基于字符特征的網絡設備配置參數比對算法研究
2012-04-12 00:00:00孫文歌
現代電子技術 2012年13期
摘要：通過分析網絡設備中配置文件的運行機理和網絡設備的啟動運行過程，深入研究了網絡設備IOS中文件的分類和不同。結合網絡設備IOS中運行文件的屬性，闡述了配置文件的形成機理。利用網絡設備中運行文件的屬性，對配置文件的特征進行分析，依據具體特征，提出了基于“字符特征”的配置參數比對算法。
關鍵詞：字符特征; 配置文件; 網絡設備; RAM
中圖分類號：
TN71134; TP393.08
文獻標識碼：A
文章編號：1004373X(2012)13
0162
04
收稿日期：20120220
基金項目:軍隊內部基金項目(裝字2012SY23B0001號)
0引言
Internet規模的快速擴大，特別是近十年來，Internet爆炸式增長使其走進了千家萬戶，人們的日常生活已經離不開它，同時Internet上的節點不再單純是計算機，還將包括PDA、移動電話、各種各樣的終端甚至包括冰箱、電視等家用電器，這些設備都需要接入到網絡中，從20世紀90年代開始，我國已建成覆蓋全社會的網絡基礎設施，交換機路由器作為網絡互聯設備大量應用在網絡建設中，同時隨著三網融合的發展，電信網、計算機網和有線電視網三大網絡，高層業務應用的融合，形成無縫覆蓋，趨向使用統一的IP協議，向人類提供多樣化、多媒體化、個性化服務。這些服務的提供離不開交換機路由器配置各種參數，比如QoS、指定源組播、VLAN等，在大型網絡中，這些骨干網絡設備的參數動輒幾千行，要實現配置方案與實際運行參數的比對分析，用人工不但容易出錯，而且也要耗費大量時間，因此自動實現交換機路由器配置參數的準確比對，成為三網融合時代急需解決的課題。
本文首先分析華為、思科等網絡設備的配置參數運行原理，接著分析了華為思科交換機的配置參數特征，根據參數特征闡述了配置文件的比對方法，提出一種“基于字符特征”的比對算法，最后闡述比對算法的具體實現過程。
1網絡設備配置參數運行原理
1.1硬件組成與啟動過程
網絡設備都有兩個主要組件：硬件和軟件。華為與Cisco網絡設備都有他們的互聯網操作系統(Internetwork Operating System，IOS)。IOS提供了與Microsoft Windows XP或Linux相似的功能：控制和管理其運行時所在的硬件。幾乎所有基于IOS的網絡設備都使用相同的硬件和固件組件以在啟動過程中起協助作用，這些組件包括：ROM(只讀存貯器)、RAM(隨機存取存儲器)、閃存、NVRAM(非易失性RAM)、配置寄存器和物理接口。所有這些組件都可影響網絡設備如何啟動、如何找到操作系統并加載它以及如何找到配置文件并加載它。基本上，IOS提供用戶和硬件之間的界面，從而使用戶能夠執行命令以配置和管理設備。同時華為與Cisco網絡設備IOS針對那些為任何規模的網絡提供連通性、可擴展性、可靠性和安全性解決方案的協議和功能。IOS為LAN和WAN環境，包括銅線和光纖布線以及無線支持多種數據鏈路層協議；IOS支持固化和模塊化的機架平臺，從而使用戶能夠為自己的需求購買合適的硬件；同時為確保用戶的關鍵資源始終可達，提供網絡冗余；利用IOS，用戶可以依照內部安全策略嚴格地控制對網絡和連網設備的訪問。啟動過程如圖1所示。
1.2訪問方式
實際上，訪問華為與Cisco網絡設備的方式有許多種，包括：控制臺、輔助端口、Telnet、Web瀏覽器和SNMP管理中心。控制臺接口提供到一個路由器的串行連接訪問：利用控制臺進入設備后，可以在基于文本的模式輸入命令。然而，為了從遠程站點訪問網絡設備，首先需要創建一個基本的配置，包括IP尋址信息。因此，要進行初始化配置，需要先訪問網絡設備的控制臺端口。在可以真正地開始配置設備之前，首先必須將其連接到網絡中，并且建立到其控制臺接口的終端連接，具體啟動過程為：進行硬件測試，定位和加載IOS，定位并且執行這個設備的配置文件。只有執行配置文件，才能按用戶需求實現網絡設備在運行中的路由與交換功能，在網絡設備中有不同類型、不同種類、不同屬性以及不同格式的文件，下面深入分析華為與Cisco網絡設備在運行中的不同文件。
2網絡設備配置文件分析
2.1網絡設備文件屬性分析
在華為與Cisco網絡設備中，共包含三種類型的文件它們分別是：App文件、配置文件和Web文件。App文件、配置文件和Web文件支持三種屬性：main，backup，none。main標示主啟動文件。設備啟動時會首先采用主啟動文件啟動，FLASH中main屬性的App文件、配置文件和web文件只能各有一個。標識backup啟動文件，設備如果使用主啟動文件啟動失敗時，將采用backup文件啟動，FLASH中backup屬性的App文件、配置文件和wep文件只能各有一個。標識不具有main和backup屬性的其他文件。App文件的后綴為.bin，配置文件的后綴為.cfg，web文件的后綴為.web。一個文件可以同時具有main和backup的屬性。同時具有main和backup屬性的文件在顯示時使用(*b)標識。如果用戶新配置文件的屬性為main時，原main屬性文件將丟失main屬性，新文件的屬性變為main時，為保證FLASH中main屬性的App文件、配置文件和wep文件只能各有一個，backup屬性文件亦是如此，對文件的操作和對文件屬性的操作時分離的。從FLASH中刪除一個文件，該文件的main屬性不會被刪除，如果把同名的另一個合法文件下載到FLASH中后，則新文件將具有main屬性。本文研究的重點是main屬性的配置文件，它存儲在網絡設備的FLASH存儲器中，設備關閉后，其中的內容不會清除，并且在下次啟動后仍然可用。在交換機啟動后ios從FLASH中加載這個配置并將其放入RAM中。
2.2網絡設備配置文件運行原理分析
網絡設備可以保存多個配置文件。系統啟動時優先選擇用戶指定的main屬性的配置文件，如果沒有指定任何啟動配置文件，則以空配置啟動。配置文件是用來保存用戶對設備所進行的配置，記錄用戶的配置信息的文本格式文件。網絡設備啟動時需要一些基本程序和數據，運行中也會產生一些重要數據，這些數據都以文件的方式保存在存儲器中，以便調用和管理。網絡設備通過文件系統對這些文件進行管理和控制，并為用戶提供了操作和管理文件系統的工具。也為進行配置文件算法提供了基礎。
在文件系統中保存的文件類型主要包括：應用程序文件：網絡設備操作系統在特定設備上的特定版本的實體程序文件稱為應用程序文件，也稱為映像(image)，這種文件的擴展名為.bin;
配置文件：系統將用戶對設備的所有配置以命令的方式保存成文本文件，稱為配置文件，這種文件的擴展名為.cfg;
日志文件：系統在運行中產生的文本日志可以存儲在文本格式的日志文件中，稱為日志文件。
而配置文件是指以文本格式保存設備配置命令的文件，它是本文研究的重點，它記錄用戶的配置信息，通過配置文件，用戶可以非常方便地了解這些配置信息。同時也可以對配置文件的參數進行分析，獲取網絡設備所實現的數據傳輸功能。當網絡設備的配置參數發生改變，引起網絡連通性與路由正確性出現異常時，可以通過對網絡配置參數的比對，查找問題的根源。
2.3網絡設備配置文件特征分析
配置文件存儲在網絡設備的存儲器上，它優先運行main屬性的配置文件，如果沒有main屬性的配置文件，就無法實現所配置的功能。只有啟動的配置文件才能實現用戶的需求，因此分析啟動的配置文件具體參數，是分析網絡設備運行性能的切入點，也是本文研究的重點。
配置文件通過命令行可以修改，新修改的這些配置暫存于RAM中，設備一旦重啟或斷電就立即丟失，如果要使當前配置在系統下次重啟時繼續生效，在重啟設備前，必須使用save命令將當前配置保存到配置文件中。只有save到文件中，才能得到完整的配置參數，才能準確地分析具體配置。但是如果擦除設備中的配置文件，設備下次上電時，系統將采用缺省的配置參數進行初始化，將無法找到原始配置，網絡設備的功能無法實現，也將無法對設備參數進行分析。
網絡設備啟動時，根據讀取的配置文件進行初始化工作，該配置稱為起始配置(savedconfiguration)。如果設備中沒有配置文件，則系統在啟動過程中使用缺省進行初始化。與起始配置相對應，系統運行時采用的配置稱為當前配置(currentconfiguration)。當前配置實際上是啟動時的起始配置和啟動后用戶對設備執行的增量配置的疊加。用戶對設備執行當前配置存放在設備的臨時存儲器RAM中，設備重啟后會丟失，所以無法對它分析，因為網絡設備運行過程中臨時存儲的配置參數還沒有存儲成為實際的文件，在網絡設備的存儲器中也就無法查找到擴展名為.cfg的這種文件，設備重啟后在臨時存儲器中的配置就會丟失。
因此要分析配置文件，必須首先要找到正確的配置文件，配置文件為一個文本文件，其中以文本格式保存了非默認的配置命令。配置文件中命令的組織以命令視圖為基本框架，同一命令視圖的命令組織在一起，形成一節，節與節之間通常用空行或注釋行隔開(以#開始的為注釋行，空行或注釋行可以是一行或多行)。整個文件以return結束。配置文件的內容和格式約定如下：配置文件的內容為命令行，且只保存非缺省命令行或指定非缺省參數的命令行，文件格式，在配置文件中，以視圖為單位來保存命令行，同一視圖的命令行對應一個“節”。節與節之間用注釋行“#”隔開。配置文件以“return”結束。配置文件中“節”的順序依次是：全局配置、接口配置、各種協議配置和用戶界面配置，配置任務的邏輯關系為：配置任務間沒有特定的邏輯關系，用戶可根據需要進行配置。只有從配置文件的這些特征分析，才能抓住配置文件的本質屬性。
3基于“字符特征”的配置比對算法
網絡設備上的配置文件保存在存儲器中，可以通過技術手段把配置文件保存在容易讀取操作的存儲介質上，對文件進行分析比對。配置文件是文本的形式存儲在網絡設備上，因此可以方便打開或讀取已有的配置文件，對于大型網絡中的網絡設備中的配置文件，其路由表、端口地址信息，QoS策略等可能要近萬行，對于無數的網絡設備，逐一核查當前配置與方案規定配置無疑是一個復雜工程，因此必須從配置文件的特征分析研究配置文件的比對算法。
3.1華為、思科交換機配置文件格式分析
對比兩個文件的不同，可以從文件格式入手，常見的文件格式有.rar，.zip，.jpg，rmvb，.doc等，在.rar，.zip，.jpg，rmvb，.doc等這些文件有不同文件存儲格式，比如.rar格式的文件，它有文件頭、壓縮頭、文件卷標、文件結束標志等組成，而文件內容只是文件大小的一部分，特別是對于一個只有幾個字符內容的文件其文件頭、壓縮頭、文件卷標幾乎占整個文件大小90％以上，因此分析此類文件是一個復雜的工作，而網絡設備中存儲的文件是文本格式的文件，文本格式的文件是一種純內容性文件，它不像.rar，.doc等類型文件有文件頭、文件塊等冗余數據，根據這個性質易于對文本文件中保存的實際內容進行分析。
計算機把文件看作是一個字符(字節)的序列，即由一個一個字符(字節)的數據順序組成。根據數據的組織形式，可以分為ASCII文件和二進制文件，ASCII文件就是文本(text)文件，它的每一個字節放一個ASCII代碼，代表一個字符。用ASCII形式與字符一一對應，一個字節代表一個字符，因而便于對字符逐個處理。網絡設備中的配置文件是以文本格式存在的，因此可以利用“一個字節代表一個字符，便于對字符逐個處理”的特點，進行兩個文件的分析比對。
3.2配置文件的比對方法
對兩個配置文件進行比對可以分為兩種不同的情況，第一種情況：兩個文件所占存儲空間不同。例如：對于一個12K的配置文件與15K的配置文件，很容易區分出兩個文件來，然后再比較配置內容的不同。第二種情況：兩個配置文件所占存儲空間相同。由于目前操作系統常用的分區格式是FAT32與NTFS，這兩種分區格式的每個簇都固定為4 KB。因此對于在硬盤上存儲空間相同的兩個文件，由于簇都固定為4 KB的特點，可以分為兩種情況：第一種是兩個配置文件所占存儲空間相同并且其包含的字節數不相同，第二種是兩個配置文件所占存儲空間相同并且其包含的字節數也相同。對于以上三種情況可以采用不同的比對方法。第一種情況可以直接判斷兩個配置文件大小，因為兩個配置文件大小不同，則可直接篩選出兩個文件的不同。對于第二種情況，首先判斷兩個配置文件的字節數是否相同，如果字節數不同，接著判斷文件的命令行數是否相同，若命令行數相同，在逐一比較命令行的參數的不同，若命令行數不相同，直接比較缺失的命令行；如果字節數相同，我們直接比較每條命令參數的不同。
以上的兩種情況，可以直接從配置文件的特征入手，判斷運行命令的結束以配置文件中的結束字符為標志。判斷配置文件中的不同命令行，首先依據配置文件中“節”的順序，按照：全局配置、接口配置、各種協議配置和用戶界面配置的特征；接著運用配置文件中的不同命令行的組織以命令視圖為基本框架，同一命令視圖的命令組織在一起，形成一節，節與節之間通常用空行或注釋行隔開的特征；進行比對分析。這就是基于配置文件字符特征的配置參數比對算法，下面將介紹算法的實現過程。
4基于“字符特征”的配置比對算法的實現過程
具體算法實現過程為：
(1) 從網絡設備獲取配置文件；
(2) 判斷文件所占存儲空間大小，若相同直接執行第(3)步，若不同執行第(5)步；
(3) 判斷兩個文件字符數是否相同，若相同直接執行第(4)步，若不同執行第(6)步；
(4) 判斷兩個文件命令行數是否相同；若相同直接執行第(7)步，若不同執行第(5)步；
(5) 比對兩個文件的字符數；
(6) 比對兩個文件對應命令行字符數；
(7) 結束。
算法實現流程如圖2所示。
5結語
基于字符特征的配置文件比對算法，是針對大型網絡中的骨干交換機與路由器復雜配置命令的比對方法，對于只有簡單配置參數的小型局域網設備以及沒有參數配置功能的網絡設備沒有實際意義。同時該算法的提出也主要是針對目前國內、國際廣泛使用的華為、思科網絡交換路由設備，對于其他不符合行業運行標準的網絡設備，還需具體問題具體分析。
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作者簡介：
孫文歌男，1982年出生，工程師。從事航天遠洋測控通信網絡技術研究。
