摘 要

软件定义无线网络(Software-Defined Wireless Networking，即SDWN)，是一种新的无线网络架构，它以软件定义网络(Software-Defined Networking，即SDN)的思想为基础，将其应用到无线网络中。SDWN分离了无线控制平面和数据平面，开放了无线网络的可编程接口，简化了网络管理，同时也是5G技术的重要发展之一。

本文内容：通过学习Mininet及其代码意义，进行了简易SDN拓扑结构的仿真，在此基础上进行了Mininet-wifi的学习，并仿真了一个简易的SDWN以及个别场景下的SDWN，同时将SDWN与传统无线网络进行了一些比较。

关键词： 软件定义无线网络； Mininet-wifi；仿真

Abstract

Software-Defined Wireless Networking (SDWN) is a new wireless network architecture. It is based on the idea of Software-Defined Networking (SDN) and is applied to wireless networks. SDWN separates the wireless control plane and data plane, opens up the programmable interface of the wireless network, simplifies network management, and is also one of the important developments of 5G technology.

Content of this paper:By learning the meaning of Mininet and its code, the simulation of simple SDN topology is carried out. Based on this, Mininet-wifi is learned, and a simple SDWN and SDWN in individual scenes are simulated. At the same time, some comparisons have been made between SDWN and traditional wireless networks.

Key Words： SDWN;Mininet-wifi;simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究背景及意义 2

1.3 SDWN研究现状 3

1.4 本文研究内容 4

第2章 相关技术简介 5

2.1 软件定义网络概述 5

2.2 软件定义无线网络概述 7

2.3 Mininet简介 8

2.4 Mininet-wifi简介 8

第3章 SDWN仿真测试流程 9

3.1 环境准备 9

3.1.1 虚拟机的安装 9

3.1.2 Mininet-wifi的安装 9

3.2 Mininet的一些常用命令 9

3.3 一个简易的SDN设计与仿真测试 10

3.4 自定义SDWN拓扑结构及相关测试 11

3.5 Mininet-wifi模拟无线网络的常见场景 13

3.5.1 wifi的选择连接 13

3.5.2 wifi的密码验证 15

第4章 Mininet-wifi仿真SDWN的总结 17

4.1 Mininet-wifi的应用案例 17

4.1.1 USB无线网卡 17

4.1.2 移动性 17

4.2 Mininet-wifi的优缺点 17

4.3 仿真SDWN的实际意义 18

第5章 总结与展望 19

参考文献 20

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 引言

随着互联网的飞速发展和智能终端的普及，无线网络技术越来越占主导地位。随着无线设备的持续增加蜂窝网的压力也在不断增加，运营商为了降低压力，选择将一部分蜂窝网数据卸载到无线网络中[1]。这就产生了越来越多的无线接入点(AP)及无线流量，从而导致无线网络的密度在持续增长[2]，这种情形对无线网络的管理和资源的有效利用提出了重大挑战。

无线网络中包含很多无线接入点，考虑到其性能和可扩展性，需要对这些网络进行移动性管理、负载均衡、干扰管理和信道重配置等，想要实现这些功能就必须先完善每个接入点的基本管理功能。但是不同广商的设备提供的接口不同，就增加了管理员的管理难度，包括复杂性和易错性。同时，无线设备的増多使资源的有效利用成为急需解决的问题。所以设计一种资源利用率高、方便管理和成本效益高的无线方案变得越来越重要。

一些供应商提供了一些高性能和可伸缩的无线网络方案，但是由于成本高昂和供应商的解决方案单一限制了创新能力的发挥和发展[2]。近年来，软件定义网络[3](Software-Defined Networking,即SDN)在网络可编程性及虚拟化方面提出了新的方案，推进了设计和操控网络的便捷性。SDN是一种新的网络体系架构，基于对网络的可编程性，从传统网络具有的转发层分离出控制功能，同时增加一个应用平面，从而将传统网络体系架构解耦为3个平面：数据平面、控制平面和应用平面。传统网络的架构是互联网取得巨大成功的关键，但随着网络规模的不断扩大，运营商维护网络难度变大，科研人员也无法在现实规模中部署新协议来更新。SDN允许网络管理员通过控制平面以集中控制器来管理网络行为，Openflow作为最受欢迎的数据层接口协议实现了数据转发。SDN架构的优势在硬件方面着重关注存储和转发功能，网络设备可以应用标准的硬件；对网络的控制和运行由控集中控制器来管理，软件配置设定了网络设备的功能和种类；对业务响应更快，可定制各种网络参数，并实时配置到网络中，缩短开通业务的时间。

SDN提供了解决传统网络架构中存在问题的新思路，为产业界和学术界带来了极大的便利，它解放了手工操作，减少了配置错误，易于统一快速部署，因此被MIT列为“改变世界的十大创新技术之一”。研究者们受SDN思想的启发，将SDN的核心思想引入到无线网络中提出了软件定义无线网络[4]（Software-Defined Wireless Networking,即SDWN）这一新概念，近几年SDWN逐渐成为了无线网络中新的研究热点技术。

为了测试、仿真实现SDN，研究者们开发了多个仿真软件，例如ns-3[5]、OMNet [6]等。但目前使用最广泛的还是基于OpenFlow协议和SDN架构的Mininet[7]，它是由斯坦福大学设计并开发出的一款轻量级的SDN实验仿真工具，提供了丰富的实验种类。

然而Mininet只是面向有线SDN，不包含无线模块，也就是不能仿真无线网络场景。2015年臣西坎皮纳斯大学对Mininet进行了扩展和完善，设计并开发出Mininet-wifi[8]。在保持仿真SDN功能和轻量级虚拟化软件架构的基础上，该软件在Mininet中増加了虚拟无线终端和接入点的仿真，从而可以仿真有线SDN和无线Openflow或SDWN场景，并具有很高的保真度，可高度重现真实的软件定义无线网络环境。

本文将运用Mininet-wifi测试仿真SDWN场景并研究其代码意义，同时尝试进行目前流行的无线软件其定义网络方式的模拟。

1.2 研究背景及意义

SDN可以显著降低网络配置和管理复杂度，便于更快捷地部署网络创新技术。利用SDN技术，网络供应商可以提升网络效率，将技术解决方案有效部署到原有的网络设备中。因此，SDN的设计与实现成为了产业界和学术界巧同关注的重要课题之一。专注于SDN的产业驱动开放网络基金组织[9]（Open Networking Foundation，简称ONF）证明了SDN能带来越来越多的利益。

SDN最初被应用在有线网络中，而目前，越来越多的研究者和企业开始研究将SDN应用到无线网络中，例如Verizon、Nokia Siemens、Networks、Ericsson和Netgear等[4]。SDWN继承了SDN的核心思想，将控制平面和数据平面分离，并提供可编程的无线网络控制，以允许网络管理员可以在高层指定网络的行为，并通过利用逻辑集中的全局视图和易控制的数据平面接口来简化网络的行为。

控制器（Conrtoller）作为SDN架构中控制平面的核心组件是一个重要的研究内容，也是各大企业都想抢占的制高点。控制器的作用是向上层提供应用程序的编程接口，同时控制下层硬件设备。广义的控制器支持多种协议，通常说的控制器指的是Openflow控制器，只支持Openflow这一种协议。目前市场上有很多Openflow控制器，包括商业的和开源的。NOX[10]由Nicira公司开发，是世界上第一个Openflow控制器，基于C 编写。后来为NOX添加了其他一些功能并且用Python语言重新编写的POX[11]则是NOX的增强版。另外，还有基于Python语言的有Ryu[12]控制器，基于JAVA编写的、使用广泛的Floodlight[13]控制器等。

SDWN是将无线网络的控制平面和数据平面分离，控制器集中控制整个网络，为无线AP下发指令，并且负贵无线链路上流量的传输。在SDN和Openflow出现之前，控制平面和数据平面的分离在无线网络中就存在了。互联网工程任务组（IETF）在多年前标准化了无线接入点的控制和配置协议（CAPWAP）[14]，在无线网络中实现了集中控制，化许接入控制器ACs（access controllers）通过无线网络来管理无线终端节点。另外，许多公司拥有基于外部控制器来管理AP的专利技术，这些商业化的解决方案在标准化的协议上引入了大量的衍生特征或者在控制器与AP之间定义了他们自己的接口。虽然这些解决方案被证明了能够在大规模的网络环境下良好工作．但是在实际部署方面的花费常常是很昂贵的。

作为5G重要发展之一的SDWN，其研究意义十分重要，所以就需要利用一些仿真软件模拟SDWN各种场景的应用，因此就有了Mininet-wifi这一产物，同时用Mininet-wifi仿真也能很明显的看出SDWN拓扑的工作原理，可以更容易理解SDWN是什么。

本次设计中，我进行了2种常见SDWN场景的仿真，通过此次仿真，我对wifi的工作原理更加理解，同时也对软件定义无线网络的思想更加感兴趣。经过此次设计的经验，相信我在以后的工作中也能获益匪浅。

1.3 SDWN研究现状

近年来，研究者们对 SDWN 的关键技术与应用 场景开展了研究，提出了针对各自不同的需求的SDWN系统架构及解决方案。在应用部署时，大部分采用集中式无线网络管理，实现不同的应用目标[15]。

校园网部署：校园网内部署 SDWN，为研究者提供一个实验创新平台，完成网络控制管理。目前，多所高校都已经部署了SDWN网络以支持科研创新。Resonance[16]是在校园内部署的动态接入控制网络，使用可编程交换机在底层操作流，底层执行来自高层的安全策略及分布式监控系统，实现更细粒度的分布式安全接入。在家庭无线网络的控制管理方案中，NOX控制器使用自定义模块支持OpenFlow来控制流，并利用数据库提供的网络监控信息，对网络流量进行控制。在部署于釜山国立大学接入网络架构中，AP通过其中的OpenFlow代理从控制器获取消息，执行客户端管理、无线信道检测及AP硬件控制，实现连接客户端的迁移[17]。

网络管理：传统大规模网络环境中存在较大数量的端到端链路，实现网络的管理具有较大难度。SDWN集中式控制方式，用户可以通过收集路由信息实现对网络流统计，便于网络的管理。OpenRadio[18]讨论可编程的无线数据平面问题，它提供软件抽象层，并提供模块化的编程接口。控制平面上网络提供商通过改变流的转发规则实现数据平面转发，降低了网络配置复杂度。SoftRAN[19]利用SDN的全局信息协调无线接入设备，降低了传输过程中的能耗。OpenRF[20]利用软件定义思想，实现物理层上接入点信号强度控制，将高层服务需求转发至低层，其控制器保证接入点的传输速率及控制接口，进行网络管理。DIFANE[21]提供分布式流管理架构，在中央设备上处理分布式规则并于快速路径上处理所有数据流，完成动态适应拓扑改变、主机移动等。

网络安全：SDWN的集中式控制方式，为服务提供商提供全局的网络视图，第三方依据控制器提供信息，提供安全解决方案。由于屏蔽了物理平面的复杂性，网络安全机制可被灵活地部署于网络环境中。

SDWN的提出，给WLAN领域带来崭新的活力。但是从技术本身来看，目前尚未有统一的标准，虽然各个研究机构提出的架构不尽相同，但是他们在主要思想上是一致，即实现数据平面与转发平面的分离，并开放灵活的可编程接口，实现不同无线业务需求。在未来的一段时间以内，仍然是传统的网络设备为主，其发展过程也是一个逐渐过渡融合的过程。未来的无线网络领域，用户需要更加灵活的网络接入，更加安全的网络体验，这成为SDWN所需要研究发展的动力。在未来的5G领域中，SDWN将产生重要的影响力。

1.4 本文研究内容

本文将通过对Mininet-wifi的学习，来进行SDWN的仿真实现，即模拟SDWN的拓扑结构并对其进行一些测试查看是否符合拓扑结构的设计目的。然后，再进行py文件的设计并通过运行Python来实现SDWN拓扑结构的模拟。最后，进行2种常见场景下的SDWN仿真，例如密码验证、连接转移等。

第2章 相关技术简介

2.1 软件定义网络概述

2.1.1 SDN的产生和发展

SDN思想起源于2006年美国斯坦福大学的Clean Slate[22]研究项目，该项目的主要目的是让网络管理员可以通过集中式的控制器来更方便地定义安全控制策略，并且将这些策略应用到原有的网络设备中，进而实现对整个网络的安全控制。受此项目启发，该团队进行了更深入的研巧，Nick Mckeown等人于2008年在SIGCOMM上发表文章，第一次详细介绍了Openflow[23]概念。2009年，Mckeown教授正式提出了SDN的概念。2012年开放网络基金组织ONF[9]发布了SDN白皮书[3]。

由于SDN技术能带来重大利益，研究人员以及相关企业纷纷加入到该项研巧中，因此SDN成为了最具前途以及最能有望替代传统网络架构的新的网络技术之一，SDN以及相关的领域成为了近几年的研究热点。

在学术界，一些网络顶级会议将SDN作为专题收录相关文章来研讨该技术，国内外各大高校中也成立了SDN重点研究小组。在国外，美国创建了GENI[24]计划、Internet2[25]、PlanetLab[26]实验平台，欧洲的OFELIA[27]在2010年开始采用Openflow技术搭建新一代网络实验平台以及日本的JGN2plus[28]，这些相关组织都相继加入到SDN方面的研究和部署中。在国内，清华大学于2010年与斯坦福大学签署了未来网络合作协议，并在2012年负责了“未来网络体系结构巧创新环境”研究项目[29]，该项目集合了中国多所高等院校，还邀请了一些网络设备商参与，并基于SDN架构提出了未来网络体系结构创新环境（Futur Network Innovation Environment，即FINE）[30]。

在产业界，包括思科、惠普、IBM以及华为和中兴等传统网络设备制造商都相继加入到了SDN的研究中，一些支持Openflow的网络硬件设备（例如：支持Openflow的交换化）己经用于商业使用和学术研究中。同时，基于SDN技术的初创公司也在蓬勃发展，最知名的是VMware公司以12亿美元收购的Nicira。互联网公司Google基于Openflow搭建的数据中心骨干网络[31]己经在运行中，新网络的链路带宽利用率提高了3倍以上，链路成本大大降低。Facebook也宣布其数据中心中使用了SDN／Openflow的技术。国内的互联网公司百度、阿里、腾讯三巨头为了不在技术上落伍，也积极地加入到SDN相关技术的研巧中。以上事例证明了SDN不再仅仅是停留在学术界里的研巧项目，而是己经开始应用到真实的网络环境中。

2.1.2 SDN架构与核心技术

在通信网络领域，每一种新技术的兴起都是因为需求发生了变化。目前，网络技术的发展跟不上现实需求的变化。例如，要求网络管理员能够管理越来越复杂的网络和各式各样的设备，网络中部署层出不穷的复杂应用以及应对由于数字化带来的越来越多的流量。

在传统网络中，网络设备的管理层和数据层是紧耦合的，设备之间是独立的，只能单独地管理。由于来自不同厂家的网络设备没有统一的管理平台，当出现新业务需要部署时，管理员不了解设备构造，有的设备甚至都没有开放接口，而且网络中使用的各种算法、协议也是有差别的，网络管理员只能将大量的时间花费在维护网络、升级设备等一些网络运营的工作上，网络创新就变得十分困难。对大型网络来说，运营成本相对设备成本开销更多，这些问题带来的影响是网络部署新业务需要很长的时间，滞后于需求的变化。

为了能够方便快捷地管理和部署网络、设备和应用，减少管理员操作失误的频率以及操作时间，降低网络故障发生的概率和恢复时间，新型网络架构的研发显得尤为重要。很多研巧人员尝试了多种解决方案，而SDN技术是目前研究最多、影响最大的一种。

SDN最基本的三个概念是可编程性、控制平面和数据平面分离科及在逻辑集中控制模式下对网络进斤管理。由ONF提出的SDN三层网络架构在SDN众多不同的模型架构中最被学术界和产业界认可，该架构由基础设施层、控制层和应用层构成。

基础设施层位于架构最下层，主要由多种底层网络转发设备构成，该层的设备没有逻辑控制能力，仅负责数据转发。这些网络设备既可是真实的物理设备，也可是虚拟设备，例如虚拟交换机OpenvSwitch（OVS）[32]、Pantou[33]等。

控制层处于架构的中间，是SDN架构的核心，由SDN控制软件和网络服务组成。该层是从传统的底层网络设备中抽离出来的逻辑控制平面，掌握整个网络的状态信息，控制数据流量的走向，实现逻辑集中地控制整个网络。控制层通过南向接口获取网络底层基础设施信息，同时为上层应用提供可扩展的、可编程的北向接口。

应用层位于最上层，根据网络不同的应用需求调用控制层的北向接口，实现各种不同功能的应用程序，比如访问控制、流量工程、网络运行情况监测等。

Openflow最初作为SDN的原型被提出，但在SDN的正式架构中，Openflow指的是控制平面和数据平面间的一种通信协议，也就是控制器与交换机进行通信时需要遵循的通信规则，很多开源的SDN控制器、虚巧交换机及一些创新应用都是基于该协议而开发的。

2.2 软件定义无线网络概述

无线网络凭借其接入速率高，架构使用便利，扩展性好和系统费用低廉等诸多优点，被广泛部署在各种网络环境中。而随着无线通信技术的高速发展和社会智能化的普及，无线数据业务快速增长，各种新的网络需求和应用层出不穷，通信网络正面临着诸如移动终端数量、流量的爆炸式增长，虚拟化以及各种云计算技术的发展对传统网络不断产生冲击，传统网络的静态架构和管理方式与应用的动态发展形式越来越不适应：另外，采用专用硬件设备的传统组网方式以及网络缺少可编程性，导致新的业务开发、部署的周期很长，同时，由于网络部署密集且没有统一规划，产生了较高的运营成本[28]。

研究表明，当前无线网络存在的问题主要有流量负载不均衡，网络资源利用率低，业务质量难以处保证和管理复杂度高等。为了解决这些问题，急需一个新的无线网络架构来实现网络的快速配置和动态管理。SDN作为一种新型的网络体系架构，将网络的控制平面与数据平面分离开来，控制器集中式地控制数据平面上的流量和设备，解决了网络中存在的很多问题。受此启发，研究者们将SDN的核心思想应用于无线网络中，提出了软件定义无线网络（SDWN）的概念。