基于Mininet的网络负载均衡仿真研究

胡 柳

(湖南信息职业技术学院,湖南 长沙 410200)

0 引言

随着互联网技术的飞速发展,网络结构日益复杂,传统的网络架构和管理方式已无法满足快速变化的应用需求。软件定义网络(Software Defined Network,SDN)作为一种新型的网络架构,通过将网络的控制平面与数据平面分离,实现了对网络的灵活控制和高效管理。负载均衡是一种将网络流量分配到多个服务器或网络设备的技术,其目的是提高网络的性能和可靠性。通过合理地分配网络流量,负载均衡可以避免单个设备过载的情况发生,从而保证整个网络的稳定性和性能。目前,很多学者对Mininet网络仿真开展了相关的研究工作。傅妍芳等[1]提出了一种可满足多类型业务QoS的动态自适应路由算法-拉格朗日松弛多约束(Lagrangian Relaxation based Multiple Constains, LRMC)QoS路由算法,在Mininet仿真网络中部署实现。利用Mininet CLI等功能对LRMC多约束QoS路由算法进行仿真对比试验。黄凯[2]对基于Mininet的混合网络模拟平台开展了相关研究与实现。周荣富等[3]使用Mininet工具对SDN网络拓扑带宽性能进行分析。王德强等[4]使用Mininet工具对胖树SDN网络进行仿真。杨俊东等[5]使用Mininet工具对SDN仿真并对其性能进行了分析。张毅等[6]使用Mininet工具对SDN网络带宽性能进行了研究。

本文基于Mininet对SDN的网络负载均衡进行研究,分析OpenFlow协议技术及其原理,验证SDN架构的功能和基本工作流程,构建网络负载均衡仿真研究的实验环境,并在Mininet工具中进行模拟实现,为进一步研究SDN架构提供了有效的技术支撑。

1 软件定义网络概述

软件定义网络的核心技术是控制与转发分离技术,通过将控制平面的功能抽象出来,控制器可以对整个网络进行集中控制和动态管理。控制平面的功能主要包括路由计算、资源分配、安全策略等,数据平面的功能主要包括数据包的转发和处理。软件定义网络的分离架构使得控制器的功能更加集中和强大,网络的管理和控制更加简单、灵活,可以根据应用需求快速调整网络配置,提高网络的可靠性和性能。同时,控制器与交换机之间的通信协议可以采用标准化接口,使得不同厂商之间的设备可以相互协作,提高了网络的互操作性和可扩展性。在传统的网络架构中,控制平面和数据平面是紧密耦合在一起的,导致网络的管理和控制不够灵活。

随着云计算、物联网等技术的快速发展,软件定义网络的应用场景将越来越广泛。未来,软件定义网络将与云计算、边缘计算等技术相结合,实现更加智能化的网络管理和控制。同时,随着5G、6G等新一代移动通信技术的普及和发展,软件定义网络将在移动通信领域发挥重要作用。此外,软件定义网络还将应用于工业互联网、智能交通等领域,推动各行业的数字化转型和创新发展。SDN的架构体系如图1所示。

图1 SDN架构体系

2 Mininet仿真平台

2.1 OpenFlow协议

OpenFlow是一种网络通信协议,它允许网络管理员通过网络控制器来远程管理和配置网络设备,从而实现网络流量的灵活控制。OpenFlow技术架构由3个主要组件组成:OpenFlow控制器、OpenFlow交换机和OpenFlow协议。OpenFlow控制器是整个OpenFlow架构的核心,负责管理和控制网络设备的流量。控制器通过与交换机上的OpenFlow协议进行通信,可以远程控制交换机的行为,包括流表的生成、修改和删除等。OpenFlow交换机是实现OpenFlow协议的网络设备,包含一个或多个流表,用于根据匹配的规则来处理网络流量。每个流表包含一系列的表项,每个表项定义了一组匹配条件和相应的操作。当交换机接收到数据包时,会查找流表中匹配的表项,并根据表项的操作来处理数据包。

2.2 Mininet中的SDN元素与命令

Mininet是一个用于研究和模拟SDN的开源工具。通过使用自定义的Linux内核和用户空间程序,实现高度可配置和可扩展的网络环境。在Mininet中,SDN元素和命令扮演着重要角色,使得用户能够灵活地控制和管理网络行为。SDN元素在Mininet中主要包括OpenFlow控制器、OpenFlow交换机和虚拟机。OpenFlow控制器是SDN的核心组件,负责管理和控制网络流量。控制器与OpenFlow交换机进行通信,实现了对网络设备的集中式控制。OpenFlow交换机则是执行SDN控制器指令的实际设备,能够根据控制器的决策来转发和处理流量。虚拟机则是用于运行用户自定义应用程序的环境,通过与控制器和交换机进行交互,可以实现各种网络实验和测试。在Mininet中,用户可以使用一系列命令来配置和控制SDN元素,其中一些常用的命令如下。

(1)mn:用于启动Mininet模拟器。通过指定不同的参数来配置网络拓扑、节点数量、链路带宽等。

(2)controller:用于添加控制器节点到网络中。指定控制器的IP地址和端口号以及使用的控制器类型(如Floodlight、Ryu等)。

(3)switch:用于添加OpenFlow交换机节点到网络中。指定交换机的IP地址和端口号以及使用的OpenFlow协议版本。

(4)host:用于添加虚拟机节点到网络中。指定虚拟机的IP地址和MAC地址以及使用的操作系统和应用程序。

(5)link:用于创建网络连接。指定连接的2个节点以及链路的带宽和延迟等参数。

(6)run:用于启动模拟并开始执行定义的应用程序或脚本,通过该命令来启动各种网络实验和测试。

(7)pingall、tracerouteall等:这些命令用于在网络中执行特定的网络测量任务,如ping和traceroute等。通过这些命令可以在Mininet中构建各种不同的网络拓扑和配置,从而实现灵活的网络研究和实验,Mininet还支持Python脚本自动化地执行复杂的网络操作和管理任务。

2.3 SDN中的网络负载均衡策略

软件定义网络中可采用基于流量的负载均衡策略、基于服务的负载均衡策略、基于内容的负载均衡策略等方式来优化网络性能、提高网络资源的利用率。本文采用基于流量调度的负载均衡策略开展仿真实验,核心原理是将流量的转发路径进行分析、管理、调整,通过SDN控制器的配置转发规则来实现全网的负载均衡。控制器获取全局网络视图后,对空闲链路、最短路径、流量表进行更新,将网络流量中的大小流进行区分与标记,通过自适应算法对其转发路径进行计算并重定向转发。流量转发流程如图2所示。

图2 流量转发流程

3 仿真过程与仿真研究

3.1 网络拓扑结构与环境定义

创建模拟环境场景:3台控制器、4台交换机、9台主机,拓扑结构如图3所示,并通过mn命令创建模型。

图3 模拟拓扑

3.2 仿真过程

针对全局网络空闲情况下,由域1内主机h1向域3内主机h8发出50 M的测试流量。此时,全局网络流量在正常情况下按流表默认情况进行数据转发,全局网络使用正常,网络延时小、响应及时,对其他主机间的数据传输未产生明显影响。

针对全局网络繁忙情况下,由域1内主机h1向域3内主机h8发出100 M测试流量,在此过程中各域内的其他主机之间也存在着数据传输,交换机处于不断转发过程中。同时,也根据流量转发流程进行流量转发及流表更新,包括优先级、链路状态、类型等信息。整个仿真过程中各主机采用Wireshark软件抓取流量信息并进行记录分析。

3.3 仿真结果分析

在全局网络空闲情况下,主机h1与h8通信过程畅通,使用链路“h1-S1-S2-S3-h8”,对其他主机间的通信影响小,全局网络运行通畅。在进行数据传输时,交换机流表、链路状态、优先级也进行了相应地更新。在全局网络繁忙情况下,由h1往h8发送100 M测试流量时,由于此时h4和h9等其他主机也在进行大流量数据转发,链路“h1-S1-S2-S3-h8”中的“S2-S3”链路状态为“忙”,根据转发策略调整转发路径为“h1-S1-S2-S4-S3-h8”,虽然传输过程节点数增加1,但是数据传输效率更具优势,全网利用率得到较大提升,从而实现不同主机之间的数据负载均衡。

4 结语

SDN作为未来网络发展新趋势已经得到了很大的关注,Mininet仿真工具能方便地进行网络仿真实验。本文通过对网络空闲和繁忙情况下对主机间的通信进行网络负载均衡及网络流量转发模拟仿真,结合控制器对网络流量转发及链路状态管理,能有效提升网络资源利用率,实现网络负载均衡。同时,Mininet仿真工具能进行可视化操作,为初学者研究SDN提供了良好的平台。