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什么是NETCONF?

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

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。

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:

  • NETCONF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。
  • NETCONF协议以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。
  • NETCONF协议基于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。
  • NETCONF提供了认证、鉴权等安全机制,保证了消息传递的安全。
  • NETCONF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。
  • NETCONF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

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。

NETCONF基本网络架构示意图
NETCONF基本网络架构示意图

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基本会话建立过程
NETCONF基本会话建立过程

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协议框架
NETCONF协议框架
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。
  • 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。当前华为支持SSH协议作为NETCONF协议的承载协议。

  • 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<rpc>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<rpc-reply>元素内,回应给客户端。

  • 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。

  • 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。

NETCONF YANG请求报文结构图
NETCONF YANG请求报文结构图

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

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<rpc>和<rpc-reply>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:

  • <rpc>

    <rpc>元素是用来封装NETCONF Client发送给NETCONF Server的请求。

  • <rpc-reply>

    <rpc-reply>元素用来封装<rpc>请求的应答消息,NETCONF Server给每个<rpc>操作回应一个使用<rpc-reply>元素封装的应答信息。

  • <rpc-error>

    NETCONF Server在处理<rpc>请求的过程中,如果发生任何错误或告警,则在<rpc-reply>元素内只封装<rpc-error>元素返回给NETCONF Client。

  • <ok>

    NETCONF Server在处理<rpc>请求的过程中,如果没有发生任何错误或告警,则在<rpc-reply>元素内封装一个<ok>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<running/>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。

  • <running/>: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。

  • <candidate/>:备用配置数据库,存放设备将要提交到<running/>的各项配置数据的集合。

    管理员可以在<candidate/>上进行操作,对<candidate/>的任何改变不会直接影响网络设备。可以通过<commit>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。

  • <startup/>: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。

各数据库间可支持配置数据迁移
各数据库间可支持配置数据迁移

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<hello>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。

NETCONF能力交互示意图
NETCONF能力交互示意图

一般地,Client和Server经过如下的步骤来完成配置的获取和改变:

  1. Client和Server建立面向连接的传输协议的会话。
  2. 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。
  3. Client向Server发送<rpc>的请求。
  4. Server接收并解析<rpc>请求,通过YANG数据模型的定义来验证RPC请求的合法性。
  5. Server执行<rpc>的请求,执行结果作为<rpc-reply>响应消息返回给Client。
  6. 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:

  • <get-config>:用来查询全部或部分指定配置数据。可以通过<source>指定不同的配置数据库。
  • <get>:用来查询配置数据和状态数据,只能从<running/>配置数据库中获取数据。
  • <edit-config>:用来把配置数据加载到指定的目标配置数据库(<running/>或<candidate/>)。设备对<edit-config>中的操作进行鉴权,鉴权通过后,执行相应的修改。
  • <copy-config>:用来将一个配置数据库的数据拷贝到另一个配置数据库。
  • <delete-config>:用来删除一个配置数据库。其中,<running/>配置数据库不能被删除。
  • <lock>: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。
  • <unlock>:用来取消用户自己之前执行的<lock>操作,但不能取消其他用户的<lock>操作。
  • <close-session>:用来正常关闭当前NETCONF会话。
  • <kill-session>: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<kill-session>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。

  • Writable-running能力

    此能力指明设备支持对<running/>配置数据库的写能力,即设备支持对运行的配置进行<edit-config>和<copy-config>操作。

  • Candidate Configuration能力

    此能力指明设备支持<candidate/>备用配置数据库。<candidate/>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<commit>携带参数<confirmed>和<confirm-timeout>,主要应用于对业务进行试运行、验证的场景中。

    • <confirmed>:将<candidate/>数据库中的配置数据提交,转化为设备当前运行的<running/>数据库中的配置。
    • <confirm-timeout>:<commit>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<edit-config>操作的<error-option>参数中携带“rollback-on-error”字段,如果在执行<edit-config>操作时出现错误并产生错误元素<rpc-error>,则服务器将停止处理<edit-config>操作,并将配置恢复至执行<edit-config>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<running/>和启动数据库<startup/>。

    对<running/>数据库的配置操作不会自动同步到<startup/>数据库,必须执行一个从<running/>到<startup/>的操作(例如<copy-config>操作),才能把<running/>数据库中的数据更新到<startup/>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<filter>元素中使用XPath表达式作为查询条件的能力。<get>、<get-config>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<running/>。

  • 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<edit-config>和<copy-config>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,<get>、<get-config>、<copy-config>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。

除了标准能力集外,华为公司还定义了扩展能力集。YANG模型定义在huawei-ietf-netconf-ext.yang文件中。

  • Sync能力

    Sync能力指明设备具备数据同步能力,即全量同步和增量同步。通过全量同步或增量同步,使得管理网络设备的网管或控制器中配置数据实时保持与网元配置数据一致。

  • Active Notification能力

    Active Notification能力表示设备支持在处理耗时很长的操作时,定时发送保活通知,避免客户端因收不到服务器的响应而超时。

  • Commit-Description能力

    Commit-Description能力表示设备在执行<commit>操作时,用户可以指定本次提交的描述信息,用来作为配置回退时的助记提示信息。

  • YANG PUSH能力

    YANG PUSH能力通过NETCONF客户端/服务器通信模式,将用户感兴趣的数据,定时或按照触发条件,封装成Notification上报给用户。

  • YANG-library能力

    YANG-library能力表明设备具备提供其支持的YANG模块信息的能力。NETCONF客户端可以查看到服务器端支持的YANG模块基本信息,包括模块名称、使用的YANG模型版本、名字空间、包含的子模块列表等信息,并将这些信息存储在本地缓存中。

更多华为公司定义的扩展能力可登录华为技术支持网站,搜索“NETCONF扩展能力集”获取相关产品的文档。

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  • 作者: 祝春荣
  • 最近更新: 2021-10-09
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