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動態(tài)路由協(xié)議OSPF原理和特性

動態(tài)路由協(xié)議簡介

路由和路由協(xié)議

顧名思義,動態(tài)路由協(xié)議是一些動態(tài)生成(或?qū)W習到)路由信息的協(xié)議。在計算機網(wǎng)絡互聯(lián)技術(shù)領(lǐng)域,我們可以把路由定義如下,路由是指導IP報文發(fā)送的一些路徑信息。動態(tài)路由協(xié)議是網(wǎng)絡設備如路由器(Router)學習網(wǎng)絡中路由信息的方法之一,這些協(xié)議使路由器能動態(tài)地隨著網(wǎng)絡拓撲中產(chǎn)生(如某些路徑的失效或新路由的產(chǎn)生等)的變化,更新其保存的路由表,使網(wǎng)絡中的路由器在較短的時間內(nèi),無需網(wǎng)絡管理員介入自動地維持一致的路由信息,使整個網(wǎng)絡達到路由收斂狀態(tài),從而保持網(wǎng)絡的快速收斂和高可用性。

路由器學習路由信息、生成并維護路由表的方法包括直連路由(Direct)、靜態(tài)路由(Static)和動態(tài)路由(Dynamic)。直連路由是由鏈路層協(xié)議發(fā)現(xiàn)的,一般指去往路由器的接口地址所在網(wǎng)段的路徑,該路徑信息不需要網(wǎng)絡管理員維護,也不需要路由器通過某種算法進行計算獲得,只要該接口處于活動狀態(tài)(Active),路由器就會把通向該網(wǎng)段的路由信息填寫到路由表中去,直連路由無法使路由器獲取與其不直接相連的路由信息。靜態(tài)路由是由網(wǎng)絡規(guī)劃者根據(jù)網(wǎng)絡拓撲,使用命令在路由器上配置的路由信息,這些靜態(tài)路由信息指導報文發(fā)送,靜態(tài)路由方式也不需要路由器進行計算,但是它完全依賴于網(wǎng)絡規(guī)劃者,當網(wǎng)絡規(guī)模較大或網(wǎng)絡拓撲經(jīng)常發(fā)生改變時,網(wǎng)絡管理員需要做的工作將會非常復雜并且容易產(chǎn)生錯誤。而動態(tài)路由的方式使路由器能夠按照特定的算法自動計算新的路由信息,適應網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的變化。

動態(tài)路由協(xié)議的分類

按照區(qū)域(指自治系統(tǒng)),動態(tài)路由協(xié)議可分為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議IGP(Interior Gateway Protocol)和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議EGP(Exterior Gateway Protocol),按照所執(zhí)行的算法,動態(tài)路由協(xié)議可分為距離向量路由協(xié)議(Distance Vector)、鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(Link State),以及思科公司開發(fā)的混合型路由協(xié)議,如圖1所示。

本文著重討論自治系統(tǒng)內(nèi)部的鏈路狀態(tài)協(xié)議OSPF的原理,并結(jié)合距離向量協(xié)議作一些簡單的比較。 OSPF協(xié)議的特點

OSPF全稱為開放最短路徑優(yōu)先。“開放”表明它是一個公開的協(xié)議,由標準協(xié)議組織制定,各廠商都可以得到協(xié)議的細節(jié)。“最短路徑優(yōu)先”是該協(xié)議在進行路由計算時執(zhí)行的算法。OSPF是目前內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議中使用最為廣泛、性能最優(yōu)的一個協(xié)議,它具有以下特點:

◆ 可適應大規(guī)模的網(wǎng)絡;

◆ 路由變化收斂速度快;

◆ 無路由自環(huán);

◆ 支持變長子網(wǎng)掩碼(VLSM);

◆ 支持等值路由;

◆ 支持區(qū)域劃分;

◆ 提供路由分級管理;

◆ 支持驗證;

◆ 支持以組播地址發(fā)送協(xié)議報文。

采用OSPF協(xié)議的自治系統(tǒng),經(jīng)過合理的規(guī)劃可支持超過1000臺路由器,這一性能是距離向量協(xié)議如RIP等無法比擬的。距離向量路由協(xié)議采用周期性地發(fā)送整張路由表來使網(wǎng)絡中路由器的路由信息保持一致,這個機制浪費了網(wǎng)絡帶寬并引發(fā)了一系列的問題,下面對此將作簡單的介紹。

路由變化收斂速度是衡量一個路由協(xié)議好壞的一個關(guān)鍵因素。在網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化時,網(wǎng)絡中的路由器能否在很短的時間內(nèi)相互通告所產(chǎn)生的變化并進行路由的重新計算,是網(wǎng)絡可用性的一個重要的表現(xiàn)方面。

OSPF采用一些技術(shù)手段(如SPF算法、鄰接關(guān)系等)避免了路由自環(huán)的產(chǎn)生。在網(wǎng)絡中,路由自環(huán)的產(chǎn)生將導致網(wǎng)絡帶寬資源的極大耗費,甚至使網(wǎng)絡不可用。OSPF協(xié)議從根本(算法本身)上避免了自環(huán)的產(chǎn)生。采用距離向量協(xié)議的RIP等協(xié)議,路由自環(huán)是不可避免的。為了完善這些協(xié)議,只能采取若干措施,在自環(huán)發(fā)生前,降低其發(fā)生的概率,在自環(huán)發(fā)生后,減小其影響范圍和時間。

在IP(IPV4)地址日益匱乏的今天,能否支持變長子網(wǎng)掩碼(VLSM)來節(jié)省IP地址資源,對一個路由協(xié)議來說是非常重要的,OSPF能夠滿足這一要求。

在采用OSPF協(xié)議的網(wǎng)絡中,如果通過OSPF計算出到同一目的地有兩條以上代價(Metric)相等的路由,該協(xié)議可以將這些等值路由同時添加到路由表中。這樣,在進行轉(zhuǎn)發(fā)時可以實現(xiàn)負載分擔或負載均衡。

在支持區(qū)域劃分和路由分級管理上,OSPF協(xié)議能夠適合在大規(guī)模的網(wǎng)絡中使用。

在協(xié)議本身的安全性上,OSPF使用驗證,在鄰接路由器間進行路由信息通告時可以指定密碼,從而確定鄰接路由器的合法性。

與廣播方式相比,用組播地址來發(fā)送協(xié)議報文可以節(jié)省網(wǎng)絡帶寬資源。

從衡量路由協(xié)議性能的角度,我們可以看出,OSPF協(xié)議確實是一個比較先進的動態(tài)路由協(xié)議,這也是它得到廣泛采用的主要原因。

OSPF協(xié)議的工作原理

網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

上文提到,OSPF協(xié)議是一種鏈路狀態(tài)協(xié)議,那么OSPF是如何來描述鏈路連接狀況呢?

抽象模型Model 1表示路由器的一個以太網(wǎng)接口不連接其他路由器,只連接了一個以太網(wǎng)段。此時,對于運行 OSPF的路由器R1,只能識別本身,無法識別該網(wǎng)段上的設備(主機等);抽象模型Model 2表示路由器R1通過點對點鏈路(如PPP、HDLC等)連接一臺路由器R2;抽象模型Model 3表示路由器R1通過點對多點(如Frame Relay、X.25等)鏈路連接多臺路由器R3、R4等,此時路由器R5、R6之間不進行互聯(lián);抽象模型Model 4表示路由器R1通過點對多點(如Frame Relay、X.25等)鏈路連接多臺路由器R5、R6等,此時路由器R5、R6之間互聯(lián)。以上抽象模型著重于各類鏈路層協(xié)議的特點,而不涉及具體的鏈路層協(xié)議細節(jié)。該模型基本表達了當前網(wǎng)絡鏈路的連接種類。

在OSPF協(xié)議中,分別對以上四種鏈路狀態(tài)類型作了描述:

對于抽象模型Model 1(以太網(wǎng)鏈路),使用Link ID(連接的網(wǎng)段)、Data(掩碼)、Type(類型)和Metric(代價)來描述。此時的Link ID即為路由器R1接口所在網(wǎng)段,Data為所用掩碼,Type為3(Stubnet),Metric為代價值。

對于抽象模型Model 2(點對點鏈路),先使用Link ID(連接的網(wǎng)段)、Data(掩碼)、Type(類型)和Metric(代價)來描述接口路由,以上各參數(shù)與Model 1相似。接下來描述對端路由器R2,四個參數(shù)名不變,但其含義有所不同。此時Link ID為路由器R2的Router ID,Data為路由器R2的接口地址,Type為1(Router),Metric仍為代價值。

對于抽象模型Model 3(點對多點鏈路,不全連通),先使用Link ID(連接的網(wǎng)段)、Data(掩碼)、Type(類型)和Metric(代價)來描述接口路由,以上各參數(shù)與Model 1相似。接下來分別描述對端路由器R3、R4的方法,與在Model 2中描述R2類似。

對于抽象模型Model 4(點對多點鏈路,全連通),先使用Link ID(網(wǎng)段中DR的接口地址)、Data(本接口的地址)、Type(類型)和Metric(代價)來描述接口路由。此時Type值為2(Transnet),然后是本網(wǎng)段中DR(指定路由器)描述的連接通告。

路由器在通報其獲知的鏈路狀態(tài)(即上面所述的參數(shù))前,加上LSA頭(Link State Advertisement Head),從而生成LSA(鏈路狀態(tài)廣播)。到此,路由器通過LSA完成周邊網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)描述,并發(fā)送給網(wǎng)絡中的其他路由器。

計算路由

路由器完成周邊網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)的描述(生成LSA)后,發(fā)送給網(wǎng)絡中的其他路由器,每臺路由器生成鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(LSDB)。路由器開始執(zhí)行SPF(最短路徑優(yōu)先)算法計算路由,路由器以自己為根節(jié)點,把LSDB中的條目與LSA進行對比,經(jīng)過若干次的遞歸和回溯,直至路由器把所有LSA中包含的網(wǎng)段都找到路徑(把該路由填入路由表中),此時意味著所到達的該段鏈路的類型標識為3(Stubnet)。

確保LSA在路由器間傳送的可靠性

從上文可以知道,作為鏈路狀態(tài)協(xié)議的OSPF的工作機制,與RIP等距離向量的路由協(xié)議是不一樣的。距離向量路由協(xié)議是通過周期性地發(fā)送整張路由表,來使網(wǎng)絡中的路由器的路由信息保持一致。這種機制存在著上文提到的一些弊病。而OSPF協(xié)議將包含路由信息的部分與只包含路由器間鄰接關(guān)系的部分分開,它使用一種被稱作Hello的數(shù)據(jù)包來確認鄰接關(guān)系,這個數(shù)據(jù)包非常小,它僅被用來發(fā)現(xiàn)和維持鄰接關(guān)系。

在路由器R1初始化完成后,它將向路由器R2發(fā)送Hello數(shù)據(jù)包。此時R1并不知道R2的存在,因此在數(shù)據(jù)包中不包含R2的信息(參數(shù)seen=0)。而R2在接收到該數(shù)據(jù)包后,將向R1發(fā)送Hello包。此時,Hello包中將表明它已知道存在R1這個鄰居。R1收到這個回應包后就會知道鄰居R2的存在,并且鄰居R2也知道了自己的存在(參數(shù)seen=R1)。此時在路由器R1和R2之間就建立了鄰接關(guān)系,它們就可以把LSA發(fā)送給對方。當然,在發(fā)送時OSPF考慮到要盡量減少占用的帶寬,它采用了一些技巧,我們將在下一節(jié)簡單介紹這些內(nèi)容。

眾所周知,IP協(xié)議是一種不可靠的、面向無連接的協(xié)議,它本身沒有確認和錯誤重傳機制。那么,在這種協(xié)議基礎之上,要做到數(shù)據(jù)包丟失或出錯后進行重傳,上層協(xié)議必須本身具備這種可靠的機制。OSPF采取了與TCP類似的確認和超時重傳機制。在機制中,R1和R2將進行一種被稱作鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫描述(DD)的數(shù)據(jù)包的互傳。首先進行協(xié)商,從而確定兩者之間的主從關(guān)系(根據(jù)路由器ID號,ID號大的將作為Master)。鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫描述(DD)數(shù)據(jù)包中包含了一些參數(shù),序列號(seq)、報文號(I)、結(jié)尾標識(M)及主從標志(MS)。從屬路由器將使用主路由器發(fā)出的DD包中的序列號(seq),作為自己的第一個DD包的序列號。當主路由器收到從屬路由器的DD包時,就能確認鄰接路由器已收到自己的數(shù)據(jù)包(如果沒有收到或收到的DD包的序列號不是自己一個DD包的序列號,主路由器將重傳上一個DD包),主路由器將序列號加1(只有主路由器才有權(quán)改變序列號,而從屬路由器沒有),并發(fā)送下一個DD包,該過程的重復保證了在OSPF協(xié)議中數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臏蚀_性,從而為OSPF協(xié)議成為一個準確的路由協(xié)議打下了基礎。

高效率地進行LSA的交換

在RIP等距離向量路由協(xié)議中,路由信息的交互是通過周期性地傳送整張路由表的機制來完成的,該機制使距離向量路由協(xié)議無法高效地進行路由信息的交換。在OSPF協(xié)議中,為了提高傳輸效率,在進行鏈路狀態(tài)通告(LSA)數(shù)據(jù)包傳輸時,使用包含LSA頭(Head)的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫描述數(shù)據(jù)包進行傳輸,因為每個LSA頭中不包含具體的鏈路狀態(tài)信息,它只含有各LSA的標識(該標識唯一代表一個LSA),所以,該報文非常小。鄰接路由器間使用這種字節(jié)數(shù)很小的數(shù)據(jù)包,首先確認在相互之間哪些LSA是對方?jīng)]有的,而哪些LSA在對方路由器中也存在,鄰接路由器間只會傳輸對方?jīng)]有的LSA。對于自己沒有的LSA,路由器會發(fā)送一個LS Request報文給鄰接路由器來請求對方發(fā)送該LSA,鄰接路由器在收到LS Request報文后,回應一個LS Update報文(包含該整條LSA信息),在得到對方確認后(接收到對方發(fā)出的LS ACK報文),這兩臺路由器完成了本條LSA信息的同步。

由此可見,OSPF協(xié)議采用增量傳輸?shù)姆椒▉硎灌徑勇酚善鞅3忠恢碌逆溌窢顟B(tài)數(shù)據(jù)庫(LSDB)。

小結(jié)

綜上所述,我們可以歸納出在OSPF協(xié)議中使用到的五種協(xié)議報文,并簡單介紹了它們的作用,我們作個簡單的小結(jié):

◆ Hello報文,通過周期性地發(fā)送來發(fā)現(xiàn)和維護鄰接關(guān)系;

◆ DD(鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫描述)報文,描述本地路由器保存的LSDB(鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫);

◆ LSR(LS Request)報文,向鄰居請求本地沒有的LSA;

◆ LSU(LS Update)報文,向鄰居發(fā)送其請求或更新的LSA;

◆ LSAck(LS ACK)報文,收到鄰居發(fā)送的LSA后發(fā)送的確認報文。

OSPF協(xié)議采用的特殊機制

指定路由器和備份指定路由器

在OSPF協(xié)議中,路由器通過發(fā)送Hello報文來確定鄰接關(guān)系,每一臺路由器都會與其他路由器建立鄰接關(guān)系,這就要求路由器之間兩兩建立鄰接關(guān)系,每臺路由器都必須與其他路由器建立鄰接關(guān)系,以達到同步鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的目的,在網(wǎng)絡中就會建立起n×(n-1)/2條鄰接關(guān)系(n為網(wǎng)絡中OSPF路由器的數(shù)量),這樣,在進行數(shù)據(jù)庫同步時需要占用一定的帶寬。

為了解決這個問題,OSPF采用了一個特殊的機制:選舉一臺指定路由器(DR),使網(wǎng)絡中的其他路由器都和它建立鄰接關(guān)系,而其他路由器彼此之間不用保持鄰接。路由器間鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的同步,都通過與指定路由器交互信息完成。這樣,在網(wǎng)絡中僅需建立n-1條鄰接關(guān)系。備份指定路由器(BDR)是指定路由器在網(wǎng)絡中的備份路由器,它會在指定路由器關(guān)機或產(chǎn)生問題后自動接替它的工作。這時,網(wǎng)絡中的其他路由器就會和備份指定路由器交互信息來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的同步。

要被選舉為指定路由器,該路由器應符合以下要求:

◆ 該路由器是本網(wǎng)段內(nèi)的OSPF路由器;

◆ 該OSPF路由器在本網(wǎng)段內(nèi)的優(yōu)先級(Priority)>0;

◆ 該OSPF路由器的優(yōu)先級最大,如果所有路由器的優(yōu)先級相等,路由器號(Router ID)最大的路由器(每臺路由器的Router ID是唯一的)被選舉為指定路由器。

滿足以上條件的路由器被選舉為指定路由器,而第二個滿足條件的路由器則當選為備份指定路由器。

指定路由器和備份指定路由器的選舉,是由路由器通過發(fā)送Hello數(shù)據(jù)報文來完成的。

OSPF協(xié)議中的區(qū)域劃分

OSPF協(xié)議在大規(guī)模網(wǎng)絡的使用中,鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫比較龐大,它占用了很大的存儲空間。在執(zhí)行最小生成數(shù)算法時,要耗費較長的時間和很大的CPU資源,網(wǎng)絡拓撲變化的概率也大大增加。這些因素的存在,不僅耗費了路由器大量的存儲空間,加重了路由器CPU的負擔,而且,整個網(wǎng)絡會因為拓撲結(jié)構(gòu)的經(jīng)常變化,長期處于“動蕩”的不可用的狀態(tài)。

OSPF協(xié)議之所以能夠支持大規(guī)模的網(wǎng)絡,進行區(qū)域劃分是一個重要的原因。

OSPF協(xié)議允許網(wǎng)絡方案設計人員根據(jù)需要把路由器放在不同的區(qū)域(Area)中,兩個不同的區(qū)域通過區(qū)域邊界路由器(ABR)相連。在區(qū)域內(nèi)部的路由信息同步,采取的方法與上文提到的方法相同。在兩個不同區(qū)域之間的路由信息傳遞,由區(qū)域邊界路由器(ABR)完成。它把相連兩個區(qū)域內(nèi)生成的路由,以類型3的LSA向?qū)Ψ絽^(qū)域發(fā)送。此時,一個區(qū)域內(nèi)的OSPF路由器只保留本區(qū)域內(nèi)的鏈路狀態(tài)信息,沒有其他區(qū)域的鏈路狀態(tài)信息。這樣,在兩個區(qū)域之間減小了鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫,降低了生成數(shù)算法的計算量。同時,當一個區(qū)域中的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時,其他區(qū)域中的路由器不需要重新進行計算。OSPF協(xié)議中的區(qū)域劃分機制,有效地解決了OSPF在大規(guī)模網(wǎng)絡中應用時產(chǎn)生的問題。

OSPF協(xié)議使用區(qū)域號(Area ID)來區(qū)分不同的區(qū)域,其中,區(qū)域0為骨干區(qū)域(根區(qū)域)。因為在區(qū)域間不再進行鏈路狀態(tài)信息的交互(實際上,在區(qū)域間傳遞路由信息采用了可能導致路由自環(huán)的遞歸算法),OSPF協(xié)議依靠維護整個網(wǎng)絡鏈路狀態(tài)來實現(xiàn)無路由自環(huán)的能力,在區(qū)域間無法實現(xiàn)。所以,路由自環(huán)可能會發(fā)生在OSPF的區(qū)域之間。解決這一問題的辦法是,使所有其他的區(qū)域都連接在骨干區(qū)域(Area 0)周圍,即所有非骨干區(qū)域都與骨干區(qū)域鄰接。對于一些無法與骨干區(qū)域鄰接的區(qū)域,在它們與骨干區(qū)域之間建立虛連接。

結(jié)束語

本文對OSPF動態(tài)路由協(xié)議的主要原理和特性作了簡單的介紹,沒有涉及到自治系統(tǒng)(AS)以外的路由及路由聚合。

OSPF協(xié)議采用路由器間建立和維護鄰接關(guān)系,維護鏈路狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫,采用最短生成樹算法,避免了路由自環(huán)。同時,又采用了一些特殊的機制,保證了它在大規(guī)模網(wǎng)絡中的可用性。

標簽: OSPF動態(tài)路由協(xié)議

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