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基于云平台的计算机网络仿真实验

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王晓锋吴文燕孔军蒋敏

摘要基于OpenStack云平台，构建计算机网络课程仿真实验，可满足可扩展、高逼真、开放式的实践教学需要。分析OpenStack云平台在计算机网络实验教学中面临的问题，研究虚拟路由器、虚拟链路等关键要素的构建方法。面向路由协议以及TCP协议等实践教学环节，构建典型的仿真场景，验证基于云平台仿真实验的有效性。

关键词计算机网络课程；OpenStack云平台；仿真实验

中图分类号：TP391.9文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）02-0123-04

1前言

计算机网络课程是高等学校计算机科学与技术专业的核心课程，具有实践性强的特点。为加深学生对计算机网络课程理论知识的理解，培养学生对计算机网络领域的实践与创新能力，各高校计算机网络课程都设置了实验与实践课程。以各种交换机、路由器等物理设备构建的实验环境存在运维成本高、灵活性低等缺点；基于各种网络模拟与仿真软件构建的虚拟仿真平台，成为计算机网络实践教学的重要支撑[1]。

基于经典的NS2、NS3等开源的网络模拟软件，可构建面向计算机网络实验的虚拟仿真场景[2]，但存在真實计算机网络应用软件无法加载，仿真界面效果差等缺点，导致教学实验可操作性差；OPNET、Qualnet等网络模拟软件尽管具有良好的用户界面，但是由于是收费的商业软件，这制约了这些软件在计算机网络实验教学中的使用[3]。思科公司的PacketTracer网络仿真软件具有良好的用户界面，被广泛应用于计算机网络实验教学与培训中[4]，但仅是单机版网络仿真软件，在可扩展性与开放性方面存在不足，且存在真实计算机网络应用软件无法加载的问题。

鉴于上述问题，本文基于OpenStack[5]云计算平台，研究计算机网络课程仿真实验的构建方法。OpenStack云平台随着自身的不断完善与发展，逐渐成为主流云平台，其相关优势有助于构建可扩展、高逼真、开放式的计算机网络课程仿真实验平台。本文首先分析OpenStack在计算机网络仿真实验方面的优势与不足，接着有针对性地研究虚拟路由器、虚拟链路的构建方法，最后面向路由协议以及TCP协议等教学内容，构建相应的仿真实验，验证有效性。

2基于OpenStack的网络仿真实验分析

OpenStack云平台介绍OpenStack是一个开源的基础架构即服务（IaaS）云计算平台，其目标是为大规模的共有云和小规模的私有云提供一个易于扩展的、弹性云计算服务。它给用户提供一个Web交互接口的控制面板（Dash-board），管理一个或多个数据中心的所有计算资源池、存储资源池、网络资源池等硬件资源，且支持多种不同的Hypervisor（如QEMU/KVM、Xen、VMware、Hyper-V、LXC等）。OpenStack云平台的基础架构如图1所示。

Openstack云平台物理环境主要由控制节点、网络节点与若干计算节点组成。控制节点负责管控整个平台，提供包括资源分配、虚拟机管理、平台实时监管等功能，并向用户提供名为Dashboard的图形管理界面，用于管理平台中的虚拟网络和服务器集群。网络节点提供各种网络服务，其中router-namespace提供路由服务和地址转换服务（NAT），dhcp可自动为各个虚拟机分配IP地址。计算节点为虚拟机的建立提供各种资源，在一个基础架构中可以包含多个计算节点，计算节点越多，可以构建的虚拟网络的规模越大。

计算节点和网络节点均有OpenvSwitch（OVS）模块，是支持软件定义功能的虚拟交换机。OVS由各个网桥构成，分别为br-tun、br-ex和br-int。br-tun作为接口用于连接分布在不同节点中的OVS，实现平台的分布式架构。br-ex只存在于网络节点的OVS中，它和网络节点外网网卡相连，用于接入外部实物网络。br-int是数据包的中继站，所有的虚拟机和OVS中其他的两种网桥都与br-int相连，保证了同一虚拟网络的连通性，待转发的数据包都会进入br-int进行流表匹配并执行相关操作。OVS支持VLAN功能，可实现虚拟网络的相互隔离。

Openstack云平台中由物理服务器网卡所连接形成的网络分为三种，分别为管理网、隧道网和外网。管理网用于控制节点对各个节点进行管控以及下达操作虚拟网络的命令；隧道网连接各个节点，用于构建分布式平台；外网即外部物理网络，可与实物网络互联。

OpenStack的网络仿真实验能力分析基于上述介绍，对OpenStack用于网络仿真实验的优势进行分析。

1）扩展性：通过扩展OpenStack计算节点个数，可实现大规模网络拓扑的教学实验以及实现多个教学实验