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摘 要 针对软件定义网络（Software Defined Network，SDN）
的可编程重要特性，以控制平面北向应用开发为主要内容，设计实验方案。该方案基于负载均衡的SDN应用场景，对Open-Daylight控制器北向接口采用Python编程并部署实现。一方面可以加强SDN的场景认知，为学习北向应用开发提供有意义的实践指导;另一方面能够促进学生深入理解SDN的可编程内涵，掌握SDN灵活部署网络新业务的架构优势，从而提升网络应用的实践创新能力。
关键词 软件定义网络;北向接口;网络课程;实验教学;负载均衡
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）04-0121-03
Abstract This paper briefly introduces the programmable fea-tures of Software Defined Network （SDN）， and puts forward the experiment for the northbound application development of con-trol plane. The experiment teaching scheme is designed with app-lication scenario of load balance， and is deployed on the north-bound interface of OpenDaylight controller by Python progra-mming. It not only provides meaningful practical guidance for learning northbound application but also promotes students’ un-derstanding of the programmable connotation of SDN. And the experiment is helpful to master the SDN architectural advantagesfor deployment of new services， so the practical innovation abi-lity of network applications can be enhanced.
Key words software defined network; northbound interface; net-work course; experiment teaching; load balance
1 引言
伴随着互联网规模的不断扩大与爆炸式增长，网络结构越来越复杂，网络上部署的应用也越来越多。由于传统网络架构的灵活性和可控性较差，增加部署协议或规则太为烦琐，严重阻碍了网络的进一步发展[1]。软件定义网络（Software Defined Network，SDN）正是为解决传统网络面临的问题与限制而提出的新型网络架构[2]。SDN将控制平面与数据平面分离，网络设备的所有控制逻辑集中在SDN控制器。控制器拥有网络的全局视图以及下层设备信息，并通过开放的北向API（Application Programming Inter-face，应用编程接口）为开发者提供软件编程的方式调用网络资源与编排网络业务，从而快速实现负载均衡、防火墙等网络新应用部署。因此，SDN控制平面北向接口的可编程特性，能够极大地推动网络业务创新，繁荣网络应用，成为SDN的核心特性之一[3]。
自SDN提出后，相关研究和产业化应用迅速展开，将SDN引入网络课程体系，是提高课程先进性与前瞻性的必然趋势[4]。作為网络新型架构，SDN技术新颖，学生在学习中往往存在一些问题，例如：SDN的理论知识前沿且抽象，缺少可借鉴的配套实践内容;对SDN应用场景的认知不足，很难理解SDN的可编程特性;无法准确把握SDN用于网络业务开发的架构优势，局限了网络创新能力培养。
针对上述问题，本文提出以SDN控制平面北向API的程序开发为主要内容，基于负载均衡的网络应用场景，对实验教学进行设计，并引导学生加以部署实现。该实验方案能够促进学生掌握SDN架构下编程实现网络新应用的基本方法，加强对SDN可编程内涵与网络业务快速部署的深入理解，有助于提升学生网络应用的实践创新能力。
2 重要知识点分析
负载均衡是一种服务器或网络设备的集群技术，将特定的网络业务（如网络服务或网络流量等）分担给多个服务器或网络设备，从而提高业务处理能力，保证业务的高可用性。在传统网络中部署负载均衡器成本较高，过程较为繁杂;但在SDN网络架构中，控制器拥有全局网络信息，能够对业务需求灵活调配。因此，负载均衡成为SDN的“杀手级”应用。
SDN北向接口是控制器为应用提供的API编程接口。编程者无须关注底层设备细节，就可以通过北向接口访问控制器管理的网络资源，设计网络策略并与网络进行交互，充分利用SDN的网络可编程优点。本实验以多路径的链路负载均衡为应用场景，通过对控制器开放的北向接口编程，及时获取底层设备的负载信息，并将数据分配到多条路径传输，从而快速灵活地部署并实现负载均衡应用。
3 实验方案展示
实验仿真环境搭建 基于链路负载均衡的应用场景，对控制平面北向API进行程序开发，旨在促进学生掌握SDN架构下编程实现网络应用的基本方法，理解SDN网络可编程的重要特性。利用开源控制器与软件交换机等虚拟化技术，能够在普通的实验室环境中轻松部署SDN控制平面北向应用开发所需的实验环境[5]。首先，利用虚拟仿真平台Mininet部署由终端虚拟主机、OpenvSwitch软件交换机、开源控制器构建的SDN仿真网络，效果可与真实网络环境相媲美。其次，在控制平面采用著名的开源通用SDN控制器OpenDaylight（ODL）。ODL提供一套基于SDN开发的模块化、可扩展、可升级、支持多协议的控制器框架，被行业普遍使用。其北向应用接口REST API的可扩展性很强，且简单易学，适用于浅层应用开发。学生仅需了解一些ODL提供的Python或Java API，就可以编程实现简单的SDN网络应用，省去了初学阶段理解控制器繁杂内部运行机制的麻烦，非常有利于实验教学展开。
实验采用的虚拟拓扑如图1所示，其中包括开源ODL控制器c0和两个主机h1、h2，以及四个OpenvSwitch软件交换机s1、s2、s3、s4;h1与h2之间存在两条等价传输链路s1-s2-s4和s1-s3-s4;通过控制器下发流表，实现主机间消息传递。
实验流程 首先，明确SDN北向应用开发的API参数。其次，通过ODL控制器北向Python API进行编程开发，功能流程如图2所示。基于图1拓扑，利用控制器监测数据传输，当传输流量达到指定负载的上限阈值，控制器重新下发流表，将数据分配至多条链路传输，达到全网的负载均衡。最后，查看并验证实验结果。
1）控制平面北向API的常用参数。在SDN网络架构中，控制器掌握全局网络并通过将流表下发至交换机，对数据传输与转发进行灵活管控，实现对链路负载的快速迁移与调配。因此，对ODL控制器的北向接口编程，首先重要的是让学生了解与流表相关的API，其功能与属性描述如表1所示。由此定义的s1交换机相关流表如下：
2）链路流量监测。基于图1的网络拓扑，由主机h1向h2传输数据，交换机s1承载的流量成为是否要进行网络负载均衡的重要指标。因此，调用ODL控制器北向API接口，编写Python程序代码，获取s1的端口流量，实施链路负载监测。核心代码如下：
3）负载均衡。若带宽负载达到指定阈值，则启用负载均衡功能，将数据流分配到两条路径并行转发。通过控制器北向接口，程序将流表轮流交替下发到交换机s1，使h1传出的数据分到s1-s2-s4与s1-s3-s4两条链路上传输，实现网络的负载均衡。其核心代码如下：
137：8181/restconf/config/opendaylight-inventory：nodes/node/openflow：1/flow-node-inventory：table/0/flow/1"， body=path1_body1， method="PUT"，headers=headers） //发送PUT消息，装载流表，传输路径为s1-s2-s4
⑦time.sleep（1）
通过终端观测的结论如图3所示，在应用负载均衡程序后，从s2和s3交换机的流表信息可以看出流表上各有数据包经过，表明数据流能够从两条链路传输至目的主机，程序实现成功。
4 结语
本文提出SDN控制平面北向应用可编程为核心的实验教学方案，以负载均衡为主要场景，以OpenDaylight控制器的Python API为编程接口，设计实验并给出相应的部署与实现过程。该实验方案将SDN的可编程特性落实到实际应用场景，让学生通过动手实践，能够深入理解SDN部署网络业务的灵活性与架构优势，为今后开发SDN新应用与新业务拓展思路，有助于提升学生的网络实践创新能力。
参考文献
[1]张少军，兰巨龙，胡宇翔，等.软件定义网络控制平面可扩展性研究进展[J].软件学报，2018，29（1）：160-175.
[2]张朝昆，崔勇，唐翯祎，等.软件定义网络（SDN）研究进展[J].软件学报，2015，26（1）：62-81.
[3]于洋，王之梁，毕军，等.软件定义网络中北向接口语言综述[J].软件学报，2016，27（4）：993-1008.
[4]李养群，周梅.《软件定义网络原理与应用》课程教学探究[J].软件导刊，2016（7）：213-215.
[5]叶进，冯露葶，何華光，等.基于虚拟化技术的软件定义网络实验教学方案[J].实验室研究与探索，2017，36（3）：79-82.