基于GNS3的多自治系統路由仿真

孫光懿, 賈英霞

(1. 天津音樂學院 圖書與信息中心， 天津 300171;2. 商丘經濟貿易學校 教務科, 河南 商丘 476000)

0 引 言

當今，互聯網已成為全世界重要的信息基礎設施，且對人們的學習、生活、工作產生了深遠的影響。現實中的Internet并不是一個單一的網絡，而是由多個自治系統(Autonomous System, AS)互聯互通所構成的巨大網絡。在這一過程中路由器等3層網絡設備起到了至關重要的作用，通過其上運行的路由協議將非直連網段的路由信息加入到路由表中(與路由器直連網段的路由信息會自動加入到路由表中)，為每個通過的數據包去往目的地址提供最佳傳輸路徑。通常路由協議分為靜態與動態路由協議，靜態路由協議可信度與穩定性最高且配置過程簡單，但是需要人工手動進行配置，因此只適用于網絡結構穩定的小型網絡中。而動態路由協議則可以實時適應大型復雜網絡結構的變化，通過重新計算路由來對路由表中的路由條目進行更新，美中不足的是動態路由協議會占用一定的網絡帶寬與路由器CPU資源。另外，動態路由協議如按照應用范圍進行劃分，可分為內部網關協議(Interior Gateway Protocol, IGP)與外部網關協議(Exterior Gateway Protocol, EGP)兩類[1-3]。在AS內部運行的OSPF、IGRP、EIGRP、RIP、IS-IS[4-6]等路由協議均屬于內部網關協議，在AS之間運行的路由協議如BGP協議則屬于外部網關協議。本文根據GNS3網絡仿真軟件設計了多自治系統路由仿真實驗，并對實驗過程進行了詳細分析。

1 相關技術

1.1 OSPF路由協議

開放式最短路徑優先協議(Open Shortes Path First Protocol, OSPF)是一種在IGP中廣泛應用的鏈路狀態路由選擇協議(工作在IP層，協議號為89)，具有收斂用時短、高擴展性、支持區域劃分、支持CIDR與VLSM、支持SHA及MD5認證等特點。它的誕生有效地解決了在大型、可擴展網絡上部署路由協議的難題，與運行距離矢量路由協議的路由器相比，運行OSPF路由協議的路由器不需要周期性的廣播部分或全部路由表，只有當網絡中的鏈路狀態發生變化時，才會使用組播或單播向自治系統內的所有路由器發送與自身相鄰路由器的鏈路狀態通告(Link-State Advertisement, LSA)。需要說明的是，運行OSPF協議的路由器之間首先要建立鄰居關系，才可以相互交換LSA。另外，在應用OSPF協議的大型網絡中，為了緩解OSPF的計算壓力與計算難度，同時降低路由器的工作負擔，往往將網絡劃分為若干區域(根據路由器接口進行區域劃分)。同一區域內的路由器則擁有相同的鏈路狀態數據庫，并據此數據庫計算出OSPF路由表。其中Area 0 稱之為骨干區域是必須存在的，其他區域稱之為常規區域例如Area 1、Area 2等。通常常規區域和區域0直接相連，且可以和區域0直接進行LSA交換，但是兩個常規區域之間想要直接進行LSA交換則是不被允許的(常規區域之間只能通過骨干區域進行LSA交換)。OSPF協議中共有11種類型的LSA[7]，其中LSA1～LSA5為最常使用的類型。LSA1由區域內的每臺路由器所產生，洪泛范圍被限制在本區域內；LSA2由廣播多路訪問網絡中的指定路由器所產生，且只能在產生這條LSA的區域內洪泛；LSA3始發于區域邊界路由器，用于通告本區域外其他區域的網絡情況；LSA4由ABR生成，存在的前提條件是區域中存在ASBR,主要用于為區域內的路由器提供到達自治系統邊界路由器的路由。LSA5始發于自治系統邊界路由器，用于向自治系統內的路由器通告到達自治系統外部網絡的路由。目前OSPF路由協議已知有OSPFV1、OSPFV2、OSPFV3 3個版本： 其中OSPFV2版本主要應用在IPV4網絡路由中，OSPFV3版本主要應用在IPV6網絡路由中。

1.2 BGP路由協議

邊界網協議(Border Gateway Protocol, BGP)屬于外部網關協議(運行在TCP上，端口號為179)，又稱之為路徑矢量協議，其主要任務就是在不同自治域系統間傳遞路由，并確保不產生路由環路。它是在EGP協議的基礎上逐步發展而來的(目前最新的版本為BGP-4)，擁有EBGP和IBGP兩種會話類型。EBGP主要應用于自治系統間的路由選擇，而IBGP主要應用于自治系統內部的路由選擇，但其默認管理距離數值為200(管理距離主要用來決定路由協議的可信度，取值范圍從0～255)，比任何IGP協議都低。由于BGP協議吸收了鏈路狀態路由協議和距離矢量路由協議的優點，因此具有高可靠性、高擴展性、支持CIDR和路由匯總、支持應用MD5加密算法驗證鄰居身份的合法性、避免路由環路、采用增量更新路由等特性。另外，在應用BGP協議時有一點需要特別注意，網絡管理者應最少選擇一個路由器作為該自治系統的BGP發言人。現實中，大型網絡的邊界路由器通常采用BGP協議實現與Internet的互連互通。

2 仿真實驗

本次仿真實驗基于GNS3網絡仿真軟件搭建，通過8臺思科3640路由器(IOS鏡像文件為c3640-ik9o3-mz[1].124-25c.bin)及1臺思科2950二層交換機，虛擬構建出一個擁有2個自治系統的(AS100和AS200)大型網絡。網絡結構如圖1所示。從圖1中可以清楚地看到，AS100由路由器R2、R3所構成(R3為AS100的邊界路由器)，二者之間通過EIGRP協議實現AS100內部網絡互聯互通；而對于AS200來說網絡結構則相對復雜，它由路由器R1、R4、R5、R6、R7、R8和2層交換機SW1所構成(R4為AS200的邊界路由器)。其中路由器R1與R8之間運行RIP動態路由協議，路由器R4、R5、R6、R7、R8之間運行OSPF動態路由協議，且被劃分為AREA0、AREA1、AREA3 3個不同區域(路由器R6與R7為區域邊界路由器，以上區域的劃分有助于減輕路由器及OSPF協議的工作壓力)。需要指出的是：AREA0(由路由器R6、R7構成)和AREA2(由路由器R7、R8構成)均為點到點的網絡，而AREA1(由路由器R4、R5、R6構成)為廣播多路訪問的網絡。由于在AS200內同時運行著RIP和OSPF兩種動態路由協議，因此需要借助路由重分布技術(將RIP和OSPF各自的路由信息分別引入到對方的路由域中)以實現AS200內部網絡互連互通。另外，自治系統(AS100與AS200)之間運行BGP路由協議，以此來傳遞各自的內部路由，最終實現全網的互連互通，從而確保AS100中的終端計算機C1能夠與AS200中的終端計算機C2正常通信。

圖1 網絡結構

3 網絡設備IP地址分配

AS100中的終端計算機C1與路由器R2的f0/0接口相連，C1的網關地址為192.168.75.1即路由器R2的f0/0接口地址。AS200中的終端計算機C2與路由器R1的f0/0接口相連，C2的網關地址為192.168.71.1即路由器R1的f0/0接口地址。路由器R3與R5上建立回環接口，用于模擬各自所連接的內部網絡。本次仿真實驗所用網絡設備接口及IP地址規劃方案如圖2所示。

圖2 網絡設備接口及IP地址規劃方案

4 實驗配置

4.1 AS200中OSPF的配置

為了使讀者更加清楚直觀地了解AS200中OSPF的配置過程，給出了路由器R4詳細配置并加以解析。路由器R5、R6、R7、R8的配置類似，故省略。

(1) 路由器R4的配置

R4(config)#int f0/0 //進入接口f0/0

R4(config-if)#ip add 192.168.40.1 255.255.255.0 //設置此接口IP地址

R4(config)#router ospf 3

R4(config-router)# router-id 4.4.4.4 //設置路由器ID

R4(config-router)# network 192.168.40.0 0.0.0.255 area 1 //設置直連網段及區域編號

4.2 選舉DR與BDR [8]

由于AS200中運行OSPF協議的路由器被劃分為3個區域，其中普通區域AREA1為廣播多路訪問的網絡并由多個路由器所構成。為了最大限度的降低路由更新而產生的數據流，并保持網絡中鏈路狀態數據庫的同步，因此需要在AREA1中進行指定路由器(Designated Router, DR)與備用指定路由器(Back Designated Router, BDR)的選舉。選舉工作基于路由器的優先級來決定(路由器的優先級如為0，那么意味著這臺路由器沒有參與DR與BDR選舉的資格)，擁有最高優先級的路由器成為DR，擁有次高優先級的路由器成為BDR。一旦遇到路由器優先級相同的情況，則通過比較路由器ID的大小來進行DR與BDR的選舉(路由器ID通常手動設定，如未設定則以路由器回環接口IP地址作為路由器ID ,如路由器不存在回環接口，則以路由器活動接口中最大IP地址作為路由器ID)。擁有最高RID的路由器成為DR,次之的路由器成為BDR。 在正常情況下，BDR只負責接收網絡中的信息，轉發LSA及同步鏈路狀態數據庫的工作均由DR來完成。即使有優先級更高的路由器加入到網絡中，也不會發生搶占DR的情況。只有當DR發生故障時，BDR才會接替DR的工作。選舉完成后，區域中的其他OSPF路由器之間不再建立鄰接關系，它們只和DR與BDR建立鄰接關系。與此同時，DR與BDR成為網絡中LSA更新的核心節點。另外，需要說明的是，點到點的網絡無需進行DR與BDR的選舉，它們之間的鄰接關系會自動協商完成。例如骨干區域AREA0與常規區域AREA2。在這里使用sh ip ospf nei命令查看路由器R4、R5、R6的相關鄰居信息。

(1) 路由器R4的鄰居信息

R4#sh ip ospf nei

(2) 路由器R5的鄰居信息

R5#sh ip ospf nei

(3) 路由器R6的鄰居信息

R6#sh ip ospf nei

其中Neighbor ID為相鄰路由器的RID, Pri表示本臺路由器的優先級，State為相鄰路由器的狀態情況(FULL標志著已經完成LSDB交換)，Dead Time 為死亡時間，通常在廣播多路訪問網絡中默認為40 s，Interface為相鄰路由器的接口，Address為相鄰路由器的接口IP地址。從中我們不難看出在192.168.40.0/24網段中：路由器R4、R5、R6的優先級均為1，R6的路由器ID(6.6.6.6)為最高，R5的路由器ID(5.5.5.5)為次之，因此路由器R6成為此網段中的指定路由器即DR,R5成為此網段中的備份指定路由器即BDR，而路由器R4則為DROTHER。

4.3 OSPF路由匯總配置[9]

進行路由匯總可以有效的避免常規區域中的每一條路由通告都傳播到OSPF骨干區域中，對于控制骨干區域路由表的規模，增加網絡的穩定性，減少自治系統中不必要的LSA傳播起到了至關重要的作用。通常路由匯總有2種方式：① 在ABR上進行的區域間路由匯總，面向對象為與之相連區域中的路由；(需要說明的是:路由匯總功能一旦在ABR上啟用，OSPF骨干區域將收到一條描述此路由匯總的LSA3。)② 在ASBR上進行的外部路由匯總，面向對象為通過路由重分布導入到OSPF中的外部路由。在本仿真實驗中，OSPF AREA1中的路由器R5連接了多個網段，因此有必要在AREA1的邊界路由器R6上進行區域間路由匯總。相關的配置命令如下：

R6(config-router)#no auto-summary //關閉自動匯總

R6(config-router)#area 1 range 192.168.0.0 255.255.252.0

4.4 AS200中RIP的配置[10]

在AS200中路由器R1與R8之間通過運行RIP協議，來實現各自所連網段的互連互通。RIP協議屬于距離矢量路由協議，其最大的優勢就是配置過程簡單便捷、網絡開銷相對較小。但是其缺點也是不容忽視的：首先RIP協議最多只支持15跳，這對于大型網絡來說遠遠不夠；其次路由器之間的路由學習需要交換完整的路由表，導致網絡更新時收斂時間過長，因此RIP協議只適用于在小型網絡中應用。下面給出路由器R1 中RIP協議的詳細配置命令，路由器R8的配置命令類似故省略。

路由器R1的配置:

R1(config)#router rip

R1(config-router)# version 2 //ripv2為無類路由協議，支持VLSM

R1(config-router)#network 192.168.70.0 //宣告網絡

R1(config-router)#network 192.168.71.0

R1(config-router)#no auto-summary

4.5 AS200中路由重分布的配置[11]

在AS200中路由器R8同時運行著OSPF與RIP兩種路由協議，為了使兩種路由協議互聯的網絡能夠相互交換路由信息，在路由器R8中實施雙向路由重分布技術(即把RIP路由通告到OSPF域中，又把OSPF路由通告到RIP域中)，確保AS200內部網絡的互聯互通。在這一過程中，路由器R1作為接收OSPF重分布路由的路由器，路由表中會增加學習到的OSPF路由。需要注意的是：

執行路由重分布的路由器，只傳播路由表中已有的路由信息，且路由表不會發生改變。另外，網絡管理人員在設置初始度量值時，應把此值設置為比接受域中最大度量更大的值，避免次優路由的產生。下面給出在路由器R8 中實施路由重分布的詳細配置命令。

路由器R8路由重分布的配置:

R8(config)#router rip

R8(config-router)# redistribute ospf 3 metric 10 //將OSPF路由宣告到RIP域中，初始度量值設定為10，如果采用默認初始度量值，則OSPF路由將不會被重分布到RIP域中

R8(config)#router ospf 3

R8(config-router)#redistribute rip subnets metic 190//將RIP路由通告到OSPF域中，并設置重分布路由的度量值,初始度量值默認值為20。如不加上參數subnets，只能對有類網絡進行重分布

在這里使用sh ip route命令分別查看路由器R7及R1的路由信息，以驗證路由重分布的效果。

路由器R7、R1的路由信息分別如圖3、4所示。

圖3 路由器R7的路由信息

圖4 路由器R1的路由信息

從圖3中可見，路由器R7的路由表中存在兩條路由指示符為O E2，開銷值為190的外部路由，它們即為在路由器R8中實施路由重分布，通告到OSPF域中的RIP路由。從圖4中可見，路由器R1的路由表中存在4條路由指示符為R，開銷值為10的路由，它們即為通告到RIP域中的OSPF路由。因此可以得出以下結論：RIP路由及OSPF路由已成功的重分布對方的路由域中。

4.6 AS100與AS200之間BGP路由的配置[[12-13]

為了使兩個自治系統內部網絡之間能夠互聯互通，在AS100邊界路由器R3與AS200邊界路由器R4之間實施BGP路由協議，以此來確保順利的傳遞各自治系統內部路由。兩臺路由器會首先完成TCP 3層握手，隨之二者之間會建立EBGP會話，進而交換BGP路由更新。下面給出在路由器R3、R4中實施BGP協議的詳細配置命令。AS100與AS200之間進行BGP路由過程中，在R4-R3鏈路上捕獲的BGP報文見圖5。

圖5 R4-R3鏈路上捕獲的BGP報文

路由器R3的配置:

R3(config)#router bgp 100 //啟用BGP動態路由協議

R3(config-router)#neighbor 192.168.72.2 remote-as 200 //此命令中的IP地址，必須為可達。

R3(config-router)#network 192.168.72.0 //宣告網絡

R3(config-router)#network 192.168.73.0 //宣告網絡

R3(config-router)#redistribute eigrp 100 metic 5 //將EIGRP路由重分布到BGP域中，并設置重分布路由的度量值。

R3(config-router)#no auto-summary //關閉自動匯總

R3(config)#router eigrp 100

R3(config)#redistribute bgp 100 metric 10000 100 255 1 1400 // 將BGP路由重分布到EIGRP域中，并設置重分布路由的度量值。EIGRP協議計算度量值時使用帶寬、 延遲、可靠性、負載、 MTU 5個參數。

路由器R4的配置:

R4(config)#router bgp 200 //啟用BGP動態路由協議

R4(config-router)#neighbor 192.168.72.1 remote-as 100

R4(config-router)#no auto-summary //關閉自動匯總

R4(config-router)#redistribute ospf 3 match inter external 2 //將OSPF內部與外部路由重分布到BGP域中

R4(config)#router ospf 3

R4(config)#redist conn sub //重分布直連路由，在這里我們將192.168.72.0網段重分布進OSPF域

R4(config)#redistribute bgp 200 sub //將BGP路由重分布進OSPF域

編號為1的報文是路由器R3發往R4的TCP第1次握手報文[14-15]，其中源地址與目的地址分別為192.168.72.1和192.168.72.2, 源端口與目的端口分別為25579和179， Flags (標志位) 為SYN，Sequence number(序號)為0。編號為6的報文是路由器R4發往R3的 TCP第2次握手報文，其中源地址與目的地址分別為192.168.72.2和192.168.72.1, 源端口與目的端口分別為179和25579， Flags (標志位) 為SYN與ACK, Sequence number(序號)依舊為0，Acknowledgment number(確認序號)為1。編號為7的報文是路由器R3發往R4的 TCP第3次握手報文，其中源地址與目的地址分別為192.168.72.1和192.168.72.2, 源端口與目的端口分別為25579和179， Flags (標志位) 為ACK，序號與確認序號均為1。至此TCP的3次握手完成，路由器R3、R4之間的連接成功建立。緊隨其后的編號8報文是路由器R3發出的BGP OPEN報文，主要用來與路由器R4建立關系。另外，編號為10的報文是BGP Keepalive報文，默認情況下每60 s發送1次，主要用來保持BGP鄰居關系。從中不難發現，BGP協議報文是在TCP完成3次握手后才出現的，這充分說明BGP協議確實是建立在TCP連接之上的。

4.7 仿真實驗測試

為了驗證此次仿真實驗是否達到預期目標，使用ping命令測試AS100中的終端計算機C1與AS200中的終端計算機C2的連通性，并以路由器R1、R2為例，使用sh ip route命令查看它們的路由信息。

測試終端計算機C1與C2的連通性。

VPCS[1]> ping 192.168.71.6

192.168.71.6 icmp_seq=1 ttl=254 time=84.012 ms

192.168.71.6 icmp_seq=2 ttl=254 time=74.103 ms

路由器R1的路由信息如圖6所示；路由器R2的路由信息如圖7所示。

圖6 路由器R1的路由信息

圖7 路由器R2的路由信息

通過測試可以清楚地看到，不僅終端計算機C1與C2之間可以正常通信，而且路由器R1、R2均學習到了全網的路由信息。在路由器R1的路由信息中，路由指示符為R代表著重分布到RIP域中的外部路由信息，方括號內的120代表RIP的管理距離，10代表跳數。在路由器R2的路由信息中，路由指示符為DEX代表著重分布到EIGRP域中的外部路由信息，方括號內的170代表外部EIGRP的管理距離，2565376000代表EIGRP度量值。

5 結 語

本文利用GNS3網絡仿真軟件設計了多自治系統路由仿真實驗，分析了多種動態路由協議的工作原理并給出了詳盡的配置方法，最終實現了全網的互聯互通。通過此次仿真實驗即可以使學生對OSPF、RIP、

EIGRP、BGP等常見動態路由協議的工作原理有一個全新的認識，又可以使其更好的掌握以上動態路由協議的配置方法。