【案例共创】基于华为云主机的软件定义网络SDN实践

本案例由开发者：华为2024年第三批次协同育人项目-南航金城学院-孙福清教师提供

一、概述

1. 案例介绍

本案例是在华为云主机中，进行软件定义网络SDN的二层交换机交换原理实践：使用 python 开源模块 mininet，编写 python 代码建立2个SDN交换机4个主机的简单网络拓扑，按照二层交换机mac地址学习和转发表原理，构建转发流表，下发到两个SDN交换机，使得4个主机之间网络互通。

通过本实践，使得学生学习理解软件定义网络SDN概念，学习和理解二层交换机mac地址学习和转发表。

华为开发者空间，是为全球开发者打造的专属开发者空间，致力于为每位开发者提供一台云主机、一套开发工具和云上存储空间，汇聚昇腾、鸿蒙、鲲鹏、GaussDB、欧拉等华为各项根技术的开发工具资源，并提供配套案例指导开发者 从开发编码到应用调测，基于华为根技术生态高效便捷的知识学习、技术体验、应用创新。

2. 适用对象

• 个人开发者
• 高校学生

3. 案例时间

本案例总时长预计90分钟。

4. 案例流程

说明：

1. 配置python开发环境；
2. 安装python模块mininet；
3. 验证python模块mininet；
4. SDN仿真（MAC地址学习和转发）。

5. 资源总览

本案例预计花费0元。

资源名称	规格	单价（元）	时长（分钟）
华为开发者空间 - 云主机	鲲鹏通用计算增强型 kc2 | 4vCPUs | 8G | Ubuntu	免费	90

二、环境配置

1. 开发者空间配置

面向广大开发者群体，华为开发者空间提供一个随时访问的“开发桌面云主机”、丰富的“预配置工具集合”和灵活使用的“场景化资源池”，开发者开箱即用，快速体验华为根技术和资源。

进入华为开发者空间工作台界面，点击打开云主机 > 进入桌面连接云主机。 如果还没有领取云主机进入工作台界面后点击配置云主机，选择Ubuntu操作系统。

2. 安装文本编辑器gedit

本案例中，参考案例《【案例共创】华为云主机Linux Python开发环境配置》“三、文本编辑工具gedit”完成文本编辑工具gedit的安装和测试功能。

3. 配置ubuntu apt镜像软件源

本案例中，参考案例《【案例共创】华为云主机Linux Python开发环境配置》“四、配置ubuntu的apt软件源”完成软件源的安装和更新。

注：华为镜像源地址：

http://repo.huaweicloud.com/ubuntu-ports/

三、安装验证 python 模块 mininet

1. python 模块 mininet

SDN 是一种网络架构，它将控制平面（Control Plane）与数据平面（Data Plane）分离，使得网络控制逻辑集中在一个控制器中（如 OpenDaylight、ONOS、Ryu 等），而数据转发由交换机完成。 核心理念：通过软件编程控制网络行为，而不是手动配置每个设备。 协议：OpenFlow 是最常用的南向协议，用于控制器与交换机通信。

Mininet 是一个轻量级的软件定义网络SDN的网络仿真器，用于在linux系统（如笔记本电脑或虚拟机）上快速创建包含主机、交换机、控制器和链路的完整SDN网络拓扑。 特点： - 支持 OpenFlow 协议； - 可以运行真实的 Linux 网络栈； - 支持自定义拓扑、带宽、延迟、丢包率等参数； - 与真实网络行为高度一致。 官网地址：https://mininet.org/

2. 安装mininet

1. 多种方式安装mininet 本案例采用Ubuntu包安装方式安装mininet，非常简单方便。在root用户下，先创建一个独立的文件夹SDN，在这个文件夹下安装mininet。

依次执行如下命令：

#创建文件夹
mkdir sdn

#进入文件夹
cd sdn

#安装mininet
apt install mininet

安装的位置：/usr/lib/python3/dist-packages/mininet

由于采用了包安装方式，python包mininet位于ubuntu的python全局环境，因此直接引用mininet模块，无需创建Python的虚拟环境。

#python命令
python3

#导入mininet
import mininet

#导入之后退出
exit()

3. 验证mininet

在终端命令行下运行mininet命令mn创建一个最小的网络拓扑，并测试节点之间的可达。 创建一个最小的仿真网络：1个交换机带2个主机：

mn

测试两个主机之间是否可达：

#测试是否可达
pingall
#退出
exit

清理仿真资源

mn -c

四、网络仿真(无控制器的二层交换机)

1. 定义仿真网络

1. Mininet有两种方式定义仿真网络
2. 命令行方式：创建仿真网络拓扑，非常不方便，记忆众多命令，容易出错， 本案例不使用。
3. python代码：创建仿真网络拓扑，可以定义更为复杂的仿真网络，本案例采用。

仿真网络思想： 没有SDN控制器ryu、pox等，只有交换机switch和主机host。 根据二层交换机的基于MAC地址学习和转发的原理，人工构造和添加流表,使得主机之间互通。

仿真网络拓扑：

1. 示例python代码

#!/usr/bin/env python

from mininet.net import Mininet
from mininet.node import RemoteController
from mininet.node import Host
from mininet.node import OVSKernelSwitch
from mininet.cli import CLI
from mininet.log import setLogLevel, info

def myNetwork():
    net = Mininet( topo=None,
                   build=False)

    info( '*** Adding controller\n' )
    c0=net.addController(name='c0',
                      controller=RemoteController,
                      ip='127.0.0.1',
                      protocol='tcp',
                      port=6633)

    info( '*** Add switches\n')
    s1 = net.addSwitch('s1', cls=OVSKernelSwitch)
    s2 = net.addSwitch('s2', cls=OVSKernelSwitch)

    info( '*** Add hosts\n')
    h1 = net.addHost('h1', cls=Host, defaultRoute=None,mac='24:69:A5:A2:CA:01')
    h2 = net.addHost('h2', cls=Host, defaultRoute=None,mac='24:69:A5:A2:CA:02')
    h3 = net.addHost('h3', cls=Host, defaultRoute=None,mac='24:69:A5:A2:CA:03')
    h4 = net.addHost('h4', cls=Host, defaultRoute=None,mac='24:69:A5:A2:CA:04')

    info( '*** Add links\n')
    net.addLink(h1, s1)
    net.addLink(h2, s1)
    net.addLink(h3, s2)
    net.addLink(h4, s2)
    net.addLink(s1, s2)

    info( '*** Starting network\n')
    net.build()
    info( '*** Starting controllers\n')
    for controller in net.controllers:
        controller.start()

    info( '*** Starting switches\n')
    net.get('s1').start([c0])
    net.get('s2').start([c0])

    CLI(net)
    net.stop()

if __name__ == '__main__':
    setLogLevel( 'info' )
    myNetwork()

1. 代码释义 （1）引入 Mininet 的核心类 代码：

from mininet.net import Mininet
from mininet.node import RemoteController, Host, OVSKernelSwitch
from mininet.cli import CLI
from mininet.log import setLogLevel, info

释义： Mininet：整个仿真网络的“总管”。 RemoteController：让 Mininet 去连外部控制器（本例是 POX）。 Host / OVSKernelSwitch：主机与 Open vSwitch 内核交换机。 CLI：交互式命令行。 setLogLevel, info：打印彩色日志。

（2）创建一个“空壳”网络实例，稍后再往里塞节点 代码：

def myNetwork():
    net = Mininet(
        topo=None,   # 不依赖外部 Topo 对象，后面手动加节点
        build=False )  # 先不立刻 build，方便后面再改

释义： 创建空壳网络对象，后面逐步向内增加节点：控制器、交换机，主机等。

（3）添加控制器 代码：

info('*** Adding controller\n')
c0 = net.addController(
    name='c0',
    controller=RemoteController,
    ip='127.0.0.1',
    protocol='tcp',
    port=6633
)

释义： 控制器名字叫 c0。 类型是 RemoteController，即外部控制器（POX、Ryu、ODL…）。 地址端口指向本地6633，正好与 POX 默认一致。

（4）添加交换机 代码：

info('*** Add switches\n')
s1 = net.addSwitch('s1', cls=OVSKernelSwitch)
s2 = net.addSwitch('s2', cls=OVSKernelSwitch)

释义： 两台 Open vSwitch 内核交换机 s1、s2。 cls=OVSKernelSwitch 表示使用内核态 datapath（性能高，需 root）。

（5）添加主机 代码：

info('*** Add hosts\n')
h1 = net.addHost('h1', cls=Host, defaultRoute=None,
                 mac='24:69:A5:A2:CA:01')

释义： 四个主机，手动指定 MAC 方便抓包或做流表下发实验。 defaultRoute=None 表示暂时不自动配置默认网关。

（6）添加链路 代码：

info('*** Add links\n')
net.addLink(h1, s1)   # h1 连 s1
net.addLink(h2, s1)   # h2 连 s1
net.addLink(h3, s2)   # h3 连 s2
net.addLink(h4, s2)   # h4 连 s2
net.addLink(s1, s2)   # 两台交换机互连

释义： 默认链路带宽无限、延迟 0ms、无丢包；如需限制可加 bw=10,delay='5ms' 等参数。

（7）启动网络 代码：

info('*** Starting network\n')
net.build()      # 真正创建 namespace、veth、OVS 等
info('*** Starting controllers\n')
for controller in net.controllers:
    controller.start()

info('*** Starting switches\n')
net.get('s1').start([c0])
net.get('s2').start([c0])

释义： net.build()：生成所有虚拟设备。 把 s1、s2 的控制器指向c0，这样交换机才会发 Packet-In 给 POX 等控制器。 注意顺序：先起控制器 → 再起交换机，否则交换机会报错 “no controller”。

（8）进入交互 CLI & 清理 代码和释义：

CLI(net)   # 阻塞在这里，用户可敲 pingall、iperf、dpctl...
net.stop() # 用户键入 exit 后自动清理 veth、namespace、OVS

（9）代码主入口 代码：

if __name__ == '__main__':
    setLogLevel('info')  # 打印 INFO 级别以上日志，好看
    myNetwork()

释义： 脚本直接运行时执行myNetwork()，开始仿真。

2. 启动仿真网络

1. 新建空白py代码文件准备编写py代码。

gedit 2switch4hosts.py

如果gedit未授权,还需要对gedit进行root账号的X图形服务器权限授权，允许 root 用户从本地连接到 X 服务器，另开一个终端，输入如下代码：

xhost +local:root

注：执行代码报授权协议，只需按照上述步骤执行即可。

再次新建空白py代码文件，将第一步中示例代码复制到文件中，点击保存。

gedit 2switch4hosts.py

1. 执行代码 通过如下命令执行代码，定义、创建仿真网络，启动仿真：

python3 2switch4hosts.py

1. 测试连通性 执行如下代码测试仿真网络主机之间的网络连通性。

pingall

此时仿真网络既没有配置SDN控制器，也没有下发流表，因此主机之间是不通的。

3. 构造下发流表

1. 查看仿真网络端口连接关系 使用linke查看连接关系。

links

4个主机的mac地址，通过代码或者仿真命令： ('h1', cls=Host, defaultRoute=None,mac='24:69:A5:A2:CA:01') ('h2', cls=Host, defaultRoute=None,mac='24:69:A5:A2:CA:02') ('h3', cls=Host, defaultRoute=None,mac='24:69:A5:A2:CA:03') ('h4', cls=Host, defaultRoute=None,mac='24:69:A5:A2:CA:04')

根据二层交换机的MAC地址学习原理，构造MAC地址学习表：

主机	MAC地址表	交换机	端口
h1	24:69:A5:A2:CA:01	s1	1
h2	24:69:A5:A2:CA:02	s1	2
h3	24:69:A5:A2:CA:03	s1	3
h4	24:69:A5:A2:CA:04	s1	3

主机	MAC地址表	交换机	端口
h1	24:69:A5:A2:CA:01	s2	3
h2	24:69:A5:A2:CA:02	s2	3
h3	24:69:A5:A2:CA:03	s2	1
h4	24:69:A5:A2:CA:04	s2	2

根据二层交换机的MAC地址转发原理，从哪来到哪去，依据上面的MAC地址学习表，构造SDN的转发流表：

交换机S1：到主机h1的报文的转发规则:

sh ovs-ofctl add-flow s1 dl_dst=24:69:A5:A2:CA:01,action=output:1

交换机S1：到主机h2的报文的转发规则:

sh ovs-ofctl add-flow s1 dl_dst=24:69:A5:A2:CA:02,action=output:2

交换机S1：到主机h3的报文的转发规则:

sh ovs-ofctl add-flow s1 dl_dst=24:69:A5:A2:CA:03,action=output:3

交换机S1：到主机h4的报文的转发规则:

sh ovs-ofctl add-flow s1 dl_dst=24:69:A5:A2:CA:03,action=output:3

交换机S2：到主机h1的报文的转发规则:

sh ovs-ofctl add-flow s2 dl_dst=24:69:A5:A2:CA:01,action=output:3

交换机S2：到主机h2的报文的转发规则:

sh ovs-ofctl add-flow s2 dl_dst=24:69:A5:A2:CA:02,action=output:3

交换机S2：到主机h3的报文的转发规则:

sh ovs-ofctl add-flow s2 dl_dst=24:69:A5:A2:CA:03,action=output:1

交换机S2：到主机h4的报文的转发规则:

sh ovs-ofctl add-flow s2 dl_dst=24:69:A5:A2:CA:04,action=output:2

目的地址为广播地址(ff:ff:ff:ff:ff:ff)的转发规则，例如ipv4的ARP报文: 交换机S1和S2：广播的以太网目的地址，泛洪FLOOD。

sh ovs-ofctl add-flow s1  dl_dst=ff:ff:ff:ff:ff:ff,actions=FLOOD
sh ovs-ofctl add-flow s2  dl_dst=ff:ff:ff:ff:ff:ff,actions=FLOOD

构造的流表如下：

sh ovs-ofctl add-flow s1  dl_dst=ff:ff:ff:ff:ff:ff,actions=FLOOD
sh ovs-ofctl add-flow s2  dl_dst=ff:ff:ff:ff:ff:ff,actions=FLOOD

sh ovs-ofctl add-flow s1 dl_dst=24:69:a5:a2:ca:01,action=output:1
sh ovs-ofctl add-flow s1 dl_dst=24:69:a5:a2:ca:02,action=output:2
sh ovs-ofctl add-flow s1 dl_dst=24:69:a5:a2:ca:03,action=output:3
sh ovs-ofctl add-flow s1 dl_dst=24:69:a5:a2:ca:04,action=output:3

sh ovs-ofctl add-flow s2 dl_dst=24:69:a5:a2:ca:01,action=output:3
sh ovs-ofctl add-flow s2 dl_dst=24:69:a5:a2:ca:02,action=output:3
sh ovs-ofctl add-flow s2 dl_dst=24:69:a5:a2:ca:03,action=output:1
sh ovs-ofctl add-flow s2 dl_dst=24:69:a5:a2:ca:04,action=output:2

下发流表，将上述代码依次执行： 再次测试仿真网络的主机之间的连通性：

五、安装验证python控制器pox

1. 开源SDN控制器pox

POX是一个基于python的开源 OpenFlow/SDN 控制器，其底层模块由C++实现，上层应用可以用python编写，提供快速开发网络控制软件原型的平台。 基于python3开源控制器POX，因其简单易用而广泛应用，适合初学者和小规模SDN网络实验，是SDN入门、学习SDN控制器的很好选择。 在SDN架构中，POX作为控制器负责集中管理网络的行为，可进行路径选择、流量管理、安全策略应用等操作。

简单案例： - mininet连接POX控制器， - POX运行l2_pairs组件, - mininet使用h1 ping h2时，mininet交换机上报给控制器事件packet_in， - 控制器的pox的l2_pairs组件可以抽取packet_in中的src_mac和in_port，进行mac地址学习, 生成mac地址转发表， - 控制器根据事件packet_in中的dst_mac，查找转发表，得到报文的转发目的端口，构造下发下发的src_mac和dst_mac的2条流表flowentry到mininet交换机， - mininet交换机就工作在传统的二层交换机模式。

代码地址： https://github.com/noxrepo/pox https://noxrepo.github.io/pox-doc/html/

2. 安装下载pox

pox目前都没有apt安装的包以及pyhton pip安装的模块，只有纯python代码，通过git可以下载到本地直接进行python运行，无需安装。 新创建一个独立文件夹：

#创建一个独立文件夹
mkdir 202507

#进入到这个目录下
cd 202507

在此目录下下载源码：

git clone https://github.com/noxrepo/pox
#查看
ls
#进入pox
cd pox
#查看
ls

下载的代码是pox的gar分支，要求python3：POX versions are named. Starting with POX "gar", POX officially requires Python 3。 下载后的快速启动方式：python3 pox.py samples.pretty_log forwarding.l2_learning。

3. 启动控制器pox

1. 快速启动pox 使用如下命令进行启动：

python3 pox.py  log.level --DEBUG forwarding.l2_learning

说明： - pox.py，是其启动入口。 - log.level --DEBUG，是将调试信息打开，可以更好的观察过程。 - forwarding.l2_learning，是一种控制器实现的模式，二层交换机学习。

从提示信息可以看出，pox最后更新时间比较早，最高只支持python3.9版本。而华为云主机的预装python版本为 python3.12。但实际pox在python 3.12下运行也正常。

1. 启动mininet 在另一个终端启动mininet。

python3 2switch4hosts.py

从上图可以看到，POX终端的输出提示mininet成功连接上了pox控制器。 “ERROR:packet:(dns) parsing questions: ord() expected string of length 1, but int found"提示dns报文解释错误，不用理会，不影响本案例。 如果要消除，需要在华为云主机上安装python的多版本，使用python3.9来运行pox，则消除错误。

1. Mininet的SDN交换机连接上pox的SDN控制器，可以开始仿真 依次执行如下命令，查看仿真结果：

dpctl dump-flows

第一次仿真不通，进行pingall操作：

pingall

再次仿真:

dpctl dump-flows

从上可以看出，初始mininet交换机上没有流表，但开始执行主机互通测试后，得到流表，并且主机之间也互通。 POX终端输出调试信息：向交换机下发安装转发规则的流表 “DEBUG:forwarding.l2_learning:installing flow for 24:69:a5:a2:ca:02.2 -> 24:69:a5:a2:ca:01.1 DEBUG:forwarding.l2_learning:installing flow for 24:69:a5:a2:ca:01.1 -> 24:69:a5:a2:ca:02.2……”。

控制器pox自带的forwarding.l2_learning的模式，下发的流表： “cookie=0x0, duration=5.399s, table=0, n_packets=1, n_bytes=42, idle_timeout=10, hard_timeout=30, priority=65535,arp,in_port="s1-eth2",vlan_tci=0x0000,dl_src=24:69:a5:a2:ca:02,dl_dst=24:69:a5:a2:ca:01,arp_spa=10.0.0.2,arp_tpa=10.0.0.1,arp_op=2 actions=output:"s1-eth1"……” 这个流表，不是前面所说的传统L2交换机的只基于MAC地址学习和转发的转发模式，而是使用了：源mac，目的mac，源ip，目的ip等的匹配规则。

六、反馈改进建议

如您在案例实操过程中遇到问题或有改进建议，可以到论坛帖评论区反馈即可，我们会及时响应处理，谢谢！