OSPF 路由協議原理仿真實驗設計與實現

傅 偉

（江蘇財經職業技術學院智能工程技術學院， 江蘇淮安 223003）

0 引 言

動態路由協議主要分為距離矢量和鏈路狀態兩大類［1］。 距離矢量路由協議主要以RIP（Routing Information Protocol）為典型代表［2］，其是完全以路由器的跳數作為計算源到目的地的度量值，在中小型網絡中能夠發揮一定作用。 隨著網絡規模擴大，RIP 路由協議主要問題比較突出。 其一，RIP 最大網絡距離為15 跳，16 跳時認為不可到達，限制了網絡范圍；其二，RIP 路由協議工作中需要不斷地發送更新報文，因此會占用一定的網絡帶寬，增加網絡開銷，影響網絡性能；其三，RIP 路由協議收斂速度比較慢，當網絡發生故障，要經過較長時間才能通知到所有路由器，因此在工程組網中RIP 協議應用較少。 鏈路狀態路由協議主要以開放最短路徑優先（Open Shortest Path First，OSPF）為典型代表［3］，該路由協議克服了RIP協議存在的一系列問題，對網絡發生的變化能夠快速響應，及時產生觸發式更新，網絡收斂速度快，因此在工程組網中應用得比較普遍。

1 OSPF 路由表形成原理

OSPF 路由協議是內部網關協議［4］，工作在一個自治系統中，用于自治系統內部路由信息交換，OSPF 形成路由表主要經歷了鄰居發現、DR／BDR選舉、路由通告、路由計算等階段。

1.1 鄰居發現

以圖1 中兩臺路由器為例，啟動OSPF 進程后，兩臺路由器分別從自己直連接口以224.0.0.5 為目的地址發送Hello 數據包；鄰居R2 收到來自R1 的Hello 數據包會將包中的R1 的Router－id 放入自己的鄰居表中，并將自身狀態標記為Init 狀態，然后將R1 的Router－id 放入Hello 包中，同樣以224.0.0.5為目的地址向鄰居R1 發送Hello 數據包；R1 在收到R2 發送過來的Hello 數據包，發現包中含有自己的Router－id，然后將自身狀態標記為Two－way 狀態，標志著鄰居關系已經建立，形成鄰居表。

圖1 鄰居發現拓撲圖Fig. 1 Neighbor discovery topology

1.2 DR （Designated Router）／BDR （ Backup Designated Router）選舉

在廣播或非廣播－ 多路訪問網絡（Non －Broadcast Multiple Access，NBMA）中，還需要完成DR／BDR 選舉。 DR 為指定路由器，負責將鏈路狀態變化信息通知到除BDR 以外的其它所有OSPF路由器；BDR 為備用路由器，負責監控DR 的狀態，當DR 發生故障時接替其工作。 DR／BDR 選舉原則為優先級高的為DR、優先級次高的為BDR；如果優先級相同，則Router－id 大的為DR，其次為BDR；如果未指定Router－id，則將路由器所有接口中IP 地址最大的作為Router－id。 如圖2 所示，交換機連接4 臺路由器，構成一個OSPF 區域，4 臺路由器優先級相同，IP 地址分別如圖2 中所示。 4 臺路由器都進行相應的配置，開啟OSPF 進程，待網絡穩定后，通過show ip ospf neighbor 查詢鄰居關系，發現R4作為DR、R3 作為BDR、R1 和R2 作為DROther。 4臺路由器優先級相同，在未配置Router－id 的情況下，將IP 地址作Router－id，R4 的IP 地址最大，因此選為DR；R3 的IP 地址排第二，因此被選作BDR；R1 和R2 作為DROther。 在網絡發生變化時，DROther 只向DR 和BDR 通告，再由DR 向其它的DROther 發出通告，這樣大大減少了網絡的廣播報文，提升了網絡性能。

圖2 DR／BDR 選舉拓撲圖Fig. 2 DR／BDR election topology

1.3 路由通告

運行OSPF 路由協議的路由器形成鄰接關系后，進入準啟動狀態發送鏈路狀態通告（Link－State Advertisement，LSA），主要將路由器接口、鏈路、鄰居的狀態等通過DBD 數據包，以224.0.0.5 通告給鄰居，形成鏈路狀態數據庫（Link State DataBase，LSDB）；對鏈路狀態數據庫和收到的DBD 的LSA 頭部進行比較，若自身數據庫中沒有LSA 就發送LSR（Link－State Request），鄰居收到LSR 后，回應LSU（Link－State Update）；收到鄰居發送的LSU 后，將新LSA 存儲到自己的鏈路狀態數據庫中，并發送鏈路狀態確認報文LSAck（Link－State Ack）；鄰居雙方都進入FULL 狀態，所有的OSPF 路由器都擁有相同鏈路狀態數據庫，形成網絡拓撲表。

1.4 路由計算

LSDB 同步后，同一區域的OSPF 路由器都擁有相同鏈路狀態數據庫，每臺路由器都以自己為根，利用最短路徑（Shortest Path First，SPF）算法生成一棵SPF 樹，然后把到達每個目的地址的最佳路由信息放進路由表中，完成路由計算。

2 OSPF 多區域互聯仿真實驗

Packet Tracer 是思科公司推出的一款網絡仿真軟件［5］，能夠實現網絡拓撲搭建以及網絡設備的相關配置，并且能夠進行網絡數據包分析，了解網絡運行機制。 本文利用Packet Tracer 進行了OSPF 多區域互聯仿真實驗。

2.1 搭建實驗環境

實驗拓撲如圖3 所示，骨干區域由R1、R2、R3這3 臺路由器兩兩相連，另外兩個標準區域Area1、Area2 分別通過R2 和R3 與骨干區域相連。 Area1中由R4、R5、R6 和R2 的Gig0／1 接口組成；Area2 由路由器R3 的Gig0／1 接口構成，PC1 通過R3 的Gig0／1 接口與整個網絡互聯。

圖3 多區域OSPF 路由實驗拓撲圖Fig. 3 Topology diagram of multi area OSPF routing experiment

2.2 規劃IP 地址

根據圖3 的實驗拓撲圖，網絡中各設備的物理連接見表1。 對3 個區域的網段和IP 地址進行規劃，具體分配情況見表2。

表1 網絡設備物理連接表Tab. 1 Physical connection table of network equipment

表2 IPv4 地址規劃表Tab. 2 IPv4 address planning table

2.3 應用配置

在IP 地址規劃完成后，需要在設備上完成接口IP 地址配置。 下面以路由器R1 為例進行配置，其它設備可按相應步驟配置即可。

2.3.1 路由器接口IP 地址配置

R1＃configure terminal ！ 進入全局模式

R1（config）＃interface gigabitEthernet0／0！ 進入端口Gig0／0

R1（config－if）＃ip address 10.1.1.1 255.255.255.0 ！ 配置IP 地址

R1（config－if）＃no shutdown！ 開啟該端口

R1（config－if）＃exit！ 返回全局模式

R1（config）＃interface gigabitEthernet0／1！ 進入端口Gig0／1

R1（config－if）＃ip address 10.1.3.1 255.255.255.0 ！ 配置IP 地址

R1（config－if）＃no shutdown！ 開啟該端口

R1（config－if）＃exit！ 返回全局模式

R1（config）＃interface Loopback 0！ 進入端口Loopback 0

R1（config－if）＃ip address 10.1.0.1 255.255.255.255 ！ 配置IP 地址

R1（config－if）＃end！ 返回特權模式

上述配置完成后，可通過show ip interface brief命令查看R1 端口的IP 地址配置，此時可見Gig0／0、Gig0／1、Loopback 0 端口狀態均已處于up 狀態。

2.3.2 骨干路由器OSPF 路由協議配置

骨干路由器是指至少有一個接口屬于Area 0區域，從拓撲圖中可以看出，R1、R2、R3 屬于骨干路由器，R1 的Gig0／0、Gig0／1 和Loopback 0 均屬于骨干區域；因為R2 的Gig0／1 和R3 的Gig0／1 屬于非骨干區域，所以R2、R3 也是邊界路由器，兩者同時維護著骨干區域鏈路狀態和各自所在非骨干區域的鏈路狀態。 下面以路由器R2 為例，配置OSPF 路由協議，路由器R1 和R3 用相似的步驟開啟路由協議。

R2＃configure terminal ！ 進入全局模式

R2（config）＃route ospf 100！ 開啟路由進程OSPF100

R2（config－router）＃router－id 10.1.0.3！ 配置Router－id

R2（config－router）＃network 10.1.3.0 0.0.0.255 area 0 ！ 通告10.1.3.0／24

R2（config－router）＃network 10.1.2.0 0.0.0.255 area 0 ！ 通告10.1.2.0／24

R2（config－router）＃network 10.1.0.3 0.0.0.0 area 0！ 通告10.1.0.3／32

R2（config－router）＃network 172.16.1.0 0.0.0.255 area 1 ！ 通告172.16.1.0／24

下面依次在R2、R3 上開啟路由進程，通過Packet Tracer 提供的仿真功能可以詳細查看OSPF路由形成的各個階段。 首先，R1、R2、R3 都以組播地址224.0.0.5 為目的地址，向鄰居發送Hello 報文。在相互交換Hello 報文后形成鄰居關系，在R1 可以通過show ip ospf neighbor 查看鄰居關系見表3。 由于是廣播式網絡，鄰居關系確定后需再進行DR／BDR 選取，待網絡穩定后，用show ip ospf neighbor查看R1 的鄰居關系，可以看出已選出DR／BDR，接口狀態也變成了FULL。 見表4，由于R1、R2、R3 的Router－id 都是用各自的Loopback 0 的IP 地址，R1的Router－id（10.1.0.1）最小，所以在各自的網絡中，R2、R3 分別被選舉為DR；在R2 的鄰居關系中，由于R2 的Router－id（10.1.0.3）最大，R1、R3 分別被選舉為BDR；在R3 的鄰居關系中，R1 被選舉為BDR、R2 被選舉為DR。

表3 R1 中鄰居關系狀態Tab.3 Neighbor relationship status in R1

表4 R1 中DR／BDR 選舉結果Tab. 4 DR／BDR election results in R1

DR／BDR 選舉完成后，可以在R1、R2、R3 設備上通過show ip ospf database 查看鏈路狀態數據庫，發現Area 0 的LSA 在3 臺路由器上一致，區域內的路由表也已經形成，在R1 上通過show ip route 查看路由過程如下：

Gateway of last resort is not set

10.0.0.0／8 is variably subnetted，9 subnets，2 masks

C 10.1.0.1／32 is directly connected， Loopback0

O 10.1.0.2／32 ［110／2］ via 10.1.1.2， 00：02：45， GigabitEthernet0／0

O 10.1.0.3／32 ［110／2］ via 10.1.3.2， 00：02：45， GigabitEthernet0／1

C 10. 1. 1. 0／24 is directly connected，GigabitEthernet0／0

L 10. 1. 1. 1／32 is directly connected，GigabitEthernet0／0

O 10.1.2.0／24 ［110／2］ via 10.1.1.2， 00：02：45， GigabitEthernet0／0

［110／2 ］ via 10. 1. 3. 2， 00： 02： 45，GigabitEthernet0／1

C 10. 1. 3. 0／24 is directly connected，GigabitEthernet0／1

L 10. 1. 3. 1／32 is directly connected，GigabitEthernet0／1

O IA 10.1.4.0／24 ［110／2］ via 10.1.1.2，00：02：45， GigabitEthernet0／0

172.16.0.0／24 is subnetted， 1 subnets

O IA 172.16.1.0／24 ［110／2］ via 10.1.3.2， 00：02：45， GigabitEthernet0／1

從顯示結果可見，區域內的路由已經全部形成，Area 0 區域能夠實現全部互通。

2.3.3 非骨干路由器OSPF 路由協議配置

非骨干路由器是指沒有接口在Area 0 區域。在圖3 拓撲圖中，非骨干路由器主要包括R4、R5、R6。 在R4、R5、R6 上開啟OSPF 路由協議，下面以R4 設備上的配置為例進行說明。 R5、R6 配置與之類似，不再贅述。

R4＃configure terminal ！ 進入全局模式

R4（config）＃router ospf 100！ 開啟路由進程OSPF 100

R4（config－router）＃router－id 172.16.0.2！ 配置Router－id

R4（config－router）＃network 172.16.1.0 0.0.0.255 area 1 ！ 通告172.16.1.0／24

R4（config－router）＃network 172.16.2.0 0.0.0.255 area 1 ！ 通告172.16.2.0／24

R4（config－router）＃network 172.16.3.0 0.0.0.255 area1 ！ 通告172.16.3.0／24

R4（config－router）＃network 172.16.0.2 0.0.0.0 area 1！ 通告172.16.0.2／32

通過show ip ospf neighbor 在設備R6 上查看鄰居關系，發現R4 變成了DR。 按照Router－id 越大越優先的原則，R6 應被選舉為DR，造成這種情況的主要原因是：R6 啟動OSPF 路由進程時已經超過了R4 的等待時間，因此首先啟動的路由器R4 成為DR。 通過clear ip ospf process 命令重啟R4、R6 的OSPF 路由進程，R6 被重新選取為DR。

在區域邊界路由器（ABR）R2 上，通過show ip ospf database 命令查看LSA 數據庫信息。 可以看到，Area 0 中的1 類LSA 路由器鏈狀態、2 類LSA 網絡鏈路狀態、3 類LSA 匯總網絡鏈路狀態，如圖4 所示；同樣在Area 1 中也能看到上述3 種鏈路狀態；從此可以看出，區域邊界路由器是分別維護各自區域的鏈路狀態數據庫。 在R2 上通過show ip route命令查看路由表，顯示了Area 0 和Area 1 兩區域的明細路由信息。 在R2 中進入OSPF 進程通過area 1 range 172.16.0.0 255.255.0.0 對Area 1 進行鏈路狀態匯總（如圖5 所示），只保留了172.16.0.0 這一條總的鏈路，減少了鏈路狀態數目，提升了區域邊界路由器性能。 在Area2 區域中測試PC1 與Area1 區域中R5 的連通性。 如圖6 所示，從PC1 到R5，可以看出已實現了互通。

圖4 R2 設備中Area 0 區域鏈路狀態庫Fig. 4 Area 0 link state library in R2 device

圖5 匯總后R2 設備中Area 0 區域鏈路狀態庫Fig. 5 Link state library of area 0 in R2 equipment after summary

圖6 PC1 至R5 連通性測試Fig. 6 PC1 to R5 connectivity test

3 結束語

OSPF 路由協議通過鄰居發現、鏈路狀態通告、路由計算等幾個環節形成路由表，通過Packet Tracer 軟件仿真能夠觀察到OSPF 協議工作的每個環節，通過仿真實驗對OSPF 協議原理有更深入的理解。 利用多區域OSPF 協議組網，將大型網絡分隔為多個較小網絡，能夠把拓撲變化控制在區域內，有效控制LSA 洪泛的范圍；在區域邊界做路由匯總，減小了路由表，提高了網絡的穩定性和擴展性，有利于組建大規模的網絡。