工程認證背景下的多區域OSPF 實驗設計與實現

韓慧妍 熊風光 郁曉慶 孫福盛 安道新 樊彩霞

摘要：多區域開放式最短路徑優先協議（OSPF） 網絡拓撲結構及工作原理復雜，需要較多的物理網絡設備，且很難在設備上完成。為了提升實驗教學效果、加深學生對該知識點的理解程度，課程組基于華為網絡仿真工具平臺eNSP，選擇適宜的網絡設備，搭建網絡場景進行路由協議仿真，以連通性測試、網絡配置前后對比及抓包數據分析為手段完成該實驗。實驗結果及問卷調查結果表明，該模式能夠加深學生對該知識點的理解、提升其實踐操作能力、節省物理網絡設備，是一種有效的、可以推廣的實驗教學模式。

關鍵詞：多區域；OSPF；實驗教學；仿真實驗；洪泛

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）10-0091-03

0 引言

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

多區域OSPF實驗需要較多網絡設備，實驗拓撲搭建復雜。受網絡設備數量、接口類型、協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，搭建網絡場景，通過終端連通性測試、配置前后路由表對比、理論和實踐相結合、接口協議分析及歸納總結，加深學生對OSPF工作過程的理解，提升其實踐能力，使OSPF協議更好地服務于企業網絡。

1 多區域OSPF 實驗流程

為加深學生對OSPF工作原理、多區域概念及與RIP區別的理解，使其能夠解決網絡工程中遇到的各類問題，實驗中特意設置了各類配置前后路由表、LSU 影響的對比環節，整體實驗流程如圖1所示。

1） 根據工程問題背景搭建網絡拓撲。

2） 完成路由器接口IP地址及主機網絡配置。

3） 為路由器配置OSPF進程及ID，為接口劃分區域，聲明參與OSPF進程的網絡。

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（鏈路狀態更新）的影響區域。

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影響區域進行對比，分析多區域間路由傳遞的機理。

2 多區域OSPF 實驗設計

2.1 網絡拓撲搭建及設備網絡配置

將某大型公司總部劃分為區域0，即R1路由器的3個接口均位于區域0，公司的兩個分部分別位于區域1（R4和R5） 和區域2（R6和R7） ，為了實現總部與分部間的通信，將R2和R3設置為ABR，分別連通區域0和區域1、區域0和區域2，為了驗證區域內、區域間網段的連通性，區域0、1 和2 分別增設主機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，整體網絡拓撲如圖2所示，路由器接口IP地址及主機網絡配置情況如表1所示。

2.2 OSPF 區域配置及驗證查看

R1-R7 的OSPF 進程號均設置為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，全網共有11 個網段，R1 直連3 個網段，通過OSPF學到了到其他的8個網段的路由，如表4第二列和第三列所示，此時全網達到收斂狀態。

2） LSDB 驗證查看。每臺路由器將會形成自己的LSDB，以R3為例，R3學到了區域0和區域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，測試結果為PC1-PC7兩兩之間均為可達。

4） LSU 影響區域驗證查看。為了測試LSU的影響區域，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，可以看到關于網段40.1.2.0/24（所屬區域為1） 的LSU的影響區域為區域0和區域2，該現象跟多區域OSPF的優點（LSU僅限于本區域）有沖突，且跟單區域OSPF沒有本質區別。

2.3 ABR 路由匯總通告及驗證查看

對于多區域OSPF，區域之間應該交換匯總路由，使得詳細路由的交換限制在某區域內部，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 網段進行通告，R3將area 0中匯總后的40.0.0.0/16網段和area 2中匯總后的40.2.0.0/16網段進行通告，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，經過ABR路由匯總通告后，每臺路由器的路由表條數均減少，且其cost值也有所變化，以R2為例，路由匯總通告前，學習到其他非直連網絡段的8條路由，其中到達40.2.2.0/24 網段的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）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 四個網段被匯總為40.2.0.0/16一個網段，原因是R3將這四個網段匯總為40.20.0./16發布出去，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 影響區域驗證查看。為了測試LSU的影響區域，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，可以看到關于網段40.1.2.0/24的LSU均不會發布到區域0和區域2，該結果驗證了多區域OSPF的優點（LSU僅限于本區域），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、解決網絡環路、安全認證及適合用大型網絡等優點。

2） 單區域OSPF適用于小型網絡，如果網絡中路由器數量較多，單區域的OSPF將不會凸顯該協議的諸多優點，且路由器之間大量的LSA交換會浪費寶貴的路由器及網絡帶寬資源，網絡穩定性及安全性將大打折扣。

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

2.5 實驗掌握情況分析

為了更好地了解學生對該實驗的掌握情況，傾聽學生對實驗改革的訴求，探索深化改革的措施，教學團隊對中北大學2019級計算機科學與技術專業、大數據專業以及物聯網專業共437個學生進行了實驗掌握情況的定性和定量分析。

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

教學效果為主題的匿名在線問卷調查，共收回429份樣本，回卷質量較高。該問卷調查涉及6個方面：學生對單區域OSPF的理解程度、多區域OSPF的理解程度、路由匯總的掌握程度、與RIP協議的區分、eNSP仿真平臺的掌握程度、eNSP對本課程的提升。問卷調查結果如圖4所示，可以看出，通過引入eNSP 仿真平臺，學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、網絡設備等幫助很大，可推廣使用。

3 實驗效果

本課程組基于eNSP完成該實驗，學生無需受實驗設備及不確定性故障的限制，可以搭建任意復雜拓撲的網絡場景，實驗設計采用從簡單到復雜、從單區域到多區域、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影響對比及設備接口協議分析，加深學生對IP地址規劃、路由匯總、OSPF如何克服RIP缺點、單區域OSPF工作原理、多區域OSPF工作原理、ABR路由匯總通告的理解，真正掌握多區域OSPF中LSA洪泛區域隔離的內涵。在實驗過程中，學生有充足的時間反復配置設備，當遇到實驗結果與預期不一致時，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，提高學生網絡設備操作實踐能力、分析和解決實際網絡工程問題的能力，培養學生良好的科學素養。

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【通聯編輯：王 力】