淺談OSPF協(xié)議的基本原理及其仿真

程永青

摘要：在當(dāng)下社會(huì)中，有越來越多的企業(yè)開始構(gòu)建自己的互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，紛紛將自己的線下業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到線上，這不僅為企業(yè)節(jié)省了成本，也為企業(yè)帶來了核心競爭力。文中探討的是OSPF路由協(xié)議，它是一種內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議，由于其眾多的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，目前被大量的部署在企業(yè)核心網(wǎng)中，因此作為企業(yè)的運(yùn)維人員，掌握OSPF協(xié)議的基本原理和配置方法就顯得尤為重要。該文在后半部分使用GNS3模擬器來為讀者搭建一個(gè)OSPF網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)仿真環(huán)境，為讀者學(xué)習(xí)OSPF技術(shù)原理和動(dòng)手實(shí)操奠定基礎(chǔ)，因此該文具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：企業(yè)網(wǎng)；OSPF協(xié)議；IGP；網(wǎng)絡(luò)仿真；GNS3

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）36-0030-02

1 概述

目前，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)變成為每個(gè)人工作、學(xué)習(xí)和生活的重要組成部分。企業(yè)也利用網(wǎng)絡(luò)來降低運(yùn)營成本，提高員工工作效率，加強(qiáng)其核心競爭力，通過網(wǎng)絡(luò)來推廣和營銷自己的品牌。世界上最大的網(wǎng)絡(luò)是Internet，只要企業(yè)將網(wǎng)絡(luò)加入其中，便可與全世界的客戶做生意，可見網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)在戰(zhàn)略上對(duì)企業(yè)具有何等的重要性。本文探討的OSPF協(xié)議是一種路由協(xié)議，路由協(xié)議是企業(yè)網(wǎng)的基石，沒有路由協(xié)議作保障，企業(yè)網(wǎng)便無從架構(gòu)。路由協(xié)議有許多種分類方法，按照路由算法來分，主要有距離矢量型和鏈路狀態(tài)型路由協(xié)議，OSPF是典型的鏈路狀態(tài)型路由協(xié)議；按照協(xié)議作用的范圍來分，主要有內(nèi)部網(wǎng)關(guān)型和外部網(wǎng)關(guān)型路由協(xié)議，OSPF是典型的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)型路由協(xié)議；按照路由的獲取方式來分，主要有直連路由、靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由，OSPF是典型的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。不管怎樣分類，常見的路由協(xié)議都只有以下幾種：RIP、OSPF、ISIS、EIGRP和BGP。由于OSPF具有眾多優(yōu)勢(shì)，因此在企業(yè)網(wǎng)路由協(xié)議競爭中脫穎而出，成為了主流，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：開放性，任何廠商設(shè)備都支持OSPF協(xié)議，這意味著不同品牌的設(shè)備可以很好的兼容在一起，不像EIGRP是思科私有協(xié)議，只能在思科設(shè)備上使用；無路由環(huán)路，路由環(huán)路的危害不言而喻，可以導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失；快速收斂，收斂是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備從感知變化到學(xué)習(xí)變化，最終達(dá)到同步的過程，該過程應(yīng)該越短越好；開銷低，OSPF對(duì)鏈路開銷的占用非常小，不像RIP那樣占用太多的鏈路帶寬以及消耗太多的終端設(shè)備資源；安全可靠，OSPF提供MD5認(rèn)證，只有經(jīng)過認(rèn)證的設(shè)備之間才可以相互學(xué)習(xí)路由，避免惡意學(xué)習(xí)；支持網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，RIP支持的最大跳數(shù)是15跳，因此網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很小，而OSPF沒有這一限制，理論上可以在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)放置上百臺(tái)OSPF路由器；OSPF可以很好地支持各種二層網(wǎng)絡(luò)，不管是以太網(wǎng)鏈路，還是廣域網(wǎng)鏈路，都可以完美的運(yùn)行在其之上；最后，OSPF支持VLSM技術(shù)和CIDR技術(shù)，既可以實(shí)現(xiàn)可變長子網(wǎng)掩碼劃分，又可以實(shí)現(xiàn)路由匯總。

2 OSPF協(xié)議中的基本概念

區(qū)域：OSPF協(xié)議中引入了“區(qū)域”這個(gè)概念，劃分區(qū)域的好處在于可以將一個(gè)大的管理范圍變成若干個(gè)小的管理區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的路由器只需要維護(hù)本區(qū)域的LSDB即可，并不需要知道其他區(qū)域的LSDB，這樣就降低了運(yùn)行OSPF路由器的性能要求，使得性能一般的路由器也可以運(yùn)行OSPF；同時(shí)，區(qū)域內(nèi)的拓?fù)渥兓膊粫?huì)殃及到其他區(qū)域，使得其他區(qū)域內(nèi)的路由器頻繁執(zhí)行SPF算法，導(dǎo)致其性能下降；再者，區(qū)域間的關(guān)系并不是平等的關(guān)系，其中有一個(gè)區(qū)域被稱為骨干區(qū)域，其他區(qū)域被稱為非骨干區(qū)域，非骨干區(qū)域必須連接到骨干區(qū)域，目的是為了防止路由環(huán)路，非骨干區(qū)域的路由要想傳遞到其他非骨干區(qū)域，必須經(jīng)過骨干區(qū)域中轉(zhuǎn)才行，這樣就保證了區(qū)域間的無環(huán)路。任何形式的非骨干區(qū)域直接互聯(lián)都被視作為不規(guī)范操作，但可以通過虛鏈接來解決。

OSPF路由器類型：區(qū)域內(nèi)路由器、區(qū)域邊界路由器、自治系統(tǒng)邊界路由器和骨干路由器。路由器的所有接口都在同一個(gè)區(qū)域稱為區(qū)域內(nèi)路由器，簡稱IR；連接骨干區(qū)域和非骨干區(qū)域的路由器稱為區(qū)域邊界路由器，簡稱ARB，ABR至少有一個(gè)接口在骨干區(qū)域中；自治系統(tǒng)邊界路由器是指引入外部路由的路由器，其位置不一定是在邊界，簡稱ASBR；骨干路由器處在骨干區(qū)域中，或者至少有一個(gè)接口在骨干區(qū)域即可，簡稱BR。

RID：每一個(gè)運(yùn)行OSPF協(xié)議的路由器都要有一個(gè)RID，RID相當(dāng)于路由器的身份證，要求每一個(gè)OSPF路由器的RID不能一樣，RID可以自動(dòng)產(chǎn)生，也可以手工指定。如果是自動(dòng)產(chǎn)生，那么規(guī)則是看路由器上有沒有開啟環(huán)回口，如果有則選取環(huán)回口上最大的IP地址作為該路由器的RID，如果沒有開啟環(huán)回口，則選擇有效物理接口上的最大IP地址作為該路由器的RID。這里我們建議手工指定一個(gè)環(huán)回口IP地址作為路由器的RID，選取環(huán)回口的原因是環(huán)回口穩(wěn)定，不會(huì)像物理接口那樣受外因作用而反復(fù)的開啟或斷開。

三張表：OSPF使用三張表格以確保其正常運(yùn)行，分別是鄰居表、鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫和OSPF路由表。鄰居表里面存放的都是自己直連的鄰居，OSPF會(huì)定期從OSPF接口發(fā)送Hello包，報(bào)文中攜帶有一些相關(guān)參數(shù)，只有參數(shù)協(xié)商成功以后才可以建立鄰居關(guān)系，Hello包發(fā)送間隔為10S或30S，依二層網(wǎng)絡(luò)類型來決定。鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫簡稱LSDB，是同一區(qū)域內(nèi)所有LSA的集合，可以把LSDB想象成是本區(qū)域的地圖，運(yùn)行OSPF協(xié)議的路由器會(huì)執(zhí)行SPF算法，以自己為根計(jì)算到達(dá)各目的地的最短路徑。理解LSDB中各種LSA是深入學(xué)習(xí)OSPF的必經(jīng)之路。OSPF路由表又稱為OSPF協(xié)議路由表，它有別于全局的IP路由表，OSPF路由表存放的是OSPF協(xié)議發(fā)現(xiàn)的最佳路由，這條最佳路由能否放進(jìn)全局IP路由表還需要進(jìn)一步比較才可以。言下之意，只有最優(yōu)的路由，不管其如何產(chǎn)生的，才可以放進(jìn)全局IP路由表。

管理距離和度量值：管理距離是Cisco的叫法，在華為技術(shù)文檔中，管理距離又稱為優(yōu)先級(jí)，二者同義，每個(gè)廠商都事先定義管理距離值，不同廠商值還不一樣，但值越小越優(yōu)先，該值主要是用來在不同路由協(xié)議下的比較，即當(dāng)路由器發(fā)現(xiàn)可以從多個(gè)路由協(xié)議學(xué)習(xí)到去往同一目的地的路由，那么就比較它們的管理距離，只有值最小的那條路由才放入IP路由表；度量值主要用于同一協(xié)議下的比較，不同路由協(xié)議對(duì)度量值的定義各不同，比如RIP的度量值是跳數(shù)，OSPF的度量值是開銷，但不管怎樣，都是越小越優(yōu)先。當(dāng)路由器發(fā)現(xiàn)同一協(xié)議下有多條去往同一目的地的路由，則選擇度量值最小的路由放入OSPF協(xié)議路由表，能否放入全局IP路由表，還需要進(jìn)一步比較。

OSPF報(bào)文類型：OSPF協(xié)議有5中報(bào)文，分別是Hello、DD、LSR、LSU和LSAck。Hello報(bào)文主要用于發(fā)現(xiàn)直連鏈路上的鄰居，以及維護(hù)OSPF鄰居關(guān)系。DD報(bào)文分為2個(gè)階段，第一個(gè)階段用于確定主/從關(guān)系，第二階段則發(fā)送只含有LSA頭部的DD報(bào)文，通過DD報(bào)文的交互，路由器知道了對(duì)方的所有LSA，然后與本地LSA進(jìn)行比較，如果有自己沒有的LSA，則向?qū)Ψ桨l(fā)送LSR，請(qǐng)求完整的LSA，對(duì)方在收到LSR之后，將包含完整LSA的LSU發(fā)送回來，LSU中可以包含一條或多條LSA，在收到對(duì)方的LSU之后，本地發(fā)送LSAck用于向?qū)Ψ酱_認(rèn)。

OSPF網(wǎng)絡(luò)類型：點(diǎn)到點(diǎn)類型、廣播型多路訪問類型、非廣播型多路訪問類型和點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)類型。OSPF會(huì)根據(jù)其二層網(wǎng)絡(luò)類型來決定自己的運(yùn)行方式。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)類型即P2P對(duì)應(yīng)的二層網(wǎng)絡(luò)類型是PPP或HDLC，該類型網(wǎng)絡(luò)不需要選取DR和BDR，Hello報(bào)文發(fā)送間隔為10S；廣播型多路訪問類型即BMA對(duì)應(yīng)的二層網(wǎng)絡(luò)類型是以太網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)類型需要選取DR和BDR，DR和BDR相當(dāng)于班長和副班長，所有的DROther只要和DR及BDR建立鄰接關(guān)系即可，DROther之間則不需要建立鄰接關(guān)系，Hello報(bào)文發(fā)送間隔為10S；非廣播型多路訪問類型即NBMA對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)類型是大家所熟知的幀中繼，該網(wǎng)絡(luò)類型也需要選取DR和BDR，但Hello報(bào)文發(fā)送間隔為30S；點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)類型即P2MP，該網(wǎng)絡(luò)類型不需要選取DR和BDR，Hello報(bào)文發(fā)送間隔同樣為30S。

OSPFLSA類型：常見的OSPF LSA類型主要有以下5種，1類LSA：區(qū)域內(nèi)的每臺(tái)路由器都會(huì)產(chǎn)生1類LSA，描述的是該路由器所有OSPF直連接口的狀況和COST值，其作用相當(dāng)于對(duì)“家門口”網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行描述，只在其所在區(qū)域內(nèi)傳遞；2類LSA：由DR產(chǎn)生，描述的是所有接入MA網(wǎng)絡(luò)中與之形成鄰接關(guān)系的路由器，只在其所在區(qū)域內(nèi)傳遞，1類LSA和2類LSA描述的是同一個(gè)區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)情況；3類LSA由ABR產(chǎn)生，描述的是去往其他區(qū)域的路由，區(qū)域間的路由傳遞主要靠3類LSA；4類LSA：由ABR產(chǎn)生，用于描述如何去往ASBR；5類LSA：由ASBR產(chǎn)生，是用于描述如何去往本AS之外的外部路由。

OSPF特殊區(qū)域：Stub區(qū)域、完全Stub區(qū)域、NSSA區(qū)域和完全NSSA區(qū)域。不同區(qū)域允許存在的LSA如下表所示：

3 OSPF多區(qū)域配置

如下圖所示，R1和R2是兩臺(tái)匯聚層路由器，他們各自下掛著兩個(gè)網(wǎng)段，同時(shí)上連核心層路由器CORE，現(xiàn)在要求在這三臺(tái)路由器上部署OSPF，采用多區(qū)域OSPF設(shè)計(jì)，使得全網(wǎng)各個(gè)網(wǎng)段都能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

當(dāng)配置完成以后，R1、R2和CORE之間的設(shè)備就可以正常通信了，在這里稍微強(qiáng)調(diào)一下OSPF協(xié)議當(dāng)中的路由類型和優(yōu)先級(jí)。OSPF的路由類型有4種，分別是區(qū)域內(nèi)路由、區(qū)域間路由、1類外部路由和2類外部路由。區(qū)域內(nèi)路由是指路由器根據(jù)區(qū)域內(nèi)泛洪的1類LSA和2類LSA計(jì)算得到的路由，利用這些路由，路由器可以到達(dá)其所在區(qū)域的任何目的網(wǎng)段。區(qū)域間路由是指路由器根據(jù)3類LSA計(jì)算得到的路由，使用這些路由，路由器可以到達(dá)區(qū)域外的目的網(wǎng)段。外部路由是指路由器根據(jù)5類LSA計(jì)算得到的去往OSPF域外的目的地，這些域外路由通常都是通過重分發(fā)引入到OSPF域內(nèi)的。外部路由有2類，區(qū)別在于計(jì)算COST值的方式。優(yōu)先級(jí)反應(yīng)的是路由可信度，以此為依據(jù)則區(qū)域內(nèi)路由優(yōu)于區(qū)域間路由；區(qū)域間路由由于1類外部路由；1類外部路由優(yōu)于2類外部路由。

4 結(jié)束語

OSPF路由協(xié)議是目前企業(yè)使用最廣的一種IGP路由協(xié)議，依靠其自身諸多優(yōu)點(diǎn)，目前被大量企業(yè)所采用，研究OSPF協(xié)議的工作原理和配置方法具有相當(dāng)大的現(xiàn)實(shí)意義，本文探討的僅僅是OSPF協(xié)議的基本概念和基本配置，OSPF協(xié)議還有許多理論值得去學(xué)習(xí)和挖掘。希望本文對(duì)學(xué)習(xí)OSPF路由協(xié)議的讀者起到一定的幫助作用，為今后更深入學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

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