淺談OSPF協議的基本原理及其仿真

程永青

摘要：在當下社會中，有越來越多的企業開始構建自己的互聯網平臺，紛紛將自己的線下業務轉移到線上，這不僅為企業節省了成本，也為企業帶來了核心競爭力。文中探討的是OSPF路由協議，它是一種內部網關路由協議，由于其眾多的特點和優勢，目前被大量的部署在企業核心網中，因此作為企業的運維人員，掌握OSPF協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OSPF網絡實訓仿真環境，為讀者學習OSPF技術原理和動手實操奠定基礎，因此該文具有一定的參考意義。

關鍵詞：企業網；OSPF協議；IGP；網絡仿真；GNS3

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）36-0030-02

1 概述

目前，計算機網絡已經變成為每個人工作、學習和生活的重要組成部分。企業也利用網絡來降低運營成本，提高員工工作效率，加強其核心競爭力，通過網絡來推廣和營銷自己的品牌。世界上最大的網絡是Internet，只要企業將網絡加入其中，便可與全世界的客戶做生意，可見網絡平臺在戰略上對企業具有何等的重要性。本文探討的OSPF協議是一種路由協議，路由協議是企業網的基石，沒有路由協議作保障，企業網便無從架構。路由協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型路由協議，OSPF是典型的鏈路狀態型路由協議；按照協議作用的范圍來分，主要有內部網關型和外部網關型路由協議，OSPF是典型的內部網關型路由協議；按照路由的獲取方式來分，主要有直連路由、靜態路由和動態路由，OSPF是典型的動態路由協議。不管怎樣分類，常見的路由協議都只有以下幾種：RIP、OSPF、ISIS、EIGRP和BGP。由于OSPF具有眾多優勢，因此在企業網路由協議競爭中脫穎而出，成為了主流，其優勢主要體現在：開放性，任何廠商設備都支持OSPF協議，這意味著不同品牌的設備可以很好的兼容在一起，不像EIGRP是思科私有協議，只能在思科設備上使用；無路由環路，路由環路的危害不言而喻，可以導致數據丟失；快速收斂，收斂是指當網絡拓撲發生變化時，網絡中所有設備從感知變化到學習變化，最終達到同步的過程，該過程應該越短越好；開銷低，OSPF對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備資源；安全可靠，OSPF提供MD5認證，只有經過認證的設備之間才可以相互學習路由，避免惡意學習；支持網絡規模大，RIP支持的最大跳數是15跳，因此網絡規模很小，而OSPF沒有這一限制，理論上可以在同一個區域內放置上百臺OSPF路由器；OSPF可以很好地支持各種二層網絡，不管是以太網鏈路，還是廣域網鏈路，都可以完美的運行在其之上；最后，OSPF支持VLSM技術和CIDR技術，既可以實現可變長子網掩碼劃分，又可以實現路由匯總。

2 OSPF協議中的基本概念

區域：OSPF協議中引入了“區域”這個概念，劃分區域的好處在于可以將一個大的管理范圍變成若干個小的管理區域，區域內的路由器只需要維護本區域的LSDB即可，并不需要知道其他區域的LSDB，這樣就降低了運行OSPF路由器的性能要求，使得性能一般的路由器也可以運行OSPF；同時，區域內的拓撲變化也不會殃及到其他區域，使得其他區域內的路由器頻繁執行SPF算法，導致其性能下降；再者，區域間的關系并不是平等的關系，其中有一個區域被稱為骨干區域，其他區域被稱為非骨干區域，非骨干區域必須連接到骨干區域，目的是為了防止路由環路，非骨干區域的路由要想傳遞到其他非骨干區域，必須經過骨干區域中轉才行，這樣就保證了區域間的無環路。任何形式的非骨干區域直接互聯都被視作為不規范操作，但可以通過虛鏈接來解決。

OSPF路由器類型：區域內路由器、區域邊界路由器、自治系統邊界路由器和骨干路由器。路由器的所有接口都在同一個區域稱為區域內路由器，簡稱IR；連接骨干區域和非骨干區域的路由器稱為區域邊界路由器，簡稱ARB，ABR至少有一個接口在骨干區域中；自治系統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域中，或者至少有一個接口在骨干區域即可，簡稱BR。

RID：每一個運行OSPF協議的路由器都要有一個RID，RID相當于路由器的身份證，要求每一個OSPF路由器的RID不能一樣，RID可以自動產生，也可以手工指定。如果是自動產生，那么規則是看路由器上有沒有開啟環回口，如果有則選取環回口上最大的IP地址作為該路由器的RID，如果沒有開啟環回口，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環回口IP地址作為路由器的RID，選取環回口的原因是環回口穩定，不會像物理接口那樣受外因作用而反復的開啟或斷開。

三張表：OSPF使用三張表格以確保其正常運行，分別是鄰居表、鏈路狀態數據庫和OSPF路由表。鄰居表里面存放的都是自己直連的鄰居，OSPF會定期從OSPF接口發送Hello包，報文中攜帶有一些相關參數，只有參數協商成功以后才可以建立鄰居關系，Hello包發送間隔為10S或30S，依二層網絡類型來決定。鏈路狀態數據庫簡稱LSDB，是同一區域內所有LSA的集合，可以把LSDB想象成是本區域的地圖，運行OSPF協議的路由器會執行SPF算法，以自己為根計算到達各目的地的最短路徑。理解LSDB中各種LSA是深入學習OSPF的必經之路。OSPF路由表又稱為OSPF協議路由表，它有別于全局的IP路由表，OSPF路由表存放的是OSPF協議發現的最佳路由，這條最佳路由能否放進全局IP路由表還需要進一步比較才可以。言下之意，只有最優的路由，不管其如何產生的，才可以放進全局IP路由表。

管理距離和度量值：管理距離是Cisco的叫法，在華為技術文檔中，管理距離又稱為優先級，二者同義，每個廠商都事先定義管理距離值，不同廠商值還不一樣，但值越小越優先，該值主要是用來在不同路由協議下的比較，即當路由器發現可以從多個路由協議學習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議下的比較，不同路由協議對度量值的定義各不同，比如RIP的度量值是跳數，OSPF的度量值是開銷，但不管怎樣，都是越小越優先。當路由器發現同一協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協議路由表，能否放入全局IP路由表，還需要進一步比較。

OSPF報文類型：OSPF協議有5中報文，分別是Hello、DD、LSR、LSU和LSAck。Hello報文主要用于發現直連鏈路上的鄰居，以及維護OSPF鄰居關系。DD報文分為2個階段，第一個階段用于確定主/從關系，第二階段則發送只含有LSA頭部的DD報文，通過DD報文的交互，路由器知道了對方的所有LSA，然后與本地LSA進行比較，如果有自己沒有的LSA，則向對方發送LSR，請求完整的LSA，對方在收到LSR之后，將包含完整LSA的LSU發送回來，LSU中可以包含一條或多條LSA，在收到對方的LSU之后，本地發送LSAck用于向對方確認。

OSPF網絡類型：點到點類型、廣播型多路訪問類型、非廣播型多路訪問類型和點到多點網絡類型。OSPF會根據其二層網絡類型來決定自己的運行方式。點對點類型即P2P對應的二層網絡類型是PPP或HDLC，該類型網絡不需要選取DR和BDR，Hello報文發送間隔為10S；廣播型多路訪問類型即BMA對應的二層網絡類型是以太網，該網絡類型需要選取DR和BDR，DR和BDR相當于班長和副班長，所有的DROther只要和DR及BDR建立鄰接關系即可，DROther之間則不需要建立鄰接關系，Hello報文發送間隔為10S；非廣播型多路訪問類型即NBMA對應的網絡類型是大家所熟知的幀中繼，該網絡類型也需要選取DR和BDR，但Hello報文發送間隔為30S；點到多點網絡類型即P2MP，該網絡類型不需要選取DR和BDR，Hello報文發送間隔同樣為30S。

OSPFLSA類型：常見的OSPF LSA類型主要有以下5種，1類LSA：區域內的每臺路由器都會產生1類LSA，描述的是該路由器所有OSPF直連接口的狀況和COST值，其作用相當于對“家門口”網絡情況進行描述，只在其所在區域內傳遞；2類LSA：由DR產生，描述的是所有接入MA網絡中與之形成鄰接關系的路由器，只在其所在區域內傳遞，1類LSA和2類LSA描述的是同一個區域內的網絡情況；3類LSA由ABR產生，描述的是去往其他區域的路由，區域間的路由傳遞主要靠3類LSA；4類LSA：由ABR產生，用于描述如何去往ASBR；5類LSA：由ASBR產生，是用于描述如何去往本AS之外的外部路由。

OSPF特殊區域：Stub區域、完全Stub區域、NSSA區域和完全NSSA區域。不同區域允許存在的LSA如下表所示：

3 OSPF多區域配置

如下圖所示，R1和R2是兩臺匯聚層路由器，他們各自下掛著兩個網段，同時上連核心層路由器CORE，現在要求在這三臺路由器上部署OSPF，采用多區域OSPF設計，使得全網各個網段都能夠實現數據互通。

當配置完成以后，R1、R2和CORE之間的設備就可以正常通信了，在這里稍微強調一下OSPF協議當中的路由類型和優先級。OSPF的路由類型有4種，分別是區域內路由、區域間路由、1類外部路由和2類外部路由。區域內路由是指路由器根據區域內泛洪的1類LSA和2類LSA計算得到的路由，利用這些路由，路由器可以到達其所在區域的任何目的網段。區域間路由是指路由器根據3類LSA計算得到的路由，使用這些路由，路由器可以到達區域外的目的網段。外部路由是指路由器根據5類LSA計算得到的去往OSPF域外的目的地，這些域外路由通常都是通過重分發引入到OSPF域內的。外部路由有2類，區別在于計算COST值的方式。優先級反應的是路由可信度，以此為依據則區域內路由優于區域間路由；區域間路由由于1類外部路由；1類外部路由優于2類外部路由。

4 結束語

OSPF路由協議是目前企業使用最廣的一種IGP路由協議，依靠其自身諸多優點，目前被大量企業所采用，研究OSPF協議的工作原理和配置方法具有相當大的現實意義，本文探討的僅僅是OSPF協議的基本概念和基本配置，OSPF協議還有許多理論值得去學習和挖掘。希望本文對學習OSPF路由協議的讀者起到一定的幫助作用，為今后更深入學習打好基礎。

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