仿真環(huán)境下的OSPF路由設(shè)計與分析

王 文 龍

(喀什大學 計算機科學與技術(shù)學院，新疆 喀什 844008)

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)中的路由器通過路由選擇協(xié)議進行路由選擇，其核心是路由選擇算法。路由選擇協(xié)議依據(jù)作用范圍分為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(IGP)和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(EGP)，而內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議中，RIP和OSPF是廣泛使用的協(xié)議。而RIP的最大度量值為15跳，從而限定了使用RIP的網(wǎng)絡(luò)的大小，一般只適用于小型網(wǎng)絡(luò)，對于中型網(wǎng)絡(luò)都難以滿足。因此，為彌補RIP的不足，改善其在網(wǎng)絡(luò)擴展方面的嚴重不足，OSPF使用鏈路狀態(tài)及路徑開銷(cost)作為路由選擇算法的基礎(chǔ)，沒有限制跳數(shù)，所以從理論上說，OSPF適用于所有規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)[1]。

對于OSPF路由問題，已經(jīng)有了一些研究[2-17]，有一定的局限性。為對OSPF路由有較深入的研究，本文在Cisco Packet Tracer和GNS3仿真環(huán)境下，設(shè)計簡單的網(wǎng)絡(luò)拓撲，對單區(qū)域OSPF和多區(qū)域0SPF等OSPF路由進行設(shè)計、配置，并通過抓包分析路由選擇情況，以期對路由器使用OSPF進行路由選擇進行較深入的分析研究，并能應(yīng)用到實踐中。

1 OSPF路由計算過程

開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議(Open Shortest Path First，OSPF)是內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議中最流行、應(yīng)用最廣泛的一種路由協(xié)議，它是一種分層的、基于鏈路狀態(tài)的路由選擇協(xié)議，克服了RIP協(xié)議和其他基于距離向量的路由選擇協(xié)議的缺點。OSPF路由計算的一般過程：

(1) 路由器間通過發(fā)送hello報文確定鄰居關(guān)系，然后通過交換LSA(鏈路狀態(tài)通告)達到鄰居路由器間的LSDB(鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫)同步，從而建立鄰接關(guān)系；

(2) 區(qū)域中每個網(wǎng)段的路由器通過洪泛法進行hello報文的交互，選舉本網(wǎng)段的DR(指定路由器)/BDR(備用指定路由器)，本網(wǎng)段中每個路由器將自身的LSA發(fā)給所在網(wǎng)段的DR/BDR，再由DR/BDR將LSA以組播的方式發(fā)給網(wǎng)段中所有的非DR/BDR路由器；

(3) 當路由器初始化或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，路由器采用洪泛法在區(qū)域中交換LSA，用來交換鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)并更新自己的數(shù)據(jù)庫，直至達到穩(wěn)定；

(4) 當網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定下來，即OSPF收斂后，每個路由器根據(jù)自身的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的信息，采用SPF(最短路徑優(yōu)先)算法計算并創(chuàng)建路由表(包括到達每個可以到達目的地的Cost(開銷)及到達該目的地所要轉(zhuǎn)發(fā)的下一個路由器(next-hop))；

(5) 當網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)動態(tài)變化時，路由器需要通過上面的過程進行通告，并維護自身的路由信息，若鏈路狀態(tài)未發(fā)生變化，每隔30 min進行自動更新路由信息。

2 單區(qū)域OSPF路由配置

在Cisco Packet Tracer下，構(gòu)建如圖1所示網(wǎng)絡(luò)拓撲及配置。為R1、R2配置OSPF路由，主要的配置步驟和結(jié)果如下：

R1(config)#route ospf 1

R1(config-router)#network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 1

R1(config-router)#newwork 202.1.1.0 0.0.0.255 area 1

R2(config)#route ospf 1

R2(config-router)#network 192.168.2.0 0.0.0.255 area 1

R2(config-router)#network 202.1.1.0 0.0.0.255 area 1

R1#show ip route

O 192.168.2.0/24 [110/2] via 202.1.1.2, 00:01:25, FastEthernet0/0

R2#show ip route

O 192.168.1.0/24 [110/2] via 202.1.1.1, 00:01:35, FastEthernet0/0

圖1 單區(qū)域OSPF網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

此時R1的路由表中有一條到達192.168.2.0/24網(wǎng)絡(luò)的cost為2、下一跳為202.1.1.2的OSPF路由，R2的路由表中有一條到達192.168.1.0/24網(wǎng)絡(luò)的cost為2、下一跳為202.1.1.1的OSPF路由。此時由PC1pingPC2:

PC>ping 192.168.2.2

Reply from 192.168.2.2: bytes=32 time=0ms TTL=126

對ping進行抓包分析：PC1發(fā)出的封裝了ICMP的IP包到達路由器R1后，R1轉(zhuǎn)發(fā)給R2，R2轉(zhuǎn)發(fā)給PC2，PC2將響應(yīng)包轉(zhuǎn)發(fā)給R2，R2將響應(yīng)包轉(zhuǎn)發(fā)給R1，R1將響應(yīng)包轉(zhuǎn)發(fā)給PC1，使得PC1 ping通PC2。

接下來進行抓包分析，R1和R2會定期(每隔10 s)發(fā)送hello包，該包封裝在IP包中，隨后封裝到Ethernet II幀中進行發(fā)送。當網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定下來，即網(wǎng)絡(luò)收斂下來后，查看R1發(fā)給R2的hello包的Inbound PDU Details信息，主要內(nèi)容如表1所示，而R2發(fā)給R1的hello包主要內(nèi)容如表2所示。

從表1看出，R1發(fā)給R2的hello包，主要向R2通告了R1的RID為202.1.1.1，所屬的AREA ID為0.0.0.1(即1)，R1的f0/0端口所在的網(wǎng)段202.1.1.0/24的DR為202.1.1.2，BDR為202.1.1.1，R1的鄰居路由器的RID為202.1.1.2。表2的含義與表1類似，不再贅述。

表1R1發(fā)給R2的hello包表2R2發(fā)給R2的hello包

ROUTERID：202．1．1．1ROUTERID：202．1．1．2AREAID：0．0．0．1AREAID：0．0．0．1DESIGNATEDROUTER：202．1．1．2DESIGNATEDROUTER：202．1．1．2BACKUPDESIGNATEDROUT?ER：202．1．1．1BACKUPDESIGNATEDROUTER：202．1．1．1NEIGHBOR：202．1．1．2NEIGHBOR：202．1．1．1

另外，需要注意，當OSPF的hello包封裝到IP包中時，目的地址并非是路由器的接口地址，而是組播地址。具體的，R1發(fā)送的封裝hello包的IP包的主要內(nèi)容見表3，R2發(fā)送的封裝hello包的IP包的主要內(nèi)容見表4。

表3R1發(fā)送的IP包表4R2發(fā)送的IP包

SRCIP：202．1．1．1SRCIP：202．1．1．2DSTIP：224．0．0．5DSTIP：224．0．0．5

從表3和表4看出，組播地址均為224.0.0.5，這是OSPF協(xié)議規(guī)定的非DR/BDR的路由器工作的組播地址，而224.0.0.6是DR/BDR工作的組播地址。

3 多區(qū)域OSPF路由配置

為減少自治系統(tǒng)內(nèi)部交換LSA的通信量，OSPF允許在自治系統(tǒng)內(nèi)進行區(qū)域劃分，主要有骨干區(qū)域、標準區(qū)域、末梢區(qū)域(Stub)、完全末梢區(qū)域(Total Stub或者Stub no-summary)和非純末梢區(qū)域(NSSA)，每個區(qū)域都有一個32位的無符號數(shù)值作為區(qū)域ID，骨干區(qū)域的ID為0。其它非骨干區(qū)域必須與骨干區(qū)域相連接，或與骨干區(qū)域建立虛鏈路(Virtual Link)，每個區(qū)域內(nèi)部的路由器只需要知道本區(qū)域的鏈路狀態(tài)，骨干區(qū)域中的區(qū)域邊界路由器負責區(qū)域間的信息收發(fā)。末梢區(qū)域禁止外部AS的信息進入本區(qū)域，該區(qū)域路由器的路由表中有域內(nèi)路由和域間路由，無域外路由，去往AS以外的域外路由通過缺省路由實現(xiàn)。完全末梢區(qū)域禁止外部AS和本AS內(nèi)的其它區(qū)域的信息進入該區(qū)域，該區(qū)域路由器的路由表中只有域內(nèi)路由，無域間路由和域外路由，去往域間和域外的路由通過缺省路由實現(xiàn)。非純末梢區(qū)域允許使用路由重分布將OSPF自治系統(tǒng)以外的路由通告到OSPF自治系統(tǒng)的內(nèi)部。

在Cisco Packet Tracer下，構(gòu)建如圖2所示網(wǎng)絡(luò)拓撲及配置。為路由器配置OSPF路由，A0為骨干區(qū)域，A1、A2為標準區(qū)域，A3為非純末梢區(qū)域，A4為完全末梢區(qū)域，A5為末梢區(qū)域，這6個區(qū)域構(gòu)成一個OSPF自治系統(tǒng)，而由R6和R7構(gòu)成一個RIP自治系統(tǒng)。A1未與A0直接連接，需在A1的區(qū)域邊界路由器R2與A0的區(qū)域邊界路由器R3之間建立virtual-link連接，使A1與A0進行邏輯連接。而R6作為兩個自治系統(tǒng)之間的邊界路由器，需配置路由重分布。配置的主要步驟：

R1(config)#route ospf 1

R1(config-router)#network 1.1.1.1 0.0.0.0 area 1

R1(config-router)#network 202.1.1.0 0.0.0.255 area 1

R2(config)#route ospf 1

R2(config-router)#area 2 virtual-link 3.3.3.3

R2(config-router)#network 2.2.2.2 0.0.0.0 area 2

R2(config-router)#network 202.1.1.0 0.0.0.255 area 1

R2(config-router)#network 202.1.2.0 0.0.0.255 area 2

R3(config)#route ospf 1

R3(config-router)#area 2 virtual-link 2.2.2.2

R3(config-router)#network 3.3.3.3 0.0.0.0 area 0

R3(config-router)#network 202.1.2.0 0.0.0.255 area 1

R3(config-router)#network 202.1.3.0 0.0.0.255 area 0

R3(config-router)#network 202.1.5.0 0.0.0.255 area 3

R4(config)#router ospf 1

R4(config-router)#area 4 stub no-summary

R4(config-router)#area 5 stub

R4(config-router)#network 4.4.4.4 0.0.0.0 area 0

R4(config-router)#network 202.1.3.0 0.0.0.255 area 0

R4(config-router)#network 202.1.4.0 0.0.0.255 area 4

R4(config-router)#network 202.1.6.0 0.0.0.255 area 5

R5(config)#router ospf 1

R5(config-router)#area 4 stub no-summary

R5(config-router)#network 5.5.5.5 0.0.0.0 area 4

R5(config-router)#network 202.1.4.0 0.0.0.255 area 4

R6(config)#router ospf 1

R6(config-router)#area 3 nssa

R6(config-router)#redistribute rip subnets

R6(config-router)#network 6.6.6.6 0.0.0.0 area 3

R6(config-router)#network 202.1.5.0 0.0.0.255 area 3

R6(config)#router rip

R6(config-router)#version 2

R6(config-router)#redistribute ospf 1 metric 5

R6(config-router)#network 202.1.7.0

R7(config)#router rip

R7(config-router)#version 2

R7(config-router)#network 7.0.0.0

R7(config-router)#network 202.1.7.0

R8(config)#router ospf 1

R8(config-router)#area 5 stub

圖2 多區(qū)域OSPF網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

R8(config-router)#network 8.8.8.8 0.0.0.0 area 5

R8(config-router)#network 202.1.6.0 0.0.0.255 area 5

查看R3、R1、R5、R8路由表，其主要的OSPF路由內(nèi)容如下：

R3#show ip route

O IA 202.1.1.0/24 [110/2] via 202.1.2.2, 01:35:55, FastEthernet0/1

O IA 202.1.4.0/24 [110/2] via 202.1.3.2, 01:36:21, FastEthernet0/0

O IA 202.1.6.0/24 [110/2] via 202.1.3.2, 01:36:21, FastEthernet0/0

O N2 202.1.7.0/24 [110/20] via 202.1.5.2, 01:36:31, FastEthernet1/0

R1#show ip route

O IA 202.1.3.0/24 [110/3] via 202.1.1.2, 01:12:18, FastEthernet0/0

O IA 202.1.4.0/24 [110/4] via 202.1.1.2, 00:00:13, FastEthernet0/0

O IA 202.1.5.0/24 [110/3] via 202.1.1.2, 00:00:13, FastEthernet0/0

O IA 202.1.6.0/24 [110/4] via 202.1.1.2, 00:00:13, FastEthernet0/0

O E2 202.1.7.0/24 [110/20] via 202.1.1.2, 00:00:13, FastEthernet0/0

R5#show ip route

O*IA 0.0.0.0/0 [110/2] via 202.1.4.1, 01:17:46, FastEthernet0/0

R8#show ip route

O IA 202.1.1.0/24 [110/4] via 202.1.6.1, 01:20:56, FastEthernet0/0

O IA 202.1.2.0/24 [110/3] via 202.1.6.1, 01:21:06, FastEthernet0/0

O IA 202.1.3.0/24 [110/2] via 202.1.6.1, 01:21:26, FastEthernet0/0

O IA 202.1.4.0/24 [110/2] via 202.1.6.1, 01:21:26, FastEthernet0/0

O IA 202.1.5.0/24 [110/3] via 202.1.6.1, 01:21:06, FastEthernet0/0

O*IA 0.0.0.0/0 [110/2] via 202.1.6.1, 01:21:26, FastEthernet0/0

不難看出，A3是非純末梢區(qū)域，通過R6的路由重分布，使R3獲得RIP自治系統(tǒng)中202.1.7.0/24的路由。A1通過virtual-link與A0邏輯連接，使R1獲得域間路由和域外路由。A4為純末梢區(qū)域，則R5只有一條靜態(tài)的OSPF路由。A5為末梢區(qū)域，使R8獲得域間路由，而域外路由只有一條靜態(tài)路由。相應(yīng)的抓包分析與單區(qū)域情況類似，不再贅述。

4 選舉DR和BDR

在使用OSPF的路由器間通告LSA時，可以采用洪泛法，但洪泛法開銷大，為減少開銷，區(qū)域中每個網(wǎng)段的路由器可通過hello報文的交互，選舉本網(wǎng)段的DR/BDR(DR失效時BDR起作用)，選舉原則是：(1)路由器接口優(yōu)先級最高和次高的為DR和BDR；(2)若優(yōu)先級相同，則路由器的ROUTER-ID最大和次大的為DR和BDR(若未指定路由器的RID，則用路由器回環(huán)接口Loopback的IP地址作為RID，若未配置回環(huán)接口，則用路由器物理端口中最大的IP地址作為RID)。下面分析使用OSPF的網(wǎng)絡(luò)選舉DR/BDR的過程。

在Cisco Packet Tracer下，構(gòu)建如圖3所示網(wǎng)絡(luò)拓撲及配置。以R1為例配置OSPF路由，R2、R3、R4的配置與R1類似。

R1(config)#route ospf 1

R1(config-router)#router ospf 1

R1(config-router)router-id 1.1.1.1

R1(config-router)network 202.1.1.0 0.0.0.255 area 0

圖3 選舉BD/BDR網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

查看R2的鄰居信息，R1、R3、R4與R1類似。

R2#show ip ospf neighbor

Neighbor ID Pri State Dead Time Address Interface

3.3.3.3 1 FULL/BDR 00:00:35 202.1.1.3 FastEthernet0/0

4.4.4.4 1 FULL/DR 00:00:31 202.1.1.4 FastEthernet0/0

1.1.1.1 1 2WAY/DROTHER 00:00:35 202.1.1.1 FastEthernet0/0

不難看出，202.1.1.0/24網(wǎng)段已經(jīng)選舉出R4為DR，選舉出R3為BDR，二者是該網(wǎng)段中RID最大的路由器。此時進行抓包分析，路由器依次以洪泛法向其它所有路由器發(fā)送含有本路由器RID的hello包，每個路由器經(jīng)過比較收到的hello包中的RID，最終選舉出本網(wǎng)段中的DR/BDR。

上述情況是所有路由器的接口優(yōu)先級均采用默認優(yōu)先級(值為1)，現(xiàn)將R1的f0/0端口優(yōu)先級改為2，并重新啟動所有路由器的OSPF進程，查看R2的鄰居信息，結(jié)果如下。

R1(config)#interface FastEthernet0/0

R1(config-if)#ip ospf priority 2

R2#show ip ospf neighbor

Neighbor ID Pri State Dead Time Address Interface

圖4 路由分布網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

1.1.1.1 2 FULL/DR 00:00:34 202.1.1.1 FastEthernet0/0

3.3.3.3 1 2WAY/DROTHER 00:00:34 202.1.1.3 FastEthernet0/0

4.4.4.4 1 FULL/BDR 00:00:37 202.1.1.4 FastEthernet0/0

此時，優(yōu)先級為2的R1選為DR，其余優(yōu)先級為1的RID最大的R4選為BDR。在選舉DR/BDR時，還需考慮路由器OSPF進程啟動的順序，若網(wǎng)段的DR/BDR尚未選舉出來，進程已全部啟動，則按照優(yōu)先級和RID進行選舉；若DR/BDR已經(jīng)選舉出來，則后啟動OSPF進程的路由器不會改變已經(jīng)選舉出的DR/BDR。

5 路由分布配置

在某些情況下，OSPF路由器不希望學習從某個指定接口接收來的LSA中的某個網(wǎng)段的路由信息，則可以通過對該路由器進行路由分布配置，禁止學習從指定接口接收來的LSA中的某個網(wǎng)段的路由信息。

在GNS3下，構(gòu)建如圖4所示網(wǎng)絡(luò)拓撲及配置。為路由器配置單區(qū)域OSPF路由，R1、R2、R4的配置與單區(qū)域配置類似，而R3的配置如下:

R3(config)#access-list 1 deny 202.1.1.0 0.0.0.255

R3(config)#access-list 1 permit any

R3(config)#router ospf 1

R3(config-router)#network 202.1.2.0 0.0.0.255 area 0

R3(config-router)#network 202.1.3.0 0.0.0.255 area 0

R3(config-router)#distribute-list 1 in fastEthernet0/0

通過上述配置，使得R3禁止從其f0/0接口學習202.1.1.0/24網(wǎng)段的路由信息，查看R3、R4的路由表，結(jié)果如下：

R3#show ip route

C 202.1.2.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0

C 202.1.3.0/24 is directly connected, FastEthernet0/1

R4#show ip route

O 202.1.2.0/24 [110/20] via 202.1.3.1, 00:00:19, FastEthernet0/0

C 202.1.3.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0

O 202.1.1.0/24 [110/30] via 202.1.3.1, 00:00:19, FastEthernet0/0

不難發(fā)現(xiàn)，R3的路由表中沒有202.1.1.0/24網(wǎng)段的路由信息，已被禁止學習，而R4中學習到了該網(wǎng)段的路由信息。因此，路由分布僅僅本地有效，不影響其他路由器學習。

6 域間路由匯總配置

在使用OSPF時，骨干區(qū)域會獲取所有網(wǎng)段的路由通告，當AS較大時，會造成骨干區(qū)域路由器路由表龐大，而若某個網(wǎng)段不穩(wěn)定，又會造成LSA的洪泛。為解決這些問題，可以將網(wǎng)段地址進行匯總，即路由匯總，從而減少路由器路由表的大小，減少LSA洪泛。而域間路由匯總在ABR上實現(xiàn)，外部路由匯總在ASBR上實現(xiàn)。

在GNS3下，構(gòu)建如圖5所示網(wǎng)絡(luò)拓撲及配置。在配置OSPF路由時，R1、R2構(gòu)成area0，R2、R3、R4、R5構(gòu)成area1，R1、R3、R4、R5的配置與多區(qū)域配置類似，而區(qū)域邊界路由器R2的配置如下。

R2(config)#router ospf 1

R2(config-router)#network 212.1.1.0 0.0.0.255 area 0

R2(config-router)#network 202.1.1.0 0.0.0.255 area 1

R2(config-router)#area 1 range 202.1.0.0 255.255.248.0

圖5 域間路由匯總網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

通過上述配置，將area1中的202.1.1.0/24、202.1.2.0/24、202.1.3.0/24、202.1.4.0/24四個網(wǎng)段匯總為202.1.0.0/21。查看R1的路由表，結(jié)果如下：

R1#show ip route

C 212.1.1.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0

O IA 202.1.0.0/21 [110/20] via 212.1.1.1, 00:00:21, FastEthernet0/0

不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過邊界路由器R2的路由匯總，R1的路由表只有一條匯總后的網(wǎng)段路由信息，并沒有area1中四個網(wǎng)段的路由信息。若沒有R2的路由匯總，則R1的路由表就會有area1中4個網(wǎng)段的路由信息。

7 結(jié) 語

本文在Cisco Packet Tracer和GNS3仿真環(huán)境下，對OSPF路由進行了較深入的研究。通過設(shè)計簡單的網(wǎng)絡(luò)拓撲，對單區(qū)域OSPF路由、多區(qū)域OSPF路由、DR/BDR的選舉、路由分布和域間路由匯總進行配置，并通過抓包分析OSPF的通告情況，從而對路由器使用OSPF進行路由選擇進行較深入的分析研究，形成了明確的分析結(jié)論。這些分析和結(jié)論既可以作為學習的參考，又可以指導實物環(huán)境下路由器的OSPF路由設(shè)置，從而解決OSPF路由配置的相關(guān)問題。

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