NEMO：一种声明式网络编程与业务定制语言

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1 研究背景

SDN是近年来网络领域的热点话题，代表着网络未来的发展、演进方向。软件定义网络是一种新型的网络架构，在这一新型架构中，网络按照层次分为三层，即应用层、控制层和基础设备层，实现网络控制与转发的解耦，构建开放、可编程的网络体系结构，如图1所示。SDN生态体系的开放与可编程，使得网络服务、应用的开发与部署大大加快，支持未来各种网络体系结构和新兴业务的创新，满足新应用、新技术的time-tomarket快速部署、发放的能力。

图1 网络开放接口

开放、可编程是SDN网络的显著特征。SDN网络中，开放接口的关注点逐渐上移，主要经历了三个阶段。

第一阶段，网络开放关注基础设备层的设备开放接口，通过设备开放接口，直接实现对网络基础设备的控制域编程，通过直接生成并下发网络基础设备(如交换机、路由器以及网络芯片)的转发表项，实现网络对数据报文转发行为的控制，在Open Networking Foundation中定义了OpenFlow协议标准[1]，通过[match, action]的模型方式，生成对包转发的转发表项，实现在网络设备具体的转发行为的细节控制。

第二阶段，网络开放关注控制器能力开放，通过控制器的开放接口，可以实现特定的功能型、特定场景或技术方案的网络控制能力实现。在ONF的North Bound Interface Work Group中，定义了大量的不同功能的开放接口，如Topology接口，L2VPN、L3VPN接口，Tunnel接口等，这些接口从具体的独立的网络能力角度，隐藏了具体网络设备的转发表项细节。此阶段的控制能力开放接口，虽具备了一定的抽象，简化了使用流程，使用者仍需具备丰富的网络知识和相关技术背景。

当前，第三阶段，网络开放关注系统能力开放接口，更注重于网络整体能力的抽象与开放，提供面向网络操作意图的网络操作接口。使用这类用户意图的声明式接口，网络用户、应用只需描述想要“What”，而无需关心“How”[2]，向用户隐藏了网络相关的技术信息，大大降低了网络用户、服务的网络操作难度，使得网络更容易被操作和使用。

2 研究现状

近年来Intent NBI已经在标准、学术界以及开源上越来越引起人们的关注与参与。

在标准上，2014年底在IETF成立IB-NEMO讨论组，专注于推动面向用户意图的Intent北向接口，2015年10月成立SUPA(Simplified Use of Policy Abstractions)工作组也将Intent Policy作为未来网络控制领域的核心发展趋势，2015年初ONF专门成立Intent NBI工作组，讨论Intent的架构以及接口。

在学术领域，Sigcomm发表了多篇研究Intent的论文[3-4]。其中，Université catholique de Louvain大学发表的《A Declarative and Expressive Approach to Control Forwarding Paths in Carrier-Grade N e t w o r k s》[5]设计了一种称为D E F O的网络DSL(Domain Specific Language)，该语言也是一种通过抽象topology、demand、constraint来描述网络行为目标(Intent)的语言。University of Wisconsin-Madison大学发表的《PGA: Using Graphs to Express and Automatically Reconcile Network Policies》[6]，重点研究多用户Intent Policy的组合计算和冲突解决方法。

在开源领域，ODL、ONOS、OpenStack也都已经开始涌现面向Intent实现的开源项目。ONOS侧重于Intent Framework，提供一个Intent整体运行环境与框架，而Intent NBI的具体接口设计与实现的开源项目主要集中在opendaylight中。其中，GBP、NEMO、NIC是Opendaylight中面向Intent的主要项目。GBP采用抽象Group和Group之间的通信需求契约Contract来描述用户需求，而NIC采用endpoint之间的operation来描述业务需求，但这两个项目的主要目标应用场景为数据中心DC内的网络需求描述，难以实现、满足复杂多样的WAN网络需求。

NEMO通过对网络资源以及网络行为的抽象，提供了免用用户意图的Intent模型，并基于该模型设计了面向网络操作的DSL。相较于纷繁复杂的功能型接口，NEMO语言利用有限的网络抽象元语，即可实现对网络资源、业务以及操作的灵活表达，并可适用于数据中心、WAN网络等多种网络中。

3 NEMO的基本概念

NEMO的核心目标是提供一种抽象的面向用户意图的Intent NBI以及相应的描述网络需求的语言。通过这种Intent接口，用户只需聚焦于真正的业务需求，而无需关心具体的网络实现技术。在数据存储领域，一个成功的应用是SQL (Structured Query Language)，它将复杂的数据操作抽象成一种统一的、直观的方式供用户使用，屏蔽底层数据存储以及操作的具体机制。借鉴于SQL，NEMO提供了一种高级的简单直观的网络操作语言，屏蔽底层复杂的网络技术实现，实现业务的灵活表达与部署。所以，NEMO是“网络领域的SQL”。

3.1 NEMO处理流程方法

从网络用户或应用对网络需求的Intent描述到最终映射到物理网络的配置信息，主要经过以下3个转变过程，如图2所示。

图2 NEMO总体处理流程与操作方法

1)抽象。从网络资源使用角度来看，网络拓扑、转发能力以及网络策略构成了网络管理的三大核心元素。为方便用户或应用表达对网络的需求，网络核心元素需求被抽象成更加统一、抽象的网络对象模型，屏蔽不同厂家、设备细节的差异，在NEMO模型中，网络对象模型为[object，operation]。对于三种类型的核心网络元素，拓扑被抽象成结点(node)以及结点之间的链路(connection)；转发能力被抽象成不同种类的流( fl ow)；网络策略被抽象成各种网络操作，如条件(condition)、行为(action)以及约束(constraint)。

2)编排组合。利用抽象出的网络对象模型，用户或者网络应用可以根据自己的需求，组合或编排出各种网络意图，实现对网络资源分配、网络业务的自定义部署。用户可以定义被操作对象object，以及作用在网络对象上的网络行为，实现对网络的整体控制，如网络资源申请、拓扑管理、带宽控制、SLA等。

3)编译和映射。用户使用NEMO语言表述的目标需求，首先经过编译处理，将用户的业务资源需求视图生成用户独立的虚拟网络需求视图；经过映射逻辑，实现用户的虚拟网络需求视图到真实物理网络的部署。

3.2 NEMO的设计理念和需要满足的约束

1)对用户的网络操作意图的抽象，得到网络目标信息模型。

2)以用户为中心的北向接口设计，以网络用户、服务的网络操作为角度，抽象关键词，形成平台无关、底层网络技术无关、声明式(declarative)的语言。

3)网络用户的Intent需求描述要可灵活组合、安全、可理解、无二义性，编译、映射结果要无冲突。

4)可映射，可以实现用户高级抽象的业务需求到网络具体技术相关、复杂的网络控制指令的编译、映射。

5)MDA架构，南向网络技术的PnP特性，能够满足底层多样性网络技术映射需求，实现PIM到PSM的映射，同时满足新增南向网络技术的在线加载。

6)多租户的支持，用户之间的业务视图、网络视图要相互隔离、互不影响，每个租户拥有自己的绝对安全的网络使用空间。

7)网络变化自适应，对于网络的异常、网络性能变化，能够自动重新进行虚拟网络到物理网络的映射、部署，网络用户、服务感知不到网络变化，降低网络异常对业务的影响。

4 NEMO架构设计

NEMO作为将用户业务需求转换为物理网络配置的一整套系统，包括NEMO模型、具体语言表现形式以及NEMO引擎对用户需求的处理以及对物理网络的映射。本节将会介绍NEMO模型、语言以及NEMO引擎的设计，还会列举几个典型的应用实例。

现有的网络资源和业务抽象采用“自底向上”的抽象方式，聚焦在控制器的能力开放上，而非从网络用户操作需求角度出发，难以满足用户意图，并且，功能型接口随着网络功能的增加层出不穷，很难收敛，不同功能型接口很难配合拉通，难以实现组合和复用。为解决这些问题，NEMO提供一套通用的用户Intent描述的接口和语言的表述方式，实现复杂的网络需求功能。

4.1 NEMO模型

从对Intent处理流程来看，NEMO抽象可以分成三个层次，即业务视图层、虚拟网络视图层和物理网络视图层。通用的抽象模型应该能够适用于各个层次的不同需求。分析每个层次的不同需求，均可以表示为[object，operation]，即对某对象进行何种操作。为适应不同层次的需求，object和operation在各个层次会有不同的实例以及不同的属性。除了采取确定操作的Intent外，用户也可以仅表明期待或避免的结果，而不指定采用何种operation达到这种状态，因此，result是NEMO模型对Intent的另一种抽象。

使用基于模型的抽象方法(Model-based Abstraction)对网络资源和业务进行抽象，可以将intent抽象为对象(object)、操作(operation)以及结果(result)，如图3所示。用户只需表明最终的网络状态，而不必关心如何达到这种网络状态。例如，保证所有链路的利用率小于80%。用户无需关心采取何种operation去实现这个状态。

图3 NEMO模型

4.2 NEMO语言设计

对象(object)是一个抽象类，定义了被管理或被作用的对象，在不同层次中可以被继承或者扩展。不同的抽象层次中，object指代的具体内容存在差异。例如，在业务视图层，object可以是业务结点、业务结点之间的链路或者关注的数据流等，而在物理网络视图，object将是不同的网络设备。

对象(object)由node、connection和flow构成。Node指的是一种网络资源，代表了网络功能结点，如网络业务结点、转发功能结点(防火墙，负载均衡器等)或者一系列网络功能结点的逻辑集合(子网、自治域等)。Connection是另外一种网络资源，描述了node实体之间的逻辑链路。Connection并不指代具体的物理链路，只描述node之间的可达关系。Connection作为连通资源，是保证可达性的必要条件。Flow指的是满足特定特征的网络流量，典型的匹配项是网络流量的五元组。

操作(operation)是一个抽象类，定义了为实现某种网络业务需求而采取的网络动作。如改变特定数据流路径，阻断不安全访问等。更详细地，operation可以分为带条件(condition)或限制(constraint)的操作或者不带条件或限制的操作。

Operation由condition、action和constraint组成。Action是构成operation的必要组成部分，表示采取的具体动作。Condition代表了operation的触发条件，只有当condition满足时，action才开始生效。Constraint代表对action本身的限制或者对action操作范围的限制。

结果(result)代表了一种期待或者避免的最终状态。

NEMO语言是基于网络抽象模型以及网络行为操作的一种DSL。利用有限的关键词以及特定的语法结构，以接近自然语言的形式表示用户的Intent。

针对NEMO模型中的每个元素对象，NEMO语言对应的语法规则如下所示。

1)对于Node：

METHOD Node node-name Type node-type Contain subnodes Property property-name: propertyvalue。

METHOD指的是对node实例采取的操作，创建(CREATE)、更新(UPDATE)、删除(DELETE)以及导入(IMPORT)。Node、Type、Contain和Property是定义Node关键词。其中Node表明该node的名字标识，Type表明了该node的类型，如l2-group；Contain表明了该node包含的内部结点，如主机h1；Property表明了该node的属性，如ip-prefix。其中，Contain和Property可根据情况确定是否保留。

2)对于Connection：

METHOD Connection connection-name Type connection-type Endnodes node-names Property property-name: property-value。

METHOD指的是对connection实例采取的操作，创建(CREATE)、更新(UPDATE)、删除(DELETE)以及导入(IMPORT)。Connection、Type、Endnodes和Property是定义Connection的关键字。Connection表明该connection的名字标识，Type表明该connection的类型，如p2p；Endnodes表明connection连接的node，Property表明该connection的属性，如bandwidth。其中，Property可根据情况确定是否保留。

3)对于Flow：

METHOD Flow flow-name Match match-type:match-value。

METHOD指的是对flow实例采取的操作，创建(CREATE)、更新(UPDATE)、删除(DELETE)以及导入(IMPORT)。Flow、Match是定义Flow的关键字。Flow表明该flow的名字标识，Match表明该flow匹配的特定数据包特征，如source ip。

4)对于Operation：

METHOD Operation operation-name Priority value Target object-name Condition conditionexpression Action action-type Constraint constraintexpression。

METHOD指的是对operation实例采取的操作，创建(CREATE)、更新(UPDATE)、删除(DELETE)以及导入(IMPORT)。Operation、Priority、Target、Condition、Action和Constraint是定义operation的关键词。Operation表明该Operation的名字标识，Priority表明该Operation的优先级，优先级越高越先被执行，Target表明该Operation操作的对象，如node实例；Action表明该Operation采取的具体动作，condition表明该Operation的action的触发条件，当Condition满足时，Action被触发，Constraint表明采取action的限制条件。目前NEMO语言支持的object类型、每种object的属性以及Operation中支持的action、condition请参见文献[7]。

另外，NEMO语言支持对新object类型和action的扩展。语法如下：

METHOD NodeModel/ConnectionModel/FlowModel/ActionModel type-name Property propertyname: property-value-type。

METHOD指的是对model实例采取的操作，创建(CREATE)、更新(UPDATE)、删除(DELETE)以及导入(IMPORT)。其中NodeModel、ConnectionModel、FlowModel、ActionModel和Property为定义model的关键字。Property表明每种model的属性名以及属性值的数据类型。

4.3 NEMO引擎架构设计

NEMO引擎是实现用于意图描述到物理网络配置的核心部件。NEMO引擎在完成Intent到设备配置时经历了两个阶段，首先完成将Intent业务视图编译成虚拟网络视图，再将虚拟网络视图映射到物理网络视图上。引擎的架构图如图4所示。

图4 NEMO引擎架构设计

NEMO引擎实现了从用NEMO语言描述的业务需求到具体物理网络配置的映射。租户管理完成用户虚拟网络空间的管理，每个组合独享一个VN space，业务逻辑管理完成对应NEMO描述的业务需求的语法检查，虚拟网络管理用于根据一定的算法生成满足用户需求的虚拟网络，物理网络控制域管理实现了从虚拟网络对物理网络的映射，而物理网络插件是物理网络设备与NEMO引擎的中间件，用于将映射结果配置到相应的物理设备上。

NEMO引擎在实现上主要经过了两个阶段。

1)编译阶段。NEMO引擎按照特定的算法，将用户利用NEMO模型(node/connection/flow/operation)表达的业务需求编译成特定的虚拟网络，以及对虚拟网络的控制。NEMO引擎采用[host，vRouter，vSwitch，vLink]模型来表示虚拟网络。具体生成的规则如下。

①对在业务视图上的每个l2-group包含的host类型的结点根据接入位置创建vSwitch，即将接入相同设备的host创建一个vSwitch，否则，创建多个vSwitch，并将后创建的vSwitch都连接到第一个被创建的vSwitch上。②对业务视图上的每个l3-group类型的结点，创建一个vRouter，并将其中包含的l2-group结点对应的第一个vSwitch连接到vRouter上。③在业务视图上的每个二层ext-group类型的结点分配一个vSwitch。④在业务视图上的每个三层ext-group类型的结点分配一个vRouter。⑥对业务视图上l2-group结点与l3-group结点连接，相当于将l2-group创建的vSwitch连接到l3-group结点对应的vRouter上。⑦在业务视图上l3-group之间的互连，将所有l3-group对应的vRouter都连接到第一个vRouter上。

一个典型的例子如图5所示。用户创建1个l2-group结点n1，2个外部的l3-group结点，并且该l2-group包含2台从不同位置接入的主机。

图5 业务视图

根据上述提供的生成虚拟网络的规则，不同位置接入的主机在生成虚拟网络时会创建两个vSwitch，并将第二个vSwitch连接到第一个vSwitch上。对于外部的l3-group根据接入位置的不同创建两个vRouter，并将这两个vRouter连接到l2-group对应的vRouter上。生成的虚拟网络视图如图6所示。

图6 虚拟网络视图

2)映射阶段。为实现物理网络的控制，需要将编译生成的虚拟网络映射到物理网络上。NEMO引擎采用[host，switch，router，path]模型表示对物理网络的抽象。虚拟网络到物理网络的映射算法规则如下。

①虚拟网络中生成的vSwitch会映射到与vSwitch连接主机的接入设备上。

②为二层ext-group结点创建的vSwitch映射到extgroup的接入设备上。

③为三层ext-group结点创建的vRouter映射到extgroup的接入设备上。

④虚拟网络中的vRouter(除了③中的)将会被映射到物理网关或核心路由器上。

⑤虚拟网络中的vLink将会被映射到物理网络路径上，该路径将是各种不同技术实现的隧道。

根据映射算法，将实现虚拟网络到物理网络的映射，但该映射过程强烈依赖于底层物理网络的状态，底层网络状态的异常、资源不足等均可导致映射失败。因此，NEMO引擎具有发现底层物理网络状态，并当网络状态发生变化时触发引擎的重映射。

5 典型应用实例

NEMO是用于网络业务描述、部署的统一抽象模型，适用于任意SDN网络(包括数据中心、WAN网络等)任意网络业务的部署，但该模型不涉及网元的创建与管理(如NFV中虚拟资源组件的创建)。

本节介绍利用NEMO语言、NEMO引擎实现从业务需求描述到物理配置的典型实例。

5.1 带宽按需分配场景(BoD)

业务需求描述：企业A有两个站点，总部在北京，分部在深圳。企业A希望两个站点之间的视频连接在9:00-18:00时间内享受2Gb/s带宽，而在其他时间段带宽为1Gb/s。

利用NEMO语言描述该业务需求如下所示。

CREATE Node headquarter Type l2-group Property ippref i x: 192.0.2.0/24, location: Beijing;

CREATE Node site Type l2-group Property ip-prefix:198.51.100.0/24, location: Shenzhen;

CREATE Connection c1 Type p2p Endnodes headquarter, site;

CREATE Flow f1 Match src-ip 192.0.2.0/24, dst-ip 198.51.100.0/24, proto: video;

CREATE Operation o1 Priority 2 Object f1 Condition time > 9 && time < 18 Action qos-bandwidth 2048 M;CREATE Operation o2 Priority 1 Object f1 Action qosbandwidth: 1024 M;

为验证NEMO描述的Intent对物理网络的影响，设计仿真物理网络，如图7所示。该物理网络中的交换机由OpenVswitch仿真。

图7 BoD场景的仿真物理网络

在控制器上下发NEMO语句，由NEMO引擎完成对物理网络的配置。为直观验证带宽的变化，现将head所在虚拟机设为视频服务器，site所在虚拟机设置为视频客户端，分别在不同时段播放视频，利用视频的卡顿来验证带宽的变化。

图8是在不同时间段采集的视频图像，从图像上可以直观感受利用NEMO引擎已经实现了不同时间段带宽的灵活调整，实现了业务的快速部署。

图8 不同时间段采集到视频

5.2 业务链场景(SFC)

业务需求：企业B的总部在北京，分部在深圳，企业B希望两站点之间的HTTP流经过特定的防火墙以及负载均衡器。采用NEMO语言描述该需求如下所示。

CREATE Node headquarter Type l2-group Property ippref i x: 192.0.2.0/24 location: Beijing;

CREATE Node site Type l2-group Property ip-prefix:198.51.100.0/24 location: Shenzhen;

CREATE Connection c1 Type p2p Endnodes headquarter, site;

IMPORT Node fw1 Type fw;

IMPORT Node lb1 Type lb;

CREATE Node chain1 Type chain-group Contain fw1,lb1;

CREATE Connection c2 Type p2p Endnodes headquarter, chain1;

CREATE Connection c3 Type p2p Endnodes chain1,site;

CREATE Flow f1 Match src-ip: 192.0.2.0/24, dst-ip:198.51.100.0/24, dst-port: 80;

CREATE Operation o1 Priority 1 Object f1 Action gothrough: chain1;

为验证是否该业务可实际部署到物理网络中，设计仿真网络如图9所示。

图9 业务链场景仿真物理网络

在控制器上下发NEMO语句，利用主机之间的HTTP包来验证业务是否流经业务链。

经验证，当防火墙规则为允许包转发时，两站点之间的HTTP包可达，若关闭防火墙的转发功能，两站点之间的HTTP包不可达。利用在防火墙上设置规则，可成功验证两站点之间通信的业务流已经被引入到业务链中。利用NEMO模型，可快速实现业务链场景的灵活部署。

6 现有面向Intent的北向接口对比

目前，面向Intent的SDN北向接口模型还处于研究中，各个标准组织还没有达成对这一接口的共识，但在开源领域，一些模型已经获得了广泛关注，具有较大影响力。

6.1 Neutron

Neutron为Openstack提供了“网络即服务”的功能，租户在云中能够自定义构建起一套虚拟网络环境，互联其虚拟机，并提供网络服务，真正构建起一个属于租户的虚拟DC，如图10所示。Neutron将网络抽象为网络Network、子网subnet、端口port、路由器router等。

图10 Neutron构建的物理网络

Neutron的网络抽象适用于云计算网络场景，以虚拟机中心，弱化拓扑概念。但该抽象只能描述虚拟机之间的互通与隔离，不能描述大部分的网络业务，如SLA、QoS等。虽然现在Neutron也在扩展，但只是逐个场景的扩展，针对一个业务需求就实现一个扩展，没有一个通用的模型来支撑。

6.2 GBP

针对当前大量的三层网络业务需求，GBP引入了策略模型，使用group和policy rule来描述网络业务需求，可以很方便地实现业务的自动化和安全性。

GBP将策略作用的对象称为group，将具有相同策略的虚拟机组合成group，策略是一些规则的集合，每个规则规定了两个group之间流量的行为，比如重定向、业务链等。GBP提出的模型如图11所示。

GBP模型改善了Neutron的不足，引入了动态调整机制，但GBP提出的模型只关注对流的处理，不能描述对网络拓扑、网络资源的请求，适用于数据中心网络，对WAN等复杂网络、复杂场景并不具有通用性。相对于这些北向接口模型，NEMO模型适用于各种网络，并且以接近自然语言的方式实现业务的描述，自动完成对网络的配置管理，真正实现了将各种业务统一为一种网络业务模型，实现业务的灵活部署与快速发放。

7 总结

本文通过分析SDN领域开放接口演进的三个阶段，提出新型的网络接口应是面向网络操作意图的抽象接口，即任何网络应用只需描述需要达到的结果即“What”，而不用关心实现该意图的具体操作过程即“How”。采用“自顶向下”提出了一种新型网络业务编程语言NEMO，将现有网络操作意图(Network Intent)抽象成一系列的网络元语，通过这些网络元语的灵活组合形成丰富的网络应用。另外，本文介绍了NEMO通过对网络资源和网络行为抽象出的网络Intent模型，即[object，operation]和result模型以及一种接近自然语言的语言表现形式，并介绍了NEMO引擎的架构设计，即实现Intent表示到具体设备配置的实现方式。为使用户更直观地体验NEMO实现业务部署的灵活性，最后提供了常见网络应用场景的部署过程以及最终效果。随着网络自动化过程的不断推进，提供面向用户Intent的网络操作接口及网络整体能力的抽象与开放，必将成为未来网络的发展方向，促进SDN网络生态环境更加繁荣。

图11 GBP模型

参考文献

[1]Pat Bosshart, Dan Daly, Glen Gibb, et al. P4: programming protocol-independent packet processors[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication, 2014,44(3): 87-95

[2]Christopher J. Intent NBI -Definition and Principles[R].Version V3.August, 2015

[3]Brandon Schlinker, Radhika Niranjan Mysore, Sean Smith,et al. Condor: Better Topologies Through Declarative Design[C]//the 2015 ACM Conference on Special Interest Group on Data Communication, 2015: 449-463

[4]Stefano Vissicchio, Olivier Tilmans, Laurent Vanbever,et al. Central Control Over Distributed Routing[C]//the 2015 ACM Conference on Special Interest Group on Data Communication,2015

[5]Chaithan Prakash, Jeongkeun Lee, Yoshio Turner,et al. PGA:Using Graphs to Express and Automatically Reconcile Network Policies[C]//the 2015 ACM Conference on Special Interest Group on Data Communication,2015:29-42

[6]Renaud Hartert, Stefano Vissicchio, Pierre Schaus,et al. A Declarative and E x p r e s s i v e A p p r o a c h t o Control Forwarding Paths in Carrier-Grade Networks[C]//the 2015 ACM Conference on Special Interest Group on Data Communication,2015

[7]Reference manual[EB/OL].[2016-07-22].https://wiki.opendaylight.org/images/e/ee/Reference_manual.01.pdf