（计算机软件与理论专业论文）路由器cli技术及完整运行配置信息显示模型的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 路由器c l i 是路由器管理的最基本的管理方式和配置方式。由于c l i 在整个路由器架构 中的特殊性和复杂性，与路由器c l i 相关的研究及工程开发一直都在不断的进行中。而路由 器运行配置信息的飞速增长对配置信息的收集与回显技术提出了更高的要求。 为此，本文结合z t e 数据通信事业部的需求，对路由器c l i 技术进行了研究，并参照软 件工程、算法分析、性能优化、x p 方法、重构等理论中的一些方法，设计和实现了一个较为 高效的路由器完整运行配置信息的显示模型s r c i c s 。在该模型中引入了分级( 二级) 索引机 制、消息最大填充机制、支持正则表达式的消息过滤机制，还考虑了易维护、易扩充性的实 现。 本文系统地论述了通用路由器c l i 相关技术，包括路由器c l i 的命令行的标准、命令集 的组织、命令外壳的设计、命令的解析与执行等；描述了路由器的当前完整运行配置信息的 收集与显示模型( s r c i c s 模型) ：结合研究经验，给出了设计高效路由器c l i 的思路。 路由器仿真和实际的路由器开发实践都证明了s r c i c s 模型的有效性。 值得指出的是：这种模型对其它基于c l i 的系统也有一定的参考价值。 关键字：路由器；命令行接口；配置信息；显示模型；索引；正则表达式 南京邮电大学硕七研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t r o u t e rc l ii st h em o s tb a s i cm o d eo fm a n a g e m e n ta n dc o n t i g u r a t i o ni nr o u t e rm a n a g e m e n t s i n c ecl ii s s p e c i f i c a n dc o m p l e xi nt h ee n t i r er o u t e rf r a m e w o r k r e s e a r c ha n de n g i n e e r d e v e l o p m e n ta b o u tr o u t e rc l ih a v eb e e nc o n t i n u o u s l yc a r r i e do n ，a n dt h er a p i di n c r e a s eo fr o u t e r r u n n i n gc o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o nm a k e sh i g h e rd e m a n d so nt h ec o ll e c t i o na n dd i s p l a ) t e c h n o l o g y o fc o n f ig u r a t i o ni n f o r m a t i o n t h e r e f o r e b a s e do nt h ed e m a n do fz t ed a t ac o m m u n i c a t i o nd i v i s i o n t h i sp a p e rr e s e a r c h e s t h et e c h n o l o g yo fr o u t e rc l i a n dr e f e r r i n gt os o m ew a y so fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，a l g o r i t h m a n a l y s i s p e r t b r m a n c eo p t i m i z a t i o n x pm e t h o d r e c o n s t r u c t i o na n ds o m eo t h e rt h e o r i e s d e s i g n s a n d i m p l e m e n t s am o r ee f f i c i e n tc o ll e c t i o na n dd i s p l a ym o d e lo fi n t e m a lr o u t e rr u n n i n g c o n f i g u r a t i o ni n t b r m a t i o n n a m e l ys r c i c s i n t h i s m o d e l c l a s s i f i c a t i o n ( t w o - t i e r s ) i n d e x m e c h a n i s m p a c k e t f u l lf i l lm e c h a n i s ma n d p a c k a g ef i l t e r m e c h a n i s ms u p p o r t i n g r e g u l a r e x p r e s s i o n sa r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fe a s yt o m a i n t a i na n de a s yt oe x t e n di sa l s o c o n s i d e r e d t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e sr e l a t i v et e c h n o l o g i e so fg e n e r a lr o u t e rc l i 。i n c lu d i n gt h e c o m m a n dl i n es t a n d a r d s ，o r g a n i z a t i o no fc o m m a n ds e t ，t h ed e s i q mo fc o m m a n ds h e l l a n a l y s i sa n d e x e c u t i o no fc o m m a n d ，a n ds o0 1 1 i td e s c r i b e sm o d e ls r ci c s ，a n da c c o r d i n gt or e s e a r c h e x p e r i e n c e p u t st b r w a r d t h ei d e a so t d e s i g n i n gh i g h e re f f i c i e n tr o u t e rc l i t h ev a l i d i t yo fm o d e ls r c i c sh a sb e e np r o v e db yr o u t e rs i m u l a t i o na n dt h ea c t u a lr o u t e r d e v e l o p m e n tp r a c t i c e i ti sw o r t hp o i n t i n go u tt h a t t h i sm o d e lh a ss o m er e f e r e n c ev a l u et oo t h e r s y s t e m sb a s e do nt h ecl i k e y w o r d s ：r o u t e r ；c l i ；c o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o n ；s h o wm o d e l ；i n d e x ；r e g u l a re x p r e s s i o n s 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文巾不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 导师签名：日期： 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第一章概述 1 1 研究现状 第一章概述 c l i ( 命令7 j ：接 1 ) 管理方式是嵌入式设备包括p c 机等) 提供的最原始最基本的管理和控 制方式。路由器c l i 作为路由器管理的最基本的管理方式和配置方式，它所在的r m 模块( 路 由器管理模块) 同路由器的绝大多数模块都有联系，例如路由协议模块、数据库模块等。 由于c l i 在整个路由器架构中的特殊性和复杂性，路由器c l i 相关的研究及工程开发一 直都在不断的进行中。在高等院校、研究所和c i s c o 、h u a w e i 、z t e 等通讯设备制造商中， 偏重于工程开发的研究有：路由管理子系统的设计，路由器c l i 命令的安全分级，路由器c l i 模块的s n m p 和w e b 的管理方式的实现，当前运行配置信息的显示的改进等。 1 2 研究的需求及所做工作 随着i n t e m e t 的高速发展，路由器的新功能不断增加，例如n a t 、a c l 、入侵检测等， 路由器的当前运行信息和配置信息也随之快速增加。 由于上述原因导致的路由器配置和运行信息的飞速增长，使得在原有硬件的基础上的原 有的对于当前路由器运行的全部配置信息的收集与回显的技术皆不能满足用户需求。这主要 表现在两个方面。 ( 1 ) 性能方面【1 l ：在原来的设计方法下，随着运行配置信息的急速增长，路由器性能在完 整运行配置信息收集和显示方面变得低下，甚至会严重影响到其它进程的运行。 ( 2 ) 软件维护性方面 2 t 3 】：系统可维护性的定性的定义为：维护人员理解、修正、改动和改 进这个软件的难易程度。在原设计方法下，随着路由器新增功能模块的不断增加，路由器运 行配置信息的收集与显示变得不易调试和维护。 本文做了以下工作： ( 1 ) 论述了c l i 的原理和路由器c l i 的方法。 ( 2 ) 参考已有模型【3 l ，给出并实现了一种改进的基于路由器c l i 的完整的运行配置信息的 收集和显示模型，称之为s r c i c s 模型。在研究过程中参考了软件工程、算法分析、性能优 化、x p 方法( 极限编程方法) 、重构等理论中的一些方法。所研究的s r c i c s 模型包括如下几 个方面的技术内容： l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一颦概述 分级( 二级) 索引机制。 消息最大填充祝制，霹p a c k a g e f u l l f i l l 机制。 对正则表达式过滤的支持，消息过滤机制，即p a c k a g e f i l t e r 机制的实现。 易维护、荔扩充性的实现。 ( 3 ) 给出了设计高效c l i 的思路和方法。 路由器仿真帮实际的路由器开发实践都证明了s r c i c s 模型的有效性。 值得指出的是：这种模型对其它基于c l i 的系统也有定的参考价值；s r c i c s 同时适 用于分布式和集孛式系统架掏。 2 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第二章路由器c l i 原理 第二章路由器c l i 原理 通用路由器c l i ，即g e m a lr o u t e r sc o m m a n dl i n ei n t e r f a c e ，路由器命令行接口，是对路由 器进行管理和各种配置的最原始也是最通用的方法。 大部分管理员是在命令行接口方式下，通过串口或t e l n e t 登录到路由器的管理口，进行 路由器的管理和配置。通用路由器c l i 作为路由器配置和管理的基础，对通用路由器c l i 的 研究无疑对于整个路由器系统软件的开发和性能方面具有重要的价值。 下面几个小节将分别介绍通用的路由器c l i 的技术及设计实现。 2 1c l i 基本原理 c l i 管理方法是嵌入式设备( 包括p c 机等) 提供的最原始最基本的管理和控制方式。而且， 在近2 0 年里，c l i 方法仍然存在着，并不断地运用到各种新的设备中。c l i 通过t e l n e t 客户 端程序或者h y p e r t e 肌i n a l ( 即超级终端) 的串口应用程序，使用键盘输入控制命令实现控制与 管理功能。 c l i 之所以在几十年里没有淘汰，并更加广泛地运用到各种设备的管理中，是由它的特 点决定的。c l i 的特点是：结构简单，客户端要求低，易于功能扩展等。 c l i 原理指出，任何命令行接口有以下三个组成部分【4 一1 。 ( 1 ) 命令协议c o m m a n dp r o t o c o l 用户终端和系统间的通信方法。在常见的d o s 和u n i x 控制台方式下，键盘和显示器为 用户终端；此时的命令协议是计算机的标准输入和输出方法。t e l n e t 协议是另一种普遍使用 的通信方法。t e l n e t 方式下，不是通过本地的物理接口，而是通过t c p i p 连接将键入的命令 传送给系统，并从t c p i p 连接接受输出的信息并显示在用户终端上。 ( 2 ) 命令外壳c o m m a n ds h e l l 命令外壳接受用户输入的信息并执行合适的操作之后，将执行结果发送给用户终端。其 接受和发送过程，均需要通信协议来完成。终端命令外壳指提供给命令进行接收和发送的环 境。在u n i x 系统中，c s h 、k s h 、b a s h 是常见的命令外壳形式。 ( 3 ) 命令集c o m m a n ds e t 提供给用户的命令的集合。由于不同的系统具有不同的功能，所以不同的系统的命令集 是不同的。命令集的设计和开发，是整个系统设计和开发的核心，是整个系统设计和开发中 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章路由器c l i 原理 最复杂的部分。而接口的强弱，取决于该接口在命令集中的命令的个数和该接口通过命令集 的功能函数的个数。因此，接口是命令行设计中最关键的部分。 2 2 路由器c l i 的工作原理 路由器c l i 的工作机制如下图2 1 所示。 发出命令返回结果 ， s e r i a i i n t e r f a c e t e l n e ts e r v e r 卜 、r 命令外壳 、 7 ， i 命令树h 命令解析 i 功能函数 图2 1c l i 工作机制 c l i 在路由器的管理中有两种登录方式：t e l n e t 方式和串口方式。 串口方式下，用户通过超级终端等在被管理设备所在地对设备进行管理。 t e l n e t 方式是基于i n t e m e t 的远程登录方式。t e l n e t 包括两个程序：客户端程序和服务器 程序。客户端程序完成如下功能：建立与服务器的t c p 连接；从键盘上接受输入的字符：把 输入的字符串转化为标准格式并送给远程服务器：从远程服务器接收输出的信息：把信息显 示在屏幕上。 用户自t e l n e t 或h y p e r t e m a l 输入的表示键位的字符串，被传送给控制台接口的上层软件。 上层软件对输入的该字符串进行处理。t e l n e t 或h y p e r t e m a l 将从串口或t c p i p 连接上接收 的字符串转换为v t l 0 0 格式，并将其显示在窗口上。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章路由器c l i 原理 用户通过控制台或t e l n e t 或串口连接，将一系列的键击传送给设备。由设备的t e l n e t 服 务器端程序或串口接收端程序，将键击转化为字符串，发送给命令外壳。 传统的终端设备到设备的连接有两种形式：串口形式和t e l n e t 形式。 串口形式采用r s 2 3 2 通信协议。客户端程序采用h y p e r t e m a l ( 超级终端) 或者模拟终端 程序z t e r m 。 t e l n e t 形式采用标准的t c p i p 连接，要求设备的操作系统具有t c p i p 协议栈，并且硬件 具有网络接口，如r j 4 5 。t e l n e t 客户端程序，可以选择w i n d o w s 自身的t e l n e t ，也可选择 c t e r m 、f t e r m 等。 系统设备启动时，启动两个进程；一个是t e l n e t 服务器端进程，负责监听t e l n e t 客户端 连接请求；另一个是c o n s o l e 进程，负责监听串口上的连接。 命令外壳的任务是：提供一个与管理者进行对话的环境，这个对话所使用的语言就是命 令行。它的任务是将字符串解析为单条命令。命令外壳需要完成如下功能：命令行编辑；命 令缓存；关键字自动完整地补充：上下文提示帮助等。后面两种功能需要借助路由器c l i 中 的p a r s ee n g i n e ( 命令解析引擎) 来完成。 命令解析引擎相当于一个解释器， 它将命令外壳处理后的字符串与由命令脚本得到的命 令树进行比较，负责完成命令行的字匹配和参数解析。有的c l i 设计中，将p a r s ee n g i n e 的 功能归入命令外壳的功能中；本文也将p a r s ee n g i n e 的功能归入了命令外壳的功能。 命令解析后，正确无误的命令被c l i 的解释进程打包，然后将消息发送给不同的命令执 行进程。具体执行由各个功能函数决定。 2 3 路由器c l i 的设计与实现 每条通过t e l n e t 或串口等输入的命令行字符串，都必须首先经过c l i 模块进行处理。 通用路由器c l i 主要包括以下两个进程模块：路由器命令解释进程模块与路由器命令执 行进程模块。图2 2 是一条命令的处理流程。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章路由器c l i 原理 c l i 解释进程 c l i 执行进程 c l i 命令配置文件 t e l n e i 或h y p e m e c 字符串处l ( c l i s c d p l d a t ) 理 、 、，、r i 命篱命令树；4 r 匹配 ”1 “。 、 、， 命令参数解析 | f 獭鞠 h 一备厶夺曾愿牡翼回挂l 一 微砧弥雌、 执行结是 山抽互；扯里 “1j 眚 暾蝽地执行西瘩滞 p 橇埏 r ， 其它执行进程 图2 2 通用路由器的c l i 的处理流程 其中加斜线部分为本文论述的s r c i c s 模型涉及的处理 首先，命令经过解释进程的处理：然后，正确无误的命令被封装为消息；接着，消息被 分发到本地r m 模块( 路由器管理模块) 的执行进程或者其他各个执行进程( 在分布式路由 器架构中存在多个c p u ，c l i 解释进程可能把消息发送给不同c p u 上的执行进程进行处理) 。 命令执行进程处理完毕后，如果需要返回数据，将命令执行结果打包后，返回给c l i 模块的 解释进程。解释进程处理完毕后，发送给t e l n e t 模块进行屏幕回显。 2 3 1 路由器c l i 命令行标准 在c l i 管理模式下，命令行是其关键部分。命令行标准规定了执行特定管理操作的字符 串，具有一定的命令风格，能便于管理员对设备进行管理。目前，在路由器中的c l i 设计中， 一般都参考c i s c o 的风格【6 引。 6 南京邮电大学硕七研究生学位论文第二章路由器c l i 原理 命令行的字符串的组织如下： 功能：关键字1 + s p a c e ( s ) ) + 参数1 】+ s p a c e ( s ) + 关键字2 + s p a c e ( s ) + 参数2 】+ 路由器c l i 命令都必须按照上述命令行的标准形式构成。例如命令： s h o wi pr o u t e s t a t i c ，c o n n e c t e d 】 关键字是命令中必须的若干个单词，如上一条命令中的”s h o w 、”i p ”和”r o u t e ”，简称为命 令字。 命令字和参数之间必须由一个或多个空格隔开。 命令参数是命令行的附加信息，它具有以下五个属性： ( 1 ) 参数的类型 一般而言，参数类型分为：可选型和必选型。必选参数指该参数必须在上一个命令字输 入之后，紧接着输入。可选型参数指该参数是可以选择输入或不输入的。 ( 2 ) 参数的语法 参数的语法指出了参数的本质上的归属，参数间组织是通过参数语法规则规定的。从本 质上说，参数的根本上的类型是指参数所符合的语法规则。 虽然同一个数据通信开发商使用统一的命令行风格，但在不同数据通信产品开发商，在 c l i 的命令行参数的组织中，往往使参数的组织具有不同的语法规则。例如， 这种语法， 指出其中的参数必须选一个，而且只能选一个。 在有些文献中，参数的语法被称为参数的关键字。 ( 3 ) 参数的数据类型 参数的数据类型指该参数是整型或者字符型、字符串型、i p a d d r ( i p v 4 地址) 等。 通用路由器c l i 命令的参数种类比较多，常见的命令参数，如表2 1 所示，主要有以下 一些类型： 表2 1c l i 命令的参数类型 参数类型描述 c l i p a r a t y p e b y t e字节型 c l i p a r a t y p e w o r d双字节型 c l i p a r a t y p e d w o r d双字型 c l i p a r a t y p e 一烈t 3 2 位整型 c l p a r a t y p e c h a r 字符型 c l i p a r a t y p e s t r i n g 字符串型 c l i p a r a t y p e t e x t 文本参数 c l i p a r a t y p e 】入b l e表型 c l i p a r a t y p e i p a d d ri p 地址型 c l i p a r a t y p e d a t e 日期型 c l i p a r a t y p e t i m e时间型 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章路由器c l i 原理 c l i p a r a t y p e m a p m a p 表类型 c l i p a r a t y p e l i s t l i s t 类型 c l i p a r a t y p e c o n s t常量类型 c l i p a r a t y p e i f p o r t 接口( 端口) 类型 c l i p a r a t y p e m a s k i p 地址掩码 c l i p a r a t y p e r a n g e 范围，例如a - z c l i p a r a t y p e i p v 6 a d d r i p v 6 地址类型 ( 4 ) 参数的取值范围 参数的取值范围限定了该参数在设定的特定范围中取值。例如可以设定某个整型参数 ( c l i p a r a t y p e i n t ) i n t n a m e 的取值范围为： 1 0 0 1 9 9 1 。 ( 5 ) 参数的默认值 当命令行输入中没有输入参数时，把这个参数的值作为默认值。 2 3 2 路由器c l i 命令集组织 路由器c l i 的命令集，由按照命令行标准构造的命令行字符串( 即路由器命令) 组成。 路由器中的命令数目是巨量的，成千上万条的命令，为了便于命令的匹配，命令集一般都是 采用树状的结构来组织，称为命令树。 为了便于分级组织，命令集被分割为若干个命令模式。一般而言，在各个数据通信产品 研发商中，这个数目在2 0 0 左右；由于新功能模块的不断添加，这个数目在不断增加中。 图2 3 为路由器c l i 的命令树的组织方式。 一竺 固 图2 3 路由器c l i 的命令树的组织图 如该图所示，通用路由器按照分层次的树形结构对c l i 命令集中的命令进行组织，第一 层按照命令模式( 例如：e n a b l e 模式、s h o w 模式等) 划分，以下各层是对应命令模式下 8 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第二章路由器c l i 原理 的命令。 一般而言，针对每个命令模式下的每条c l i 命令都附加下列属性：命令i d ，命令参数及 语法序列，命令执行模式等等。 由模式根节点出发，遍历至叶子节点，即是该模式下的一条命令。例如，在图2 3 中，s h o w 模式下的”s h o wi n t e r f a c e ”命令。 2 3 3c l i 命令外壳的设计 命令外壳接受用户输入的信息并执行合适的操作，之后，将执行结果发送给用户终端。 路由器c l i 的命令外壳，完成所有路由器命令的必经之路。命令外壳包括两个进程：c l i 解释进程和c l i 执行进程。c l i 解释进程主要完成命令行字符串解析的功能( 即p a r s ee n g i n e ) 。 c l i 执行进程主要完成的任务是：在命令解析成功后对路由器命令的分发和执行结果的回送， 以及在c l i 本地执行的任务。 前文中的图2 2 已给出了路由器c l i 中的命令外壳的结构和功能。 2 3 4c l i 命令外壳之解释模块 解释模块负责完成对用户或路由器管理员所输入的c l i 命令字符串的正确性和合法性检 查。此部分的工作，就是c l i 解释进程需要完成的最重要的任务之一。 解释进程把用户在t e l n e t ( 或其它终端上) 输入的字符串同由读取路由器c l i 命令脚本 文件( 以下简记为：c l is c r i p t d a t ) 所生成的命令树中的命令规范进行比较、分析，以检查 用户输入字符串是否正确无误。解释进程对命令字符串进行语法分析的过程类似于编译器中 的语法分析器。 c l i 解释模块对用户( 或管理员) 输入的命令行字符串的解析，分为两个处理过程：命 令字的匹配，命令参数的解析。 图2 4 为字符串解析的状态迁移图( 其中不包含对于中间参数的处理) 。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章路由器c l i 原理 表2 2 为各个状态的说明。 图2 4 命令行解析的状态转换图 表2 2 状态说明 状态名 状态说明 b e g i n p a r s e c l i 解释进程的命令行字符串解析状态的起始状态。 f i n i s h p a r s ec l i 解释进程的命令行字符串解析状态的结束状态，表示用户( 或管理员) 输入的命令行字符串完全正确，命令行字符串的解析成功完成了。 f i n i s h d e a l c l i 解释进程的命令行字符串解析状态的结束状态，表示命令行字符串的解 析结束了，表示用户输入的命令行字符串的命令有误，或者输入的命令参数 有误，或者用户( 或管理员) 输入了提示符d e t e r m i n e r ( 见附注，即用户需 要路由器给出命令字或参数的提示信息) o w o r d p a r s i n g c l i 解释进程的命令行字符串解析状态之一，正处在命令字匹配状态。 w o r d p a r s e dc l i 解释进程的命令行字符串解析状态之一，命令字匹配结束状态。 p a r a p a r s i n g c l i 解释进程