数据中心两种常用流量模型运用mininet的实现

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编者按：在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，还好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。本文就以数据中心网络为目标场景，来在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。目前有两种常用的流量模型:

随机模型：主机向在网络中的另一任意主机以等概率发送数据包
概率模型：在网络中，编号为m的主机分别以概率Pt 、Pa 、Pc 、向主机编号为(m+i)、(m+j)、(m+k)的主机发送数据包




我们使用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。mininet自带控制台可供使用的命令虽然已经比较丰富，但却并未给出较为明确的API接口来支持用户自定义命令。在诸如数据中心这样复杂、网络节点较多的仿真环境中做一些批处理的工作就需要非常大的，比如通过iperf在所有主机之间发生流量。所以我们需要将自定义命令添加到mininet中，在mininet中完成新命令的拓展。

一、 mininet功能拓展

在mininet中进行功能拓展主要分为3步:

1. 修改mininet/net.py: net模块实现Mininet类，是仿真平台mininet的主体类，该类完成节点添加配置、网络基本功能和一些选项功能的实现。我们需要将我们自定义的函数定义在该类中。

Shell

class Mininet(object):
def function(self, **kwargs):
#function code

1 2 3

classMininet(object): def function(self,**kwargs): #function code

2. 修改mininet/cli.py: cli模块定义了CLI类，为米你呢他提供命令行接口，用于解析用户输入的命令，之前定义的自定义命令需要在CLI类中通过注册函数注册这条自定义命令。

Shell

class CLI(Cmd):
def do_function(self, line):
#do_function code

1 2 3

classCLI(Cmd): def do_function(self,line): #do_function code

完成命令注册与绑定。

3. 修改bin/mn: 在完成命令注册与绑定后，需要在mininet执行解释器中注册命令与对应执行函数的映射关系。

Shell

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

1 2 3 4

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

net.py和cli.py均在mininet/mininet目录，mn文件在在mininet/bin目录中。在代码修改完成后需要重新编译安装一遍mininet，即运行：

Shell

$~/mininet/util/install.sh -n

1	$~/mininet/util/install.sh-n

二、 两种流量模型在mininet中的实现

2.1 随机模型

任意一台主机以等概率随机地向另外一台主机发起一条UDP数据流。

修改mininet/net.py

首先，先在两个主机之间进行iperf测试，并且在server端记录，实现iperf_single函数：

Shell

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/zg/log/' + filename + '&')
print "***start client***"
client.cmd(
iperfArgs + '-t '+ str(period) + ' -c ' + server.IP() + ' ' + bwArgs
+' > /home/zg/log/' + 'client' + filename +'&')

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defiperf_single(self,hosts=None,udpBw='10M',period=60,port=5001): """Runiperf between two hosts usingUDP. hosts:list of hosts;if None,uses opposite hosts returns:results two-elementarray ofserver andclient speeds""" ifnot hosts: return else: assertlen(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/zg/log/' + filename+ '&') print"***start client***" client.cmd( iperfArgs+ '-t '+str(period)+ ' -c '+ server.IP()+ ' '+ bwArgs +' > /home/zg/log/'+ 'client'+ filename+'&')

接着为mininet添加自定义命令iperfmulti，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。

Shell

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"

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defiperfMulti(self,bw,period=60): base_port= 5001 server_list= [] client_list= [hfor hin self.hosts] host_list= [] host_list= [hfor hin self.hosts] cli_outs= [] ser_outs= [] _len= len(host_list) fori inxrange(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"

修改mininet/cli.py

Shell

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')

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defdo_iperfmulti(self,line ): """Multi iperf UDP test between nodes""" args= line.split() iflen(args)== 1: udpBw= args[0 ] self.mn.iperfMulti(udpBw) eliflen(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')

修改bin/mn

在mininet/bin目录下修改mn文件，将iperfpb加入到对应的列表中。

Shell

ALTSPELLING = { 'pingall': 'pingAll',
'pingpair': 'pingPair',
'iperfudp': 'iperfUdp',
'iperfUDP': 'iperfUdp',
'iperfpb':'iperfPb' }

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ALTSPELLING= {'pingall':'pingAll', 'pingpair':'pingPair', 'iperfudp':'iperfUdp', 'iperfUDP':'iperfUdp', 'iperfpb':'iperfPb'}

最后，进入mininet/util目录，重新编译安装mininet

Shell

$~/mininet/util/install.sh -n

1	$~/mininet/util/install.sh-n

重启mininet，输入iperf，可用table补全iperfpb，从而可使用iperfpb进行流量随机模型的测试。

2.2 概率模型

为mininet添加自定义命令iperfpb，依次为每一台主机（编号为m）分别以概率Pt 、Pa 、Pc 向主机编号为(m+i)、(m+j)、(m+k)的主机发送数据包，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iperfpb命令，主机按概率向其他被选择的主机发起一条恒定带宽的UDP数据流。

概率选择函数

为完成以一定概率选择主机，我们需要实现一个概率选择函数randompick，这个函数可用于以不同的概率从一个列表中随机地选择一些元素。下面为randompick的实现过程：

Shell

def random_pick( self, _list, probabilities):
x = random.uniform(0,1)
p = None
cumulative_probability = 0.0
for item, item_probability in zip(_list, probabilities):
cumulative_probability += item_probability
p = item
if x < cumulative_probability:break
return p

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defrandom_pick(self,_list,probabilities): x= random.uniform(0,1) p= None cumulative_probability= 0.0 foritem,item_probability inzip(_list,probabilities): cumulative_probability+= item_probability p= item ifx <cumulative_probability:break returnp

修改mininet/net.py

Shell

def iperfPb (self, bw, period = 60, i = 1,j = 4,k = 64,pt = 0.5,pa = 0.3):
base_port = 5001
server_list = []
client_list = []
client_list = [h for h in self.hosts]
cli_outs = []
ser_outs = []
host_list = []
host_list = [h for h in self.hosts]
pc = 1 - pt - pa
p_list = [pt,pa,pc]
_len = len(self.hosts)
for key in xrange(_len):
client = host_list[key]
access_host = [host_list[(key+i)%_len],host_list[(key+j)%_len],host_list[(key+k)%_len]]
server = self.random_pick(access_host,p_list)
server_list.append(server)
self.iperf_single(hosts = [client, server], udpBw=bw, port=base_port)
sleep(.05)
sleep(period)
print "test has done"

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defiperfPb (self,bw,period =60,i =1,j= 4,k= 64,pt= 0.5,pa= 0.3): base_port= 5001 server_list= [] client_list= [] client_list= [hfor hin self.hosts] cli_outs= [] ser_outs= [] host_list= [] host_list= [hfor hin self.hosts] pc= 1- pt- pa p_list= [pt,pa,pc] _len= len(self.hosts) forkey inxrange(_len): client= host_list[key] access_host= [host_list[(key+i)%_len],host_list[(key+j)%_len],host_list[(key+k)%_len]] server= self.random_pick(access_host,p_list) server_list.append(server) self.iperf_single(hosts= [client,server],udpBw=bw,port=base_port) sleep(.05) sleep(period) print"test has done"

修改mininet/cli.py

Shell

def do_iperfpb(self, line):
"""Multi iperf UDP test with probablity"""
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.iperfPb(udpBw, float(period))
else:
error('invalid number of args: iperfmulti udpBw period\n' +
'udpBw examples: 1M 120\n')

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defdo_iperfpb(self,line): """Multi iperf UDP test with probablity""" args= line.split() iflen(args)== 1: udpBw= args[0 ] self.mn.iperfMulti(udpBw) eliflen(args)== 2: udpBw= args[0 ] period= args[1 ] err= False self.mn.iperfPb(udpBw,float(period)) else: error('invalid number of args: iperfmulti udpBw period\n'+ 'udpBw examples: 1M 120\n')

修改bin/mn

在mininet/bin目录下修改mn文件，将iperfpb加入到对应的列表中。

Shell

ALTSPELLING = { 'pingall': 'pingAll',
'pingpair': 'pingPair',
'iperfudp': 'iperfUdp',
'iperfUDP': 'iperfUdp',
'iperfpb':'iperfPb' }

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ALTSPELLING= {'pingall':'pingAll', 'pingpair':'pingPair', 'iperfudp':'iperfUdp', 'iperfUDP':'iperfUdp', 'iperfpb':'iperfPb'}

最后，进入mininet/util目录，重新编译安装mininet：

Shell

$~/mininet/util/install.sh -n

1	$~/mininet/util/install.sh-n

重启mininet，输入iperf，可用table补全iperfpb，从而可使用iperfpb进行流量的概率模型的测试。

测试结果

我们使用mininet仿真数据中心网络的fattree拓扑场景，包含128台主机与80台交换机的8叉fattree网络。流量负载被定义为边缘交换机与主机之间链路上所占用的带宽。下面我们来看看之前我们完成的两种流量模型的结果。

随机模型

在mininet中执行iperfmulti命令，设置带宽参数为0.025M，如下图所示，我们就能看到128台主机随机地向另外一台主机发送数据包：







下面是iperf服务器端生成的报告：







可以看出，这是ip为10.0.0.91的主机向10.0.0.96的主机发送数据包，每隔一秒打印信息，包括带宽，延时抖动，丢包情况等数据。最后，打印测试时间内服务器端总共接收的数据量、平均带宽数据、平均延时抖动和平均丢包情况。

概率模型

在mininet中执行iperfPb命令，设置带宽参数为0.025M，依照概率模型，为每一台主机选取对应主机，发送数据包，如下图所示：







下面是iperf服务器端生成的报告：







可以看出，这是ip为10.0.0.99的主机向10.0.0.98的主机发送数据包，每隔一秒打印信息，包括带宽，延时抖动，丢包情况等数据。最后，打印测试时间内服务器端总共接收的数据量、平均带宽数据、平均延时抖动和平均丢包情况。

作者简介：

张歌，2014/09-至今，北京邮电大学网络技术研究院 网络与交换技术国家重点实验室攻读硕士研究生