在mininet下设计网络拓扑、性能评价以及Linux内核修改、编译

最新推荐文章于 2025-04-06 12:22:47 发布

小林Jolly

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分类专栏： Linux 文章标签： linux 网络网络协议

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本文介绍Mininet的基本使用方法，包括网络拓扑搭建、系统变量控制及基于Mininet的网络实验。同时，详细讲解了如何自定义内核模块，实现并测试新的TCP拥塞控制算法。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

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前言

在网络领域，大多数情况下做的实验都是基于ns2、ns3等仿真软件。这些软件是在应用层上模拟了一套网络协议，算是在应用层实现的，而mininet使用的网络协议是基于内核的，更关注网络拓扑本身，要想修改协议进行网络测试，直接到内核级别进行更改，更有现实意义

一、mininet简单使用

在Linux平台上安装好mininet之后，可以通过终端使用，官方也支持python API，更方便的进行编码。

使用mininet创建一个拓扑结构

# 创建一个简单拓扑，h1--s1--h2
sudo mn --topo=minimal
# 测试网络性能
# h1开启iperf，-s：服务端，-p 端口号 -i
# 令主机h1为服务器，使用端口为5566，并且每隔一秒监视一次，在后台运行
h1 iperf -s -p 5566 -i 1 &
# 令主机h2为客户端，使用端口5566，并且每隔一秒监视一次，共持续15s，我们可以看见每隔一秒钟，会报告一次当前的网络状况，同时会在最后统计15秒内的网络情况
h2 iperf -c 10.0.0.1 -p 5566 -t 15 -i 1

二、关于系统变量控制的相关命令

# 设置系统控制变量(sysctl)： -w 临时改变
sysctl -w net.mptcp.[name of the wariable]=[value]

# 当前内核可以使用的tcp拥塞控制算法
sysctl net.ipv4.tcp_available_congestion_control
# 当前内核正在使用的tcp拥塞控制算法
sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control
# 更改tcp拥塞控制算法（更改为reno）
sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control=reno
# 检查是否内核有没有开启mptcp协议
sudo sysctl -a | grep mptcp
# 确认mptcp内核版本号
dmesg | grep MPTCP

三、基于mininet的实验

1、小试牛刀——使用mininal拓扑

关闭mptcp选项，测试tcp协议的一些性能参数

sudo sysctl -a | grep mptcp

sudo sysctl net.mptcp.mptcp_enabled=0

查看当前tcp拥塞控制协议

sudo sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control

⬆️当前tcp协议的拥塞控制算法为balia
使用mininet创建minimal网络拓扑，并测试（依次输入以下命令）

sudo mn --topo=minimal
h1 iperf -s -p 5566 -i 1 &
h2 iperf -c 10.0.0.1 -p 5566 -t 15 -i 1

⬆️由上图课件，当前校园网下网络拓扑为minimal，拥塞控制协议为balia，15s传输了74.4GBytes的数据。
更换拥塞控制协议，继续测量。
查看当前系统可以使用的tcp拥塞控制算法

sysctl net.ipv4.tcp_available_congestion_control

⬆️reno bbr cubic lia olia wvegas balia mctcpdesync
更改拥塞控制算法为cubic，测量方式如上

⬆️由上图可见，当前校园网下网络拓扑为minimal，拥塞控制协议为cubic，15s传输了77.3GBytes的数据。
一次测量数据具有偶然性，可以测量多次取平均值。（我实际测量，相同算法每次测量结果基本一致）
按照上述方法，可以设置拥塞控制算法，设计拓扑图，测量数据传输的效果。

2、自定义拓扑

拓扑1

mininet除了使用terminal进行控制之外，还支持python API，对于相对复杂的拓扑结构，我们使用python编程设计，然后执行更方便。
MPTCP协议在mininet中的性能测试
拓扑结构如下：
网络拓扑图

编写拓补脚本，mptcp-example1.py，启动iperf软件，可以测量节点间的带宽。（以下代码是python2的代码）

#!/usr/bin/env python
from mininet.net import Mininet
from mininet.cli import CLI
from mininet.link import Link, TCLink,Intf
from subprocess import Popen, PIPE
from mininet.log import setLogLevel
 
if '__main__' == __name__:
  setLogLevel('info')
  net = Mininet(link=TCLink)
  key = "net.mptcp.mptcp_enabled"
  value = 1
  p = Popen("sysctl -w %s=%s" % (key, value), shell=True, stdout=PIPE, stderr=PIPE)
  stdout, stderr = p.communicate()
  print "stdout=",stdout,"stderr=", stderr
  h1 = net.addHost('h1')
  h2 = net.addHost('h2')
  r1 = net.addHost('r1')
  linkopt={'bw':10}
  net.addLink(r1,h1,cls=TCLink, **linkopt)
  net.addLink(r1,h1,cls=TCLink, **linkopt)
  net.addLink(r1,h2,cls=TCLink, **linkopt)
  net.addLink(r1,h2,cls=TCLink, **linkopt)
  net.build()
  r1.cmd("ifconfig r1-eth0 0")
  r1.cmd("ifconfig r1-eth1 0")
  r1.cmd("ifconfig r1-eth2 0")
  r1.cmd("ifconfig r1-eth3 0")
  h1.cmd("ifconfig h1-eth0 0")
  h1.cmd("ifconfig h1-eth1 0")
  h2.cmd("ifconfig h2-eth0 0")
  h2.cmd("ifconfig h2-eth1 0")
  r1.cmd("echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward")
  r1.cmd("ifconfig r1-eth0 10.0.0.1 netmask 255.255.255.0")
  r1.cmd("ifconfig r1-eth1 10.0.1.1 netmask 255.255.255.0")
  r1.cmd("ifconfig r1-eth2 10.0.2.1 netmask 255.255.255.0")
  r1.cmd("ifconfig r1-eth3 10.0.3.1 netmask 255.255.255.0")
  h1.cmd("ifconfig h1-eth0 10.0.0.2 netmask 255.255.255.0")
  h1.cmd("ifconfig h1-eth1 10.0.1.2 netmask 255.255.255.0")
  h2.cmd("ifconfig h2-eth0 10.0.2.2 netmask 255.255.255.0")
  h2.cmd("ifconfig h2-eth1 10.0.3.2 netmask 255.255.255.0")
  h1.cmd("ip rule add from 10.0.0.2 table 1")
  h1.cmd("ip rule add from 10.0.1.2 table 2")
  h1.cmd("ip route add 10.0.0.0/24 dev h1-eth0 scope link table 1")
  h1.cmd("ip route add default via 10.0.0.1 dev h1-eth0 table 1")
  h1.cmd("ip route add 10.0.1.0/24 dev h1-eth1 scope link table 2")
  h1.cmd("ip route add default via 10.0.1.1 dev h1-eth1 table 2")
  h1.cmd("ip route add default scope global nexthop via 10.0.0.1 dev h1-eth0")
  h2.cmd("ip rule add from 10.0.2.2 table 1")
  h2.cmd("ip rule add from 10.0.3.2 table 2")
  h2.cmd("ip route add 10.0.2.0/24 dev h2-eth0 scope link table 1")
  h2.cmd("ip route add default via 10.0.2.1 dev h2-eth0 table 1")
  h2.cmd("ip route add 10.0.3.0/24 dev h2-eth1 scope link table 2")
  h2.cmd("ip route add default via 10.0.3.1 dev h2-eth1 table 2")
  h2.cmd("ip route add default scope global nexthop via 10.0.2.1 dev h2-eth0")
  CLI(net)
  net.stop()

执行命令

sudo python mptcp-example1.py

启动h1，h2两个终端窗口

mininet>xterm h1 h2

首先在h2中输入：

iperf -s -i 1

接着在h1中输入：

iperf -c 10.0.2.2 -t 10 -i 1

代码中value的值控制mptcp的开启和关闭，1为开启，0为关闭。效果图如下：

拓扑2

拓扑2
python代码：

#!/usr/bin/env python
from mininet.net import Mininet
from mininet.cli import CLI
from mininet.link import Link, TCLink, Intf
from subprocess import Popen, PIPE
from mininet.log import setLogLevel
import sys

if '__main__' == __name__:
    # 处理命令行参数

    value = 1
    if len(sys.argv) > 2:
        value = int(sys.argv[1])

    setLogLevel('info')
    net = Mininet(link=TCLink)
    key = "net.mptcp.mptcp_enabled"
    p = Popen("sysctl -w %s=%s" % (key, value), shell=True, stdout=PIPE, stderr=PIPE)
    stdout, stderr = p.communicate()
    print("stdout=", stdout, "stderr=", stderr)

    h1 = net.addHost('h1')
    h2 = net.addHost('h2')
    h3 = net.addHost('h3')
    r1 = net.addHost('r1')
    r2 = net.addHost('r2')
    # 设置链路带宽
    linkopt = {'bw': 10}

    # 总共有五条链路
    #           r1
    #    h1              h2
    #           r2
    #
    #           h3
    net.addLink(r1, h1, cls=TCLink, **linkopt)
    net.addLink(r1, h2, cls=TCLink, **linkopt)
    net.addLink(r2, h1, cls=TCLink, **linkopt)
    net.addLink(r2, h2, cls=TCLink, **linkopt)
    net.addLink(r2, h3, cls=TCLink, **linkopt)

    net.build()
    # 配置路由器r1两个端口
    r1.cmd("ifconfig r1-eth0 0")
    r1.cmd("ifconfig r1-eth1 0")

    # 配置路由器r2三个端口
    r2.cmd("ifconfig r2-eth0 0")
    r2.cmd("ifconfig r2-eth1 0")
    r2.cmd("ifconfig r2-eth2 0")

    h1.cmd("ifconfig h1-eth0 0")
    h1.cmd("ifconfig h1-eth1 0")
    h2.cmd("ifconfig h2-eth0 0")
    h2.cmd("ifconfig h2-eth1 0")
    h3.cmd("ifconfig h3-eth0 0")

    r1.cmd("echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward")
    r2.cmd("echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward")
    r1.cmd("ifconfig r1-eth0 10.0.0.1 netmask 255.255.255.0")
    r1.cmd("ifconfig r1-eth1 10.0.1.1 netmask 255.255.255.0")
    r2.cmd("ifconfig r2-eth0 10.0.2.1 netmask 255.255.255.0")
    r2.cmd("ifconfig r2-eth1 10.0.3.1 netmask 255.255.255.0")
    r2.cmd("ifconfig r2-eth2 10.0.4.1 netmask 255.255.255.0")

    h1.cmd("ifconfig h1-eth0 10.0.0.2 netmask 255.255.255.0")
    h1.cmd("ifconfig h1-eth1 10.0.2.2 netmask 255.255.255.0")
    h2.cmd("ifconfig h2-eth0 10.0.1.2 netmask 255.255.255.0")
    h2.cmd("ifconfig h2-eth1 10.0.3.2 netmask 255.255.255.0")
    h3.cmd("ifconfig h3-eth0 10.0.4.2 netmask 255.255.255.0")

    h1.cmd("ip rule add from 10.0.0.2 table 1")
    h1.cmd("ip rule add from 10.0.2.2 table 2")
    h1.cmd("ip route add 10.0.0.0/24 dev h1-eth0 scope link table 1")
    h1.cmd("ip route add default via 10.0.0.1 dev h1-eth0 table 1")
    h1.cmd("ip route add 10.0.2.0/24 dev h1-eth1 scope link table 2")
    h1.cmd("ip route add default via 10.0.2.1 dev h1-eth1 table 2")
    h1.cmd("ip route add default scope global nexthop via 10.0.0.1 dev h1-eth0")

    h2.cmd("ip rule add from 10.0.1.2 table 1")
    h2.cmd("ip rule add from 10.0.3.2 table 2")
    h2.cmd("ip route add 10.0.1.0/24 dev h2-eth0 scope link table 1")
    h2.cmd("ip route add default via 10.0.2.1 dev h2-eth0 table 1")
    h2.cmd("ip route add 10.0.3.0/24 dev h2-eth1 scope link table 2")
    h2.cmd("ip route add default via 10.0.3.1 dev h2-eth1 table 2")
    h2.cmd("ip route add default scope global nexthop via 10.0.1.1 dev h2-eth0")

    h3.cmd("ip rule add from 10.0.4.2 table 1")
    h3.cmd("ip route add 10.0.4.0/24 dev h3-eth0 scope link table 1")
    h3.cmd("ip route add default via 10.0.4.1 dev h3-eth0 table 1")
    h3.cmd("ip route add default scope global nexthop via 10.0.4.1 dev h3-eth0")
    CLI(net)
    net.stop()

测试的话，自己随便尝试吧！

四、自定义内核

以上我们使用系统中的内核进行了tcp性能的简单测试，我们可以做的不止这些，可以设计一个tcp拥塞控制算法，然后编译到内核里面，运行并测量效果。

1、设计源代码

我的内核的名字为mptcp，一般情况下Linux内核源代码的名字叫linux5.10.60-9.al8.x86_64这样的名字。
进入内核源码文件夹

cd /usr/src/mptcp

进入tcp协议中拥塞控制算法源码的目录（/net/ipv4）

:/usr/src/mptcp
cd net/ipv4
:/usr/src/mptcp/net/ipv4

我想在cubic的基础上修改实现一个我自己的拥塞控制算法，取名叫tcp_bupt，就是我们学校的名字，哈哈哈！
可以找到tcp cubic算法的源文件为tcp_cubic.c
可以打开查看一下：

gedit tcp_cubic.c

图10
文件内部有简单介绍该算法。
在文件中搜索.name，可以找到如下信息，“cubic”
图11

复制tcp_cubic.c为tcp_bupt.c

sudo cp tcp_cubic.c tcp_bupt.c

(需要注意的是，如果拥塞控制算法不止在一个c文件中实现，注意要复制所有的文件，判断的方式为
a. 文件名前缀相同
b. 看c文件中是否包含双引号的头文件
更改一下里面的内容：
图12

更改的一行为

delta = (cube_rtt_scale * offs * offs * offs) >> (10+3*BICTCP_HZ)
⬇️
delta = (cube_rtt_scale * offs * offs * offs) >> (20+4*BICTCP_HZ)

更改文件最后的.name中的"cubic"为"bupt"
图13

2、编译信息配置

Linux模块文件如何编译到内核和独立编译成模块？
修改Makefile

sudo vim Makefile

比葫芦画葫芦
c文件经过编译生成o文件
增加一行内容：

obj_$(CONFIG_TCP_CONG_BUPT) += tcp_bupt.o

图14

修改Kconfig

sudo gedit Kconfig

还是比葫芦画葫芦，需要注意的一点是有一行内容为

default m
default y
default n

m，y，n分别代表的意思为编译为模块、编译进内核、不编译。
我选择y
图15

下面的choice也要将信息添加进来
图16

回退到目录/usr/src/mptcp

cd ..
cd ..

执行命令

sudo make menuconfig

出现如下配置界面
图17
依次进入

>Networking support>Networking options>TCP: advanced congestion control

界面内容为：
图18
可以发现，最后一行TCP Bupt ( NEW )，前面的<*>表示编译到内核。因此不需要任何配置，直接退出吧！

3、编译

执行make命令，注意在Linux源文件目录下执行该命令

:/usr/src/mptcp$  sudo make

图19
让我们选择编译TCP Bupt的选项，Y是大写表示默认，可以直接回车，也可以输入y，这里我输入y
编译中，请耐心等待，喝杯咖啡放松一下！！！！
编译完成后。
可能还需要执行（如果编译的是模块的话，需要install，直接编译到内核不需要这一行代码）
其实执行一下也无所谓，这总是稳妥的。

sudo make install

重新启动Linux
查看拥塞控制算法

sudo sysctl net.ipv4.tcp_avaliable_congestion_control

图20

可以发现已经有了bupt这样一个算法，这个名字是.name控制的，tcp_bupt.c里面的.name是什么，你的算法就叫什么名字。

4、测试新的拥塞控制算法bupt

终于到了测试的环节了，因为bupt是经过cubic改良过来的（改了一行代码），所以我将这两个拥塞控制算法的性能进行比较。

# 关闭mptcp
sudo sysctl net.mptcp_enabled=0

1、cubic

sudo sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control=cubic

在mininet下使用minimal拓扑测试

sudo mn --topo=minimal
h1 iperf -s -p 5566 -i 1 &
h2 iperf -c 10.0.0.1 -p 5566 -t 15 -i 1

图21

2、bupt

sudo sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control=bupt

sudo mn --topo=minimal
h1 iperf -s -p 5566 -i 1 &
h2 iperf -c 10.0.0.1 -p 5566 -t 15 -i 1

图22

从两个实验的对比，发现好像差距不大，毕竟我只改了一行代码，如果想获得更加明显的对比（随意修改的算法参数，一般情况都会性能下降），需要更多的更改才行。
你可以尝试一下！

总结

通过上述内容，你可以了解mininet的简单实用，系统变量的查看与控制，已经修改内核编译内核，真的是收获满满了。对于想从事网络研究的人来说，相信一定对你有很大的帮助！