一種基于Netmiko的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自動化運維方法研究*

李朝陽，周 波，張小鋒，陳 震

（中國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌 615000）

0 引言

隨著各種IT 新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，依靠手工執(zhí)行命令管理軟硬件資源的方法已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足一個信息中心的日常運維需求，且傳統(tǒng)方法存在出錯率高和人力資源成本高等缺陷。試想一個1 000 臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的架構(gòu)中，按照傳統(tǒng)人為操作更新設(shè)備配置，可能需要一個星期的多人合作。如果采用網(wǎng)絡(luò)自動化進行多線程并行操作，將大大縮減運維對人力資源的依賴，進一步節(jié)約成本?？梢?，在今天的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，如何能夠滿足大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)靈活高效且高質(zhì)穩(wěn)定運維的極致需求，是所有IT 管理部門應(yīng)該積極思考的問題。同時，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運維管理的標(biāo)準(zhǔn)化、自動化、數(shù)據(jù)可視化以及智能化必將成為大趨勢。本文針對一個由千余臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成的企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)需要進行大量重復(fù)性配置需求的特定應(yīng)用場景，提出了一種基于Python3 開源庫構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自動化運維系統(tǒng)的解決方法并加以編程實現(xiàn)，進而為進一步提升信息中心網(wǎng)絡(luò)運維自動化水平提供技術(shù)基礎(chǔ)和服務(wù)。

1 技術(shù)途徑

1.1 設(shè)備遠(yuǎn)程控制協(xié)議

主流遠(yuǎn)程管理控制協(xié)議主要有：①遠(yuǎn)程桌面協(xié)議（Remote Desktop Protocol，RDP），應(yīng)用于Windows 系統(tǒng)遠(yuǎn)程桌面；②遠(yuǎn)程幀緩沖協(xié)議（Remote Frame Buffer Protocol，RFB），應(yīng)用于圖形化遠(yuǎn)程管理，如VNC 工具基于RFB；③Telnet 協(xié)議；④SSH 協(xié)議。本文重點討論后兩者的特點及區(qū)別。Telnet 是命令行界面遠(yuǎn)程管理協(xié)議，簡單易于實現(xiàn)，在進行數(shù)據(jù)傳輸時采用明文傳輸方式。安全外殼協(xié)議（Secure Shell，SSH）是另外一種命令行界面遠(yuǎn)程管理協(xié)議，在進行數(shù)據(jù)傳輸時會對數(shù)據(jù)進行加密及壓縮。相比較而言，SSH 更加安全，速度也更快，且代替Telnet 僅是SSH 的功能之一。

1.2 基于Telnetlib 的設(shè)備遠(yuǎn)控技術(shù)

Telnetlib 是Python 的內(nèi)建模塊。鑒于Telnet 存在安全隱患，不建議在生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中使用Telnetlib 庫。Python2 和Python3 中的Telnetlib 在使用方式上略有區(qū)別。在Python2 中，Telnetlib 模塊下所有函數(shù)返回值均為字符串，而在Python3 環(huán)境下，所有函數(shù)參數(shù)及返回值為字節(jié)型字符串（Byte Strings）。因此，在Python3 中使用Telnetlib 需要關(guān)注：①字符串常量前需加b 提示符；②變量后需借助encode 進行ASCII 編碼；③對于read_all 函數(shù)返回結(jié)果需借助decode 進行ASCII 解碼。

1.3 基于Netmiko 的設(shè)備遠(yuǎn)控技術(shù)

Python 中支持SSH 協(xié)議實現(xiàn)遠(yuǎn)程連接設(shè)備的模塊主要有Paramiko 和Netmiko，前者是后者開發(fā)的基礎(chǔ)。Paramiko 是Python 中的一個非常著名的開源SSHV2 項目，于2013 年發(fā)布，同時支持SSH服務(wù)端和客戶端。Netmiko[1]是另一個SSHV2 開源項目，于2014 年底發(fā)布。Netmiko 基于Paramiko 開發(fā)，但其支持更多廠商設(shè)備，更加方便易用，簡化了回顯結(jié)果獲取，簡化了設(shè)備的配置命令[2]。目前，它支持包括Cisco、HP proCurve、Juniper Junos、Linux、Alcatel A0s6、Dell KS9 以及huawei 在內(nèi)的多個廠商設(shè)備。

1.4 基于Pandas 的數(shù)據(jù)清洗處理技術(shù)

Pandas（Python Data Analysis Library）是基于Numpy 的一個工具集，專為解決數(shù)據(jù)分析任務(wù)而創(chuàng)建。Pandas 納入了大量庫和一些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，為大型數(shù)據(jù)集提供高效的操作工具。同時，Pandas 是Python 的一個數(shù)據(jù)分析包，最初被作為金融數(shù)據(jù)分析工具而研發(fā)，在時間序列數(shù)據(jù)分析方面表現(xiàn)卓越。Pandas 的主要組件是Series 和Dataframe[3]。本文主要以Pandas 為工具對各個單位提交上來的Excel 數(shù)據(jù)進行清洗和處理，從中提煉出各類交換機加固命令參數(shù)。

1.5 基于loguru 的日志處理方法

Python 第三方日志庫loguru 相較于自帶loging庫更加簡潔、高效且靈活。Loguru 日志輸出格式信息豐富，包含時間、級別、模塊名、行號及日志信息；loguru 支持輸出日志到多個文件，按級別輸出；loguru 會定時清理超大日志文件，以提高系統(tǒng)運行效率[4]。本文借助loguru 模塊主要實現(xiàn)兩個功能：①記錄數(shù)據(jù)文件清洗處理過程中產(chǎn)生的各類日志；②記錄程序核心模塊運行時產(chǎn)生的各類日志信息。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文針對較大規(guī)模企業(yè)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要定期大量重復(fù)性配置的需求場景，基于Python 開源庫Netmiko 設(shè)計如圖1 所示的體系結(jié)構(gòu)圖。該設(shè)計重點包括1 個自動化操作流程和5 個軟件功能模塊[5]兩個方面。

圖1 中的一個自動化操作通過編程方式實現(xiàn)對人工登錄網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行操作配置活動的計算機模擬，以求實現(xiàn)配置操作自動化目標(biāo)的過程。該設(shè)計將一個自動化操作流程分為如圖1 所示的6 個階段。第1 階段，數(shù)據(jù)核對階段，主要借助正則表達式對輸入的Excel 數(shù)據(jù)規(guī)范性和有效性進行核實檢查；第2 階段，數(shù)據(jù)處理節(jié)點，主要依照實際任務(wù)需求完成對清洗、解析、參數(shù)提取及模板生成等工作；第3 階段，設(shè)備過濾階段，主要完成對特殊設(shè)備的排查；第4 階段，登錄方式修改階段，基于安全因素及Netmiko 高效應(yīng)用的考量，通過Telnet 方式將設(shè)備修改為SSH 密碼模式，如果已經(jīng)為SSH 方式則不做處理；第5 階段，登錄方式驗證階段，為確保核心動作的有效執(zhí)行，對SSH 密碼登錄參數(shù)進行驗證；第6 階段，配置運行階段，主要完成對設(shè)備的自動化操作，從而實現(xiàn)運維效率的大幅提升。

圖1 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

根據(jù)實際應(yīng)用需求，該設(shè)計將最終編程實現(xiàn)的自動化運維程序功能分為數(shù)據(jù)解析處理模塊、設(shè)備地址過濾模塊、設(shè)備登錄配置模塊、日志信息記錄模塊和配置命令執(zhí)行模塊[7]。

對于數(shù)據(jù)解析處理模塊ExcelParserHandler 而言，主要基于Pandas 完成對不同部門提交的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置參數(shù)的提取工作，為基于參數(shù)模板構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置命令提供基礎(chǔ)服務(wù)；對于設(shè)備地址過濾模塊SWIPFilterHandler 而言，主要基于Pythonping實現(xiàn)，用于對不在線或者特殊設(shè)備的過濾；對于設(shè)備登錄配置模塊SSHLoginHandler 而言，主要基于Telnetlib 實現(xiàn)，將所有設(shè)備登錄方式修改為SSH 密碼模式登錄，一方面為Netmiko 執(zhí)行遠(yuǎn)程操控打下基礎(chǔ)，另一方面也是出于對生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)安全加固的考量；對于日志信息記錄模塊LogRecordHandler 而言，主要基于loguru 實現(xiàn)，完成對軟件5 個功能模塊運行過程中產(chǎn)生的各類文本信息及異常情況進行記錄，以備后續(xù)故障排查及結(jié)果驗證所用；對于配置命令執(zhí)行模塊CommandsHandler 而言，基于Netmiko 實現(xiàn)，該模塊是整個運維程序開發(fā)實現(xiàn)的重點和核心，完成對各類大量重復(fù)性配置命令和系統(tǒng)升級操作的自動化工作。

上述5 個模塊皆基于國產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)以Python3 類的形式實現(xiàn)，在自動化操作流程的各個關(guān)鍵節(jié)點，通過對上述5 個功能模塊類的實例化而獲得相應(yīng)操作對象，從而執(zhí)行相應(yīng)操作完成相應(yīng)的自動化功能。

3 編程實踐

3.1 功能模塊ExcelParserHandler 實現(xiàn)

本文對如圖1 所示設(shè)計方法在國產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)上基于Python 進行編程實踐時，以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運維自動化操作流程為主線，以框架搭建設(shè)計為基石，以模塊動態(tài)加載來應(yīng)對運維任務(wù)的多樣性和不確定性，從而保持基于Netmiko 的自動化運維程序的穩(wěn)定性和良好可擴展性。限于篇幅，本文以ExcelParserHandler模塊和CommandHandler為重心，闡述該自動化運維程序的編程實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

功能模塊ExcelParserHandler基于Pandas庫實現(xiàn)，主要完成對不同部門提交的Excel 文件進行數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)解析，從而獲得批量配置交換機所需的各類參數(shù)，在配置模板作用下批量生成交換機配置命令。

示例偽碼如下：

3.2 核心模塊CommandHandler 實現(xiàn)

核心模塊CommandHandler基于Netmiko以Python3類的方式實現(xiàn)，具體細(xì)節(jié)如偽碼所示，主要完成以SSH 方式實現(xiàn)對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置操作和系統(tǒng)升級的自動化運行。在實際應(yīng)用實踐中，應(yīng)將該類的實例化置于線程中，從而實現(xiàn)對千余臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置管理的并行運行，在提高效率的同時，確保程序運行的穩(wěn)定性和健壯性。鑒于篇幅所限，本文僅給出關(guān)鍵步驟的偽碼表示。

4 應(yīng)用實踐

筆者對本文所述自動化運維程序分別在華為eNSP 模擬器構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜鸵粋€由500 余臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備架構(gòu)組成的實際生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中均進行測試和部署，運行效果良好。在實際應(yīng)用中，本文所述自動化運維方法可根據(jù)實際需求進行多樣化任務(wù)定制。以筆者所處實際生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為例（見圖2），利用該自動化運維程序?qū)Σ块TA 中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行相關(guān)網(wǎng)絡(luò)加固操作，對部門B 中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行定期配置文件備份操作，對部門C 中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行系統(tǒng)升級操作，對部門D 中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行QoS 參數(shù)修改操作，其中每種任務(wù)只需根據(jù)需求變換配置模板即可。

同時，詳盡的日志記錄功能確保應(yīng)用過程中的過程可追溯，為批量自動化運維提供支持。圖3 為該自動化運維程序在對部門A 中網(wǎng)絡(luò)交換機進行批量自動地址綁定操作時所生成的日志信息，詳細(xì)記錄了配置腳本在遠(yuǎn)程交換機上的執(zhí)行過程。

圖2 自動化運維程序應(yīng)用場景

圖3 運行日志記錄

5 結(jié)語

文章在對當(dāng)前信息中心網(wǎng)絡(luò)運維工作中面臨的困難和挑戰(zhàn)進行深入分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于Netmiko 構(gòu)建企業(yè)信息中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自動化運維系統(tǒng)的解決思路，設(shè)計自動化運維程序的體系結(jié)構(gòu)圖，并且在國產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)上基于Python3 進行了編程實現(xiàn)，將其部署應(yīng)用于實際生產(chǎn)環(huán)境，完成了網(wǎng)絡(luò)加固、系統(tǒng)升級、配置備份及QoS 參數(shù)修改等大量重復(fù)性操作，取得了良好應(yīng)用效果。實踐表明，本文所述方法穩(wěn)妥可靠，可操作性強，具有良好的可擴展性和先進性。