Mininet初探数据中心网络

最近在学习Nick Feamster教授的SDN公开课，这篇文章就是关于其中的一个assignment，使用mininet中的python API搭建一个简单的数据中心拓扑。详情请访问这里。

0x00 介绍

data center simple topology

数据中心网络的拓扑大多是采用树形分层结构，一般包括边缘层（edge layer）、汇聚层（aggregation layer）和核心层（core layer），如上图所示。一般有一个或多个交换机作为根节点，往下一般有单层或多层交换机作为整个树的中部，在树的底部，每个交换机与多个主机相连。这种简单的树形结构存在很多问题，比如高层节点的宕机会导致下面一连串节点都无法联通，现在也有很多研究对以上结构进行改进，但这不是本文讨论的范围，本文主要使用mininet对上图进行模拟，实现主机间的连通。

0x01 代码实现

全部代码可以从我的github上找到。
创建CustomTopo类如下：

class CustomTopo(Topo):
    "Simple Data Center Topology"

    "linkopts - (1:core, 2:aggregation, 3: edge) parameters"
    "fanout - number of child switch per parent switch"
    def __init__(self, linkopts1, linkopts2, linkopts3, fanout=2, **opts):
        # Initialize topology and default options
        Topo.__init__(self, **opts)

        self.fonout = fanout

        # Add core switch
        cs_switch = self.addSwitch('cs%s' % 1)

        # Add aggregation switches
        for i in irange(1, fanout):
            as_switch = self.addSwitch('as%s' % i)
            self.addLink(as_switch, cs_switch, **linkopts1)
            as_parent_switch = as_switch

            # Add edge switches
            for j in irange(1, fanout):
                es_num = i * fanout - 2 + j
                es_switch = self.addSwitch('es%s' % es_num, **linkopts2)
                self.addLink(es_switch, as_parent_switch)
                es_parent_switch = es_switch

                # Add hosts
                for k in irange(1, fanout):
                    host_num = es_num * fanout - 2 + k
                    host = self.addHost('h%s' % host_num, cpu=.5/fanout)
                    self.addLink(host, es_parent_switch, **linkopts3)

代码很简单，主要是三层循环分别创建switch和host对象，并从上到下连起来，其中主要的一些类和函数的说明如下：

• Topo：Mininet拓扑的基础类，想要自定义拓扑一般都要以这个类为基础
• addSwitch()：以switch的名字为参数，返回switch对象，注意名字中必须包含编号，否则会报错
• addHost()：以host的名字为参数，返回host对象
• addLink()：在两个节点之间增加双向链路，无论是交换机之间还是交换机和主机之间都是用这个方法
• linkopts：这是一个字典，用来设置一些链路的可选参数，比如带宽，延迟等等
• fanout：表示每个交换机下的子节点个数，通过改变这个参数来改变树的规模

拓扑创建好了，下面可以使用pingAll()方法及iperf()方法对刚才的拓扑进行连通性及性能测试，测试代码如下：

def perTest():
    "Specify performance parameters for the links"
    # Between core and aggregation switches
    linkopts1 = dict(bw=10, delay='5ms', loss=1, max_queue_size=1000, use_htb=True)
    # Between aggregation and edge switches
    linkopts2 = dict(bw=10, delay='5ms', loss=1, max_queue_size=1000, use_htb=True)
    # Between edge switches and hosts
    linkopts3 = dict(bw=10, delay='5ms', loss=1, max_queue_size=1000, use_htb=True)

    "Create and test a simple network"
    topo = CustomTopo(linkopts1=linkopts1, linkopts2=linkopts2, linkopts3=linkopts3, fanout=2)
    net = Mininet(topo=topo, host=CPULimitedHost, link=TCLink)
    net.start()

    print "Dumping host connections"
    dumpNodeConnections(net.hosts)

    print "Testing network connectivity"
    net.pingAll()

    print "Testing bandwidth between h1 with h2, h3, h5 and h7"
    h1, h2 = net.get('h1', 'h2')
    net.iperf( ( h1, h2 ) )
    h1, h3 = net.get('h1', 'h3')
    net.iperf( ( h1, h3 ) )
    h1, h5 = net.get('h1', 'h5')
    net.iperf( ( h1, h5 ) )
    h1, h7 = net.get('h1', 'h7')
    net.iperf( ( h1, h7 ) )

    net.stop()

以上主要进行了连通性及链路性能的测试，其中主要的类和方法的说明如下：

• Mininet：mininet的类，在实例化时指定所使用的too及host和link的类型，这里采用CPULimitedHost来限制主机的性能，TCLink来设置链路的一些额外属性
  linkopts1 = dict(bw=10, delay='5ms', loss=1, max_queue_size=1000, use_htb=True)：有关链路的一些参数，bw代表带宽，单位是Mb/s；delay代表延迟，用0-100的数字表示一个百分比；max_queue_size代表队列中
  最多可容纳的packet数量；use_htb代表使用htb
  算法，htb表示Hierarchical Token Bucket，中文不知道该怎么翻译，大概就是一种流量控制算法
• pingAll()：使用ping测试所有节点之间的连通性
• dumpNodeConnections()：列出所有主机的连通
• net.get()：通过节点名字得到节点的对象
• net.iperf()：在两个主机之间使用iperf，用来测试网络性能

0x02 测试结果

ping的连通性测试：

ping

pingAll()命令对每个主机两两之间的连通性进行了测试，由上图可以看出打叉的地方存在丢包，这种结果是随机的，通过调节链路的配置可以改变丢包率。

iperf的网络性能测试：

iperf

上图的4个结果中h1和h2之间表示同一交换机下不同的主机，h1和h3表示同一汇聚层下不同交换机下的主机，h1和h5表示同一核心层下不同主机，从结果中可以看出两个主机之间的“距离”对传输速率有很大影响。

0x03总结

本文主要对SDN的其中一个比较重要的应用场景——数据中心网络进行一个简单的拓扑实验。Mininet为我们研究SDN提供了一个很好的平台，其提供的python API使得我们可以很容易的实现自己的想法，并且验证自己的想法。这篇文章只是个开端，以后还会继续写几篇有关SDN的实践文章。