软件定义网络（SDN）学习笔记(4)--Mininet

SDN , , 评论

Mininet简洁

Mininet是基于Linux C ontainer架构开发的一个进程虚拟化网络仿真工具，可以创建一个含有主机、交换机、控制器和链路的虚拟网络，其交换机支持OpenFlow，具有高度灵活的自定义软件定义网络。Mininet可以用一个命令在一台主机上（虚拟机、云或者本地）以秒级创建一个虚拟网络，并在上面运行真正的内核、交换机和应用程序代码。
Mininet能实现如下功能：

  • 为OpenFlow应用程序提供一个简单、便宜的网络测试平台
  • 启用复杂的拓扑测试，无需连接物理网络
  • 具有拓扑感知和OpenFlow感知的CLI，用于调试或运行网络范围的测试
  • 支持任意自定义拓扑，主机数可达4096，并包括一组基本的参数化拓扑
  • 提供用于网络创建和实验的可扩展Python API

Miniedit可视化，直接在界面上编辑任意拓扑，生成python自定义拓扑脚本，使用Mininet可视化界面方便了用户自定义拓扑创建，为不熟悉python脚本的使用者创造了更简单的环境，界面直观，可操作性强。

Mininet 2.2.0+内置miniedit 。在mininet/examples下提供miniedit.py脚本，执行脚本后显示可视化界面，可自定义拓扑及配置属性。
MiniEdit使用主要分三个步骤：Miniedit启动→自定义创建拓扑，设置设备信息→运行拓扑并生成拓扑脚本。

Mininet 安装与卸载

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sudo apt-get update
git clone http://github.com/mininet/mininet.git
cd mininet ``
cat INSTALL|more
cd util/
## 安装
./install.sh -a
## 检查是否成功
mn --test pingall
## 查看版本
mn --version

## 卸载
sudo rm -rf /usr/local/bin/mn  /usr/local/bin/mnexec /usr/local/lib/python*/*/*mininet* /usr/local/bin/ovs-* /usr/local/sbin/ovs-*
sudo apt-get remove mininet
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# dpkg 报错 参考：https://www.bbsmax.com/A/MyJx7MvVzn/
sudo mv /var/lib/dpkg/info/ /var/lib/dpkg/info_old/
sudo mkdir /var/lib/dpkg/info/
sudo apt-get update
sudo apt-get -f install
sudo mv /var/lib/dpkg/info/* /var/lib/dpkg/info_old/
sudo rm -rf /var/lib/dpkg/info
sudo mv /var/lib/dpkg/info_old/ /var/lib/dpkg/info/
sudo apt-get update 
sudo apt-get upgrade 

## 或者 这个方法不行，但有说成功的... 
# https://blog.csdn.net/ljf_study/article/details/81591036
sudo apt-get autoremove
sudo apt-get --purge remove && sudo apt-get autoclean
sudo apt-get -f install
sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade && sudo apt-get dist-upgrade
sudo dpkg-reconfigure -a
sudo dpkg --configure -a

Mininet拓朴构建与命令使用

topo：用于指定网络拓扑，Mininet支持创建的网络拓扑为：minimal、single、linear和tree。

  • minimal：创建一个交换机和两个主机相连的简单拓扑。默认无—topo参数的情况下就是这样。其内部实现就是调用了single,2对应的函数。
  • single,n：设置一个交换机和n个主机相连的拓扑。
  • linear,n：创建n个交换机，每个交换机只连接一个主机，并且所有交换机成线型排列。
  • tree,depth=n,fanout=m：创建深度为n，每层树枝为m的树型拓扑。因此形成的拓扑的交换机个数为（mn-1）/（m-1），主机个数为mn。
  • –custom：在上述已有拓扑的基础上，Mininet支持自定义的拓扑，使用一个简单的Python API即可。—custom需和—topo一起使用，如mn —custom file.py -topo mytopo。

网络构建参数使用

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# 创建single拓扑
sudo mn --topo=single,3
exit # 退出 
# 创建linear线性拓扑
sudo mn --topo=linear,3
# 创建tree树形拓扑，深度2，每个交换机下挂两个设备
sudo mn --topo=tree,depth=2,fanout=2

# 创建custom自定义拓扑
cd /home/openlab/openlab/mininet/custom
sudo mn --custom topo-2sw-2host.py --topo mytopo
#自定义（custom）拓扑指python编写文件file.py，执行此脚本即可创建定义的拓扑，—custom与—topo联用，在custom目录下存在topo-2sw-2host.py文件，本例调用此文件构建拓扑。

## 设置交换机
--switch=Switch # 默认ovsk，还包括user,ovsbr,ovsk,ivs和lxbr
## 配置MAC地址，

内部交互命令使用

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net # 显示链接信息
nodes # 查看节点信息
links # 查看链路健壮性信息
pingall # 验证所有主机间通信并查看结果
xterm h1 h2 # 开启xterm进入设备可视化操作界面
exit # 退出
mn -c # 清除释放Mininet构造配置的交换机及主机

可视化构建网络拓扑

  • 启动

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    cd mininet/examples # 进入该目录下
    sudo ./miniedit.py # 启动可视化界面

  • Miniedit拓扑建立：选择左侧的网络组件，在空白区域单击鼠标左键即可添加网络组件，可选择的组件主要有主机、OpenFlow交换机、传统交换机，传统路由器、链路、控制器。

  • Miniedit拓扑建立：选择左侧的网络组件，在空白区域单击鼠标左键即可添加网络组件，可选择的组件主要有主机、OpenFlow交换机、传统交换机，传统路由器、链路、控制器。

  • Miniedit全局配置：Miniedit左上角“Edit”中可以剪切删除设备，及对整个网络进行全局配置

  • Miniedit运行：点击左下角“run”，即可运行设置好的网络拓扑，同时在后台可以看到相应的配置信息。运行后对交换机、主机进行右击长按，可查看交换机的bridge信息及打开Host的终端

  • Miniedit保存脚本：miniedit设置好拓扑后，可通过选择File-Export Level 2 Script，将其保存为python脚本，默认在mininet/examples目录下，通过chmod给此脚本权限后，直接运行即可重现拓扑

  • Miniedit脚本执行

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    # 通过后台查看保存的sdnlab.py脚本文件，并给脚本赋予权限：
    chmod –R 777 sdnlab.py
    # 执行sdnlab.py脚本：
    ./sdnlab.py

Mininet 调用API扩展自定义拓扑

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cd mininet/custom 
sudo mn --custom topo-2sw-2host.py --topo mytopo # 执行
py net.addHost('h3') # 添加主机h3
py net.addLink(s3,net.get('h3')) # 添加s3与h3之间的链路
py s3.attach('s3-eth3') # s3添加接口
py net.get('h3').cmd('ifconfig h3-eth0 10.3') # 配置h3的IP地址
## 查看节点信息
dump
nodes 
## 检查连通性
h1 ping h3
pingall

Mininet可视化构建网络拓扑

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## 报错 MoTTY X11 proxy: Unsupported authorisation protocol
## 需要普通用户下执行
cd mininet/mininet/examples
sudo ./miniedit.py

  • 在控制器上进行鼠标右击长按，选择Properties即可对控制器进行配置，如下所示

    controller properties

  • 在交换机上进行鼠标右击长按，选择Properties即可对交换机进行配置，交换机属性需配置16位的DPID，如下所示:

    controller properties

  • 在主机上进行鼠标右击长按，选择Properties即可对主机进行配置，主机属性需配置IP地址，如下所示。

    controller properties

  • 也可对链路进行属性配置，主要配置带宽、时延、丢包率等，此项可配置亦可不配置，如下所示:

    controller properties

  • Miniedit全局配置。Miniedit左上角“Edit”中可以剪切删除设备，及对整个网络进行全局配置，如下所示。

    controller properties

  • Miniedit运行。

    • 单击左下角“run”，即可运行设置好的网络拓扑，同时在后台可以看到相应的配置信息。

    • 运行后对交换机、主机进行右击长按，可查看交换机的bridge信息及打开Host的终端，交换机信息如下：

      controller properties

  • Miniedit保存脚本。Miniedit设置好拓扑后，可通过选择“File > Export Level 2 Script”，将其保存为python脚本，默认在mininet/examples目录下。

  • Miniedit脚本执行。

    • 通过后台查看保存的sdnlab.py脚本文件，并给脚本赋予权限：
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    sudo chmod -R 777 sdnlab.py

Mininet流表应用1——手动添加流表

创建拓扑

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vim ./custom/exper1.py
#!/usr/bin/python
from mininet.topo import Topo
from mininet.net import Mininet
from mininet.node import RemoteController
from mininet.link import TCLink
from mininet.util import dumpNodeConnections
class MyTopo( Topo ):
    "Simple topology example."
    def __init__( self ):
        "Create custom topo."
        # Initialize topology
        Topo.__init__( self )
        # Add hosts and switches
        Host1 = self.addHost( 'h1' )
        Host2 = self.addHost( 'h2' )
        Host3 = self.addHost( 'h3' )
        Switch1 = self.addSwitch( 's1' )
        Switch2 = self.addSwitch( 's2' )
        # Add links
        self.addLink( Host1, Switch1 )
        self.addLink( Host2, Switch1 )
        self.addLink( Host3, Switch2 )
        self.addLink( Switch1, Switch2 )
topos = { 'mytopo': ( lambda: MyTopo() ) }
## 
# 运行自定义脚本，并指定一个不存在的控制器，是交换机不受控制器控制
sudo mn --custom exper1.py --topo mytopo --controller=remote,ip=127.0.0.1,port=6633

测试流表状态下的通信

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xterm h1 h2 h3 # 打开可视化终端
dpctl dump-flows # 查看交换机的flow table信息，可以看到没有流表
mininet> dpctl dump-flows
*** s1 -------------------------
*** s2 -------------------------
## 在主机h2中执行命令tcpdump -n -i h2-eth0抓取网卡h2-eth0上的数据包
root@sdntest:~/mininet/custom# tcpdump -n -i h2-eth0
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on h2-eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
## 在主机h3中执行命令tcpdump -n -i h3-eth0抓取网卡h2-eth0上的数据包,结果同上
## 在主机h1中执行如下命令分别ping主机h2和h3，结果如下：
PING 10.0.0.2 (10.0.0.2) 56(84) bytes of data.
From 10.0.0.1 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable
From 10.0.0.1 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable
From 10.0.0.1 icmp_seq=3 Destination Host Unreachable

--- 10.0.0.2 ping statistics ---
3 packets transmitted, 0 received, +3 errors, 100% packet loss, time 1999ms
pipe 3

添加流表并测试主机间的通信

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# 步骤1 执行如下命令添加交换机端口流表使主机h1和h2通信
mininet> dpctl add-flow in_port=1,actions=output:2
dpctl add-flow in_port=2,actions=output:1
# 步骤2 执行如下命令查看交换机流表，两条flow entry添加成功
mininet> dpctl dump-flows
# 步骤3 在主机h1中执行如下命令分别ping主机h2和h3

可以看到主机h1成功ping通h2，且h3没收到任何ping包。原理解析：用dpctl对交换机添加flow，让交换机从s1-eth1这个端口接收到的所有traffic都从s1-eth2这个端口发出去。用dpctl给交换机添加双向流表，因为ping包除了echo request还有echo reply。所以还需要用dpctl对交换机添加flow，让交换机从s1-eth2这个端口接收到的所有traffic都从s1-eth1这个端口发出去。添加这两条flow后，h1能够ping通h2，但是并没有为h1和h3之间添加对应的端口流表，所以h1与h3不通。

添加协议流表使h1/h2通信

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# 步骤1 执行如下命令删除之前通过端口添加的流表并查看流表，确保交换机flow table为空
dpctl del-flows
dpctl dump-flows
# 步骤2 执行如下命令添加两条traffic类型为IPv4（0x0800）协议相关的flow entry，并查看下发的流表。
dpctl add-flow dl_type=0x0800,nw_dst=10.0.0.2,actions=output:2
dpctl add-flow dl_type=0x0800,nw_dst=10.0.0.1,actions=output:1
dpctl dump-flows
# 步骤3 在主机h1中执行如下命令分别ping主机h2和h3
ping -c 3 10.0.0.2
ping -c 3 10.0.0.3
# 步骤4 在主机h2和h3 上查看tcpdump抓包结果

原理解析：用dpctl对交换机添加flow，让交换机把所有EtherType为0x0800（IPv4）并且destiation IP为10.0.0.2的traffic从s1-eth2这个端口发出去。用dpctl对交换机添加flow，让交换机把所有EtherType为0x0800（IPv4）并且destiation IP为10.0.0.1的traffic从s1-eth1这个端口发出去。但处在同一网段下的主机，它们之间的交流是L2 forwarding，需要靠ARP来解析MAC地址，之前只匹配了0x0800(IPv4)协议，并没有匹配到0x0806(ARP)，这样当交换机收到h1的ARP包后，因为没有控制器，flow table里面也没有相应的flow告诉它如何转发这个ARP包，交换机只能将它丢弃，从而导致h1 ping h2失败，所以需要添加ARP协议的流表来使通信。

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# 步骤5 执行命令添加ARP（0x0806）协议相关的流表，让交换机以NORMAL形式（即广播）将所有ARP包从各个端口广播出去
dpctl add-flow dl_type=0x0806,actions=NORMAL
dpctl dump-flows
## 然后 h1可以ping通h2

Mininet流表应用实战2

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# 步骤1 登录OpenDaylight虚拟机，执行如下命令查看OpenDaylight的启动情况，端口监听情况如下所示
netstat -anput|grep 6653
netstat -anput|grep 8181

./bin/karaf
feature:install odl-l2switch-switch-ui odl-openflowplugin-flow-services-ui odl-mdsal-apidocs odl-dluxapps-applications odl-faas-all

feature:install odl-restconf
feature:install odl-l2switch-switch-ui
feature:install odl-openflowplugin-flow-services-ui
feature:install odl-mdsal-apidocs
feature:install odl-dluxapps-applications
feature:install odl-faas-all

# 步骤2 mininet虚拟机打开wireshark进行抓包，监听网卡any
sudo wireshark
# 步骤3 
sudo mn --custom exper1.py --topo mytopo --controller=remote,ip=119.255.243.31,port=6633 --switch ovs,protocols=OpenFlow13 # 这个1.3协议得设置 不然总失败，或1.1

# 步骤4 执行命令pingall验证Mininet中虚拟主机的连通性
# 步骤5 执行命令dpctl dump-flows查看交换机上的流表
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error: ovs-ofctl：version negotiation failed (we support version 0x01, peer supports version 0x04) 查看ovs中的流表时报错。原因是ovs-ofctl dump-flows命令默认是1.0版本，需要在命令中指定OpenFlow版本

sudo ovs-ofctl dump-flows -O OpenFlow13 s1 # ovs
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# 步骤6 停止Wireshark抓包并查看抓包结果，筛选出openflow_v4协议数据包，如下图
# 步骤7 打开odl控制器可以看到拓扑图如下

controller properties

controller properties

OpenFlow协议解析

  • 步骤1 首先发送HELLO消息，建立初始化连接，协商使用的OpenFlow协议版本。由下图可知，ODL与Mininet之间应用的是OpenFlow1.0版本协议。
  • 步骤2 OpenFlow版本协商完成后，控制器发送一条features_request消息获取交换机的特性信息，包括交换机的ID（DPID）、缓冲区数量、端口及端口属性等等。相应的，交换机回复features_reply消息。ofpt_feature_reply数据包详情如下，交换机的DPID是数据通道独一无二的标识符。本实验中交换机缓冲区数量（n_buffers）为256，交换机支持的流表数量（n_tables）为254，交换机所支持的功能，如下所示。
  • 步骤3 stats reply消息用于回应stats request信息，主要是交换机回应给控制器的状态信息
  • 步骤4 当交换机收到数据包后查找流表无匹配项时，将数据包封装在packet_in消息发给控制器，由控制器通过packet_out消息下发决策，使发送和接收数据包的两主机间进行通信。
  • 步骤5 flow mod消息涉及流表项的下发匹配信息，下图显示的是flow mod匹配项的类型信息。

Mininet 多数据中心网络拓扑流量带宽实验

实验内容

  1. 通过Mininet模拟搭建基于不同数据中心的网络拓扑。
  2. 通过程序生成真实网络流量。

实验原理

数据中心基础

数据中心不仅是一个网络概念，还是一个服务概念，它构成了网络基础资源的一部分，提供了一种高端的数据传输服务和高速接入服务。数据中心提供给用户综合全面的解决方法，为政府上网、企业上网、企业IT管理提供专业服务，使企业和个人能够迅速借助网络开展业务，把精力集中在其核心业务策划和网站建设上，而减少IT方面的后顾之忧。

使用mininet中的iperf工具在网络中生成UDP流量，iperf客户端传送数据流到iperf的服务端，由服务端接收并记录相关信息。网络性能评估中一个巨大的挑战就是如何生成真实的网络流量，可以通过程序来创造人工的网络流量，通过建立测试环境来模拟真实的状况。此应用主要以数据中心网络为目标场景，在mininet仿真环境中尽可能地还原数据中心内部的真实流量情况。
Mininet数据中心应用价值：

  • 树状拓扑结构容错能力强
  • 降低数据中心成本消耗
  • 提供重新排列的全带宽无阻碍路径
  • 提高带宽利用率
  • 分析数据中心网络流量性能
  • 为真实数据中心和仿真测试床提供有用信息

在mininet中进行自定义命令iperfmulti功能拓展主要分为4步：

  1. 修改mininet/net.py
  2. 修改mininet/cli.py
  3. 修改bin/mn
  4. 重新安装Mininet核心文件：~/mininet/util/install.sh -n

操作步骤

一、编写网络测试程序

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## 执行命令sudo vi openlab/mininet/mininet/net.py打开net.py文件,添加定义iperf_single()函数，实现在两个主机间进行iperf udp测试，并且在server端记录，具体代码如下，建议将代码放置在“def iperf”下
    def iperf_single( self,hosts=None, udpBw='10M', period=60, port=5001):
        """Run iperf between two hosts using UDP.
            hosts: list of hosts; if None, uses opposite hosts
            returns: results two-element array of server and client speeds"""
        if not hosts:
            return
        else:
            assert len( hosts ) == 2
        client, server = hosts
        filename = client.name[1:] + '.out'
        output( '*** Iperf: testing bandwidth between ' )
        output( "%s and %s\n" % ( client.name, server.name ) )
        iperfArgs = 'iperf -u '
        bwArgs = '-b ' + udpBw + ' '
        print "***start server***"
        server.cmd( iperfArgs + '-s -i 1' + ' > /home/sdnlab/log/' + filename + '&')
        print "***start client***"
        client.cmd(
            iperfArgs + '-t '+ str(period) + ' -c ' + server.IP() + ' ' + bwArgs
            +' > /home/sdnlab/log/' + 'client' + filename +'&')
## 添加自定义命令iperfmulti()函数，iperfmulti函数主要是实现依次为每一台主机随机选择另一台主机作为iperf的服务器端，通过调用iperf_single，自身以客户端身份按照指定参数发送UDP流，服务器生成的报告以重定向的方式输出到文件中，使用iperfmulti命令，主机随机地向另一台主机发起一条恒定带宽的UDP数据流。具体代码如下所示,建议将代码放置在“def iperf_single”下
    def iperfMulti(self, bw, period=60):
        base_port = 5001
        server_list = []
        client_list = [h for h in self.hosts]
        host_list = []
        host_list = [h for h in self.hosts]

        cli_outs = []
        ser_outs = []

        _len = len(host_list)
        for i in xrange(0, _len):
            client = host_list[i]
            server = client
            while( server == client ):
                server = random.choice(host_list)
            server_list.append(server)
            self.iperf_single(hosts = [client, server], udpBw=bw, period= period, port=base_port)
            sleep(.05)
            base_port += 1

        sleep(period)
        print "test has done"
## sudo vi openlab/mininet/mininet/cli.py,添加如下代码，注册iperfmulti命令
    ## isReadable缩进有问题？
    def isReadable( poller ):
        "Check whether a Poll object has a readable fd."
        for fdmask in poller.poll( 0 ):
            mask = fdmask[ 1 ]
            if mask & POLLIN:
                return True
            return False
        
    def do_iperfmulti( self, line ):
        """Multi iperf UDP test between nodes"""
        args = line.split()
        if len(args) == 1:
            udpBw = args[ 0 ]
            self.mn.iperfMulti(udpBw)
        elif len(args) == 2:
            udpBw = args[ 0 ]
            period = args[ 1 ]
            err = False
            self.mn.iperfMulti(udpBw, float(period))
        else:
            error('invalid number of args: iperfmulti udpBw period\n' +
                   'udpBw examples: 1M 120\n')
## 执行命令sudo vi openlab/mininet/bin/mn打开mn文件，在mn中加入iperfmulti可执行命令，如下所示

TESTS = { name: True
          for name in ( 'pingall', 'pingpair', 'iperf', 'iperfudp', 'iperfmulti' ) }

ALTSPELLING = { 'pingall': 'pingAll', 'pingpair': 'pingPair',
                'iperfudp': 'iperfUdp','iperfMulti':'iperfMulti' }

## 执行如下命令，重新编译Mininet。
$ cd openlab/mininet/util
$./install.sh -n
## sudo mn命令创建一个topo，查看是否存在iperfmulti命令，以此验证iperfmulti是否成功

二、构建多数据中心网络拓扑

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## 执行如下命令，创建多数据中心拓扑创建脚本。
$ cd /home/openlab/openlab/mininet/custom
$ sudo vi fattree.py

#!/usr/bin/python
"""Custom topology example
Adding the 'topos' dict with a key/value pair to generate our newly defined
topology enables one to pass in '--topo=mytopo' from the command line.
"""
from mininet.topo import Topo
from mininet.net import Mininet
from mininet.node import RemoteController,CPULimitedHost
from mininet.link import TCLink
from mininet.util import dumpNodeConnections

class MyTopo( Topo ):
    "Simple topology example."
    def __init__( self ):
        "Create custom topo."
        # Initialize topology
        Topo.__init__( self )
        L1 = 2
        L2 = L1 * 2 
        L3 = L2
        c = []
        a = []
        e = []
        # add core ovs  
        for i in range( L1 ):
                sw = self.addSwitch( 'c{}'.format( i + 1 ) )
                c.append( sw )
        # add aggregation ovs
        for i in range( L2 ):
                sw = self.addSwitch( 'a{}'.format( L1 + i + 1 ) )
                a.append( sw )
        # add edge ovs
        for i in range( L3 ):
                sw = self.addSwitch( 'e{}'.format( L1 + L2 + i + 1 ) )
                e.append( sw )
        # add links between core and aggregation ovs
        for i in range( L1 ):
                sw1 = c[i]
                for sw2 in a[i/2::L1/2]:
                # self.addLink(sw2, sw1, bw=10, delay='5ms', loss=10, max_queue_size=1000, use_htb=True)
                        self.addLink( sw2, sw1 )
        # add links between aggregation and edge ovs
        for i in range( 0, L2, 2 ):
                for sw1 in a[i:i+2]:
                    for sw2 in e[i:i+2]:
                        self.addLink( sw2, sw1 )
        #add hosts and its links with edge ovs
        count = 1
        for sw1 in e:
                for i in range(2):
                    host = self.addHost( 'h{}'.format( count ) )
                    self.addLink( sw1, host )
                    count += 1
topos = { 'mytopo': ( lambda: MyTopo() ) }

Mininet创建网络拓扑的代码中，可以通过改变代码中定义的L1变量来设置核心交换机的数量，并通过添加额外的交换机和链路来构成更复杂的数据中心网络拓扑。随着边缘交换机的增加，主机个数也随之增长，利用Mininet的易用性和扩展性，可以创建基于多种数据中心场景下的网络拓扑，达到更好更全面的实验效果。
说明：为方便用户实验，该段代码在/home/ftp/fattree.py文件中已预置。

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## 切换到Mininet主机，执行如下命令，启动Mininet，生成测试拓扑结构。
sudo mn --custom fattree.py --topo mytopo --controller=remote,ip=119.255.243.31,port=6633 --switch ovs,protocols=OpenFlow13

甘士忠Sharing is meaningful.

Long life and long code.