比较繁杂，具有一定的难度。因此，课程内容既要介绍基础理论知识，又要确保学生具有实践应用开发能力，通过实验实践活动提高理论认识。

（2） 实验内容、平台的选择与定位。作为前沿技术，虽然已经有相当多的实验模拟及仿真平台，但这些平台主要用于科研验证或实际工程实战，对于初学者而言，有一定难度。在这些科研或者工程开发平台之上，如何凝练出关键知识点，建立与之相符的实验内容及实验平台，需要结合教学实践进行探索。

（3） 教学方法和手段的选择。目前的教学主要采用理论教学加辅助实验的方式进行，这种方式是当前的主流教学方式，大部分教师也习惯于这种教学方式，但该方法的缺点也是相当明显的。传统教学方式从知识点出发，忽视课堂内容的目标性，学生学习之后，对于如何解决实际问题仍然无法给出明确的思路和解决方法。因此，传统的以知识点为中心的课堂理论教学必须改革，需将科研项目和教学内容相结合，以此吸引学生的学习兴趣，提高学习效果。

（4） 考核方式的调整和完善。目前考核方式基于平时成绩和期末考试成绩，期末考试主要考核理论知识，这导致部分学生不重视实验，在期末考试时根据知识点进行短期突击，导致成绩无法体现实际问题解决能力。另外，由于实验条件限制，多名同学共享实验环境，造成部分学生实验“打酱油”的现象。

2课程教学模式

（1）教学理念和思路。目前，各学校都在积极参与国家“工程教育专业认证”，《软件定义网络原理与应用》课程应用性强，是学生在未来工作中直接应用的重要技能。因此，要充分围绕“理论扎实和灵活应用”这两个方向进行教学，充分提高学生的应用和动手能力。课程教学体系、教学方法和考核方法均围绕该课程的“前沿性，应用性、综合性”特点而展开。

（2）教学内容确立。SDN网络技术最主要的特点在于控制与平面相分离、可编程等特点。因此，《软件定义网络原理与应用》课程也应根据“控制面、转发面、应用层”这3个内容展开，并提供与之配套的应用场景。针对SDN网络技术的这种特点，结合本课程的“前沿性，应用性、综合性”要求，提出了图2所示的教学体系。首先，将课程内容分为3大块：基础理论、支撑技术以及应用场景，将应用场景内容贯穿于整个内容体系之中。在基础理论中，针对应用场景，分析新的理论和技术可以为应用场景的实现带来哪些便利？有哪些作用为用户带来哪些收益？在基本技术中，为了实现这些应用场景，需要使用哪些新技术？最后在应用场景中，给出具体的实施方法和效果。在基础理论中，主要讲述SDN网络体系架构，理解控制面与转发面相分离的思想，并阐述支持这种分离机制的Openflow协议原理以及网络虚拟化思想。在基本技术环节中，进一步阐述支持技术，包括Openflow协议技术、网络控制器、网络控制器与应用层的北向接口和面向网络设备的南向接口，以及RESTful API和服务编排技术、网络拓扑管理技术等。在应用场景中，着重介绍当前SDN网络技术应用最为广泛的一些场景，例如数据中心虚拟化技术、数据中心网络虚拟化、网络资源监控与分配、网络安全管理、网络流量识别与管控等应用场景。

（3）实验内容体系架构。课程实验内容体系架构如图3所示。实验内容分为基本概念实验与综合实验。基本概念实验主要用于验证SDN网络技术基本概念和原理，包括各种Openflow流表控制实验、开源控制器实验、网络状态的监控以及路由表的下发、网络虚拟化技术VxLAN等。而编程接口主要从SDN网络可编程的角度进行验证性分析，帮助理解采用主流的编程方式实现网络的动态管理。

（4） 教学和考核方法。结合上述典型应用场景和实验案例，采用案例驱动教学法。围绕着“应用场景需求→如何实现？需要哪些技术 → 具体实现→实现结果总结与分析→凝练对SDN网络的认识”的思路展开。例如，针对网络安全管理实验，需要针对来自不同用户的网络流量执行不同的转发策略，即在传输时，不同用户的流量路径不同。对不可靠用户的流量将其定向到防火墙进行过滤，