Mininet

Intro

mininet은 현실적인 가상 네트워크 환경을 구축해주는 Network Emulator, 더 정확히는 NETOWKR Emulation Orchestration System이다.
이를 통해서, 가상의 End Device(Host), 각종 Switch, Router, 그리고 이를 연결하는 Link를 단 하나의 Linux Kernel로 만들 수 있다. 여기서 그치지 않고, 각 Host에 ssh 접근을 수행하여 기본 Linux Kernel 동작을 수행하거나 ethernet을 이용해서 각 device로 packet을 전송하는 것과 같은 효과를 볼 수 있다. (실제 speed와 delay에 기반한 속도를 볼 수 있다.) 또한, SDN과 같은 환경에 필요한 Controller 역시 구성하는 것이 가능하다. 그렇기에 실제로 SDN Network를 Test하고 연구하는 목적으로 많이 사용되고 있다.

장점

1. Fast - 가상 네트워크의 구성이 굉장히 빠른 시간 내에 구성된다. 실제로 동작해보면, 이를 알 수 있다.
2. Customize Topology - 간단한 네트워크에서부터 시작해서, Backborn, Datacenter, Internet 등 모든 네트워크 구성이 가능하다.
3. Can run every programs in Linux - 간단한 Web Server에서부터 시작하여 Mornitoring Service인 Wireshark 등의 활용이 가능하다.
4. Progammable - 각 Switch의 동작도 programming이 가능하기에 OpenFlow Protocol을 기반으로 packet forwarding 역시 customizing이 가능하다.
5. LightWeight - Labtop에서 돌아갈 정도로 가볍다.
6. Can share results - 각 Topology와 같은 구성은 python code로 구성되고, test code 등도 쉽게 공유가 가능하다.
7. Easy - Mininet 실행과 구축 그리고 운영이 매우 간단한 CLI, Python code로 작성이 가능하기 때문에 매우 쉽다.
8. OpenSource - 쉽게 커뮤니케이션이 가능하고, 누구나 해당 프로젝트에 참여가 가능하다.

주의사항

1. 만약 10Gbps 이상의 traffic을 처리하기를 원하는 경우, 부하를 적절히 분배하기 위한 구조를 실행자 측에서 구성할 필요가 있다.
2. Mininet은 하나의 Linux Kernel을 통해 모든 Virtual Host를 제어한다. (다른 Platform, Window 등은 지원하지 않는다. VM 필요)
3. Mininet에서는 OpenFlow Controller를 사용할 수는 있지만, 이를 직접 제어할 방법은 제공하지 않는다.
4. 기본적으로는 Host LAN과는 분리되어 있다. (물론 NAT를 통해서 연결도 가능하다.)
5. 기본적으로 Mininet에 의해 생성된 Host는 PID와 file system을 공유한다. (물론 바꿀 수는 있지만, 유의하자.)
6. Simulator가 아니기 때문에, Virtual Time에 대한 매우 정확한 지표를 제시할 수는 없다.

Mininet 활용

Mininet을 제대로 활용하기 위해서는 다음과 같은 사항을 숙지해야 한다.

0. 설치
1. Topology 생성
2. Performance 측정
3. OpenFlow를 이용해서 Custom Routing

이제부터 위의 내용을 하나하나 수행해 볼 것이다.

0. 설치

Mininet Repo

위의 링크에서 INSTALL이라는 파일에 따라서 설치를 진행해보자. 역시 제일 쉬운 것은 제작자가 직접 만들어놓은 Virtual Machine 이미지를 활용하여 실행하는 것이다.

1. Topology 생성

아래의 형태가 가장 기본적인 형태의 Topology이다. 이를 실행시키면, 기본적으로 두 개의 Host가 하나의 Switch에 각 각 연결된 형태로 구성되어진다.

1from mininet.topo import Topo
2
3class SingleSwitchTopo(Topo):
4  "Single switch connected to n Hosts."
5  # build function 내부에서 topology를 구성하는 요소에 대해 정의
6  # self.__init__의 parameter가 해당 함수로 그대로 전달된다.
7  def build(self, n=2):
8    # s1이라는 이름으로 Switch 생성
9    switch = self.addSwitch('s1')
10    for h in range(n):
11      # h1, h2, ... 이라는 이름으로 Host 생성
12      host = self.addHost('h%s' % (h+1))
13      # h1, h2, ... 을 s1과 연결
14      self.addLink(host, switch)
15
16# 후에 topology를 생성할 때, 아래 이름을 통해서 지정이 가능
17topos = { 'singleSwitch': (lambda: SingleSwitchTopo())}

이를 파일로 생성하고, 다음과 같이 실행시키면 된다.

1$ sudo mn --custom [file명.py] --topo [topology 이름],[build function parameters]
2
3# example
4$ sudo mn --custom mytopo.py --topo singleSwitch,3

하지만, 위와 같이 mininet command를 통해서 실행시키는 것은 자동화에는 적절하지 않을 수 있다.
만약, 부가적인 설정을 해주고 싶거나 실행 후에 test 및 실험하고자 하는 상황을 만들고자 한다면 추가적인 programming이 필요하다.
아래 코드를 추가적으로 살펴보자.

1from mininet.topo import Topo
2from mininet.net import Mininet
3from mininet.util import dumpNodeConnections
4from mininet.log import setLogLevel
5
6class SingleSwitchTopo(Topo):
7  "Single switch connected to n Hosts."
8  def build(self, n=2):
9    switch = self.addSwitch('s1')
10    for h in range(n):
11      host = self.addHost('h%s' % (h+1))
12      self.addLink(host, switch)
13
14def simpleTest():
15    "Create and test a simple network"
16    topo = SingleSwitchTopo(n=4)
17    # Mininet 생성
18    # 이때, Topology, Host, Switch, Controller, Link 등에 대한 Customizing이 가능하다.
19    net = Mininet(topo)
20    # mininet 실행
21    net.start()
22    print( "Host의 연결 상태를 출력" )
23    dumpNodeConnections(net.hosts)
24    print( "Netowork 연결 상태를 체크" )
25    # ping to every node with each node.
26    net.pingAll()
27    # mininet 정지
28    net.stop()
29
30if __name__ == '__main__':
31    # Tell mininet to print useful information
32    setLogLevel('info')
33    simpleTest()

1python [file명.py]

이를 통해서, Mininet를 우리가 정의한 Topology에 따라서 실행하고 테스트를 수행하는 code이다.
이러한 기능 뿐만 아니라 host의 성능을 제한하거나 Link 용량을 제어할 수도 있고, Switch를 제어할 수도 있고, 특정 Host에서 Command를 실행시키도록 할 수도 있다.
더 자세한 사항은 아래 링크를 통해서 확인해보자. More Example

위에서 살펴본 사항은 가장 기본적인 Mininet에서 제공하는 Template에 기반하여 programming을 수행하는 것이다. 만약, 직접적으로 제어를 원하는 경우 더 하위 단계의 API를 활용하여 구현하는 것도 가능하다. API Doc

추가 참고사항

code convention이 후에 버전에서는 좀 변경되었다.

• camelCase 표기가 snake_case형태로 변경되었다. example. addHost -> add_host.
• build가 __init__으로 바뀌어, 나의 기준에서는 이해하기 쉬워졌다.

변경되었지만, 여전히 기존 버전 표기도 지원하기 때문에 사용하는데는 문제가 없다.

2. Performance 측정

해당 사항은 Mininet에서 권장하는 방법이다.

1. Bandwidth - bwm-ng, ethstats
2. Latency - ping
3. Queues - tc
4. TCP Congestion Window statistics - tcp_probe
5. CPU usage - for all: top, per host: cpuacct

3. OpenFlow를 이용해서 Custom Routing

Mininet 자체만으로도 값지지만 SDN을 구축하기 위한 OpenFlow Protocol을 이용한 Routing을 Emulating할 때에 굉장한 효과를 얻을 수 있다.
Mininet을 실행시킬 때에 아무 설정을 하지 않으면 기본 Ethernet switch를 사용하는 기본 Controller를 사용한다. 하지만, Open vSwitch(ovs)와 같은 OpenFlow Protocol을 지원하는 Controller를 활용할 수도 있다.
기본적인 Switch(대략 4096개)는 이미 지원을 하고 있다. 이를 불러와서 사용하거나 원하는 경우에는 python을 통해서 직접 구현하여도 무방하다. 심지어는 원격에 있는 controller를 사용할 수도 있다.

이렇게 Controller를 정의하고, 외부에서 해당 Controller의 동작을 정의해주면, Mininet에 의해서 정의된 Network가 의도대로 동작하는지를 계속해서 확인할 수 있다.

NutShell

Mininet에서 어떻게 이렇게 빠르게 가상 Network System을 가볍게 구현할 수 있는가에 대한 열쇠는 container이다. 이를 통해서, 서로 완전 분리된 Host를 기본적으로 구성하는 Container이기에 이를 쉽게 구현할 수 있을 뿐만 아니라 Virtual Machine을 직접적으로 구현하지 않기 때문에 가볍고 빠를 수 있는 것이다. 또한, Virtual Link 같은 경우에는 Linux Traffic Control(tc)를 활용하여, Virtual Ethernet이 각 Virtual Switch와 Interface들을 통해서 전달되는 것을 제어할 수 있다. 마지막으로, Switch는 기본적인 Linux Bridge를 활요하거나 Open vSwitch를 활용하여 구성하여 가상화가 가능하다.

결론

Mininet은 가상 Network를 Emulating 할 수 있는 Tool이기에 실제로 SDN을 테스트하기 이전에 각종 기능을 체크하기에 용이하다.
또한, Network에서 핵심적인 Forwarding에 관한 기술은 다른 기술에게 맡겨서 더 안정적인 구조를 가지고 있다.
이에 따라 Open vSwitch를 이용해서 자유롭게 시스템을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 ONOS와 같은 도구를 통해서 Network를 구성하는 과정을 테스트하기에 굉장히 유용하다.

Reference

• Thumbnail : Photo by Jordan Harrison on Unsplash
• mininet : https://github.com/mininet/mininet/wiki/Introduction-to-Mininet