第28章_网络编程与自动化

• 网络工程领域不断出现新的协议、技术、交付和运维模式。传统网络面临着云计算、人工智能等新连接需求的挑战。企业也在不断追求业务的敏捷、灵活和弹性。在这些背景下，网络自动化变得越来越重要。
• 网络编程与自动化旨在简化工程师网络配置、管理、监控和操作等相关工作，提高工程师部署和运维效率。本课程定位于指导网络工程师初步了解Python编程实现网络自动化。

1.网络编程与自动化介绍

1.1背景：传统网络运维困境

• 传统的网络运维工作需要网络工程师手动登录网络设备，人工查看和执行配置命令，肉眼筛选配置结果。这种严重依赖“人”的工作方式操作流程长，效率低下，而且操作过程不易审计。

1.2网络自动化

• 网络自动化，通过工具实现网络自动化地部署、运行和运维，逐步减少对“人”的依赖。这能够很好地解决传统网络运维的问题。
• 业界有很多实现网络自动化的开源工具，例如Ansible、SaltStack、Puppet、Chef等。从网络工程能力构建的角度考虑，更推荐工程师具备代码编程能力。

1.3基于编程实现的网络自动化

• 近几年随着网络自动化技术的兴起，以Python为主的编程能力成为了网络工程师的新技能要求。
• ython编写的自动化脚本能够很好的执行重复、耗时、有规则的操作。

• 业界也有很多基于开源工具的网络自动化，例如Ansible、SaltStack、Puppet、Chef等。网络工程师能力构建上更推荐具备代码编程能力。

2.编程语言概述与Python介绍

2.1编程语言

• 编程语言（Programming Language），是一种用于编写计算机程序的语言，用于控制计算机的行为。
• 按照语言在执行之前是否需要编译区分，可以将编程语言分为需要编译的编译型语言（Compiled Language），不需要编译的解释型语言（Interpreted Language） 。

• 计算机语言另一种分类方式（根据语言层次）是机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言由0和1组成的指令构成，可以直接被机器识别。由于机器语言晦涩难懂，人们将0和1的硬件指令做了简单的封装，便于识别和记忆（例如MOV、ADD），这就是汇编语言。这两种语言都属于低级语言，其他语言都属于高级语言，例如C、C++、Java、Python、Pascal、Lisp、Prolog、FoxPro、Fortran等都是高级语言。高级语言编写的程序不能直接被计算机识别，必须经过转换成机器语言才能被执行。

2.2计算技术栈与程序执行过程

• 对于计算机的技术栈和程序执行的过程。左侧是计算的技术栈，我们可以看到硬件的最底层，是物理材料、晶体管来实现门电路和寄存器，再组成CPU的微架构。CPU的指令集是硬件和软件的接口，应用程序通过指令集中定义的指令驱动硬件完成计算。
• 应用程序通过一定的软件算法完成业务功能。程序通常使用如C/C++/Java/Go/Python等高级语言开发。高级语言需要编译成汇编语言，再由汇编器按照CPU指令集转换成二进制的机器码。
• 一个程序在磁盘上存在的形式，是一堆指令和数据所组成二进制机器码，也就是我们通常说的二进制文件。

2.3高级编程语言 - 编译型语言

• 编译型语言：编译型语言的程序在执行之前有一个编译过程，把程序编译成为机器语言的文件。运行时不需要重新翻译，直接使用编译的结果。典型的如C/C++/Go语言，都属于编译型语言。
• 从源码到程序的过程：源码需要由编译器、汇编器翻译成机器指令，再通过链接器链接库函数生成机器语言程序。机器语言必须与CPU的指令集匹配，在运行时通过加载器加载到内存，由CPU执行指令。

• 编译型语言编译的时候直接编译成机器可以执行的格式（例如.exe .dll .ocx）。编译和执行是分开的，不能跨平台执行，例如X86程序不能在ARM架构服务器上运行。

2.4高级编程语言 - 解释型语言

• 解释型语言：解释型语言的程序不需要在运行前编译，在运行程序的时候才逐行翻译。典型的如Java/Python语言，都属于解释型语言。
• 从源码到程序的过程：解释型语言的源代码由编译器生成字节码，然后再由虚拟机（JVM/PVM）解释执行。虚拟机将不同CPU指令集的差异屏蔽，因此解释型语言的可移植性相对较好。

• JVM：Java虚拟机。
• PVM：Python虚拟机。

2.5什么是Python？

• Python是一门完全开源的高级编程语言。它的作者是Guido Van Rossum。

• 由于Python具有非常丰富的第三方库，加上Python语言本身的优点，所以Python可以在非常多的领域内使用：人工智能、数据科学、APP、自动化运维脚本等。

• Python同时也是动态类型语言。动态类型语言是指在程序运行的过程中自动决定对象的类型，不需要声明变量的类型。

2.6Python代码执行过程

• 对于Python而言，Python源码不需要编译成二进制代码，它可以直接从源代码运行程序。当我们运行Python代码的时候，Python解释器首先将源代码转换为字节码，然后再由Python虚拟机来执行这些字节码。
• Python虚拟机（Python VM）不是一个独立的程序，不需要独立安装。

2.7初识Python代码 - 交互式运行

• Python有两种运行方式，交互式运行和脚本式运行。
• 交互式编程不需要创建脚本文件，是通过 Python 解释器的交互模式编写代码。

2.8初识Python代码 - 脚本式运行

• 脚本模式里的代码可以在各种Python编译器或者集成开发环境上运行。例如Python自带的IDLE、Atom、Visual Studio、Pycharm和Anaconda等。

2.9Python编码规范

• 编码规范是使用Python编写代码时应遵守的命名规则、代码缩进、代码和语句分割方式等。良好的编码规范有助于提高代码的可读性，便于代码的维护和修改。
• 例如分号、圆括号、空行和空格的使用规范建议如下：

2.9.1标识符命名

• Python标识符用于表示常量、变量、函数以及其他对象的名称。
• 标识符通常由字母、数字和下划线组成，但不能以数字开头。标识符大小写敏感，不允许重名。如果标识符不符合规则，编译器运行代码时会输出SyntaxError语法错误。

• Python最基本的数据类型有布尔型（True/False）、整数、浮点型、字符串型。
• Python里的所有数据（布尔值、整数、浮点、字符串，甚至大型数据结构、函数以及程序）都是以对象（object）的形式存在的。这使得Python语言有很强的统一性。运行结果分别为10，20，Richard，2，SyntaxError（语法错误）。
• 本文不对Python语法做针对介绍，更多Python语法请参考HCIP课程。

2.9.2代码缩进

• 在Python程序中，代码缩进代表代码块的作用域。如果一个代码块包含两个或更多的语句，则这些语句必须具有相同的缩进量。对于Python而言代码缩进是一种语法规则，它使用代码缩进和冒号来区分代码之间的层次。
• 编写代码时候，建议使用4个空格来生成缩进。如果程序代码中使用了错误的缩进，则会在运行中发出IndentationError错误信息。

• if…else…是一个完整的代码块，拥有相同的缩进。
• print(a)调用参数a，并且和if…else…在一个代码块，需要有相同的缩进。

2.9.3使用注释

• 注释就是在程序中添加解释说明，能够增强程序的可读性。在Python程序中，注释分为单行注释和多行注释。
• 单行注释以 # 字符开始直到行尾结束。
• 多行注释内容可以包含多行，这些内容包含在一对三引号内（’’’…’’’或者”””…”””）。

2.9.4源码文件结构

• 一个完整的Python源码文件一般包含几个组成部分：解释器和编码格式声明、文档字符串、模块导入和运行代码。
• 如果会在程序中调用标准库或其他第三方库的类时，需要先使用import或from… import语句导入相关的模块。导入语句始终在文件的顶部。在模块注释或文档字符串(docstring)之后。

• 解释器声明的作用是指定运行本文件的编译器的路径（非默认路径安装编译器或有多个Python编译器）。Windows操作系统上可以省略本例中第一行解释器声明。
• 编码格式声明的作用是指定本程序使用的编码类型，以指定的编码类型读取源代码。Python 2 默认使用的是 ASCII 编码 (不支持中文)，Python 3 默认支持 UTF-8 编码 ( 支持中文)。
• 文档字符串的作用是对本程序功能的总体介绍。
• time为Python内置模块，作用是提供处理时间相关的函数。

2.10Python的函数与模块

• 函数(Function)是组织好的、可重复使用的一段代码。它能够提高程序的模块化程度和代码利用率。函数使用关键字 def 定义。
• 模块(Module)是一个保存好的Python文件。模块可以由函数或者类组成。模块和常规Python程序之间的唯一区别是用途不同：模块用于被其他程序调用。因此，模块通常没有main函数。

2.11Python的类与方法

• 类(Class)是用来描述具有一类相同的属性和方法的集合。类的定义使用关键字 class。
• 被实例化的类的”函数”被称作方法(Method)。类定义方法时候必须携带 self 关键字，它表示类的实例本身。

• 对于函数和方法的官方定义：
• 函数 Function: A series of statements which returns some value to a caller. It can also be passed zero or more arguments which may be used in the execution of the body.
• 方法 Method: A function which is defined inside a class body. If called as an attribute of an instance of that class, the method will get the instance object as its first argument (which is usually called self).
• 更多类的学习，请参考https://docs.python.org/3/tutorial/classes.html。

2.12telnetlib介绍

• telnetlib是Python标准库中的模块。它提供了实现Telnet功能的类telnetlib.Telnet。
• 这里通过调用telnetlib.Telnet类里的不同方法实现不同功能。

• Telnet定义了网络虚拟终端（NVT，Network Virtual Terminal）。它描述了数据和命令序列在Internet上传输的标准表示方式，以屏蔽不同平台和操作系统的差异，例如不同平台上换行的指令不一样。
• Telnet通信采用带内信令方式，即Telnet命令在数据流中传输。为了区分Telnet命令和普通数据，Telnet采用转义序列。每个转移序列由两个字节构成，前一个字节是(0xFF)叫做IAC（Interpret As Command）“解释为命令”，标识了后面一个字节是命令。EOF也是一种Telnet命令，十进制编码是236。
• 套接字（socket）是一个抽象层，应用程序通常通过"套接字"向网络发出请求或者应答网络请求。
• 更多可参考https://docs.python.org/3/library/telnetlib.html

3.案例

3.1案例：使用telnetlib登陆设备

案例描述：

• 现有一台网络设备作为Telnet服务器，需要实现使用Python telnetlib作为Telnet客户端登录此设备。

• 实现过程分为四个步骤：配置设备Telnet服务。手动验证和查看Telnet登录步骤，作为代码实现的参考。编写和运行Python代码。验证结果。

• 本案例手工Telnet登录操作以windows为例：首先输入登录命令，telnet 192.168.10.10。因在前序步骤中设备配置Telnet使用密码登录，所以此处回显信息为“Password:”。此时输入密码 Huawei@123 完成验证，成功登录。

• Python中encode()和decode()函数的作用是，以指定的方式编码格式编码字符串和解码字符串。本例中，password.encode(‘ascii‘) 表示将字符串’Huawei@123’转为为ASCII。此处编码格式遵守telnetlib模块官方要求。
• Python字符串增加b，b’ str‘ 表示这是字符串是 bytes 对象。本例中，b’Password:’表示将字符串’Password:’转换为bytes类型字符串。此处编码格式遵守telnetlib模块官方要求。
• 更多Python对象描述，请参考https://docs.python.org/3/reference/datamodel.html#objects-values-and-types。

3.2案例：运行结果对比

4.本章总结

• 网络自动化是通过工具实现网络自动化的部署、运行和运维，逐步减少对“人”的依赖。可以通过编程语言或者工具实现。
• Python是一门完全开源的高级编程语言，语法简单，容易学习。拥有丰富的标准库和第三方库，适用于网络工程领域。
• Python的telnetlib模块提供了实现Telnet功能的类telnetlib.Telnet。可以让您初窥网络编程与自动化世界！