基于SDN的智能化英语多媒体教室设计
胡国强+陈毅
摘 要： 针对现有的英语多媒体教室网络监测工作量大与维护复杂的问题，结合SDN网络的快速演进，在综合考虑网络智能化和虚拟化的基础上，设计一种新型多媒体教室网络架构。此架构基于SDN技术，通过SDN的控制器集中管理所有的中控设备。详细描述了该方案的设计思想、总体架构，通过Mininet仿真平台进行测试，从而验证了该方案的可行性。最后，通过实际部署SDN网络，说明基于SDN的多媒体教室网络有助于教师更好地开展教学，有助于学生更好地学习。
关键词： SDN； 多媒体教室； 中控设备； 集中管理
中图分类号： TN915.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0088?04
Abstract： Since the workload of the network monitoring for available English multimedia classroom is heavy， and its maintenance is complex， on the basis of the rapid evolution of SDN network and comprehensive consideration of the network intellectualization and virtualization， a new multimedia classroom network architecture was designed. All central control devices are managed intensively with the SDN technology based architecture through the controller of SDN. The design concept and overall architecture of this scheme are described in detail. The scheme was tested with Mininet simulation platform to verify its feasibility. The SDN network was deployed practically to show that the multimedia classroom network based on SDN is conducive to the better development of teaching for teachers， and better development of learning for students.
Keywords： SDN； multimedia classroom； central control equipment； concentrated management
當前，先进的互联网和信息技术对教育产生巨大的影响，大力推进教育技术信息化、科学化、智能化是世界教育追求的目标[1]。作为新型教育技术的载体，高校英语多媒体教室不仅提供了多种英语教学方式，而且为教师提供了充分利用各种课件的条件，为学生提供了联系英语口语和听力的条件。随着高校办学规模扩大，高校英语多媒体教室的数量也在不断增加，英语多媒体专网的规模也在不断扩张。网络设备和中控设备的增加加大了多媒体管理人员的压力，加大了网络监测的工作量。庞大的传统网络体系故障率高且维护繁琐，如何能减轻多媒体网络的工作量，提高工作效率，更好地为使用英语多媒体教室的师生提供优质的服务是当前亟待解决的问题。
在这样的环境下，本文提出了一种基于SDN的新型多媒体教室网络架构，此架构将多媒体教室管理系统划分为应用层、控制层、网络基础设施层三大层。基于SDN的多媒体教室网络通过网络基础设施中的控制解耦来简化多媒体教室网络的配置与管理。
1 SDN多媒体网络架构
1.1 现有英语多媒体教室网络管理存在的问题
随着多媒体教室的不断普及，多媒体教室网络越来越庞大，其在管理和维护方面暴露出很多问题，有些问题甚至影响了老师的教学[2]。传统的多媒体教室网络存在的问题如下：
（1） 网络设备（包括交换机和中控设备）的配置是通过网络管理员手工输入命令行配置的，工作量大。
（2） 网络和业务分离，新业务的部署需要接入新设备来实现。需要调整业务时，网络部署就显得非常低效，甚至无法实施[3]。
（3） 只有基于大带宽的粗放型带宽保障措施，细粒化的带宽质量保证和监控无从谈起[4]。对于特殊需要网络带宽的教学或实习课程只能保证网络连通，没有办法保证用户体验，从而影响教学效果。
（4） 英语多媒体教室交换机+中控设备的结构导致多媒体教室网络排查故障繁琐。
由此可见，基于传统网络结构的多媒体网络在管理和维护中存在诸多问题。随着SDN网络的快速发展，本文引入了SDN技术来解决传统网络架构的英语多媒体网络面临的问题。
1.2 基于SDN的多媒体教室网络架构的概念
SDN起源于2006年美国GENI项目资助的斯坦福大学Clean Slate课题。2009年，斯坦福大学Nick McKeown教授为首的研究团队提出了基于OpenFlow的SDN概念用于校园网络的试验创新[5]。其核心是利用分层的思想，将数据转发与控制相分离，目的在于改变结构和功能日趋复杂，管控能力日趋减弱，且难以进化发展的现有网络基础架构。基于SDN的多媒体网络架构在控制平面，通过可编程和逻辑中心化的控制器，多媒体教室网络管理人员可以掌控所有的网络信息来部署新协议和管理配置网络等；在数据平面，尽可能地采用标准化通用设备（交换机和中控设备），提高接入网设备的统一性、通用性和适配性，降低网络异构程度[6]。两层之间采用开放的统一接口（如OpenFlow等）进行交互[7]。SDN控制器通过标准接口向网络设备统一下发标准规则，网络设备仅需按照这些规则执行相应的动作即可。本文认为基于SDN的多媒体网络架构通过集中化的控制实现了对现有的网络设备、中控设备和接入网中的教学资源细粒度的管理。
1.3 基于SDN的多媒体教室网络的特征
多媒体教室网络中的SDN控制器集中管理所有的交换机和中控设备，随时可以获取多媒体教室网络的静态拓扑及流表信息，有利于网络的高效管理和优化，更有利于多媒体教室网络故障的快速定位和排除。根据需要安装查看网络流量和性能的开源软件，有助于网管监控整个网络，保障了正常的教学秩序。
基于SDN的多媒体教室网络采用统一的SDN控制器对整个网络进行集中控制，根据业务的具体要求通过修改流表，统一下发网络的转发规则和动作，可实现多路径转发和负载均衡，提高多媒体教室网络的可靠性和带宽利用率[8]。
2 基于SDN的多媒体网络架构具体设计
2.1 基于SDN的多媒体网络架构设计思路
基于SDN的多媒体教室网络的构建，总体上遵循“易于管理、集中控制、整合资源、易于维护”的指导思想，既要保障网络的稳定性、可靠性、易用性和安全性，又面保障网络的可扩展性、可伸缩性和业务部署能力。
在设计时还应注意以下几点：在简化管理的基础上能满足教学服务的要求；与现有的多媒体交换机和中控设备完全融合；不影响现有系统的使用；维护简单，易于找到故障节点。
2.2 基于SDN的多媒体网络架构设计
基于对SDN的多媒体网络教室的定位、特征和设计思路的探讨，按照SDN的经典架构结合现有多媒体网络元素将基于SDN的多媒体教室网络的总体架构从低到高划分为三层，如图1所示。
网络基础设施層支持OpenFlow的交换机和中控设备及中控设备下联的所有设备；
控制层支持OpenFlow的控制器，通过北向接口集中控制所有的网络基础设施层设备，其对应用层提供灵活的开放接口，以满足多媒体教室网络不同应用的调用要求；
应用层基于SDN网络的所有应用，如教学管理平台、远程点播、安防监控、考试巡视。
3 Mininet仿真实现
Stanford大学Nick McKeown的 研 究 小 组 基 于 LinuxContainer 架构开发了一套进程虚拟化的Mininet 平台[9]。 此平台被誉为轻量级“软件定义网络” 研发和测试平台，其支持OpenFlow，Open vSwitch 等网络基础设施层部件的协议开发[10]；支持多人协同开发；支持系统级的还原测试；支持代码无缝迁移到真实的硬件环境；支持复杂拓扑、 自定义拓扑，有很好的扩展性和高扩展性。本文基于Mininet 网络仿真平台，对多媒体教室典型的网络拓扑进行测试和分析，验证设计方案的有效性。
3.1 测试环境搭建
硬件环境：CPU为AMD Opteron（TM） Processor 6168；内存为16 GB。软件环境：Centos 6.6操作系统；Floodlight控制平台；Mininet仿真软件。
在Centos 6.6中使用命令 java ?jar target/floodlight.jar 启动 Floodlight，等待来自远程 OpenFlow设备的连接，之后输入命令 ： sudo mn??controller=remote??ip=127.0.0.1 ??port=6633，其中IP对应安装Floodlight系统的IP地址， 命令执行后就可以将 Mininet 连接到远程 Floodlight 控制器。
3.2 测试拓扑的建立
在测试环境搭建成功后，Centos 6.6使用命令mn命令创建拓扑，多媒体教室典型的网络如图2所示。此拓扑包含4个节点， 分别是网关、 控制器和2个主机（可理解为中控设备）、控制器连接网关、网关连接2个主机。通过IE浏览器访问Floodlight控制平台，访问链接为外部地址+端口（8080）/UI/index.html，各节点信息如图3所示。
3.3 网络拓扑连通性测试
在Mininet环境下用pingall测试h1主机和h2主机连通性，如图4所示。研发人员可以通过Floodlight的Restful API接口来向Floodlight平台请求交换机状态、能力、拓扑等各种信息，而策略控制Static Flow Pusher机制则是通过Restful API接口来管理流表的。本文使用Static Flow Pusher 改变流表，让h2 ping不通h1，具体命令如下：
sudo curl http：//219.245.196.25：8080/wm/staticflowentrypusher /clear/ /json
sudo curl ?X DELETE ?d ′{″name″：″flow?mod?1″}′
http：//：8080/wm/staticflowentrypusher/json
3.4 故障自恢复实验
（1） 利用Floodlight控制平台为网络的主机之间设置两条转发路径，为h1和h2下发主路径，备份路径，测试拓扑如图5所示。
4 实践及效果分析
为了评测SDN多媒体教室网络给英语教学带来的效果，分别在2016年第一学期（已部署SDN）和2015年第二学期（未部署SDN）对在数字化楼多媒体教室上课的A班和B班学生和教师（共82人）就SDN多媒体网络对英语教学产生的影响进行了访谈调查，调查结果如表1所示。
由统计结果可知，部署SDN多媒体网络的多媒体教室比没进行网络改造的多媒体教室故障率底，没有出现网络故障；部署SDN后，师生对校园网络应用于在线视频播放、在线学习、实时视频交流三个方面满意度大幅提升，部署的SDN网络更好地满足了英语教学的需求，提升了英语网络教学的现代教育技术水平，有助于老师教学和学生英语学习。
5 结 语
本文提出了一种基于SDN的英语多媒体教室网络架构，解决了英语多媒体教室网络管理中的一些问题。本文设计的 SDN 架构采用 OpenFlow 技术实现了业务数据和控制数据的分离，通过控制器集中灵活管理多媒体教室的中控设备，减少了网管人员维护量。通过利用Mininet 软件和Floodlight控制平台，实现了控制器对中控设备的灵活控制，说明了基于SDN的多媒體教室网络架构的设计方案可行。最后，经过实践验证可知，SDN多媒体网络给教学提供了更好的服务。
参考文献
[1] 杨永兰.项目教学法在初中信息技术兴趣小组实践活动中的应用研究[D].呼和浩特：内蒙古师范大学，2011.
[2] 袁正义.如何维护和管理单位互联网络[J].电脑知识与技术：学术交流，2009（24）：6669?6670.
[3] 万昕.关于SDN如何解决传统网络问题的探究[J].江西通信科技，2013（2）：11?13.
[4] 佚名.SDN发展历程回顾[J].中国教育网络，2013（8）：20?21.
[5] 马云.华为企业SDN解决方案让网络更便捷地为业务服务[J].中国教育网络，2013（8）：58?59.
[6] 沈成彬，蒋铭，曾涛.SDN/NFV技术的接入网应用[J].中兴通讯技术，2015（4）：15?19.
[7] 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.
[8] 黄孙亮.基于SDN的未来数据中心网络探讨[J].通信世界，2013（20）：39.
[9] 张连成，奚琪，郭毅，等.基于Mininet模拟环境的软件定义网络实验课程设计[J].计算机教育，2015（6）：104?107.
[10] 颜滢钊.软件定义网络中控制层与基础设备层间通信协议的研究[D].北京：北京邮电大学，2015.
摘 要： 针对现有的英语多媒体教室网络监测工作量大与维护复杂的问题，结合SDN网络的快速演进，在综合考虑网络智能化和虚拟化的基础上，设计一种新型多媒体教室网络架构。此架构基于SDN技术，通过SDN的控制器集中管理所有的中控设备。详细描述了该方案的设计思想、总体架构，通过Mininet仿真平台进行测试，从而验证了该方案的可行性。最后，通过实际部署SDN网络，说明基于SDN的多媒体教室网络有助于教师更好地开展教学，有助于学生更好地学习。
关键词： SDN； 多媒体教室； 中控设备； 集中管理
中图分类号： TN915.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0088?04
Abstract： Since the workload of the network monitoring for available English multimedia classroom is heavy， and its maintenance is complex， on the basis of the rapid evolution of SDN network and comprehensive consideration of the network intellectualization and virtualization， a new multimedia classroom network architecture was designed. All central control devices are managed intensively with the SDN technology based architecture through the controller of SDN. The design concept and overall architecture of this scheme are described in detail. The scheme was tested with Mininet simulation platform to verify its feasibility. The SDN network was deployed practically to show that the multimedia classroom network based on SDN is conducive to the better development of teaching for teachers， and better development of learning for students.
Keywords： SDN； multimedia classroom； central control equipment； concentrated management
當前，先进的互联网和信息技术对教育产生巨大的影响，大力推进教育技术信息化、科学化、智能化是世界教育追求的目标[1]。作为新型教育技术的载体，高校英语多媒体教室不仅提供了多种英语教学方式，而且为教师提供了充分利用各种课件的条件，为学生提供了联系英语口语和听力的条件。随着高校办学规模扩大，高校英语多媒体教室的数量也在不断增加，英语多媒体专网的规模也在不断扩张。网络设备和中控设备的增加加大了多媒体管理人员的压力，加大了网络监测的工作量。庞大的传统网络体系故障率高且维护繁琐，如何能减轻多媒体网络的工作量，提高工作效率，更好地为使用英语多媒体教室的师生提供优质的服务是当前亟待解决的问题。
在这样的环境下，本文提出了一种基于SDN的新型多媒体教室网络架构，此架构将多媒体教室管理系统划分为应用层、控制层、网络基础设施层三大层。基于SDN的多媒体教室网络通过网络基础设施中的控制解耦来简化多媒体教室网络的配置与管理。
1 SDN多媒体网络架构
1.1 现有英语多媒体教室网络管理存在的问题
随着多媒体教室的不断普及，多媒体教室网络越来越庞大，其在管理和维护方面暴露出很多问题，有些问题甚至影响了老师的教学[2]。传统的多媒体教室网络存在的问题如下：
（1） 网络设备（包括交换机和中控设备）的配置是通过网络管理员手工输入命令行配置的，工作量大。
（2） 网络和业务分离，新业务的部署需要接入新设备来实现。需要调整业务时，网络部署就显得非常低效，甚至无法实施[3]。
（3） 只有基于大带宽的粗放型带宽保障措施，细粒化的带宽质量保证和监控无从谈起[4]。对于特殊需要网络带宽的教学或实习课程只能保证网络连通，没有办法保证用户体验，从而影响教学效果。
（4） 英语多媒体教室交换机+中控设备的结构导致多媒体教室网络排查故障繁琐。
由此可见，基于传统网络结构的多媒体网络在管理和维护中存在诸多问题。随着SDN网络的快速发展，本文引入了SDN技术来解决传统网络架构的英语多媒体网络面临的问题。
1.2 基于SDN的多媒体教室网络架构的概念
SDN起源于2006年美国GENI项目资助的斯坦福大学Clean Slate课题。2009年，斯坦福大学Nick McKeown教授为首的研究团队提出了基于OpenFlow的SDN概念用于校园网络的试验创新[5]。其核心是利用分层的思想，将数据转发与控制相分离，目的在于改变结构和功能日趋复杂，管控能力日趋减弱，且难以进化发展的现有网络基础架构。基于SDN的多媒体网络架构在控制平面，通过可编程和逻辑中心化的控制器，多媒体教室网络管理人员可以掌控所有的网络信息来部署新协议和管理配置网络等；在数据平面，尽可能地采用标准化通用设备（交换机和中控设备），提高接入网设备的统一性、通用性和适配性，降低网络异构程度[6]。两层之间采用开放的统一接口（如OpenFlow等）进行交互[7]。SDN控制器通过标准接口向网络设备统一下发标准规则，网络设备仅需按照这些规则执行相应的动作即可。本文认为基于SDN的多媒体网络架构通过集中化的控制实现了对现有的网络设备、中控设备和接入网中的教学资源细粒度的管理。
1.3 基于SDN的多媒体教室网络的特征
多媒体教室网络中的SDN控制器集中管理所有的交换机和中控设备，随时可以获取多媒体教室网络的静态拓扑及流表信息，有利于网络的高效管理和优化，更有利于多媒体教室网络故障的快速定位和排除。根据需要安装查看网络流量和性能的开源软件，有助于网管监控整个网络，保障了正常的教学秩序。
基于SDN的多媒体教室网络采用统一的SDN控制器对整个网络进行集中控制，根据业务的具体要求通过修改流表，统一下发网络的转发规则和动作，可实现多路径转发和负载均衡，提高多媒体教室网络的可靠性和带宽利用率[8]。
2 基于SDN的多媒体网络架构具体设计
2.1 基于SDN的多媒体网络架构设计思路
基于SDN的多媒体教室网络的构建，总体上遵循“易于管理、集中控制、整合资源、易于维护”的指导思想，既要保障网络的稳定性、可靠性、易用性和安全性，又面保障网络的可扩展性、可伸缩性和业务部署能力。
在设计时还应注意以下几点：在简化管理的基础上能满足教学服务的要求；与现有的多媒体交换机和中控设备完全融合；不影响现有系统的使用；维护简单，易于找到故障节点。
2.2 基于SDN的多媒体网络架构设计
基于对SDN的多媒体网络教室的定位、特征和设计思路的探讨，按照SDN的经典架构结合现有多媒体网络元素将基于SDN的多媒体教室网络的总体架构从低到高划分为三层，如图1所示。
网络基础设施層支持OpenFlow的交换机和中控设备及中控设备下联的所有设备；
控制层支持OpenFlow的控制器，通过北向接口集中控制所有的网络基础设施层设备，其对应用层提供灵活的开放接口，以满足多媒体教室网络不同应用的调用要求；
应用层基于SDN网络的所有应用，如教学管理平台、远程点播、安防监控、考试巡视。
3 Mininet仿真实现
Stanford大学Nick McKeown的 研 究 小 组 基 于 LinuxContainer 架构开发了一套进程虚拟化的Mininet 平台[9]。 此平台被誉为轻量级“软件定义网络” 研发和测试平台，其支持OpenFlow，Open vSwitch 等网络基础设施层部件的协议开发[10]；支持多人协同开发；支持系统级的还原测试；支持代码无缝迁移到真实的硬件环境；支持复杂拓扑、 自定义拓扑，有很好的扩展性和高扩展性。本文基于Mininet 网络仿真平台，对多媒体教室典型的网络拓扑进行测试和分析，验证设计方案的有效性。
3.1 测试环境搭建
硬件环境：CPU为AMD Opteron（TM） Processor 6168；内存为16 GB。软件环境：Centos 6.6操作系统；Floodlight控制平台；Mininet仿真软件。
在Centos 6.6中使用命令 java ?jar target/floodlight.jar 启动 Floodlight，等待来自远程 OpenFlow设备的连接，之后输入命令 ： sudo mn??controller=remote??ip=127.0.0.1 ??port=6633，其中IP对应安装Floodlight系统的IP地址， 命令执行后就可以将 Mininet 连接到远程 Floodlight 控制器。
3.2 测试拓扑的建立
在测试环境搭建成功后，Centos 6.6使用命令mn命令创建拓扑，多媒体教室典型的网络如图2所示。此拓扑包含4个节点， 分别是网关、 控制器和2个主机（可理解为中控设备）、控制器连接网关、网关连接2个主机。通过IE浏览器访问Floodlight控制平台，访问链接为外部地址+端口（8080）/UI/index.html，各节点信息如图3所示。
3.3 网络拓扑连通性测试
在Mininet环境下用pingall测试h1主机和h2主机连通性，如图4所示。研发人员可以通过Floodlight的Restful API接口来向Floodlight平台请求交换机状态、能力、拓扑等各种信息，而策略控制Static Flow Pusher机制则是通过Restful API接口来管理流表的。本文使用Static Flow Pusher 改变流表，让h2 ping不通h1，具体命令如下：
sudo curl http：//219.245.196.25：8080/wm/staticflowentrypusher /clear/ /json
sudo curl ?X DELETE ?d ′{″name″：″flow?mod?1″}′
http：//：8080/wm/staticflowentrypusher/json
3.4 故障自恢复实验
（1） 利用Floodlight控制平台为网络的主机之间设置两条转发路径，为h1和h2下发主路径，备份路径
，测试拓扑如图5所示。
（2） 模拟单故障情形，Mininet中输入命令link s1， 模拟链路中断。使用Iperf从h1向h2发送数据，分别发送普通UDP数据分组和视频文件流。
（3） 通过观察h2的Iperf服务器端输出信息以及使用WireShark抓包工具分析分组传递路径可知，在上述故障情形下主机h1可通过备用路径到达目的主机h2，系统能够准确地检测故障，并对故障情形进行诊断判别，最终能够进行路由恢复，ping结果见图6。
测试结果表明，基于SDN的多媒体教室网络架构是可行的，比传统的IP网络架构更有优势。基于此，在南校区数字化教学楼两个英语多媒体教室部署了SDN网络，通过英语老师的实际使用情况来分析SDN多媒体网络架构给英语教学服务带来的影响。
（3） 通过观察h2的Iperf服务器端输出信息以及使用WireShark抓包工具分析分组传递路径可知，在上述故障情形下主机h1可通过备用路径到达目的主机h2，系统能够准确地检测故障，并对故障情形进行诊断判别，最终能够进行路由恢复，ping结果见图6。
测试结果表明，基于SDN的多媒体教室网络架构是可行的，比传统的IP网络架构更有优势。基于此，在南校区数字化教学楼两个英语多媒体教室部署了SDN网络，通过英语老师的实际使用情况来分析SDN多媒体网络架构给英语教学服务带来的影响。
4 实践及效果分析
为了评测SDN多媒体教室网络给英语教学带来的效果，分别在2016年第一学期（已部署SDN）和2015年第二学期（未部署SDN）对在数字化楼多媒体教室上课的A班和B班学生和教师（共82人）就SDN多媒体网络对英语教学产生的影响进行了访谈调查，调查结果如表1所示。
由统计结果可知，部署SDN多媒体网络的多媒体教室比没进行网络改造的多媒体教室故障率底，没有出现网络故障；部署SDN后，师生对校园网络应用于在线视频播放、在线学习、实时视频交流三个方面满意度大幅提升，部署的SDN网络更好地满足了英语教学的需求，提升了英语网络教学的现代教育技术水平，有助于老师教学和学生英语学习。
5 结 语
本文提出了一种基于SDN的英语多媒体教室网络架构，解决了英语多媒体教室网络管理中的一些问题。本文设计的 SDN 架构采用 OpenFlow 技术实现了业务数据和控制数据的分离，通过控制器集中灵活管理多媒体教室的中控设备，减少了网管人员维护量。通过利用Mininet 软件和Floodlight控制平台，实现了控制器对中控设备的灵活控制，说明了基于SDN的多媒體教室网络架构的设计方案可行。最后，经过实践验证可知，SDN多媒体网络给教学提供了更好的服务。
参考文献
[1] 杨永兰.项目教学法在初中信息技术兴趣小组实践活动中的应用研究[D].呼和浩特：内蒙古师范大学，2011.
[2] 袁正义.如何维护和管理单位互联网络[J].电脑知识与技术：学术交流，2009（24）：6669?6670.
[3] 万昕.关于SDN如何解决传统网络问题的探究[J].江西通信科技，2013（2）：11?13.
[4] 佚名.SDN发展历程回顾[J].中国教育网络，2013（8）：20?21.
[5] 马云.华为企业SDN解决方案让网络更便捷地为业务服务[J].中国教育网络，2013（8）：58?59.
[6] 沈成彬，蒋铭，曾涛.SDN/NFV技术的接入网应用[J].中兴通讯技术，2015（4）：15?19.
[7] 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.
[8] 黄孙亮.基于SDN的未来数据中心网络探讨[J].通信世界，2013（20）：39.
[9] 张连成，奚琪，郭毅，等.基于Mininet模拟环境的软件定义网络实验课程设计[J].计算机教育，2015（6）：104?107.
[10] 颜滢钊.软件定义网络中控制层与基础设备层间通信协议的研究[D].北京：北京邮电大学，2015.
