論OSPF協議的基本原理與實現

蔣磊

（南京城市職業學院，江蘇南京，210000）

0 引言

互聯網發展到今天出現了很多新的概念和新的應用場景，但不論怎樣創新和發展也都無法離開其最原始和最樸素的本質，即實現資源的共享，說到底就是實現設備間的互連與互通。路由器是網絡中非常重要的硬件設備，是網絡互連的基石，沒有它的存在，網絡互連便無從談起。路由器和路由器之間會運行路由協議來學習彼此的網絡，從而達到網絡的互通。常見的路由協議有很多種，可以從如下幾個方面對其進行分類，按照路由協議所使用的算法來分，有距離矢量型路由協議和鏈路狀態型路由協議，它們的典型代表分別是RIP和OSPF；按照路由作用的范圍來分，有內部網關路由協議和外部網關路由協議，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、靜態路由和動態路由，直連路由由路由器接口IP地址所在的網絡組成；靜態路由由管理員手工配置完成，優缺點明顯；動態路由是路由器運行動態路由協議學習到的路由。本文探討的OSPF路由協議是一種典型的鏈路狀態型內部網關動態路由協議。OSPF路由協議的主要特點如下：沒有路由跳數的限制，OSPF不像RIP那樣具有最大15跳的限制，這樣OSPF就可以被應用在一個較大規模的網絡之中；OSPF使用組播而非廣播來更新變化的路由和網絡信息，太多的廣播會帶來網絡性能的下降以及設備資源的損耗；路由收斂速度較快；以開銷作為度量值，可以防止以跳數作為度量值所帶來的次優路徑等問題；采用SPF算法可以有效的避免環路，雖然RIP協議采用了很多補救措施來防止環路，但不可否認的是RIP協議從算法上就存在劣根性，因此無法保證沒有環路，而OSPF采用最短路徑優先算法，可以確保區域內無環路，區域間無環路則是通過連接骨干區域來解決；OSPF在互聯網上被大量使用，是運用最廣的路由協議。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模。

1 基本概念

區域類型：OSPF采用分層結構將網絡劃分成兩種類型不同的區域，分別是骨干區域和非骨干區域，這樣做的好處有以下幾點，一是減少區域內LSDB的規模，LSDB又稱為鏈路狀態數據庫，LSDB規模越大，其對路由器性能的損耗就越大，縮小LSDB規?？梢允沟眠\行OSPF協議的路由器門檻更低。二是方便組織和管理，可以根據功能或者地理位置的不同將路由器劃分在不同的區域，以便于管理。三是隔離拓撲變化帶來的網絡震蕩，發生在一個區域內的網絡震蕩其影響不會傳遞給另外一個區域。從名稱上來看，兩種類型的區域其地位是不平等的，之所以稱為骨干區域是因為所有的非骨干區域之間的路由學習都要通過骨干區域進行中轉，兩個非骨干區域之間是不可以直接相連的，這樣做是為了防止區域間出現環路，類似于網絡拓撲中的星型結構。如果出現因不合理設計而造成的非骨干區域直接相連，那也是有辦法解決的，即采用虛鏈路技術。

路由器類型：OSPF協議中有4種路由器類型，分別是區域內路由器、骨干路由器、區域邊界路由器和自治系統邊界路由器。區域內路由器是指所有接口都屬于同一個區域的路由器，在OSPF協議中就稱為區域內路由器，簡稱IR；骨干路由器是指只要有一個接口處在骨干區域中，那么這樣的路由器就稱為骨干路由器，簡稱BR；區域邊界路由器是指連接骨干區域和非骨干區域的路由器，這樣的路由器在OSPF協議中就稱為ABR，ABR也是BR，但不是IR；自治系統邊界路由器是指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邊界路由器。外部路由即非OSPF域內的路由，引入是指將非OSPF路由重分發進OSPF路由域中的過程，使得所有OSPF路由器都能學習到如何去往OSPF域外。

三張表：鄰居表、鏈路狀態數據庫和路由表。鄰居表里面存放的是建立鄰居關系的路由器，鄰居關系不同于鄰接關系，前者僅僅是交互了Hello報文，達到了2–Way狀態，而后者不僅僅是交互了Hello報文，還交互了后續的DD、LSR、LSU和LSAck等報文，通過學習彼此沒有的LSA來最終達到Full狀態。鄰居關系的建立是通過定期發送Hello報文來實現的；鏈路狀態數據庫簡稱LSDB，同一區域內的路由器其LSDB相同，ABR由于連接不同的區域，因此它有多個LSDB，每個LSDB對應不同的區域。同一區域內的每臺路由器會將LSDB轉換成帶權有向圖，然后運行SPF算法，以自己為樹根計算去往每個節點的最短路徑，這條最短路徑就是去往各節點的路由；路由表是指OSPF的協議路由表，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協議路由表中，這條路由能否進入IP路由表，還必須與其它協議進行比較，只有全局最優的路由才能最終進入IP路由表。

五種協議報文：OSPF協議有五種報文，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報文用于向對方請求自己所沒有的LSA；LSU報文用于向對方發送鏈路狀態更新信息；LSAck報文用于對LSU報文進行確認，是OSPF協議提供的一種可靠性保障機制。眾所周知，IP協議是一種盡力而為的、不可靠的協議，OSPF報文是直接封裝在IP報文中的，為了提供額外保障，OSPF協議設計出了LSAck報文。

OSPF網絡類型：包括Broadcast類型、NBMA類型、P2P類型和P2MP等4種類型。OSPF可以根據二層的網絡類型來決定上層的網絡類型。如果二層網絡類型是PPP或者HDLC，那么OSPF的網絡類型就是P2P；如果二層網絡類型是Ethernet，那么OSPF的網絡類型就是Broadcast；如果二層網絡類型是幀中繼，那么OSPF的網絡類型就是NBMA；默認情況下，沒有一種二層網絡類型對應著P2MP，需要進行轉換。不同OSPF網絡類型其工作方式是不一樣的，主要表現在Hello報文的發送間隔不一樣，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協議的路由器都必須要設置一個RID，RID全稱是Router ID，是每臺路由器在OSPF路由域中的唯一標識，RID是一個32位的無符號整數，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，這樣做也是為了網絡的穩定。

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

LSA類型：LSA有多種類型，常見的有以下7類。1類LSA，區域內的每臺路由器都會產生1類LSA，用來描述路由器直連路由的鏈路狀態和開銷值；2類LSA，由DR產生，用來描述DR所在網段的掩碼和該網段內的其它路由器；3類LSA，由ABR產生，用來描述區域間的路由信息；4類LSA，由ASBR所在區域的ABR產生，用來描述去往ASBR的路由；5類LSA，由ASBR產生，用來描述去往AS外部網絡的路由；7類LSA，用來描述去往AS外部網絡的路由。

2 多區域OSPF配置

限于篇幅有限，本例只講解OSPF的多區域配置方法。如下圖所示，Lo1和Lo2分別處在不同的區域當中，現要求配置多區域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。它們之間的優先級排序為域內路由、域間路由、一類外部路由和二類外部路由。

以下是OSPF協議中Hello報文的結構，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?？傊?，通過對協議的分析和解釋，我們可以很好的理解OSPF協議的工作原理和運行機制。

圖 2 Hello報文的結構

3 結束語

OSPF是目前使用最廣的一種內部網關路由協議，被廣泛應用于企業的核心網絡當中，作為網絡運維人員必須要很好的掌握。本文介紹了OSPF協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，多做實驗，通過不斷的練習最終達到掌握OSPF協議的目的。