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《软件定义网络教学大纲》
课程基本信息
1、课程名称：软件定义网络（Software - Defined Networking，SDN）
2、课程类型：专业核心课程
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3、学分与学时：[X]学分，[总学时]学时，其中理论教学[理论学时]学时，实验教学[实验学时]学时。
4、先修课程：计算机网络、操作系统、数据结构等。
5、适用专业：网络工程、计算机科学与技术等相关专业。
课程教学目标
1、知识目标
- 学生应深入理解软件定义网络的基本概念、体系结构和工作原理，包括SDN的分层架构（数据平面、控制平面和应用平面）。
- 掌握SDN中的关键技术，如OpenFlow协议的原理、消息类型、流表结构和操作等。
- 了解SDN控制器的功能、类型和主要的开源控制器（如OpenDaylight、ONOS等）。
- 熟悉SDN在网络虚拟化、流量工程、网络管理和安全等方面的应用场景和优势。
2、能力目标
- 能够运用SDN相关技术进行简单的网络拓扑设计和搭建，实现基本的网络功能，如网络连通性、流量控制等。
- 具备对SDN网络进行故障诊断和性能优化的能力，能够分析和解决SDN网络中出现的常见问题。
- 培养学生在SDN领域的创新思维和实践能力，鼓励学生探索新的SDN应用和技术改进。
3、素质目标
- 通过小组项目和实验，培养学生的团队协作精神和沟通能力。
- 提高学生对网络技术发展趋势的敏感度，激发学生对网络技术创新的兴趣和热情。
（一）绪论（4学时）
1、软件定义网络产生的背景
- 传统网络面临的挑战，如网络配置复杂、灵活性差、难以适应新业务需求等。
- 网络技术发展趋势对新型网络架构的需求。
2、SDN的基本概念与定义
- 从不同角度（如控制与转发分离、软件可编程性等）阐述SDN的概念。
- 与传统网络架构的对比分析。
3、SDN的发展历程与现状
- 介绍SDN的起源、发展中的重要事件和里程碑。
- 分析当前SDN在学术界和工业界的应用现状和发展前景。
（二）SDN体系结构（8学时）
1、SDN的分层架构
- 详细讲解数据平面、控制平面和应用平面的功能、组成部分和相互关系。
- 以实际的SDN设备和系统为例，说明各层的工作机制。
2、数据平面
- 数据平面设备（如SDN交换机）的基本结构和功能。
- 数据转发原理，包括基于流表的转发机制。
- 流表的结构、匹配字段、动作类型等。
3、控制平面
- 控制平面的核心功能，如网络拓扑发现、路径计算、流量调度等。
- 控制平面与数据平面的交互方式，重点讲解OpenFlow协议在其中的作用。
4、应用平面
- 常见的SDN应用类型，如网络管理应用、网络功能虚拟化应用等。
- 应用平面如何通过控制平面来操作数据平面以实现特定的网络功能。
（三）OpenFlow协议（12学时）
1、OpenFlow协议概述
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- 协议的产生背景、发展历程和在SDN中的重要地位。
- 协议的体系结构和分层模型。
2、OpenFlow消息类型
- 详细介绍不同类型的OpenFlow消息，如控制器 - 交换机消息、异步消息等。
- 每种消息的功能、格式和用途。
3、流表操作
- 流表的添加、删除、修改等操作的实现原理。
- 通过实例讲解如何根据不同的网络需求进行流表配置。
4、OpenFlow协议的扩展与应用
- 介绍OpenFlow协议的扩展机制，如新的消息类型、新的匹配字段等。
- 分析OpenFlow协议在实际SDN网络中的应用案例。
（四）SDN控制器（10学时）
1、SDN控制器的功能与特点
- 控制器在SDN网络中的核心地位和作用。
- 控制器的主要功能，如网络拓扑管理、流量工程、设备管理等。
2、开源SDN控制器
- 介绍几种主流的开源SDN控制器（如OpenDaylight、ONOS等）的架构、特点和功能模块。
- 对比分析不同开源控制器的优缺点和适用场景。
3、控制器的部署与配置
- 讲解如何在实际网络环境中部署和配置SDN控制器。
- 控制器与数据平面设备（如SDN交换机）的连接和交互配置。
4、控制器的性能优化
- 分析影响SDN控制器性能的因素，如处理能力、存储能力、通信带宽等。
- 介绍提高控制器性能的方法和技术，如分布式架构、缓存技术等。
（五）SDN应用（12学时）
1、网络虚拟化中的SDN应用
- 网络虚拟化的概念和需求。
- SDN如何实现网络资源的虚拟化，如虚拟网络拓扑构建、虚拟网络切片等。
- 分析SDN在网络功能虚拟化（NFV）中的应用案例。
2、流量工程中的SDN应用
- 流量工程的目标和挑战。
- SDN技术在流量调度、负载均衡、拥塞控制等方面的应用原理和实现方法。
- 通过实际案例展示SDN在流量工程中的优势。
3、网络管理中的SDN应用
- 传统网络管理面临的问题。
- SDN在网络拓扑发现、设备管理、故障诊断等网络管理功能方面的创新应用。
- 介绍基于SDN的网络管理平台的架构和功能。
4、网络安全中的SDN应用
- SDN网络面临的安全威胁和挑战。
- SDN在网络访问控制、入侵检测、防御分布式拒绝服务攻击（DDoS）等方面的安全应用机制。
- 探讨如何构建安全的SDN网络架构。
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（六）SDN实验（14学时）
1、实验环境搭建
- 介绍实验所需的硬件设备（如SDN交换机、服务器等）和软件工具（如控制器软件、网络模拟器等）。
- 详细讲解如何搭建一个基本的SDN实验环境，包括设备连接、软件安装和配置等。
2、基本功能实验
- 基于OpenFlow协议的流表配置实验，实现简单的网络连通性和流量控制功能。
- 利用SDN控制器进行网络拓扑发现和管理的实验。
3、综合应用实验
- 设计和实现一个基于SDN的网络虚拟化应用实验，如构建虚拟网络拓扑并实现网络资源分配。
- 开展SDN在流量工程中的应用实验，如实现流量负载均衡或拥塞控制。
4、实验报告撰写
- 指导学生如何撰写规范的实验报告，包括实验目的、实验环境、实验步骤、实验结果分析和总结等内容。
课程教学方法
1、课堂讲授
- 系统地讲解软件定义网络的基本概念、原理和技术，通过多媒体课件、板书等方式，使学生掌握课程的基础知识。
- 在讲授过程中，结合实际案例和图表，帮助学生更好地理解抽象的概念和复杂的技术原理。
2、案例教学
- 引入大量的SDN实际应用案例，如谷歌的数据中心网络、电信运营商的SDN网络转型等，分析案例中的SDN技术应用场景、解决的问题和取得的效果。
- 通过案例分析，培养学生分析问题和解决问题的能力，提高学生对SDN技术在实际工程中的应用的认识。
3、实验教学
- 安排一定比例的实验课程，让学生在实验环境中亲身体验SDN技术的应用。
- 实验内容从基本功能实验到综合应用实验逐步递进，培养学生的动手能力和创新能力。
- 在实验过程中，教师进行现场指导，及时解答学生遇到的问题，帮助学生掌握实验技能。
4、小组讨论
- 组织学生进行小组讨论，针对特定的SDN技术问题或应用场景进行讨论和分析。
- 鼓励学生发表自己的观点和见解，培养学生的团队协作精神和沟通能力。
课程考核方式
1、考核方式
- 本课程采用平时考核与期末考试相结合的方式。
2、平时考核（40%）
- 考勤（10%）：记录学生的出勤情况，旷课、迟到、早退等将按规定扣分。
- 作业（15%）：布置适量的课后作业，包括书面作业、编程作业和实验报告等，检查学生对课程知识的掌握程度和应用能力。
- 课堂表现（15%）：包括课堂提问、小组讨论参与度等，考查学生的学习积极性和对课程内容的理解能力。
3、期末考试（60%）
- 期末考试采用闭卷考试的方式，主要考查学生对软件定义网络的基本概念、原理、技术和应用的掌握程度，题型包括选择题、填空题、简答题、分析题和设计题等。
教材与参考资料
1、教材
- 《软件定义网络原理与实践》，[作者]，[出版社]，[出版年份]。
2、参考资料
- 《SDN and OpenFlow: Theory and Implementation》，[作者]，[出版社]，[出版年份]。
- 相关的学术论文、技术白皮书和行业报告等。
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