基于Protocol Buffers 的配置下发接口适配与应用

寇 阳,吕建新

（1.光纤通信技术和网络国家重点实验室，湖北武汉,430074；2.烽火通信科技股份有限公司，湖北武汉,430074）

0 引言

随着移动互联网、物联网、云计算在近年的兴起，数据业务超越语音业务成为运营商网络承载的主体。面对带宽需求的飞速增长，传统承载网已经无法满足需求，网络向IP 化演进已是大势所趋。伴随着带宽的提升，未来基站的覆盖密度将大大增加，在大型网络中对大量设备进行配置管理，是当前亟需解决的问题。本文分析了目前常用的网管配置下发接口现状，介绍了一种新的数据编码方式，并结合现有的网管接口，给出了一种适配方法与应用模型。

1 网管配置接口现状

目前比较普遍使用的网络配置管理接口有命令行接口（CLI）、简单网络管理协议（SNMP）、基于XML 的网络管理。

CLI 是被绝大多数的路由器和交换机所支持的网络管理接口，可以完成设备配置和性能告警查询等功能。它结构简单，易于功能扩展、对客户端要求低、具有良好的人机交互特性。

SNMP 简单实用，易于实现且成本低，在数据网络领域得到广泛的应用。SNMPv2 改进了管理信息结构，增强了管理信息通信协议的能力。SNMPv3 在兼容SNMPv2 基本功能的基础上，增加了安全性描述，改善了SNMP 久为诟病的安全性问题。

XML（可扩展标记语言）是近年来计算机技术上的一个重大突破，它是一种数据交换格式，允许在不同的系统或者应用程序之间交换数据。XML 编码规则简单，通过数据类型定义（DTD）或者XML Schema 来定义元素的顺序和结构，在处理复杂数据时具有优势。

在配置管理这一方面，SNMP 很少被用于配置管理；XML 虽然具有良好的自解释性，同时也带来了大量的开销。Protocol Buffers 是Google 公司开发的开源的数据编码方式，在性能上与XML 和ASN.1 相比具有诸多优势。

2 Protocol Buffers 简介

2.1 Protobuf 的特点

Protobuf 使用一种叫做varints 的紧凑整数编码方法。每个Protobuf 消息都是一系列key-value 对。编码时，key 和value 都被封装到二进制流里。解码时，解析器需要通过key 来判断消息的类型和长度。这种方式能最大限度的将字段的key 和value 压缩存储，让字段的key 中包含这个字段中索引、值类型、长度等信息。

Protobuf 使用.proto 文件来定义数据的结构，使用自带编译器编译后，可以轻松的使用Protobuf 提供的API 对数据进行操作。

Protobuf 具有良好的向前兼容性和向后兼容性。对于旧版本中没有的字段，新版本可以将其设为非必填或者设置默认值。对于新版本中新增的字段，旧版本会忽略，以保证兼容。

2.2 Protobuf 与现有编码方式的比较

ASN.1 和Protobuf 属于基于二进制的编码，XML 属于基于文本的编码。

基于文本的编码使用字节来编码字符，最大的优势就是具有良好的可读性，降低了调试难度，容错性好。不过，既能被机器理解又能被人类阅读的数据也带来了大量的冗余。

基于二进制的编码使用比特来表示数据，改善了编码后的数据长度和处理速率，但是编码后的二进制信息内容是人类不可读的，需要借助额外的工具进行翻译。

总的来说，避免使用XML 能带来更好的性能。ASN.1 的传输语法支持多种编码方式，但是与同为二进制编码的Protobuf 相比，ASN.1 的调试以及部署十分复杂。

3 基本应用模型

Protobuf 解决了数据在网络中传输时的编码效率问题，但是由于现有设备并不支持直接使用Protobuf 进行操作，必须进行适配。在配置下发方面，CLI 是目前应用最为广泛的接口，所以我们提出一个Protobuf/CLI 的适配层。适配层部署在设备侧，能实现Protobuf 的信息描述与CLI 方式的数据转换， 并且能保存通过网管下发的数据到本地数据库。

3.1 适配方法

CLI 的工作原理如下：用户通过telnet 或者串口把键盘按键传送给设备，设备把按键转换成字符串发送给命令外壳（Command Shell）。命令外壳通过把字符串解析成CLI 命令传递给CLI 解析器（CLI Parse），解析器按照命令行的语法对CLI 命令进行检查，如果检查通过，则调用执行协议栈的功能函数。功能函数直接给命令外壳返回执行结果。

要进行Protobuf 与CLI 的适配，适配层必须将Protobuf 的数据格式适配成CLI 的数据格式，然后发送给相关功能函数，以达到与CLI 配置同样的效果。Protobuf 本身所支持的数据类型和操作是完全兼容CLI 的。

3.2 适配层实现实例

适配层内部可以划分为3 个模块：

网管Client 模块：完成适配层与网管之间的交互功能，包括与网管的通信协议的适配、对收到数据的检查与异常处理等；Protobuf 适配模块：完成从把Protobuf 数据适配成CLI 能识别的数据结构，并且将成功配置的数据写入本地数据库；协议栈Client 模块：完成适配层与协议栈之间的交互功能，包括与协议栈的消息通信等。

对于网管下发的新建配置的命令， 网管Client 模块解析报文头部，把数据发给Protobuf 适配模块进行解析，转换成C 的数据结构后进行封装，发送给协议栈。协议栈解析后发给Protobuf适配模块，把报文封装成Protobuf 格式后发送给网管。对于返回成功的配置，保存到本地数据库。

对于网管下发的获取当前配置的命令，网管Client 模块收到网管下发的同步配置的命令，解析报文头部，把数据发送给Protobuf 适配模块。Protobuf 适配模块在本地数据库获取相应模块的配置，编码成Protobuf 后，返回给网管。

4 结束语

Protocol Buffers 以其小巧、快速、简单的特点，是一款非常优秀的数据序列化、反序列化工具，在对数据大小非常敏感的网络传输领域，有着非常广阔的应用前景。文中提出的基本应用模型可以在现有的支持CLI 接口的设备上，实现与Protocol Buffers 的适配，在理论上完全可行，并且已经在现网设备中得到验证，今后将得到不断改善。

[1] Google.Protocol Buffers,Google's Data Exchange Format[EB/OL].2011.http://code.google.com/p/protobuf/

[2] Gligoric N,Dejanovic I,Krco S.Performance evaluation of compact binary XML representation for constrained devices[C]//Distributed Computing in Sensor Systems and Workshops (DCOSS), 2011 International Conference on.IEEE,2011:1-5.