论文部分内容阅读
摘要：在当下社会中，有越来越多的企业开始构建自己的互联网平台，纷纷将自己的线下业务转移到线上，这不仅为企业节省了成本，也为企业带来了核心竞争力。文中探讨的是OSPF路由协议，它是一种内部网关路由协议，由于其众多的特点和优势，目前被大量的部署在企业核心网中，因此作为企业的运维人员，掌握OSPF协议的基本原理和配置方法就显得尤为重要。该文在后半部分使用GNS3模拟器来为读者搭建一个OSPF网络实训仿真环境，为读者学习OSPF技术原理和动手实操奠定基础，因此该文具有一定的参考意义。
关键词：企业网；OSPF协议；IGP；网络仿真；GNS3
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）36-0030-02
1 概述
目前，计算机网络已经变成为每个人工作、学习和生活的重要组成部分。企业也利用网络来降低运营成本，提高员工工作效率，加强其核心竞争力，通过网络来推广和营销自己的品牌。世界上最大的网络是Internet，只要企业将网络加入其中，便可与全世界的客户做生意，可见网络平台在战略上对企业具有何等的重要性。本文探讨的OSPF协议是一种路由协议，路由协议是企业网的基石，没有路由协议作保障，企业网便无从架构。路由协议有许多种分类方法，按照路由算法来分，主要有距离矢量型和链路状态型路由协议，OSPF是典型的链路状态型路由协议；按照协议作用的范围来分，主要有内部网关型和外部网关型路由协议，OSPF是典型的内部网关型路由协议；按照路由的获取方式来分，主要有直连路由、静态路由和动态路由，OSPF是典型的动态路由协议。不管怎样分类，常见的路由协议都只有以下几种：RIP、OSPF、ISIS、EIGRP和BGP。由于OSPF具有众多优势，因此在企业网路由协议竞争中脱颖而出，成为了主流，其优势主要体现在：开放性，任何厂商设备都支持OSPF协议，这意味着不同品牌的设备可以很好的兼容在一起，不像EIGRP是思科私有协议，只能在思科设备上使用；无路由环路，路由环路的危害不言而喻，可以导致数据丢失；快速收敛，收敛是指当网络拓扑发生变化时，网络中所有设备从感知变化到学习变化，最终达到同步的过程，该过程应该越短越好；开销低，OSPF对链路开销的占用非常小，不像RIP那样占用太多的链路带宽以及消耗太多的终端设备资源；安全可靠，OSPF提供MD5认证，只有经过认证的设备之间才可以相互学习路由，避免恶意学习；支持网络规模大，RIP支持的最大跳数是15跳，因此网络规模很小，而OSPF没有这一限制，理论上可以在同一个区域内放置上百台OSPF路由器；OSPF可以很好地支持各种二层网络，不管是以太网链路，还是广域网链路，都可以完美的运行在其之上；最后，OSPF支持VLSM技术和CIDR技术，既可以实现可变长子网掩码划分，又可以实现路由汇总。
2 OSPF协议中的基本概念
区域：OSPF协议中引入了“区域”这个概念，划分区域的好处在于可以将一个大的管理范围变成若干个小的管理区域，区域内的路由器只需要维护本区域的LSDB即可，并不需要知道其他区域的LSDB，这样就降低了运行OSPF路由器的性能要求，使得性能一般的路由器也可以运行OSPF；同时，区域内的拓扑变化也不会殃及到其他区域，使得其他区域内的路由器频繁执行SPF算法，导致其性能下降；再者，区域间的关系并不是平等的关系，其中有一个区域被称为骨干区域，其他区域被称为非骨干区域，非骨干区域必须连接到骨干区域，目的是为了防止路由环路，非骨干区域的路由要想传递到其他非骨干区域，必须经过骨干区域中转才行，这样就保证了区域间的无环路。任何形式的非骨干区域直接互联都被视作为不规范操作，但可以通过虚链接来解决。
OSPF路由器类型：区域内路由器、区域边界路由器、自治系统边界路由器和骨干路由器。路由器的所有接口都在同一个区域称为区域内路由器，简称IR；连接骨干区域和非骨干区域的路由器称为区域边界路由器，简称ARB，ABR至少有一个接口在骨干区域中；自治系统边界路由器是指引入外部路由的路由器，其位置不一定是在边界，简称ASBR；骨干路由器处在骨干区域中，或者至少有一个接口在骨干区域即可，简称BR。
RID：每一个运行OSPF协议的路由器都要有一个RID，RID相当于路由器的身份证，要求每一个OSPF路由器的RID不能一樣，RID可以自动产生，也可以手工指定。如果是自动产生，那么规则是看路由器上有没有开启环回口，如果有则选取环回口上最大的IP地址作为该路由器的RID，如果没有开启环回口，则选择有效物理接口上的最大IP地址作为该路由器的RID。这里我们建议手工指定一个环回口IP地址作为路由器的RID，选取环回口的原因是环回口稳定，不会像物理接口那样受外因作用而反复的开启或断开。
三张表：OSPF使用三张表格以确保其正常运行，分别是邻居表、链路状态数据库和OSPF路由表。邻居表里面存放的都是自己直连的邻居，OSPF会定期从OSPF接口发送Hello包，报文中携带有一些相关参数，只有参数协商成功以后才可以建立邻居关系，Hello包发送间隔为10S或30S，依二层网络类型来决定。链路状态数据库简称LSDB，是同一区域内所有LSA的集合，可以把LSDB想象成是本区域的地图，运行OSPF协议的路由器会执行SPF算法，以自己为根计算到达各目的地的最短路径。理解LSDB中各种LSA是深入学习OSPF的必经之路。OSPF路由表又称为OSPF协议路由表，它有别于全局的IP路由表，OSPF路由表存放的是OSPF协议发现的最佳路由，这条最佳路由能否放进全局IP路由表还需要进一步比较才可以。言下之意，只有最优的路由，不管其如何产生的，才可以放进全局IP路由表。
管理距离和度量值：管理距离是Cisco的叫法，在华为技术文档中，管理距离又称为优先级，二者同义，每个厂商都事先定义管理距离值，不同厂商值还不一样，但值越小越优先，该值主要是用来在不同路由协议下的比较，即当路由器发现可以从多个路由协议学习到去往同一目的地的路由，那么就比较它们的管理距离，只有值最小的那条路由才放入IP路由表；度量值主要用于同一协议下的比较，不同路由协议对度量值的定义各不同，比如RIP的度量值是跳数，OSPF的度量值是开销，但不管怎样，都是越小越优先。当路由器发现同一协议下有多条去往同一目的地的路由，则选择度量值最小的路由放入OSPF协议路由表，能否放入全局IP路由表，还需要进一步比较。 OSPF报文类型：OSPF协议有5中报文，分别是Hello、DD、LSR、LSU和LSAck。Hello报文主要用于发现直连链路上的邻居，以及维护OSPF邻居关系。DD报文分为2个阶段，第一个阶段用于确定主/从关系，第二阶段则发送只含有LSA头部的DD报文，通过DD报文的交互，路由器知道了对方的所有LSA，然后与本地LSA进行比较，如果有自己没有的LSA，则向对方发送LSR，请求完整的LSA，对方在收到LSR之后，将包含完整LSA的LSU发送回来，LSU中可以包含一条或多条LSA，在收到对方的LSU之后，本地发送LSAck用于向对方确认。
OSPF网络类型：点到点类型、广播型多路访问类型、非广播型多路访问类型和点到多点网络类型。OSPF会根据其二层网络类型来决定自己的运行方式。点对点类型即P2P对应的二层网络类型是PPP或HDLC，该类型网络不需要选取DR和BDR，Hello报文发送间隔为10S；广播型多路访问类型即BMA对应的二层网络类型是以太网，该网络类型需要选取DR和BDR，DR和BDR相当于班长和副班长，所有的DROther只要和DR及BDR建立邻接关系即可，DROther之间则不需要建立邻接关系，Hello报文发送间隔为10S；非广播型多路访问类型即NBMA对应的网络类型是大家所熟知的帧中继，该网络类型也需要选取DR和BDR，但Hello报文发送间隔为30S；点到多点网络类型即P2MP，该网络类型不需要选取DR和BDR，Hello报文发送间隔同样为30S。
OSPFLSA类型：常见的OSPF LSA类型主要有以下5种，1类LSA：区域内的每台路由器都会产生1类LSA，描述的是该路由器所有OSPF直连接口的状况和COST值，其作用相当于对“家门口”网络情况进行描述，只在其所在区域内传递；2类LSA：由DR产生，描述的是所有接入MA网络中与之形成邻接关系的路由器，只在其所在区域内传递，1类LSA和2类LSA描述的是同一个区域内的网络情况；3类LSA由ABR产生，描述的是去往其他区域的路由，区域间的路由传递主要靠3类LSA；4类LSA：由ABR产生，用于描述如何去往ASBR；5类LSA：由ASBR产生，是用于描述如何去往本AS之外的外部路由。
OSPF特殊区域：Stub区域、完全Stub区域、NSSA区域和完全NSSA区域。不同区域允许存在的LSA如下表所示：
3 OSPF多区域配置
如下图所示，R1和R2是两台汇聚层路由器，他们各自下挂着两个网段，同时上连核心层路由器CORE，现在要求在这三台路由器上部署OSPF，采用多区域OSPF设计，使得全网各个网段都能够实现数据互通。
当配置完成以后，R1、R2和CORE之间的设备就可以正常通信了，在这里稍微强调一下OSPF协议当中的路由类型和优先级。OSPF的路由类型有4种，分别是区域内路由、区域间路由、1类外部路由和2类外部路由。区域内路由是指路由器根据区域内泛洪的1类LSA和2类LSA计算得到的路由，利用这些路由，路由器可以到達其所在区域的任何目的网段。区域间路由是指路由器根据3类LSA计算得到的路由，使用这些路由，路由器可以到达区域外的目的网段。外部路由是指路由器根据5类LSA计算得到的去往OSPF域外的目的地，这些域外路由通常都是通过重分发引入到OSPF域内的。外部路由有2类，区别在于计算COST值的方式。优先级反应的是路由可信度，以此为依据则区域内路由优于区域间路由；区域间路由由于1类外部路由；1类外部路由优于2类外部路由。
4 结束语
OSPF路由协议是目前企业使用最广的一种IGP路由协议，依靠其自身诸多优点，目前被大量企业所采用，研究OSPF协议的工作原理和配置方法具有相当大的现实意义，本文探讨的仅仅是OSPF协议的基本概念和基本配置，OSPF协议还有许多理论值得去学习和挖掘。希望本文对学习OSPF路由协议的读者起到一定的帮助作用，为今后更深入学习打好基础。
参考文献：
[1] 刘炳松，洪伟珍.OSPF路由协议的算法原理与仿真实现[J].电脑知识与技术，2014.
[2] 郭佳.多区域OSPF路由协议实验的设计与实现[J].科技创新与应用，2017.
[3] 罗问陶.解析OSPF路由协议研究及应用[J].网络安全技术与应用，2016.
[4] 王琦进，施欢.OSPF高效路由协议的设计与优化[J].哈尔滨师范大学自然科学学报，2016.
关键词：企业网；OSPF协议；IGP；网络仿真；GNS3
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）36-0030-02
1 概述
目前，计算机网络已经变成为每个人工作、学习和生活的重要组成部分。企业也利用网络来降低运营成本，提高员工工作效率，加强其核心竞争力，通过网络来推广和营销自己的品牌。世界上最大的网络是Internet，只要企业将网络加入其中，便可与全世界的客户做生意，可见网络平台在战略上对企业具有何等的重要性。本文探讨的OSPF协议是一种路由协议，路由协议是企业网的基石，没有路由协议作保障，企业网便无从架构。路由协议有许多种分类方法，按照路由算法来分，主要有距离矢量型和链路状态型路由协议，OSPF是典型的链路状态型路由协议；按照协议作用的范围来分，主要有内部网关型和外部网关型路由协议，OSPF是典型的内部网关型路由协议；按照路由的获取方式来分，主要有直连路由、静态路由和动态路由，OSPF是典型的动态路由协议。不管怎样分类，常见的路由协议都只有以下几种：RIP、OSPF、ISIS、EIGRP和BGP。由于OSPF具有众多优势，因此在企业网路由协议竞争中脱颖而出，成为了主流，其优势主要体现在：开放性，任何厂商设备都支持OSPF协议，这意味着不同品牌的设备可以很好的兼容在一起，不像EIGRP是思科私有协议，只能在思科设备上使用；无路由环路，路由环路的危害不言而喻，可以导致数据丢失；快速收敛，收敛是指当网络拓扑发生变化时，网络中所有设备从感知变化到学习变化，最终达到同步的过程，该过程应该越短越好；开销低，OSPF对链路开销的占用非常小，不像RIP那样占用太多的链路带宽以及消耗太多的终端设备资源；安全可靠，OSPF提供MD5认证，只有经过认证的设备之间才可以相互学习路由，避免恶意学习；支持网络规模大，RIP支持的最大跳数是15跳，因此网络规模很小，而OSPF没有这一限制，理论上可以在同一个区域内放置上百台OSPF路由器；OSPF可以很好地支持各种二层网络，不管是以太网链路，还是广域网链路，都可以完美的运行在其之上；最后，OSPF支持VLSM技术和CIDR技术，既可以实现可变长子网掩码划分，又可以实现路由汇总。
2 OSPF协议中的基本概念
区域：OSPF协议中引入了“区域”这个概念，划分区域的好处在于可以将一个大的管理范围变成若干个小的管理区域，区域内的路由器只需要维护本区域的LSDB即可，并不需要知道其他区域的LSDB，这样就降低了运行OSPF路由器的性能要求，使得性能一般的路由器也可以运行OSPF；同时，区域内的拓扑变化也不会殃及到其他区域，使得其他区域内的路由器频繁执行SPF算法，导致其性能下降；再者，区域间的关系并不是平等的关系，其中有一个区域被称为骨干区域，其他区域被称为非骨干区域，非骨干区域必须连接到骨干区域，目的是为了防止路由环路，非骨干区域的路由要想传递到其他非骨干区域，必须经过骨干区域中转才行，这样就保证了区域间的无环路。任何形式的非骨干区域直接互联都被视作为不规范操作，但可以通过虚链接来解决。
OSPF路由器类型：区域内路由器、区域边界路由器、自治系统边界路由器和骨干路由器。路由器的所有接口都在同一个区域称为区域内路由器，简称IR；连接骨干区域和非骨干区域的路由器称为区域边界路由器，简称ARB，ABR至少有一个接口在骨干区域中；自治系统边界路由器是指引入外部路由的路由器，其位置不一定是在边界，简称ASBR；骨干路由器处在骨干区域中，或者至少有一个接口在骨干区域即可，简称BR。
RID：每一个运行OSPF协议的路由器都要有一个RID，RID相当于路由器的身份证，要求每一个OSPF路由器的RID不能一樣，RID可以自动产生，也可以手工指定。如果是自动产生，那么规则是看路由器上有没有开启环回口，如果有则选取环回口上最大的IP地址作为该路由器的RID，如果没有开启环回口，则选择有效物理接口上的最大IP地址作为该路由器的RID。这里我们建议手工指定一个环回口IP地址作为路由器的RID，选取环回口的原因是环回口稳定，不会像物理接口那样受外因作用而反复的开启或断开。
三张表：OSPF使用三张表格以确保其正常运行，分别是邻居表、链路状态数据库和OSPF路由表。邻居表里面存放的都是自己直连的邻居，OSPF会定期从OSPF接口发送Hello包，报文中携带有一些相关参数，只有参数协商成功以后才可以建立邻居关系，Hello包发送间隔为10S或30S，依二层网络类型来决定。链路状态数据库简称LSDB，是同一区域内所有LSA的集合，可以把LSDB想象成是本区域的地图，运行OSPF协议的路由器会执行SPF算法，以自己为根计算到达各目的地的最短路径。理解LSDB中各种LSA是深入学习OSPF的必经之路。OSPF路由表又称为OSPF协议路由表，它有别于全局的IP路由表，OSPF路由表存放的是OSPF协议发现的最佳路由，这条最佳路由能否放进全局IP路由表还需要进一步比较才可以。言下之意，只有最优的路由，不管其如何产生的，才可以放进全局IP路由表。
管理距离和度量值：管理距离是Cisco的叫法，在华为技术文档中，管理距离又称为优先级，二者同义，每个厂商都事先定义管理距离值，不同厂商值还不一样，但值越小越优先，该值主要是用来在不同路由协议下的比较，即当路由器发现可以从多个路由协议学习到去往同一目的地的路由，那么就比较它们的管理距离，只有值最小的那条路由才放入IP路由表；度量值主要用于同一协议下的比较，不同路由协议对度量值的定义各不同，比如RIP的度量值是跳数，OSPF的度量值是开销，但不管怎样，都是越小越优先。当路由器发现同一协议下有多条去往同一目的地的路由，则选择度量值最小的路由放入OSPF协议路由表，能否放入全局IP路由表，还需要进一步比较。 OSPF报文类型：OSPF协议有5中报文，分别是Hello、DD、LSR、LSU和LSAck。Hello报文主要用于发现直连链路上的邻居，以及维护OSPF邻居关系。DD报文分为2个阶段，第一个阶段用于确定主/从关系，第二阶段则发送只含有LSA头部的DD报文，通过DD报文的交互，路由器知道了对方的所有LSA，然后与本地LSA进行比较，如果有自己没有的LSA，则向对方发送LSR，请求完整的LSA，对方在收到LSR之后，将包含完整LSA的LSU发送回来，LSU中可以包含一条或多条LSA，在收到对方的LSU之后，本地发送LSAck用于向对方确认。
OSPF网络类型：点到点类型、广播型多路访问类型、非广播型多路访问类型和点到多点网络类型。OSPF会根据其二层网络类型来决定自己的运行方式。点对点类型即P2P对应的二层网络类型是PPP或HDLC，该类型网络不需要选取DR和BDR，Hello报文发送间隔为10S；广播型多路访问类型即BMA对应的二层网络类型是以太网，该网络类型需要选取DR和BDR，DR和BDR相当于班长和副班长，所有的DROther只要和DR及BDR建立邻接关系即可，DROther之间则不需要建立邻接关系，Hello报文发送间隔为10S；非广播型多路访问类型即NBMA对应的网络类型是大家所熟知的帧中继，该网络类型也需要选取DR和BDR，但Hello报文发送间隔为30S；点到多点网络类型即P2MP，该网络类型不需要选取DR和BDR，Hello报文发送间隔同样为30S。
OSPFLSA类型：常见的OSPF LSA类型主要有以下5种，1类LSA：区域内的每台路由器都会产生1类LSA，描述的是该路由器所有OSPF直连接口的状况和COST值，其作用相当于对“家门口”网络情况进行描述，只在其所在区域内传递；2类LSA：由DR产生，描述的是所有接入MA网络中与之形成邻接关系的路由器，只在其所在区域内传递，1类LSA和2类LSA描述的是同一个区域内的网络情况；3类LSA由ABR产生，描述的是去往其他区域的路由，区域间的路由传递主要靠3类LSA；4类LSA：由ABR产生，用于描述如何去往ASBR；5类LSA：由ASBR产生，是用于描述如何去往本AS之外的外部路由。
OSPF特殊区域：Stub区域、完全Stub区域、NSSA区域和完全NSSA区域。不同区域允许存在的LSA如下表所示：
3 OSPF多区域配置
如下图所示，R1和R2是两台汇聚层路由器，他们各自下挂着两个网段，同时上连核心层路由器CORE，现在要求在这三台路由器上部署OSPF，采用多区域OSPF设计，使得全网各个网段都能够实现数据互通。
当配置完成以后，R1、R2和CORE之间的设备就可以正常通信了，在这里稍微强调一下OSPF协议当中的路由类型和优先级。OSPF的路由类型有4种，分别是区域内路由、区域间路由、1类外部路由和2类外部路由。区域内路由是指路由器根据区域内泛洪的1类LSA和2类LSA计算得到的路由，利用这些路由，路由器可以到達其所在区域的任何目的网段。区域间路由是指路由器根据3类LSA计算得到的路由，使用这些路由，路由器可以到达区域外的目的网段。外部路由是指路由器根据5类LSA计算得到的去往OSPF域外的目的地，这些域外路由通常都是通过重分发引入到OSPF域内的。外部路由有2类，区别在于计算COST值的方式。优先级反应的是路由可信度，以此为依据则区域内路由优于区域间路由；区域间路由由于1类外部路由；1类外部路由优于2类外部路由。
4 结束语
OSPF路由协议是目前企业使用最广的一种IGP路由协议，依靠其自身诸多优点，目前被大量企业所采用，研究OSPF协议的工作原理和配置方法具有相当大的现实意义，本文探讨的仅仅是OSPF协议的基本概念和基本配置，OSPF协议还有许多理论值得去学习和挖掘。希望本文对学习OSPF路由协议的读者起到一定的帮助作用，为今后更深入学习打好基础。
参考文献：
[1] 刘炳松，洪伟珍.OSPF路由协议的算法原理与仿真实现[J].电脑知识与技术，2014.
[2] 郭佳.多区域OSPF路由协议实验的设计与实现[J].科技创新与应用，2017.
[3] 罗问陶.解析OSPF路由协议研究及应用[J].网络安全技术与应用，2016.
[4] 王琦进，施欢.OSPF高效路由协议的设计与优化[J].哈尔滨师范大学自然科学学报，2016.