数据中心两种常用流量模型运用 mininet 的实现

Question

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。

class Mininet(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。

class CLI(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。

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：

$~/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：

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 +'&')

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。

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"

修改 mininet/cli.py

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')

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。

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

$~/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：

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

修改 mininet/net.py

    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"

修改 mininet/cli.py

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')

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。

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

最后，进入 mininet/util 目录，重新编译安装 mininet：

$~/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。