論OSPF協(xié)議的基本原理與實現(xiàn)

蔣磊

（南京城市職業(yè)學(xué)院，江蘇南京，210000）

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到今天出現(xiàn)了很多新的概念和新的應(yīng)用場景，但不論怎樣創(chuàng)新和發(fā)展也都無法離開其最原始和最樸素的本質(zhì)，即實現(xiàn)資源的共享，說到底就是實現(xiàn)設(shè)備間的互連與互通。路由器是網(wǎng)絡(luò)中非常重要的硬件設(shè)備，是網(wǎng)絡(luò)互連的基石，沒有它的存在，網(wǎng)絡(luò)互連便無從談起。路由器和路由器之間會運行路由協(xié)議來學(xué)習(xí)彼此的網(wǎng)絡(luò)，從而達到網(wǎng)絡(luò)的互通。常見的路由協(xié)議有很多種，可以從如下幾個方面對其進行分類，按照路由協(xié)議所使用的算法來分，有距離矢量型路由協(xié)議和鏈路狀態(tài)型路由協(xié)議，它們的典型代表分別是RIP和OSPF；按照路由作用的范圍來分，有內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議和外部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議，簡稱IGP和EGP，它們的典型代表分別是OSPF和BGP；按照路由來源來分，有直連路由、靜態(tài)路由和動態(tài)路由，直連路由由路由器接口IP地址所在的網(wǎng)絡(luò)組成；靜態(tài)路由由管理員手工配置完成，優(yōu)缺點明顯；動態(tài)路由是路由器運行動態(tài)路由協(xié)議學(xué)習(xí)到的路由。本文探討的OSPF路由協(xié)議是一種典型的鏈路狀態(tài)型內(nèi)部網(wǎng)關(guān)動態(tài)路由協(xié)議。OSPF路由協(xié)議的主要特點如下：沒有路由跳數(shù)的限制，OSPF不像RIP那樣具有最大15跳的限制，這樣OSPF就可以被應(yīng)用在一個較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)之中；OSPF使用組播而非廣播來更新變化的路由和網(wǎng)絡(luò)信息，太多的廣播會帶來網(wǎng)絡(luò)性能的下降以及設(shè)備資源的損耗；路由收斂速度較快；以開銷作為度量值，可以防止以跳數(shù)作為度量值所帶來的次優(yōu)路徑等問題；采用SPF算法可以有效的避免環(huán)路，雖然RIP協(xié)議采用了很多補救措施來防止環(huán)路，但不可否認的是RIP協(xié)議從算法上就存在劣根性，因此無法保證沒有環(huán)路，而OSPF采用最短路徑優(yōu)先算法，可以確保區(qū)域內(nèi)無環(huán)路，區(qū)域間無環(huán)路則是通過連接骨干區(qū)域來解決；OSPF在互聯(lián)網(wǎng)上被大量使用，是運用最廣的路由協(xié)議。除此之外，OSPF還支持VLSM，支持加密認證，安全等級更高，支持CIDR，可以輕松完成路由的匯總，從而減小路由表的規(guī)模。

1 基本概念

區(qū)域類型：OSPF采用分層結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)劃分成兩種類型不同的區(qū)域，分別是骨干區(qū)域和非骨干區(qū)域，這樣做的好處有以下幾點，一是減少區(qū)域內(nèi)LSDB的規(guī)模，LSDB又稱為鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，LSDB規(guī)模越大，其對路由器性能的損耗就越大，縮小LSDB規(guī)模可以使得運行OSPF協(xié)議的路由器門檻更低。二是方便組織和管理，可以根據(jù)功能或者地理位置的不同將路由器劃分在不同的區(qū)域，以便于管理。三是隔離拓撲變化帶來的網(wǎng)絡(luò)震蕩，發(fā)生在一個區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)震蕩其影響不會傳遞給另外一個區(qū)域。從名稱上來看，兩種類型的區(qū)域其地位是不平等的，之所以稱為骨干區(qū)域是因為所有的非骨干區(qū)域之間的路由學(xué)習(xí)都要通過骨干區(qū)域進行中轉(zhuǎn)，兩個非骨干區(qū)域之間是不可以直接相連的，這樣做是為了防止區(qū)域間出現(xiàn)環(huán)路，類似于網(wǎng)絡(luò)拓撲中的星型結(jié)構(gòu)。如果出現(xiàn)因不合理設(shè)計而造成的非骨干區(qū)域直接相連，那也是有辦法解決的，即采用虛鏈路技術(shù)。

路由器類型：OSPF協(xié)議中有4種路由器類型，分別是區(qū)域內(nèi)路由器、骨干路由器、區(qū)域邊界路由器和自治系統(tǒng)邊界路由器。區(qū)域內(nèi)路由器是指所有接口都屬于同一個區(qū)域的路由器，在OSPF協(xié)議中就稱為區(qū)域內(nèi)路由器，簡稱IR；骨干路由器是指只要有一個接口處在骨干區(qū)域中，那么這樣的路由器就稱為骨干路由器，簡稱BR；區(qū)域邊界路由器是指連接骨干區(qū)域和非骨干區(qū)域的路由器，這樣的路由器在OSPF協(xié)議中就稱為ABR，ABR也是BR，但不是IR；自治系統(tǒng)邊界路由器是指AS邊界上的路由器，它們一邊連接著OSPF路由域，一邊連接著非OSPF路由域，通常將引入外部路由的路由器稱之為自治系統(tǒng)邊界路由器。外部路由即非OSPF域內(nèi)的路由，引入是指將非OSPF路由重分發(fā)進OSPF路由域中的過程，使得所有OSPF路由器都能學(xué)習(xí)到如何去往OSPF域外。

三張表：鄰居表、鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫和路由表。鄰居表里面存放的是建立鄰居關(guān)系的路由器，鄰居關(guān)系不同于鄰接關(guān)系，前者僅僅是交互了Hello報文，達到了2–Way狀態(tài)，而后者不僅僅是交互了Hello報文，還交互了后續(xù)的DD、LSR、LSU和LSAck等報文，通過學(xué)習(xí)彼此沒有的LSA來最終達到Full狀態(tài)。鄰居關(guān)系的建立是通過定期發(fā)送Hello報文來實現(xiàn)的；鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫簡稱LSDB，同一區(qū)域內(nèi)的路由器其LSDB相同，ABR由于連接不同的區(qū)域，因此它有多個LSDB，每個LSDB對應(yīng)不同的區(qū)域。同一區(qū)域內(nèi)的每臺路由器會將LSDB轉(zhuǎn)換成帶權(quán)有向圖，然后運行SPF算法，以自己為樹根計算去往每個節(jié)點的最短路徑，這條最短路徑就是去往各節(jié)點的路由；路由表是指OSPF的協(xié)議路由表，并不是指全局性的IP路由表。OSPF通過SPF算法計算后，會將去往目的地的最短路徑首先放進OSPF協(xié)議路由表中，這條路由能否進入IP路由表，還必須與其它協(xié)議進行比較，只有全局最優(yōu)的路由才能最終進入IP路由表。

五種協(xié)議報文：OSPF協(xié)議有五種報文，分別是Hello報文、DD報文、LSR報文、LSU報文和LSAck報文。Hello報文用于建立鄰居關(guān)系；DD報文用于交互LSA的摘要，通過彼此的交互來查找自己所缺少的LSA；LSR報文用于向?qū)Ψ秸埱笞约核鶝]有的LSA；LSU報文用于向?qū)Ψ桨l(fā)送鏈路狀態(tài)更新信息；LSAck報文用于對LSU報文進行確認，是OSPF協(xié)議提供的一種可靠性保障機制。眾所周知，IP協(xié)議是一種盡力而為的、不可靠的協(xié)議，OSPF報文是直接封裝在IP報文中的，為了提供額外保障，OSPF協(xié)議設(shè)計出了LSAck報文。

OSPF網(wǎng)絡(luò)類型：包括Broadcast類型、NBMA類型、P2P類型和P2MP等4種類型。OSPF可以根據(jù)二層的網(wǎng)絡(luò)類型來決定上層的網(wǎng)絡(luò)類型。如果二層網(wǎng)絡(luò)類型是PPP或者HDLC，那么OSPF的網(wǎng)絡(luò)類型就是P2P；如果二層網(wǎng)絡(luò)類型是Ethernet，那么OSPF的網(wǎng)絡(luò)類型就是Broadcast；如果二層網(wǎng)絡(luò)類型是幀中繼，那么OSPF的網(wǎng)絡(luò)類型就是NBMA；默認情況下，沒有一種二層網(wǎng)絡(luò)類型對應(yīng)著P2MP，需要進行轉(zhuǎn)換。不同OSPF網(wǎng)絡(luò)類型其工作方式是不一樣的，主要表現(xiàn)在Hello報文的發(fā)送間隔不一樣，有的類型需要選舉DR和BDR，有的類型則不需要選舉，這需要讀者進行仿真實驗來進一步驗證。

RID：每臺運行OSPF協(xié)議的路由器都必須要設(shè)置一個RID，RID全稱是Router ID，是每臺路由器在OSPF路由域中的唯一標(biāo)識，RID是一個32位的無符號整數(shù)，其形式類似于IP地址。RID可以手工配置，也可以自動生成。如果沒有手工配置，那么RID自動生成的順序如下，如果路由器環(huán)回接口有效，并且配置了IP地址，那么最大的IP地址將作為RID；如果沒有有效的環(huán)回口，那么從有效物理接口中選擇最大的IP地址作為RID。由于RID是非強占式的，所以一旦完成選擇，便不會輕易改變，這樣做也是為了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。

DR和BDR：DR和BDR的出現(xiàn)主要是為了降低需要維護的鄰接關(guān)系數(shù)量，DR和BDR類似于班長和副班長，所有的DROther需要和DR和BDR建立鄰接關(guān)系即可，而DROther之間只需要建立鄰居關(guān)系。選舉DR和BDR的原則是首先比較Hello報文當(dāng)中攜帶的優(yōu)先級，優(yōu)先級最高的被選為DR，次高的被選為BDR；如果優(yōu)先級一致，則比較RID的大小，RID越大越優(yōu)先。一旦DR或BDR選舉完成，就保持穩(wěn)定狀態(tài)。

LSA類型：LSA有多種類型，常見的有以下7類。1類LSA，區(qū)域內(nèi)的每臺路由器都會產(chǎn)生1類LSA，用來描述路由器直連路由的鏈路狀態(tài)和開銷值；2類LSA，由DR產(chǎn)生，用來描述DR所在網(wǎng)段的掩碼和該網(wǎng)段內(nèi)的其它路由器；3類LSA，由ABR產(chǎn)生，用來描述區(qū)域間的路由信息；4類LSA，由ASBR所在區(qū)域的ABR產(chǎn)生，用來描述去往ASBR的路由；5類LSA，由ASBR產(chǎn)生，用來描述去往AS外部網(wǎng)絡(luò)的路由；7類LSA，用來描述去往AS外部網(wǎng)絡(luò)的路由。

2 多區(qū)域OSPF配置

限于篇幅有限，本例只講解OSPF的多區(qū)域配置方法。如下圖所示，Lo1和Lo2分別處在不同的區(qū)域當(dāng)中，現(xiàn)要求配置多區(qū)域OSPF，使得Lo1和Lo2能夠正常通信，由于Area2沒有直接連接在Area0上，因此需要建立虛鏈路來完成域間路由的傳遞。

R1上的配置：

R1(config)#router ospf 1

R1(config–router)#router–id 1.1.1.1

R1(config–router)#network 1.1.1.1 0.0.0.0 area 2

R1(config–router)#network 12.1.1.0 0.0.0.255 area 2

R1(config–router)#exit

R2上的配置：

R2(config)#router ospf 1

圖 1 多區(qū)域OSPF配置

R2(config–router)#router–id 2.2.2.2

R2(config–router)#network 12.1.1.0 0.0.0.255 area 2

R2(config–router)#network 23.1.1.0 0.0.0.255 area 1

R2(config–router)#network 2.2.2.2 0.0.0.0 area 1

R2(config–router)#area 1 virtual–link 3.3.3.3

R2(config–router)#exit

R3上的配置：

R3(config)#router ospf 1

R3(config–router)#router–id 3.3.3.3

R3(config–router)#network 23.1.1.0 0.0.0.255 area 1

R3(config–router)#network 34.1.1.0 0.0.0.255 area 0

R3(config–router)#area 1 virtual–link 2.2.2.2

R3(config–router)#exit

R4上的配置：

R4(config)#router ospf 1

R4(config–router)#router–id 4.4.4.4

R4(config–router)#network 34.1.1.0 0.0.0.255 area 0

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

R4(config–router)#exit

當(dāng)配置完成以后，Lo1和Lo2就可以正常通信了。本實驗完成了OSPF多區(qū)域的配置和虛鏈路的配置，其中涉及到很多OSPF的具體原理，值得深入研究。OSPF的路由分為3種類型，分別是域內(nèi)路由、域間路由和外部路由，其中外部路由又分為一類外部路由和二類外部路由。它們之間的優(yōu)先級排序為域內(nèi)路由、域間路由、一類外部路由和二類外部路由。

以下是OSPF協(xié)議中Hello報文的結(jié)構(gòu)，通過Wires hark進行分析可以看出Hello報文中每個字段的值，但由于篇幅有限，在此不作贅述。總之，通過對協(xié)議的分析和解釋，我們可以很好的理解OSPF協(xié)議的工作原理和運行機制。

圖 2 Hello報文的結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

OSPF是目前使用最廣的一種內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議，被廣泛應(yīng)用于企業(yè)的核心網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，作為網(wǎng)絡(luò)運維人員必須要很好的掌握。本文介紹了OSPF協(xié)議僅僅是基本的原理和配置方法，部分高級原理并未涉及，望讀者能夠先夯實基礎(chǔ)，多做實驗，通過不斷的練習(xí)最終達到掌握OSPF協(xié)議的目的。