OSPF路由協(xié)議概念及工作原理

1、OSPF路由協(xié)議概念及工作原理1. 概述OSPF路由協(xié)議是一種典型的鏈路狀態(tài)(Link-state )的路由協(xié)議，一般用于同一個路由域內(nèi)。在這里，路由域是指一個自治系統(tǒng)(Autonomous System)，即AS，它是指一組通過統(tǒng)一的路由政策或路由協(xié)議互相交換路由信息的網(wǎng)絡(luò)。在這個AS中，所有的OSPF路由器都維護(hù)一個相同的描述這個AS結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫中存放的是路由域中相應(yīng)鏈路的狀態(tài)信息，OSPF路由器正是通過這個數(shù)據(jù)庫計算出其OSPF路由表的。作為一種鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，OSPF將鏈路狀態(tài)廣播數(shù)據(jù)包 LSA ( Link StateAdvertiseme nt)傳送給在某一區(qū)域內(nèi)的所

2、有路由器，這一點(diǎn)和距離矢量路由協(xié)議不同。運(yùn)行距離矢量路由協(xié)議的路由器是將部分或全部的路由表傳遞給和其相鄰的路由器。2. 數(shù)據(jù)包格式在OSPF路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包中，其數(shù)據(jù)包頭長為24個字節(jié)，包含如下 8個字段：* Version number-定義所采用的 OSPF路由協(xié)議的版本。* Type-定義OSPF數(shù)據(jù)包類型。OSPF數(shù)據(jù)包共有五種：* Hello-用于建立和維護(hù)相鄰的兩個OSPF路由器的關(guān)系，該數(shù)據(jù)包是周期性地發(fā)送的。* Database Description-用于描述整個數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)包僅在OSPF初始化時發(fā)送。* Link state request- 用于向相鄰的OSPF路由器請

3、求部分或全部的數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)包是 在當(dāng)路由器發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)已經(jīng)過期時才發(fā)送的。* Link state update- 這是對link state請求數(shù)據(jù)包的響應(yīng)，即通常所說的LSA數(shù)據(jù)包。* Link state ack no wledgme nt-是對 LSA 數(shù)據(jù)包的響應(yīng)。* Packet len gth-定義整個數(shù)據(jù)包的長度。* Router ID-用于描述數(shù)據(jù)包的源地址，以IP地址來表示。* Area ID- 用于區(qū)分OSPF數(shù)據(jù)包屬于的區(qū)域號，所有的OSPF數(shù)據(jù)包都屬于一個特定的OSPF區(qū)域。* Checksum-校驗(yàn)位，用于標(biāo)記數(shù)據(jù)包在傳遞時有無誤碼。* Authentication

4、-包含OSPF驗(yàn)證信息，長為 8個字節(jié)。3.OSPF 基本算法3.1 SPF算法及最短路徑樹SPF算法是OSPF路由協(xié)議的基礎(chǔ)。SPF算法有時也被稱為 Dijkstra 算法，這是因?yàn)樽疃?路徑優(yōu)先算法SPF是Dijkstra 發(fā)明的。SPF算法將每一個路由器作為根(ROOT )來計算 其到每一個目的地路由器的距離，每一個路由器根據(jù)一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫會計算出路由域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)圖類似于一棵樹，在SPF算法中，被稱為最短路徑樹。在OSPF路由協(xié)議中，最短路徑樹的樹干長度，即OSPF路由器至每一個目的地路由器的距離，稱為OSPF的Cost，其算法為：Cost = 100 X 106/鏈路帶寬在

5、這里，鏈路帶寬以 bps來表示。也就是說，OSPF的Cost和鏈路的帶寬成反比，帶寬越高，Cost越小，表示OSPF到目的地的距離越近。 舉例來說，F(xiàn)DDI或快速以太網(wǎng)的 Cost 為1 , 2M串行鏈路的 Cost為48 , 10M 以太網(wǎng)的Cost為10等。3.2鏈路狀態(tài)算法作為一種典型的鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，OSPF還得遵循鏈路狀態(tài)路由協(xié)議的統(tǒng)一算法。鏈路狀態(tài)的算法非常簡單，在這里將鏈路狀態(tài)算法概括為以下四個步驟：當(dāng)路由器初始化或當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化(例如增減路由器，鏈路狀態(tài)發(fā)生變化等)時，路由器會產(chǎn)生鏈路狀態(tài)廣播數(shù)據(jù)包LSA ( Link-State Advertisement)，該數(shù)據(jù)包

6、里包含路由器上所有相連鏈路，也即為所有端口的狀態(tài)信息。所有路由器會通過一種被稱為刷新(Flooding )的方法來交換鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)。Flooding 是指路由器將其LSA數(shù)據(jù)包傳送給所有和其相鄰的OSPF路由器，相鄰路由器根據(jù)其接收到的鏈路狀態(tài)信息更新自己的數(shù)據(jù)庫，并將該鏈路狀態(tài)信息轉(zhuǎn)送給和其相鄰的路由器，直至穩(wěn)定的一個過程。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)重新穩(wěn)定下來，也可以說OSPF路由協(xié)議收斂下來時，所有的路由器會根據(jù)其各自的鏈路狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫計算出各自的路由表。該路由表中包含路由器到每一第4個步驟實(shí)際上是指 OSPF路由協(xié)議的一個特性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)比較穩(wěn)定時，網(wǎng)絡(luò)中傳遞 的鏈路狀態(tài)信息是比較少的，或者可以說，當(dāng)網(wǎng)

7、絡(luò)穩(wěn)定時，網(wǎng)絡(luò)中是比較安靜的。這也正是鏈路狀態(tài)路由協(xié)議區(qū)別和距離矢量路由協(xié)議的一大特點(diǎn)。4.OSPF 路由協(xié)議的基本特征前文已經(jīng)說明了 OSPF路由協(xié)議是一種鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，為了更好地說明OSPF路由協(xié)議的基本特征，我們將 OSPF路由協(xié)議和距離矢量路由協(xié)議之一的RIP （RoutingIn formation Protocol）作一比較，歸納為如下幾點(diǎn)：RIP路由協(xié)議中用于表示目的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)近的唯一參數(shù)為跳（HOP ），也即到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)所要經(jīng)過的路由器個數(shù)。 在RIP路由協(xié)議中，該參數(shù)被限制為最大 15，也就是說RIP路由信息 最多能傳遞至第16個路由器；對于OSPF路由協(xié)議，路由表中表示目

8、的網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)為Cost，該參數(shù)為一虛擬值，和網(wǎng)絡(luò)中鏈路的帶寬等相關(guān)，也就是說OSPF路由信息不受物理跳數(shù)的限制。并且，OSPF路由協(xié)議還支持 TOS（Type of Service）路由，因此，OSPF比較適合使用于大型網(wǎng)絡(luò)中。RIP路由協(xié)議不支持變長子網(wǎng)屏蔽碼（VLSM），這被認(rèn)為是RIP路由協(xié)議不適用于大型網(wǎng)絡(luò)的又一重要原因。采用變長子網(wǎng)屏蔽碼可以在最大限度上節(jié)約IP地址。OSPF路由協(xié)議對VLSM有良好的支持性。RIP路由協(xié)議路由收斂較慢。RIP路由協(xié)議周期性地將整個路由表作為路由信息廣播至網(wǎng)絡(luò) 中，該廣播周期為 30秒。在一個較為大型的網(wǎng)絡(luò)中，RIP協(xié)議會產(chǎn)生很大的廣播信息，占用較多的

9、網(wǎng)絡(luò)帶寬資源；并且由于RIP協(xié)議30秒的廣播周期，影響了RIP路由協(xié)議的收斂，甚至出現(xiàn)不收斂的現(xiàn)象。而OSPF是一種鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定時，網(wǎng)絡(luò)中的路由信息是比較少的，并且其廣播也不是周期性的，因此OSPF路由協(xié)議即使是在大型網(wǎng)絡(luò)中也能夠較快地收斂。在RIP協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)是一個平面的概念，并無區(qū)域及邊界等的定義。隨著無級路由CIDR概念的出現(xiàn)，RIP協(xié)議就明顯落伍了。在OSPF路由協(xié)議中，一個網(wǎng)絡(luò)，或者說是一個路由域可以劃分為很多個區(qū)域area，每一個區(qū)域通過 OSPF邊界路由器相連，區(qū)域間可以通過路由總結(jié)（Summary ）來減少路由信息，減小路由表，提高路由器的運(yùn)算速度。OSP

10、F路由協(xié)議支持路由驗(yàn)證， 只有互相通過路由驗(yàn)證的路由器之間才能交換路由信息。 且OSPF可以對不同的區(qū)域定義不同的驗(yàn)證方式，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。一、基本概念和術(shù)語1. 鏈路狀態(tài)OSPF路由器收集其所在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域上各路由器的連接狀態(tài)信息，即鏈路狀態(tài)信息(Lin k-State )，生成鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫 (Li nk-State Database)。路由器掌握了該區(qū)域上所有路由器的鏈路狀態(tài)信息，也就等于了解了整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錉顩r。OSPF路由器利用 最短路徑優(yōu)先算法(Shortest Path First, SPF) ”，獨(dú)立地計算出到達(dá)任意目的地的路由。2. 區(qū)域OSPF協(xié)議引入 分層路由”的概念，將網(wǎng)

11、絡(luò)分割成一個主干”連接的一組相互獨(dú)立的部分，這些相互獨(dú)立的部分被稱為區(qū)域” (Area)，主干”的部分稱為 主干區(qū)域”。每個區(qū)域就如同一個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，該區(qū)域的OSPF路由器只保存該區(qū)域的鏈路狀態(tài)。每個路由器的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫都可以保持合理的大小，路由計算的時間、報文數(shù)量都不會過大。3. OSPF網(wǎng)絡(luò)類型根據(jù)路由器所連接的物理網(wǎng)絡(luò)不同，OSPF將網(wǎng)絡(luò)劃分為四種類型：廣播多路訪問型(Broadcast multiAccess )、非廣播多路訪問型 (None Broadcast MultiAccess ，NBMA )、 點(diǎn)到點(diǎn)型(Point-to-Point、點(diǎn)到多點(diǎn)型(Point-to-Multi

12、Point)。廣播多路訪問型網(wǎng)絡(luò)如： Ethernet 、Token Ring 、FDDI。NBMA 型網(wǎng)絡(luò)如：Frame Relay 、X.25、SMDS。Point-to-Point型網(wǎng)絡(luò)如：PPP、HDLC。4. 指派路由器(DR、和備份指派路由器(BDR )在多路訪問網(wǎng)絡(luò)上可能存在多個路由器，為了避免路由器之間建立完全相鄰關(guān)系而引起的大量開銷，OSPF要求在區(qū)域中選舉一個DR。每個路由器都和之建立完全相鄰關(guān)系。DR負(fù)責(zé)收集所有的鏈路狀態(tài)信息，并發(fā)布給其他路由器。選舉DR的同時也選舉出一個 BDR ,在DR失效的時候，BDR擔(dān)負(fù)起DR的職責(zé)。點(diǎn)對點(diǎn)型網(wǎng)絡(luò)不需要 DR，因?yàn)橹淮嬖趦蓚€節(jié)點(diǎn)，

13、彼此間完全相鄰。協(xié)議組成OSPF協(xié)議由Hello協(xié)議、交換協(xié)議、擴(kuò)散協(xié)議組成。本文僅介紹Hello協(xié)議，其他兩個協(xié)議可參考RFC2328 中的具體描述。當(dāng)路由器開啟一個端口的 OSPF路由時，將會從這個端口發(fā)出一個 Hello報文，以后它也 將以一定的間隔周期性地發(fā)送 Hello報文。OSPF路由器用Hello報文來初始化新的相鄰關(guān)系以及確認(rèn)相鄰的路由器鄰居之間的通信狀態(tài)。對廣播型網(wǎng)絡(luò)和非廣播型多路訪問網(wǎng)絡(luò)，路由器使用Hello協(xié)議選舉出一個 DR。在廣播型網(wǎng)絡(luò)里，Hello報文使用多播地址 224.0.0.5 周期性廣播，并通過這個過程自動發(fā)現(xiàn)路由 器鄰居。在NBMA網(wǎng)絡(luò)中，DR負(fù)責(zé)向其他路

14、由器逐一發(fā)送Hello報文。二、協(xié)議操作第一步：建立路由器的鄰接關(guān)系所謂 鄰接關(guān)系”(Adjacency )是指OSPF路由器以交換路由信息為目的，在所選擇的相 鄰路由器之間建立的一種關(guān)系。路由器首先發(fā)送擁有自身 ID信息(Loopback 端口或最大的IP地址)的Hello報文。和 之相鄰的路由器如果收到這個 Hello報文，就將這個報文內(nèi)的 ID信息加入到自己的 Hello 報文內(nèi)。如果路由器的某端口收到從其他路由器發(fā)送的含有自身ID信息的Hello報文，則它根據(jù)該端口所在網(wǎng)絡(luò)類型確定是否可以建立鄰接關(guān)系。在點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，路由器將直接和對端路由器建立起鄰接關(guān)系，并且該路由器將直接進(jìn)入到第三

15、步操作：發(fā)現(xiàn)其他路由器。若為MultiAccess 網(wǎng)絡(luò)，該路由器將進(jìn)入選舉步驟。第二步：選舉DR/BDR不同類型的網(wǎng)絡(luò)選舉 DR和BDR的方式不同。MultiAccess網(wǎng)絡(luò)支持多個路由器，在這種狀況下，OSPF需要建立起作為鏈路狀態(tài)和LSA更新的中心節(jié)點(diǎn)。選舉利用Hello報文內(nèi)的ID和優(yōu)先權(quán)(Priority)字段值來確定。優(yōu)先權(quán)字段值大小從0到255，優(yōu)先權(quán)值最高的路由器成為DR。如果優(yōu)先權(quán)值大小一樣，則ID值最高的路由器選舉為DR，優(yōu)先權(quán)值次高的路由器選舉為BDR。優(yōu)先權(quán)值和ID值都可以直接設(shè)置。第三步：發(fā)現(xiàn)路由器在這個步驟中，路由器和路由器之間首先利用Hello報文的ID信息確認(rèn)主

16、從關(guān)系，然后主從路由器相互交換部分鏈路狀態(tài)信息。每個路由器對信息進(jìn)行分析比較，如果收到的信息有新的內(nèi)容，路由器將要求對方發(fā)送完整的鏈路狀態(tài)信息。這個狀態(tài)完成后，路由器之間建立完全相鄰(Full Adjacency)關(guān)系，同時鄰接路由器擁有自己獨(dú)立的、完整的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。在MultiAccess 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，DR和BDR互換信息，并同時和本子網(wǎng)內(nèi)其他路由器交換鏈路狀態(tài)信息。Point-to-Point 或Point-to-MultiPoint網(wǎng)絡(luò)中，相鄰路由器之間信息。第四步：選擇適當(dāng)?shù)穆酚善鳟?dāng)一個路由器擁有完整獨(dú)立的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫后，它將采用SPF算法計算并創(chuàng)建路由表。OSPF路由器依據(jù)鏈路狀態(tài)

17、數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，獨(dú)立地用SPF算法計算出到每一個目的網(wǎng)絡(luò)的路徑，并將路徑存入路由表中。OSPF利用量度（Cost ）計算目的路徑，Cost最小者即為最短路徑。在配置OSPF路由器時可根據(jù)實(shí)際情況，如鏈路帶寬、時延或經(jīng)濟(jì)上的費(fèi)用設(shè)置鏈路Cost大小。Cost越小，則該鏈路被選為路由的可能性越大。第五步：維護(hù)路由信息當(dāng)鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，OSPF通過Flooding 過程通告網(wǎng)絡(luò)上其他路由器。OSPF路由器接收到包含有新信息的鏈路狀態(tài)更新報文，將更新自己的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，然后用SPF算法重新計算路由表。在重新計算過程中，路由器繼續(xù)使用舊路由表，直到SPF完成新的路由表計算。新的鏈路狀態(tài)信息將發(fā)送給其

18、他路由器。值得注意的是，即使鏈路狀態(tài)沒有發(fā)生改變，OSPF路由信息也會自動更新，默認(rèn)時間為30分鐘。OSPF路由器之間使用鏈路狀態(tài)通告（LSA）來交換各自的鏈路狀態(tài)信息，并把獲得的信息存儲在鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中。各OSPF路由器獨(dú)立使用 SPF算法計算到各個目的地址的路由。OSPF協(xié)議支持分層路由方式，這使得它的擴(kuò)展能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過RIP協(xié)議。當(dāng)OSPF網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到100、500甚至上千個路由器時，路由器的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫將記錄成千上萬條鏈 路信息。為了使路由器的運(yùn)行更快速、更經(jīng)濟(jì)、占用的資源更少，網(wǎng)絡(luò)工程師們通常按功能、 結(jié)構(gòu)和需要把OSPF網(wǎng)絡(luò)分割成若干個區(qū)域，并將這些區(qū)域和主干區(qū)域根據(jù)功能和需要相

19、互連接從而達(dá)到分層的目的。一、OSPF分層路由的思想OSPF把一個大型網(wǎng)絡(luò)分割成多個小型網(wǎng)絡(luò)的能力被稱為分層路由，這些被分割出來的小型網(wǎng)絡(luò)就稱為 區(qū)域” （Area）。由于區(qū)域內(nèi)部路由器僅和同區(qū)域的路由器交換LSA信息，這樣LSA報文數(shù)量及鏈路狀態(tài)信息庫表項(xiàng)都會極大減少，SPF計算速度因此得到提高。多區(qū)域的OSPF必須存在一個主干區(qū)域，主干區(qū)域負(fù)責(zé)收集非主干區(qū)域發(fā)出的匯總路由信息，并 將這些信息返還給到各區(qū)域。OSPF區(qū)域不能隨意劃分，應(yīng)該合理地選擇區(qū)域邊界，使不同區(qū)域之間的通信量最小。但在實(shí)際使用中區(qū)域的劃分往往并不是根據(jù)通信模式而是根據(jù)地理或政治因素來完成的。二、OSPF中的四種路由器在O

20、SPF多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中，路由器可以按不同的需要同時成為以下四種路由器中的幾種：1. 內(nèi)部路由器：所有端口在同一區(qū)域的路由器，維護(hù)一個鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。2. 主干路由器：具有連接主干區(qū)域端口的路由器。3. 區(qū)域邊界路由器（ABR）:具有連接多區(qū)域端口的路由器，一般作為一個區(qū)域的出口。ABR為每一個所連接的區(qū)域建立鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)將所連接區(qū)域的路由摘要信息發(fā)送到主干區(qū)域，而主干區(qū)域上的ABR則負(fù)責(zé)將這些信息發(fā)送到各個區(qū)域。4. 自治域系統(tǒng)邊界路由器（ASBR）:至少擁有一個連接外部自治域網(wǎng)絡(luò)（如非OSPF的網(wǎng)絡(luò)）端口的路由器，負(fù)責(zé)將非OSPF網(wǎng)絡(luò)信息傳入OSPF網(wǎng)絡(luò)。三、OSPF鏈路狀態(tài)公告類型OS

21、PF路由器之間交換鏈路狀態(tài)公告 （LSA）信息。OSPF的LSA中包含連接的接口、使用的Metric及其他變量信息。OSPF路由器收集鏈接狀態(tài)信息并使用SPF算法來計算到各節(jié)點(diǎn)的最短路徑。LSA也有幾種不同功能的報文，在這里簡單地介紹一下：LSA TYPE 1 :由每臺路由器為所屬的區(qū)域產(chǎn)生的LSA，描述本區(qū)域路由器鏈路到該區(qū)域的狀態(tài)和代價。一個邊界路由器可能產(chǎn)生多個LSA TYPE1。LSA TYPE 2 :由DR產(chǎn)生，含有連接某個區(qū)域路由器的所有鏈路狀態(tài)和代價信息。只有DR可以監(jiān)測該信息。LSA TYPE 3 :由ABR產(chǎn)生，含有ABR和本地內(nèi)部路由器連接信息，可以描述本區(qū)域到主干區(qū)域的鏈

22、路信息。它通常匯總?cè)笔÷酚啥皇莻魉蛥R總的OSPF信息給其他網(wǎng)絡(luò)。LSA TYPE 4 :由ABR產(chǎn)生，由主干區(qū)域發(fā)送到其他 ABR,含有ASBR的鏈路信息，和LSATYPE 3的區(qū)別在于TYPE 4描述到OSPF網(wǎng)絡(luò)的外部路由，而TYPE 3則描述區(qū)域內(nèi)路由。LSA TYPE 5 :由ASBR產(chǎn)生，含有關(guān)于自治域外的鏈路信息。除了存根區(qū)域和完全存根區(qū)域，LSA TYPE 5 在整個網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送。LSA TYPE 6 :多播OSPF（MOSF） ，MOSF可以讓路由器利用鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的信息構(gòu)造用于多播報文的多播發(fā)布樹。LSA TYPE 7 :由ASBR產(chǎn)生的關(guān)于 NSSA 的信息。LSA TYPE 7可以轉(zhuǎn)換為 LSA TYPE 5。四、OSPF區(qū)域類型前述的四種路由器可以構(gòu)成五種類型的區(qū)域，這五種區(qū)域的主要區(qū)別在于它們和外部路由器間的關(guān)系： 標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域：一個標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域可以接收鏈路更新信息和路由總結(jié)。主干區(qū)域（傳遞區(qū)域）：主干區(qū)域是連接各個區(qū)域的中心實(shí)體。主干區(qū)域始終是區(qū)域0”，所有其他的區(qū)域都要連接到這個區(qū)域上交換路由信息。主干區(qū)域擁有標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域的所有性質(zhì)。存根區(qū)域：存根