孫祥安，朱泓藝

（上海寬帶技術(shù)及應用工程研究中心，上海 200436）

0 引 言

科學技術(shù)的發(fā)展加快了社會的節(jié)奏，人們期望著即刻響應的服務、即日抵達的物流以及隨時隨地能夠訪問與交互信息。從企業(yè)角度來看，這一趨勢反映在對大數(shù)據(jù)的高速處理、緩存以及分發(fā)的需求等方面，從而帶動邊緣數(shù)據(jù)中心的發(fā)展。為了降低總成本，建設邊緣數(shù)據(jù)中心的第一步是將大量現(xiàn)有的傳統(tǒng)計算基礎設施改造為邊緣云數(shù)據(jù)中心，形成分布式跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡。這樣不僅能夠提高計算存儲效率，還能有效地提高業(yè)務數(shù)據(jù)的安全性能[1]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心存在部署效率低、交付時間長以及部分設備利用率不足等問題，難以滿足建設大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的需求。

目前，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡主要為了實現(xiàn)廣泛使用的分布式計算，承載著協(xié)同與交互功能，使得數(shù)據(jù)中心的東西向流量占據(jù)著大部分數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡資源。軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）技術(shù)通過分離網(wǎng)絡設備的控制面與數(shù)據(jù)面，在控制層實現(xiàn)網(wǎng)絡管理的標準化與可編程，從而更有效地分配東西向網(wǎng)絡資源。因此，采用SDN技術(shù)可以有效配置、監(jiān)控與管理數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡[2-4]。在通信協(xié)議方面，OpenFlow擬定了SDN控制器與網(wǎng)絡設備之間信息交互的標準。它創(chuàng)新的網(wǎng)絡架構(gòu)受到了廣泛關(guān)注與支持，但由于OpenFlow的SDN對于網(wǎng)絡架構(gòu)的改造過于激進，主要僅運用在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部。在跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡以及變更影響較大的場景中，傳統(tǒng)的多協(xié)議標簽交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）技術(shù)更受企業(yè)的青睞，是跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡升級的主要手段。分段路由（Segment Routing，SR）以MPLS為基礎，在SDN網(wǎng)絡架構(gòu)中更進一步地為上層應用提供可編程能力。OpenDaylight控制器是一款支持SR技術(shù)的開源SDN控制器，可以提供全方位的網(wǎng)絡管理功能。它分為南向協(xié)議層、控制層以及北向接口層[5]3層。本文主要介紹OpenDaylight中的幾種重要控制層插件，通過這些插件對MPLS網(wǎng)絡進行配置和監(jiān)控。此外，研究OpenDaylight連接兩種主流廠商華為與思科網(wǎng)絡的設備。其中：使用的華為設備軟件版本號為NE20E V800R010C10SPC500，與之連接的OpenDaylight版本為0.11.1；思科模擬器為IOS XR 6.0.1，與之連接的OpenDaylight版本為0.8.4。

1 控制器南向接口應用

南向接口用于控制器與設備的通信。隨著網(wǎng)絡運維自動化的普及，網(wǎng)絡設備不再局限于傳統(tǒng)命令行的配置方式。設備廠商會比較關(guān)心控制器南向接口的開發(fā)，因為南向接口對應著設備的北向接口，即設備的配置管理方式。設備廠商開發(fā)了很多更為方便的管理通道，更適合設備的自動化管理。其中，控制器南向插件就是利用設備的各類通道連接設備，對設備進行監(jiān)控和管理。常見的南向協(xié)議有網(wǎng)絡配置協(xié) 議（Network Configuration Protocol，NETCONF）[6]、邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（Border Gateway Protocol，BGP）[7]以及路徑計算單元通信協(xié)議（Path Computation Element Protocol，PCEP）[8]等。

1.1 配置管理協(xié)議及其接口應用

配置管理用于設備配置信息的管理，用于替換傳統(tǒng)的命令行界面（Command-Line Interface，CLI）的命令行。NETCONF是新一代網(wǎng)管協(xié)議，相較與CLI和簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol，SNMP），更利于自動化運維，也更安全。它提供了一套全新的網(wǎng)絡管理機制，協(xié)議號為RFC 6241（是一系列以編號排定的文件）。該標準中定義了它基于可擴展標記語言（Extensible Markup Language，XML）進行網(wǎng)絡配置，而后在RFC 6242中規(guī)定了NETCONF使用SSH通道進行信息交互。NETCONF協(xié)議使用遠程過程調(diào)用（Remote Procedure Call，RPC）的方式與網(wǎng)絡設備通信，是連接OpenDaylight和設備的重要通道。整體架構(gòu)包含安全傳輸層、消息層、操作層以及內(nèi)容層4個層級。安全傳輸層用來和設備建立安全通信通道，NETCONF協(xié)議允許用戶使用任意的傳輸層協(xié)議，默認使用SSH協(xié)議作為數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)傳輸機制；消息層采用RPC機制，提供一種與傳輸無關(guān)的消息封裝格式；操作層提供對數(shù)據(jù)庫信息的獲取、配置及刪除等9種基本操作功能；內(nèi)容層定義RPC調(diào)用的數(shù)據(jù)內(nèi)容，即配置數(shù)據(jù)庫。

網(wǎng)管人員重點關(guān)注的是內(nèi)容層的定義。內(nèi)容層是整個NETCONF的核心所在。網(wǎng)管對網(wǎng)絡設備進行操作管理時，主要工作也是關(guān)于內(nèi)容層。NETCONF本身并沒有對內(nèi)容層作限定，其規(guī)范表現(xiàn)為YANG模型的建模，其中YANG是NETCONF訪問設備的數(shù)據(jù)建模語言。RFC 6020中規(guī)定了YANG模型的各種元素和使用方法，NETCONF用它對各種操作、數(shù)據(jù)以及通知進行建模。YANG模型具有良好的可讀性和可擴展性?？蛻舳伺c設備之間使用NETCONF剛建立連接時會相互發(fā)送消息，設備發(fā)送的消息中會攜帶設備自身的capabilities。capabilities包含設備所支持的配置能力，規(guī)定了具體的配置該如何使用，可進一步獲取YANG模型，并通過RFC 6022定義的方法獲取YANG文件內(nèi)容。

OpenDaylight中使用NETCONF協(xié)議連接網(wǎng)絡設備的插件是odl-netconf-connector-all，這里并不關(guān)注該插件的內(nèi)部實現(xiàn)，重點在于如何安裝使用。在不對控制層插件做任何修改的情況下進行網(wǎng)絡設備管理，有利于管理人員集中精力于業(yè)務功能的維護。設備與控制器可以通過CallHome由設備發(fā)起連接，也可以配置設備掛載信息由控制器發(fā)起連接，其中通過控制器發(fā)起連接的方式適用性更廣。通過控制器發(fā)起連接需要配置設備IP、設備port、用戶名以及密碼等信息，通過put方式增加設備掛載點。掛載點增加后通過控制器提供的接口查看連接狀態(tài)，如圖1所示，其中與上文中NETCONF的報文中的capabilities相對應。

圖1 通過OpenDaylight查看設備狀態(tài)

1.2 網(wǎng)絡信息搜集及其接口應用

控制器對網(wǎng)絡信息的搜集主要由BGP協(xié)議完成。BGP是自治系統(tǒng)之間傳輸路由的動態(tài)路由協(xié)議，當前使用BGP-4版本，協(xié)議標準為RFC 4271。BGP協(xié)議設計之初主要用來傳輸自治域間的路由信息，具有非常友好的擴展機制。BGP自身不具備在不同自治系統(tǒng)之間提供節(jié)點、鏈路狀態(tài)的功能，也沒有提供與應用流量工程相關(guān)的信息。若要使用PCE等協(xié)議作為不同自治域中節(jié)點之間的路徑計算機制，需要掌握所有自治域網(wǎng)絡拓撲。到目前為止，PCE還不能計算出通過另一個自治系統(tǒng)的網(wǎng)絡全局最優(yōu)路徑。為了搜集各個自治域的流量工程信息，研究人員提出了一種BGP擴展方案，即BGP-LS（RFC 7752）。在BGP-LS中，路由器維護一個或多個數(shù)據(jù)庫，用以存儲來自給定區(qū)域的鏈路狀態(tài)信息。這些信息包括本地/遠端IP地址、本地/遠端接口ID、鏈路metric、TE metric、鏈路吞吐量、可用鏈路吞吐量、每個服務等級的資源預留以及搶占共享風險鏈路組。BGP進程可以從數(shù)據(jù)庫中檢索共享信息，并通過另一個BGP路由器直接或間接地將其傳遞給控制器接收者。在TLV（Type/Length/Value）字段中包含有關(guān)鏈路狀態(tài)和流量工程的信息，主要包含NLRI（Network Layer Reachability Information）和BGP-LS屬性兩種格式。其中，NLRI描述從域間路由協(xié)議獲得的鏈路、節(jié)點以及前綴，BGP-LS屬性則攜帶有關(guān)鏈路、節(jié)點以及屬性（如鏈路或前綴metric、router ID）的信息。

OpenDaylight中 的BGP-LS插 件 為odl-bgpcepbgp。為了方便使用，控制器還提供了一個示例插件odl-bgpcep-bgp-config-example，只需對提供的實例做簡單修改即可。首先需要配置控制器的BGP屬性，修改控制器的BGP端口為179。其次，在控制提供的示例基礎上加以修改，將BGP的本地地址、AS號以及遠端地址修改為自身的配置，示例文件的路徑為“etc/opendaylight/bgpcep/protocols-config.xml”。最后，控制器配置完成后，在設備上配置對應的BGP功能即可。網(wǎng)絡設備將路由信息同步反饋到控制器，控制器可以通過API獲取的BGP-LS信息還原出拓撲、網(wǎng)絡流量等特征。圖2為通過控制器獲取的BGP-LS信息。

1.3 動態(tài)隧道管理及其接口應用

目前使用最廣的動態(tài)隧道管理協(xié)議為PCEP。PCEP負責PCE服務器與客戶端或位于不同域中服務端之間的通信，標準為RFC 5440。PCE可分為有狀態(tài)和無狀態(tài)兩種模式。在有狀態(tài)PCE中，PCE模塊與網(wǎng)絡保持完全同步，從而了解網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、鏈路容量、已建立的LSP和資源預留（帶寬）；而無狀態(tài)PCE不知活動的LSP，每個路徑發(fā)送請求都是獨立處理的。在有狀態(tài)模式中，PCE能充分了解和高效優(yōu)化網(wǎng)絡過程并獲得其結(jié)果，因此可以作為使用所有可用資源的最佳解決方案。

圖2 通過BGP-LS獲取網(wǎng)絡狀態(tài)

OpenDaylight實現(xiàn)PCEP功能的插件為odlbgpcep-pcep?？刂破髦蠵CEP的初始化配置文件為“etc/opendaylight/bgpcep/network-topology-pcep-config.xml”，默認不需要修改。完成控制器配置后，設備作為PCC端配置并連接控制器上的PCEP服務端，連接狀態(tài)以及上報信息在控制器上查看，還可以進行隧道信息的增、刪、改等操作，如圖3所示。

2 控制器北向接口應用

圖3 查看PCEP連接狀態(tài)

北向接口用于網(wǎng)管人員與OpenDaylight交互?？刂破鏖_放北向接口用以向外部各種應用程序提供設備信息獲取和配置下發(fā)等功能[9]。RESTCONF是一種重要的控制器北向接口技術(shù)，而OpenDaylight采用的MD-SAL使得設備資源可以通過YANG模型直接轉(zhuǎn)換為RESTCONF API。

2.1 RESTCONF協(xié)議介紹

RESTCONF（RFC 8040）是基于HTTP的協(xié)議。該協(xié)議基于NETCONF定義的數(shù)據(jù)存儲概念，為訪問YANG中定義的數(shù)據(jù)提供編程接口。RESTCONF協(xié)議使用HTTP方法標識特定資源請求的增、刪、改、查操作。表1顯示了RESTCONF操作如何與NETCONF協(xié)議操作相關(guān)聯(lián)。

表1 RESTCONF與NETCONF操作的對應關(guān)系

RESTCONF協(xié)議使用HTTP協(xié)議，單個HTTP協(xié)議對應單個協(xié)議方法。大多數(shù)協(xié)議可以在單個資源上執(zhí)行單個任務，如檢索資源或編輯資源。PATCH方法例外，它允許在單個消息中進行多個數(shù)據(jù)存儲區(qū)的編輯。RESTCONF協(xié)議與其他REST協(xié)議類似，一個RESTCONF操作是由HTTP方法和被請求資源的URI構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 URL結(jié)構(gòu)

（1）method：客戶端發(fā)送HTTP請求時，標識RESTCONF操作，請求操作作用于被請求URI指定的目標資源之上，可選操作有GET、PUT、DELETE、PATCH以及OPTIONS。

（2）entry：HTTP服務器端配置的RESTCONF API的根。

（3）resource：標識RESTCONF操作正在訪問的資源路徑表達式，若不存在該字段，則目標資源就是API本身。

（4）query：與RESTCONF消息相關(guān)聯(lián)的參數(shù)集合，以鍵值對的形式存在。

2.2 基于北向接口的應用層編程

OpenDaylight中實現(xiàn)RESTCONF的插件為odlrestconf，需結(jié)合之前的南向插件執(zhí)行配置管理。如圖5所示，掛載NETCONF設備后獲取隧道接口配置，需要注意url中鍵值的寫法，且鍵值的順序需正確?？梢栽赮ANG文件中查看鍵值的定義和定義順序。

圖5 通過OpenDaylight獲取配置

在1.2節(jié)中已經(jīng)展示了使用BGP-LS獲取網(wǎng)絡拓撲，這里主要介紹拓撲還原方法。獲取的拓撲可以有多種還原方法，可以自己寫也可以使用一些現(xiàn)有的工具。這里使用思科提供的一個開源小程序?qū)ν負溥M行還原，如圖6所示。

網(wǎng)絡設備的PCC端通過PCEP通道將隧道信息上報控制器的有狀態(tài)PCE端，因此隧道的每條LSP信息都可以通過RESTCONF獲取并還原以進行可視化展示。圖7為獲取上報的SR隧道信息以及可視化展示，LSP路徑為R1-R3-R4-R2。

3 結(jié) 論

OpenDaylight控制器支持SR與MPLS技術(shù)，通過銜接RESTCONF/HTTP和NETCONF/SSH，實現(xiàn)跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡設備的多層多域編排、多供應商部署以及流量工程等功能。本文重點講述了OpenDaylight控制器南北向接口的功能與應用，可以更好地了解OpenDaylight的網(wǎng)絡架構(gòu)與關(guān)鍵部件的功能。模型驅(qū)動的服務抽象層MD-SAL統(tǒng)一了南北向接口以及所有模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，YANG模型起到了協(xié)調(diào)接口調(diào)用的關(guān)鍵作用。RESTCONF實現(xiàn)了外部應用程序與內(nèi)部模塊的交互功能?；贠penDaylight研發(fā)成果進行網(wǎng)絡應用層面的編排管理，可以大幅提升多數(shù)據(jù)中心部署運維的效率。

圖6 通過BGP-LS進行拓撲還原

圖7 PCEP獲取的隧道路徑展示