学校编码：10384 分类号 密级
学号：X2013231837 UDC
工 程 硕 士 学 位 论 文
基于 SDN 的无线网络管理系统设计与实现
Design and Implementation of Wireless Network
Management System Based on SDN
朱朝阳
指 导 教 师 ：
廖 明 宏 教 授
专 业 名 称 ：
软
件
工
程
论文提交日期：
2 0 1 5 年 1 0 月
论文答辩日期：
2 0 1 5 年 1 1 月
学位授予日期： 2 0 1 5 年 月
指 导 教 师：
答辩委员会主席：
2015 年 10 月
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厦门大学学位论文原创性声明
本人呈交的学位论文是本人在导师指导下,独立完成的研究成果。
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年 月 日
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于 年 月 日解密，解密后适用上述授权。
（ √
）2.不保密，适用上述授权。
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为公开学位论文，均适用上述授权。）
声明人（签名）：
年 月 日
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摘 要 - I -
摘 要
随着网络技术的不断发展以及无线网络管理系统技术的日新月异，越来越多 的无线网络运营商都开始思考如何更有效的管理无线网络，提供更高效的接入服 务提升用户上网体验，提升自身竞争力。所以软件定义网络（SDN）应运而生， SDN 架构天然就具有全局管控的能力，真正实现控制和转发分离，实现无线网络 定制化应用的插件化管理。SDN 技术不仅对 WLAN 管理系统是一个创新，同时对 于无线网络应用开发具有巨大的推动意义，从原有固定 AP 厂商开发变为可以有 第三方甚至用户自己定制开发，同时也缩短了创新型网络应用从开发到现网验证 的整个生命周期。 本论文的特色与创新之处就是基于 SDN 新型网络架构的概念，对 WLAN 管理 系统进行控制和转发的分离，提出将无线网络虚拟化和控制器全局视图的概念， 提供了配置管理、流量监控、速率监控、行为分析、节能管理、无缝漫游、负载 均衡等定制化网络应用程序，使得无线网络管理员在管理、查看、维护整个无线 网络运行状态时变得更加简化、动态和便捷，同时提高用户上网体验、有效减少 整个系统能耗。可以广泛地应用于政府部门、企业、场馆、展厅等大量需要无线 网络覆盖的场所。 关键词：无线网络管理；软件定义网络；OpenFlow；虚拟 AP厦门大学博硕士论文摘要库
Abstract
- II -
Abstract
With the continuous development of network technology and the rapid development of wireless network management system, more and more wireless network operators have begun to think about how to manage the wireless network more effectively, provide more efficient access services to improve the user experience and improve their competitiveness. So the software defined network (SDN) came into being, the SDN architecture has the ability to control the global management and control, and to achieve the separation of control and forwarding. SDN management system is not only a new WLAN management system is a new innovation, but also has a great significance for the development of wireless network applications, from the original fixed AP manufacturers to develop into a third party or even the user's own custom development, but also shorten the entire life cycle of innovation network applications from development to the current network.
The characteristics and innovation of this paper is based on the concept of SDN new network architecture, control and forwarding of WLAN management system, proposed the concept of wireless network virtualization and controller global view, provides configuration management, traffic monitoring, speed monitoring, behavior analysis, energy management, seamless roaming, load balancing and other customized network applications. It can be widely used in government departments, enterprises, venues, exhibition hall and other large areas which need for wireless network coverage.
Keywords: Wireless Network Management; SDN; OpenFlow;VAP
目 录 - III -
目 录
第 1 章 绪论 ... 1
1.1 研究背景和意义 ... 1 1.2 国内外研究现状 ... 1 1.3 论文的主要研究内容 ... 2 1.4 论文章节安排 ... 2第 2 章 相关技术介绍 ... 4
2.1 SDN 概述 ... 4 2.2 OpenFlow 概述 ... 5 2.3 无线网络概述 ... 6 2.4 Openvswitch 概述 ... 7 2.5 Floodlight 概述 ... 8 2.6 本章小结 ... 9第 3 章 系统需求分析 ... 10
3.1 系统功能需求分析 ... 10 3.1.1 配置管理... 10 3.1.2 流量监控... 10 3.1.3 速率监控... 11 3.1.4 定制网络应用... 12 3.2 系统非功能性需求分析 ... 13 3.3 本章小结 ... 13第 4 章 系统总体设计 ... 14
4.1 系统架构设计 ... 14 4.2 Agent 架构设计 ... 15 4.2.1 无线连接接口设计... 15 4.2.2 配置生效流程设计... 16厦门大学博硕士论文摘要库
目录 - IV - 4.2.3 数据上报流程设计... 17 4.2.4 规则生效流程设计... 17 4.3 控制器架构设计 ... 18 4.3.1 配置管理模块流程设计... 18 4.3.2 流量监控模块流程设计... 19 4.3.3 速率监控模块流程设计... 20 4.3.4 定制网络应用（行为分析）流程设计... 21 4.3.5 定制网络应用（节能管理）流程设计... 22 4.3.6 定制网络应用（无缝漫游）流程设计... 23 4.3.7 定制网络应用（负载均衡）流程设计... 24 4.4 私有通信协议设计 ... 25 4.5 数据库设计 ... 28 4.6 数据表设计 ... 31 4.7 本章小结 ... 32
第 5 章 系统详细设计与实现 ... 34
5.1 系统开发环境 ... 34 5.2 Agent 详细设计 ... 35 5.2.1 Agent 配置 ... 35 5.2.2 Agent 的实现 ... 37 5.3 控制器详细设计 ... 40 5.3.1 Floodlight 控制器配置 ... 40 5.3.2 配置管理模块设计与实现... 41 5.3.3 流量监控模块的详细设计与实现... 43 5.3.4 速率监控模块的详细设计与实现... 45 5.3.5 定制网络应用（行为分析）的详细设计与实现... 47 5.3.6 定制网络应用（节能管理）的详细设计与实现... 48 5.3.7 定制网络应用（无缝漫游）的详细设计与实现... 51 5.3.8 定制网络应用（负载均衡）的详细设计与实现... 55 5.4 本章小结 ... 58厦门大学博硕士论文摘要库
目 录 - V -
第 6 章 系统测试 ... 60
6.1 测试方法 ... 60 6.2 测试环境 ... 60 6.2.1 测试硬件环境... 60 6.2.2 测试软件环境... 60 6.3 测试用例 ... 60 6.4 测试结果 ... 61 6.5 本章小结 ... 62第 7 章 总结与展望 ... 63
7.1 总结 ... 63 7.2 展望 ... 63参考文献 ... 64
致 谢 ... 66
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Contents
- VI -
Contents
Chapter 1 Introduction ... 1
1.1 Research Background and Significance ... 1
1.2 Overview of Domestic and Foreign ... 1
1.3 Main Content ... 2
1.4 Organizational Structure ... 2
Chapter 2 Related Technology Introduction ... 4
2.1 SDN overview ... 4
2.2 OpenFlow overview ... 5
2.3 Wireless Network overview ... 6
2.4 Openvswitch overview ... 7
2.5 Floodlight overview ... 8
2.6 Summary ... 9
Chapter 3 System Requirements Analysis ... 10
3.1 System Functional requirements analysis ... 10
3.1.1 Configuration management ... 11
3.1.2 Traffic Monitoring ... 11
3.1.3 Rate Monitoring ... 11
3.1.4 Custom Network Applications ... 12
3.2 System Non Functional requirements analysis ... 13
3.3 Summary ... 13
Chapter 4 System Design ... 14
4.1 The system architecture design ... 14
4.2 Agent architecture design ... 15
4.2.1 Wireless connection interface design ... 15
4.2.2 Configuration validation process design ... 16
4.2.3 Data reporting process design ... 17
Contents
- VII -
4.2.4 Rules validation process design ... 17
4.3 Controller architecture design ... 18
4.3.1 Configuration management module process design ... 18
4.3.2 Traffic Monitoring module process design ... 19
4.3.3 Rate Monitoring module process design... 20
4.3.4 Behavior analysis process design... 21
4.3.5 Energy saving management process design ... 22
4.3.6 Seamless roaming process design ... 23
4.3.7 Load balance process design ... 24
4.4 Private communication protocol design ... 25
4.5 Database design ... 28
4.6 Datasheet design ... 31
4.7 Summary ... 32
Chapter 5 Detailed System Design and Implementation ... 34
5.1 System development environment ... 34
5.2 Agent Detailed design ... 35
5.2.1 Agent Configure ... 35
5.2.2 Implementation of Agent ... 37
5.3 Detailed design of Controller ... 40
5.3.1 Floodlight Controller Configure ... 40
5.3.2 Detailed design and implementation of Configuration module ... 41
5.3.3 Detailed design and implementation of Traffic Monitoring module .... 43
5.3.4 Detailed design and implementation of Rate Monitoring module ... 45
5.3.5 Detailed design and implementation of Behavior analysis module ... 47
5.3.6 Detailed design and implementation of Energy saving module ... 48
5.3.7 Detailed design and implementation of Seamless roaming module ... 51
5.3.8 Detailed design and implementation of Load balance module ... 55
5.4 Summary ... 58
Chapter 6 System Test ... 60
Contents
- VIII -
6.1 Test Method ... 60
6.2 The test environment ... 60
6.2.1 The hardware test environment ... 60
6.2.2 Test software environment ... 60
6.3 Test Case ... 60 6.4 Test Result ... 61 6.5 Summary... 62
Chapter 7 Conclusions... 63
7.1 Summary... 63 7.2 Outlook ... 63References ... 64
Acknowledgements ... 66
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第一章 绪论 - 1 -
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
随着通信技术和无线网络的不断发展以及智能终端的频繁更新换代，人们对 通过无线网络接入互联网的需求与日俱增，运营商也在积极部署WLAN网络，同 时各级政府机关、大型商场、会场、办公楼也需要部署本地的无线接入网络以满 足密集人群的上网需求。传统的无线网络管理架构可以分为两类：集中式架构和 分布式架构，但是传统的管理架构都存在一些问题，例如集中式架构中无线接入 控制器节点存在流量压力问题，同时网络设备受制于设备提供商，在可扩展性方 面受限；分布式架构中存在设备不能方便统一管理的问题。方便有效的管理广泛 部署的无线网络成为了当今现实生活的迫切需要。 基于SDN[1]无线网络管理系统是根据现实需求所做的研究课题，借鉴了有线 网络中通过SDN技术对网络进行快速、频繁地实时配置，按需调用网络资源的特 点以及通过虚拟化技术动态地实现建立、删除、移动、变更用户所需资源的优势， 搭建一个在各种部署无线网络的场景中可以监控、管理无线网络资源和用户的平 台，同时又能有效地提供无线资源的利用率。1.2 国内外研究现状
无线局域网WLAN[2]管理系统作为无线通信网的重要组成部分已经成为未 来无线网络通信的主要发展方向。从WLAN广泛应用到现实生活开始，国内外科 研机构对无线网络管理系统目前主要的研究方向基本聚焦于WLAN的网络管理 系统结构及其网络管理功能需求，主要目的都是针对无线传输介质的特殊性，提 高无线网络的服务质量，保证无线网络的管理和维护。 随着SDN（软件定义网络）技术近些年爆炸式的发展，得到了网络界的广泛 关注，无线网络管理系统目前正在研究如何利用SDN三大特点：转发面与控制面 分离、集中管控和开放网络能力来改变无线网络管理的系统的架构。目前国外已 经有CloudMac、 等系统摆脱了传统无线网络管理框架AP/AC架构的束缚，实现 了使用SDN架构完成虚拟无线网络管理系统的基本功能。厦门大学博硕士论文摘要库
基于 SDN 的无线网络管理系统设计与实现 - 2 - 为了满足特殊场景下的大量终端的无线网络接入需求，同时需要保证高质量 的可靠数据传输，无线网络的部署一般都采用高密多信道方案。如何有效最大程 度地利用多AP，多信道的无线网络资源，响应目前环境保护号召下的绿色WLAN 也也成为当下无线网络管理系统研究的一个重要课题。 无线网络管理系统的进化经过20年的快速发展，变得越趋成熟了这使得其在 政府、企业等应用的范围也越加广阔，在网络技术更新换代的影响下，其系统架 构也从传统的AP/AC厂家定制协议架构到基于SDN开发式的架构，将数据转发和 管理控制相分离，基于全局拓扑视图生成控制策略，利用其开放的接口将网络能 力虚拟化、服务化，最终全局、分层、开放、稳定的无线网络管理架构将成为国 内国际的未来的发展方向。
1.3 主要研究内容
论文设计并实现了一个使用SDN架构的虚拟无线网络管理系统，为政府、企 业等无线网络的运营或者管理者提供了一套方便可靠的管理平台，可以自由的定 制控制策略，甚至可以基于SDN架构开发自身特定的网络应用。 首先，本系统完全突破了传统无线网络管理系统的架构，管理的不是真正在 无线AP上实现的无线网络，而是一个与无线用户一一对应的虚拟无线网络，是 使用网络虚拟化技术基于无线AP硬件资源基础上实现的。 其次，本系统同时实现了传统无线网络管理系统中的基本功能，如统一认证、 访问控制、流量控制、绿色上网等功能，同时提供无缝漫游、广告推送、节能 wifi等特色功能，在减少WLAN网络能耗的同时提高WLAN使用者的上网体验。 第三，本系统还提供全局AP，全局用户，全局流量的视图，可以让运维管 理人员清晰的定位流量热点、查看故障、制定控制策略等，有效提高维护人员的 工作效率。1.4 论文章节安排
第一章，主要对无线网络管理系统的研究背景，以及国内外对无线网络管理 系统的研究方向和研究热点做了简要的概述； 第二章，针对本文中的基于SDN的虚拟无线网络管理系统需要的相关技术进厦门大学博硕士论文摘要库
第一章 绪论 - 3 - 行了介绍，如SDN架构、Openflow协议、mac802.11协议、openvswitch虚拟路由 交换、floodlight开源控制器等； 第三章，对虚拟无线网络管理系统做了需求分析其中包括功能需求和非功能 需求。 第四章，利用图文方式描述说明虚拟无线网络管理系统的总体架构设计、子 模块设计和存储设计三个部分。 第五章，描述了与虚拟无线网络管理系统的开发相关的实现过程。 第六章，描述了虚拟无线网络管理系统的测试环境和对虚拟无线网络管理系 统的进行了简单的集成测试。 第七章，对虚拟无线网络管理系统进行总结同时对不足的部分进行展望。
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基于 SDN 的无线网络管理系统设计与实现 - 4 -
第二章 相关技术介绍
2.1 SDN 概述
从架构上讲，网络交换由数据切面和控制切面构成。数据平面涉及数据包的 转发，故也称为转发平面。控制平面包括能让转发设备正确设置转发平面所需的 所有逻辑，在移动通信网络中即信令系统。 传统交换设备的固件和控制逻辑都是私有的，受厂商控制。这不仅限制了不 同厂商之间设备的互操作性，也妨害了网络系统的灵活性。虽然也可以通过 SNMP或者CLI来配置和管理这些交换设备，但是当转发策略或者拓扑改变频繁 时，这样的配置和管理显得格外繁琐复杂。另外，这些封闭的设备没有办法再部 署新的协议或者实现新的控制层功能，严重限制了网络业务的创新。 SDN旨在利用开放协议使得交换设备的控制切面与数据切面分离开来并以 集中方式实现，远程访问和修改转发设备的转发策略。这样，第三方软件就可以 利用这个开放协议来协调安排整个网络。SDN的架构由一个逻辑上集中式的网络 操作系统和网络中受其控制交换设备构成（图2-1）。一个在网络操作系统之上运 行的网络应用可以操作交换设备的转发表以实现特殊的控制功能。 图 2-1 SDN 架构厦门大学博硕士论文摘要库
第二章 相关技术介绍 - 5 - 理想的SDN主要特征包括3个方面： 1.资源虚拟化。 2.控制集中化。 3.能力开放化。
2.2 OpenFlow 概述
OpenFlow[3]作为SDN转发抽象的开放协议之一，起源于斯坦福大学的“Cleanslate”计划。OpenFlow是一个由Open Networking Foundation (ONF)管理的开放标 准。它定义了一种协议让远程控制器通过路由器可以修改网络设备的行为，使用 定义良好的转发指令集。 同时，2011年底 OpenFlow发布了第一个版本，2012年初发布1.1版本，直到 最近发布1.2版本。目前使用和支持的OpenFlow版本正从1.0和1.1版本过渡到1.3 版本，很少有支持1.4版本的。 图2-2展示了OpenFlow的基本原理和架构。OpenFlow定义了Switch的与 Controller之间的通信等内容，包括OpenFlow的端口、OpenFlow的流表FlowTable、 OpenFlow的通信通道、相关数据结构四部分内容。
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