协议 - NETCONF协议

为了弥补传统命令行和SNMP的缺陷,基于可扩展标记语言XML(Extensible Markup Language)的NETCONF协议应运而生

参考资料

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TODO,待补充实践内容

概念

网络配置协议NETCONF(Network Configuration Protocol)为网管和网络设备之间通信提供了一套协议,网管通过NETCONF协议对远端设备的配置进行下发、修改和删除等操作。网络设备提供了规范的应用程序编程接口API(Application Programming Interface),网管可以通过NETCONF使用这些API管理网络设备。

NETCONF是基于可扩展标记语言XML(Extensible Markup Language)的网络配置和管理协议,使用简单的基于RPC(Remote Procedure Call)机制实现客户端和服务器之间通信。客户端可以是脚本或者网管上运行的一个应用程序。服务器是一个典型的网络设备。

为什么需要NETCONF?

云时代对网络的关键诉求之一是网络自动化,包括业务快速按需自动发放、自动化运维等。传统的命令行和SNMP已经不适应云化网络的诉求。在网络自动化方面,NETCONF越来越受欢迎,并被广泛采用。

传统命令行CLI和SNMP的缺陷

  1. 传统命令行是人机接口,配置过程复杂,厂商差异大,人工学习成本高。

    • 在NETCONF出现之前,CLI脚本编写是对网络进行自动配置更改的主要方法。但由于各厂商定义的CLI各不相同,用户需要针对各厂商分别学习和开发适配脚本。同时,频繁变更的命令结构和语法,使得CLI脚本维护困难、成本高昂。
    • 传统命令行输出内容是非结构化的,不可预测、容易变化,导致解析复杂,CLI脚本很难实现自动化解析。
  2. SNMP配置效率低,不支持事务机制,更多被用来做监控类协议

    • SNMP采用UDP传输协议,无法提供可靠的、有序的数据传输,缺乏有效的安全性。
    • SNMP缺乏配置事务提交机制,只能对一个一个对象单独配置,而不是面向一个业务。多个对象同时配置时,如果有些成功有些失败,会对网络造成未知影响。
    • SNMP只是单个设备的管理,不支持网络级的配置和多设备配置协同。

NETCONF应运而生

为了弥补传统命令行和SNMP的缺陷,基于可扩展标记语言XML(Extensible Markup Language)的NETCONF协议应运而生。其优点如下:

  1. 采用分层的协议框架,更适用云化网络按需、自动化、大数据的诉求。
  2. 以XML格式定义消息,运用RPC机制修改配置信息,这样既能方便管理配置信息,又能满足来自不同制造商设备之间的互操作性。
  3. 基于YANG模型对设备进行操作,可减少由于人工配置错误引起的网络故障。
  4. 提供了认证、鉴权等安全机制,保证了消息传递的安全
  5. 支持对数据的分类存储和迁移,支持分阶段提交和配置隔离。实现事务机制验证回滚。配置整体生效,可以缩短对网络业务的影响时间。
  6. 定义了更丰富的操作接口,并支持基于能力集进行扩展。不同制造商设备可以定义自己的协议操作,以实现独特的管理功能。

NETCONF是如何工作的?

NETCONF基本网络架构如下图所示,整套系统必须包含至少一个NMS(Network Management System)作为整个网络的网管中心,NMS运行在NMS服务器上,对设备进行管理。

网络管理系统中的主要元素有:

  • 客户端(Client),主要作用如下:
    • 利用NETCONF协议对网络设备进行系统管理。
    • 向NETCONF Server发送RPC请求,查询或修改一个或多个具体的参数值。
    • 接收NETCONF Server主动发送的告警和事件,以获知被管理设备的当前状态。
  • 服务器(Server),主要用于维护被管理设备的信息数据并响应客户端的请求。
    • NETCONF Server收到Client的请求后会进行数据解析,然后给NETCONF Client返回响应。
    • 当设备发生故障或其他事件时,NETCONF Server利用Notification机制主动将设备的告警和事件通知给Client,向Client报告设备的当前状态变化。

NETCONF基本会话建立过程

NETCONF协议使用RPC通信模式,NETCONF Client和Server之间使用RPC机制进行通信。Client必须和Server成功建立一个安全的、面向连接的会话才能进行通信。Client向Server发送一个RPC请求,Server处理完用户请求后,给Client发送一个回应消息。

NETCONF会话建立和关闭的基本流程如下:

  1. Client触发NETCONF会话建立,完成SSH连接建立,并进行认证与授权。
  2. Client和Server完成NETCONF会话建立和能力协商
  3. Client发送一个或多个请求给Server,进行RPC交互(鉴权)。例如:
    • 修改并提交配置。
    • 查询配置数据或状态
    • 对设备进行维护操作。
  4. Client关闭NETCONF会话。
  5. SSH连接关闭。

NETCONF的协议框架

NETCONF协议采用了分层结构。每层分别对协议的某一方面进行包装,并向上层提供相关服务。

分层结构使每层只关注协议的一个方面,实现起来更简单,同时使各层之间的依赖、内部实现的变更对其他层的影响降到最低。

NETCONF协议划分为四层:由低到高分别为安全传输层、消息层、操作层和内容层。

  1. 安全传输层

    • 提供了客户端和服务器之间的通信路径。NETCONF协议可以使用任何符合基本要求的传输层协议承载。
    • NETCONF传输层首选推荐SSH协议,XML信息通过SSH协议承载。
  2. 消息层

    • 提供一种简易的不依赖于传输层,生成RPC和通知消息框架的通信协议。
    • 客户端把RPC请求封装在一个元素内,发送给服务器;服务器把请求处理的结果封装在一个元素内,回应给客户端。
  3. 操作层

    • 定义一组基本的操作,作为RPC的调用方法,可以使用XML编码的参数调用这些方法。
  4. 内容层

    • 由管理数据内容的数据模型定义。目前主流的数据模型有Schema模型、YANG模型等。
    • Schema是为了描述XML文档而定义的一套规则。设备通过Schema文件向网管提供配置和管理设备的接口。Schema文件类似于SNMP的MIB文件。
    • YANG是专门为NETCONF协议设计的数据建模语言。客户端可以将RPC操作编译成XML格式的报文,XML遵循YANG模型约束进行客户端和服务器之间通信。

NETCONF报文结构

一个完整的NETCONF YANG请求报文结构如下图所示。

XML作为NETCONF协议的编码格式,用文本文件表示复杂的层次化数据,即支持使用传统的文本编译工具,也支持使用XML专用的编辑工具读取、保存和操作配置数据。

更详细的报文字段含义可参见NETCONF报文格式 (opens new window)

NETCONF通信模式

Client的RPC请求和Server的回应消息全部使用XML编码,XML编码的元素提供独立于传输层协议的请求和回应消息框架。如下为一些基本的RPC元素:

  • * 元素是用来封装NETCONF Client发送给NETCONF Server的请求。
    • 元素用来封装请求的应答消息,NETCONF Server给每个操作回应一个使用元素封装的应答信息。
    • NETCONF Server在处理请求的过程中,如果发生任何错误或告警,则在元素内只封装元素返回给NETCONF Client。
  • * NETCONF Server在处理请求的过程中,如果没有发生任何错误或告警,则在元素内封装一个元素返回给NETCONF Client。

配置数据库(Datastores)

所谓配置数据库是关于设备的一套完整的配置参数的集合。NETCONF定义了一个或多个配置数据库的存在,并允许对它们进行配置操作。

NETCONF基本模型中只存在配置数据库。 其他配置数据库可以由能力集定义,且只在宣称支持该能力集的设备上可用。

  • :运行配置数据库,保存网络设备上当前处于活动状态的完整配置。

    • 在设备上只存在一个此类型的配置数据库,并且始终存在。
  • :备用配置数据库,存放设备将要提交到的各项配置数据的集合。

    • 管理员可以在上进行操作,对的任何改变不会直接影响网络设备。可以通过指令将备用配置数据提交为设备运行数据。
    • 设备支持此数据库,必须支持NETCONF标准能力集中的Candidate Configuration能力。
  • :启动配置数据库,存放设备启动时所加载的配置数据,相当于已保存的配置文件。

    • 设备支持此数据库,必须支持NETCONF标准能力集中的Distinct Startup能力。

什么是NETCONF的能力集?

能力集(Capabilities)

能力集是一组基于NETCONF协议实现的基础功能和扩展功能的集合。NETCONF能力集包括由IETF标准组织定义的标准能力集,以及由各设备制造商定义的各自的扩展能力集。设备可以通过能力集增加协议操作,扩展已有配置对象的操作范围。

NETCONF协议提供了定义能力集语法语义的规范,协议允许Client与Server交互各自支持的能力集,Client只能发送Server支持的能力集范围内的操作请求。

具体支持的能力集可以参见NETCONF支持哪些操作和能力?。

NETCONF能力集交互过程

能力协商是在会话建立阶段,双方通过发送消息给对方来通告自己支持的能力。NETCONF会话一旦建立,Client和Server端会立即向对端发送Hello消息(含有本端支持的能力集列表元素),通告各自支持的能力集。这样双方就能利用协商后的能力实现特定的管理功能。

能力集协商结果,对于标准能力集(除Notification外),以Server支持的能力集为协商结果,对于扩展能力集,以双方支持的能力集交集为协商结果。

一般地,Client和Server经过如下的步骤来完成配置的获取和改变:

  • Client和Server建立面向连接的传输协议的会话。
  • 通过Hello消息协商彼此支持的功能(Capability),如都支持的NETCONF的最高级版本,从而避免解析时的歧义。
  • Client向Server发送的请求。
  • Server接收并解析请求,通过YANG数据模型的定义来验证RPC请求的合法性。
  • Server执行的请求,执行结果作为响应消息返回给Client。
  • Client接收并解析响应消息。

NETCONF支持哪些操作和能力?

NETCONF协议提供一组基本操作,管理设备的配置数据,以及查询设备的配置和状态信息。NETCONF协议还可以根据设备支持的能力集支持附加的操作。

NETCONF基本操作

NETCONF协议定义了基本能力base,基本能力定义了一系列操作,用于修改数据库配置、从数据库获取信息等。NETCONF基本能力定义的操作只是NETCONF必须实现的功能的最小集合,而不是功能的全集。

NETCONF支持的9个基本操作如下:

  • :用来查询全部或部分指定配置数据。可以通过指定不同的配置数据库。
  • :用来查询配置数据和状态数据,只能从配置数据库中获取数据。
  • :用来把配置数据加载到指定的目标配置数据库()。设备对中的操作进行鉴权,鉴权通过后,执行相应的修改。
  • :用来将一个配置数据库的数据拷贝到另一个配置数据库。
  • :用来删除一个配置数据库。其中,配置数据库不能被删除。
  • :用来锁定指定的配置数据库,独占配置数据库的修改权,防止产生冲突。
  • :用来取消用户自己之前执行的操作,但不能取消其他用户的操作。
  • :用来正常关闭当前NETCONF会话。
  • :用来强制关闭另一个NETCONF会话,只有管理员用户才有权限执行操作。

NETCONF标准能力集

除了基本操作能力,NETCONF协议还定义了一系列标准能力集。这些标准能力定义了一些新的操作,使NETCONF功能更加强大,并使其在容错性、可扩展性等方面得到加强,最终将有利于实现基于NETCONF的开放式网络管理体系结构,为设备厂商扩展功能提供有效的途径。

DETAILS

Writable-running能力 此能力指明设备支持对配置数据库的写能力,即设备支持对运行的配置进行操作。

Candidate Configuration能力 此能力指明设备支持备用配置数据库。配置数据库中存放设备一套完整的配置数据。操作这些配置数据时,不会影响设备当前运行的配置数据。

Confirmed Commit能力 此能力指明设备支持协议操作携带参数,主要应用于对业务进行试运行、验证的场景中。

:将数据库中的配置数据提交,转化为设备当前运行的数据库中的配置。 操作确认超时时间,单位是秒,缺省值是600秒。 此能力仅在设备支持Candidate Configuration能力时有效。

Rollback on Error能力 此能力指明设备具备错误回滚能力。即支持在操作的参数中携带“rollback-on-error”字段,如果在执行操作时出现错误并产生错误元素,则服务器将停止处理操作,并将配置恢复至执行操作之前的状态。

此能力仅在设备支持Candidate Configuration能力时生效。

Distinct Startup能力 此能力指明设备具备独立启动的能力,即设备能够区分运行数据库和启动数据库

数据库的配置操作不会自动同步到数据库,必须执行一个从的操作(例如操作),才能把数据库中的数据更新到数据库中。

Notification能力 此能力指明设备可以通过NETCONF协议的Notification能力向客户端上报告警和事件,以便客户端及时感知设备配置等的变更。

XPath能力 此能力指明设备具备在元素中使用XPath表达式作为查询条件的能力。操作可通过XPath查询指定数据。

XPath是XML Path语言,使用路径表达式来为XML文档的各部分寻址,类似文件管理系统中的文件路径。

Validate能力 此能力指明设备具备配置顺序无关下发的能力,即在配置下发时只进行语法校验,不对配置顺序进行校验。在配置提交时进行语义校验,把下发的配置顺序调整正确后提交至

URL能力 此能力指明设备具备对自定义路径下的文件进行编辑、拷贝操作的能力,目前支持操作。支持对URL路径中的密码信息进行保护,支持配置数据导出时密码信息以密文方式输出。

Interleave能力 此能力指明设备支持NETCONF会话多功能重用。用户可在同一个NETCONF会话上同时对设备进行维护操作和告警、事件管理,提升管理效率。

With-defaults能力 此能力指明设备具备处理模型默认值的能力,操作中支持携带with-defaults参数。

NETCONF扩展能力集

除了NETCONF定义的能力集,设备制造商也可以定义自己的能力集,以实现NETCONF定义以外的特色功能。