工程認證背景下的多區(qū)域OSPF 實驗設(shè)計與實現(xiàn)

韓慧妍 熊風(fēng)光 郁曉慶 孫福盛 安道新 樊彩霞

摘要：多區(qū)域開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議（OSPF） 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理復(fù)雜，需要較多的物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，且很難在設(shè)備上完成。為了提升實驗教學(xué)效果、加深學(xué)生對該知識點的理解程度，課程組基于華為網(wǎng)絡(luò)仿真工具平臺eNSP，選擇適宜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，搭建網(wǎng)絡(luò)場景進行路由協(xié)議仿真，以連通性測試、網(wǎng)絡(luò)配置前后對比及抓包數(shù)據(jù)分析為手段完成該實驗。實驗結(jié)果及問卷調(diào)查結(jié)果表明，該模式能夠加深學(xué)生對該知識點的理解、提升其實踐操作能力、節(jié)省物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是一種有效的、可以推廣的實驗教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：多區(qū)域；OSPF；實驗教學(xué)；仿真實驗；洪泛

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）10-0091-03

0 引言

工程認證對工科專業(yè)學(xué)生分析和解決工程問題的能力和素養(yǎng)提出了更高的要求[1]。作為被廣泛應(yīng)用的路由協(xié)議OSPF[2]，是計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)課程中的一項必做實驗。如何使學(xué)生輕松掌握其工作原理、提升實踐能力，不少學(xué)者進行了研究。文獻[3]介紹了路由設(shè)計原理及組網(wǎng)配置技巧。文獻[4]分析探討了各類故障并給出解決方案，文獻[5]提出虛擬化的協(xié)議安全性仿真評估方法，文獻[6]提出IPv6多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)下動態(tài)路由優(yōu)化方法，文獻[7]基于硬件抽象技術(shù)設(shè)計全協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)路由器，文獻[8]基于EVE-NG設(shè)計了虛擬網(wǎng)絡(luò)實踐教學(xué)平臺，以上研究成果在教學(xué)方面均值得借鑒。

多區(qū)域OSPF實驗需要較多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實驗拓撲搭建復(fù)雜。受網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量、接口類型、協(xié)議分析不同步及不確定性故障的限制，該實驗很難在物理設(shè)備上完成[9]。eNSP是一款由華為公司提供的免費的、可擴展的、圖形化操作的仿真工具平臺[10]，課程組基于此平臺，搭建網(wǎng)絡(luò)場景，通過終端連通性測試、配置前后路由表對比、理論和實踐相結(jié)合、接口協(xié)議分析及歸納總結(jié)，加深學(xué)生對OSPF工作過程的理解，提升其實踐能力，使OSPF協(xié)議更好地服務(wù)于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

1 多區(qū)域OSPF 實驗流程

為加深學(xué)生對OSPF工作原理、多區(qū)域概念及與RIP區(qū)別的理解，使其能夠解決網(wǎng)絡(luò)工程中遇到的各類問題，實驗中特意設(shè)置了各類配置前后路由表、LSU 影響的對比環(huán)節(jié)，整體實驗流程如圖1所示。

1） 根據(jù)工程問題背景搭建網(wǎng)絡(luò)拓撲。

2） 完成路由器接口IP地址及主機網(wǎng)絡(luò)配置。

3） 為路由器配置OSPF進程及ID，為接口劃分區(qū)域，聲明參與OSPF進程的網(wǎng)絡(luò)。

4） 驗證查看：主機間的連通性測試、在各個路由器上查看路由表及LSDB，通過路由器接口的中斷及開啟，查看LSU（鏈路狀態(tài)更新）的影響區(qū)域。

5） ABR路由匯總通告，再次進行驗證查看，并與第一次所得路由表及LSU影響區(qū)域進行對比，分析多區(qū)域間路由傳遞的機理。

2 多區(qū)域OSPF 實驗設(shè)計

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲搭建及設(shè)備網(wǎng)絡(luò)配置

將某大型公司總部劃分為區(qū)域0，即R1路由器的3個接口均位于區(qū)域0，公司的兩個分部分別位于區(qū)域1（R4和R5） 和區(qū)域2（R6和R7） ，為了實現(xiàn)總部與分部間的通信，將R2和R3設(shè)置為ABR，分別連通區(qū)域0和區(qū)域1、區(qū)域0和區(qū)域2，為了驗證區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間網(wǎng)段的連通性，區(qū)域0、1 和2 分別增設(shè)主機PC1、PC2 及PC3和PC4及PC5，為了模擬較大帶寬的串口（以期得到較小的cost） ，實驗中所有路由器均采用AR1220系列，整體網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2所示，路由器接口IP地址及主機網(wǎng)絡(luò)配置情況如表1所示。

2.2 OSPF 區(qū)域配置及驗證查看

R1-R7 的OSPF 進程號均設(shè)置為1，其他主要OSPF配置如表2所示，為了方便識別不同路由器，各路由器的Router ID均設(shè)置為與名稱一致的點分十進制編號。

1） 路由表驗證查看。以R1為例，全網(wǎng)共有11 個網(wǎng)段，R1 直連3 個網(wǎng)段，通過OSPF學(xué)到了到其他的8個網(wǎng)段的路由，如表4第二列和第三列所示，此時全網(wǎng)達到收斂狀態(tài)。

2） LSDB 驗證查看。每臺路由器將會形成自己的LSDB，以R3為例，R3學(xué)到了區(qū)域0和區(qū)域2的兩類LSA（第一類Router LSA和第三類Network Summary LSA） ，如圖3所示。

3） 主機間的連通性驗證查看。通過ping命令的使用，測試結(jié)果為PC1-PC7兩兩之間均為可達。

4） LSU 影響區(qū)域驗證查看。為了測試LSU的影響區(qū)域，將R4連接PC2的G0/0/0接口shut down，在R1 的S1/0/0 及R7 的SS1/0/0 抓包，可以看到關(guān)于網(wǎng)段40.1.2.0/24（所屬區(qū)域為1） 的LSU的影響區(qū)域為區(qū)域0和區(qū)域2，該現(xiàn)象跟多區(qū)域OSPF的優(yōu)點（LSU僅限于本區(qū)域）有沖突，且跟單區(qū)域OSPF沒有本質(zhì)區(qū)別。

2.3 ABR 路由匯總通告及驗證查看

對于多區(qū)域OSPF，區(qū)域之間應(yīng)該交換匯總路由，使得詳細路由的交換限制在某區(qū)域內(nèi)部，為此，在R2 和R3兩臺ABR上進行路由匯總通告，R2將area 0中匯總后的40.0.0.0/16和area 1中匯總后的40.1.0.0/16 網(wǎng)段進行通告，R3將area 0中匯總后的40.0.0.0/16網(wǎng)段和area 2中匯總后的40.2.0.0/16網(wǎng)段進行通告，具體命令如表3所示。

1） 路由表驗證查看。再次查看各路由器的OSPF 路由，并且與第一次查看的路由表進行比對，結(jié)果如表4所示，R3與R2路由表類似，R4、R5和R7與R6路由表類似，表中略去R3、R4、R5和R7的路由表，可以看出，經(jīng)過ABR路由匯總通告后，每臺路由器的路由表條數(shù)均減少，且其cost值也有所變化，以R2為例，路由匯總通告前，學(xué)習(xí)到其他非直連網(wǎng)絡(luò)段的8條路由，其中到達40.2.2.0/24 網(wǎng)段的cost 值的計算方法為：+RR2-3----R-R1（61（0408M） +/2R.064直8M連=4（18）（ =1取45，整經(jīng)）過） 路+R由1-匯--總R3通（4告8）后，40.2.0.0/24、40.2.1.0/24、40.2.2.0/24、40.2.3.0/24 四個網(wǎng)段被匯總為40.2.0.0/16一個網(wǎng)段，原因是R3將這四個網(wǎng)段匯總為40.20.0./16發(fā)布出去，而area0中的（R418）再 +R次1-通--告R給3（4a8r）e +a a1re，a其 0-c-o-st4值0.2的.0.計0（2算0）為 =1R162。---R1

2） 主機間的連通性驗證查看。通過主機連通性測試，可以得知PC1-PC7之間仍然保持兩兩可達。

3） LSU 影響區(qū)域驗證查看。為了測試LSU的影響區(qū)域，將R4連接PC2的G0/0/0接口shut down，在R1 的S1/0/0 及R7 的SS1/0/0 抓包，可以看到關(guān)于網(wǎng)段40.1.2.0/24的LSU均不會發(fā)布到區(qū)域0和區(qū)域2，該結(jié)果驗證了多區(qū)域OSPF的優(yōu)點（LSU僅限于本區(qū)域），此時便可以很好地解答上面留下的問題。

2.4 實驗分析

1） OSPF克服了RIP的諸多缺點，具有路由信息收斂快、解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)路、安全認證及適合用大型網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點。

2） 單區(qū)域OSPF適用于小型網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)中路由器數(shù)量較多，單區(qū)域的OSPF將不會凸顯該協(xié)議的諸多優(yōu)點，且路由器之間大量的LSA交換會浪費寶貴的路由器及網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性及安全性將大打折扣。

3） 多區(qū)域OSPF中的ABR如果不進行匯總路由通告，其效果與單區(qū)域OSPF無異。因此，該環(huán)節(jié)是多區(qū)域OSPF實驗中最重要的配置步驟，該配置可以清理區(qū)域間的路由信息，受到其他鏈路狀態(tài)變化的影響降到最低，隱藏網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，提升網(wǎng)絡(luò)安全性，減少每臺路由器的路由條目，提升路由計算效率及網(wǎng)絡(luò)性能。另外，也可以按照工程實際情況動態(tài)設(shè)置其cost 值，滿足各類網(wǎng)絡(luò)場景的需求。

2.5 實驗掌握情況分析

為了更好地了解學(xué)生對該實驗的掌握情況，傾聽學(xué)生對實驗改革的訴求，探索深化改革的措施，教學(xué)團隊對中北大學(xué)2019級計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、大數(shù)據(jù)專業(yè)以及物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)共437個學(xué)生進行了實驗掌握情況的定性和定量分析。

通過對所有同學(xué)的實驗報告進行批改，計算每個專業(yè)學(xué)生的平均分，并與2018級學(xué)生（未使用實驗平臺）的平均分進行比對，結(jié)果如表5所示，可以看出，引入實驗平臺后，學(xué)生對該實驗的掌握程度有較明顯的提升。

教學(xué)效果為主題的匿名在線問卷調(diào)查，共收回429份樣本，回卷質(zhì)量較高。該問卷調(diào)查涉及6個方面：學(xué)生對單區(qū)域OSPF的理解程度、多區(qū)域OSPF的理解程度、路由匯總的掌握程度、與RIP協(xié)議的區(qū)分、eNSP仿真平臺的掌握程度、eNSP對本課程的提升。問卷調(diào)查結(jié)果如圖4所示，可以看出，通過引入eNSP 仿真平臺，學(xué)生能夠較好地掌握該實驗，且平臺對本課程中的各類概念、實驗配置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等幫助很大，可推廣使用。

3 實驗效果

本課程組基于eNSP完成該實驗，學(xué)生無需受實驗設(shè)備及不確定性故障的限制，可以搭建任意復(fù)雜拓撲的網(wǎng)絡(luò)場景，實驗設(shè)計采用從簡單到復(fù)雜、從單區(qū)域到多區(qū)域、從理論到實踐再回到理論的循序漸進模式，通過終端連通性測試、路由器配置前后路由表和LSU影響對比及設(shè)備接口協(xié)議分析，加深學(xué)生對IP地址規(guī)劃、路由匯總、OSPF如何克服RIP缺點、單區(qū)域OSPF工作原理、多區(qū)域OSPF工作原理、ABR路由匯總通告的理解，真正掌握多區(qū)域OSPF中LSA洪泛區(qū)域隔離的內(nèi)涵。在實驗過程中，學(xué)生有充足的時間反復(fù)配置設(shè)備，當(dāng)遇到實驗結(jié)果與預(yù)期不一致時，能夠獨立思考，通過各類信息查看，排除實驗中硬件或配置故障，提高學(xué)生網(wǎng)絡(luò)設(shè)備操作實踐能力、分析和解決實際網(wǎng)絡(luò)工程問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻：

[1] 杜睿山，田楓，劉志剛，等.面向工程教育專業(yè)認證的計算機類課程精準教學(xué)模式探究[J].中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報（上旬刊），2021（10）：119-121.

[2] 申海洋，葉松，余建立，等.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的《計算機網(wǎng)絡(luò)》課程教學(xué)改革研究[J].電腦知識與技術(shù)，2022，18（11）：159-161.

[3] 章麗玲，雷建軍.OSPF協(xié)議的教學(xué)設(shè)計與實踐[J].湖北第二師范學(xué)院學(xué)報，2019，36（8）：75-78.

[4] 馬記，王會強.淺析路由交換設(shè)備中OSPF故障的處理方法[J].網(wǎng)絡(luò)安全和信息化，2022（3）：157-160.

[5] 易典，劉淵，王曉鋒.基于虛擬化的OSPF協(xié)議安全性仿真評估方法[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2023，44（5）：1052-1060.

[6] 李春平，葉裴雷，許碧雅，等.IPv6多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)下OSPF動態(tài)路由優(yōu)化方法研究與仿真[J].現(xiàn)代計算機，2021，27（26）：87-92，100.

[7] 全成斌，陳嘉杰，鄭寧漢，等.基于硬件抽象技術(shù)的全協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)路由器設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2022，39（4）：111-115.

[8] 曹雪峰，傅冬穎，于萬國，等.基于EVE-NG的虛擬網(wǎng)絡(luò)實踐教學(xué)平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（6）：158-161，166.

[9] 劉志敏. 淺談《計算機網(wǎng)絡(luò)（本）》課程教學(xué)改革與探究[C]//2022教育教學(xué)與管理重慶論壇論文集，2022：635-637.

[10] 鈕家偉，郭文普，吳強.基于eNSP路由錯誤配置的分析與解決實驗[J].實驗室研究與探索，2022，41（1）：148-152，248.

【通聯(lián)編輯：王 力】