第13章OSPF動(dòng)態(tài)路由協(xié)議13.1OSPF基礎(chǔ)13.2OSPF多區(qū)域本章小結(jié)

13.1OSPF基礎(chǔ)

13.1.1OSPF的原理1.?動(dòng)態(tài)路由協(xié)議我們之前學(xué)習(xí)過靜態(tài)路由，靜態(tài)路由需要管理員手工配置，這在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時(shí)不會(huì)有什么問題。如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，則網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓赡鼙容^頻繁，需要配置的路由就會(huì)很復(fù)雜，那么靜態(tài)路由就不合適了，此時(shí)需要引入動(dòng)態(tài)路由。

根據(jù)作用范圍的不同，動(dòng)態(tài)路由協(xié)議分為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議兩類，如圖13.1所示。

(1)?內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議(IGP)：在一個(gè)自治系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行，常見的IGP包括RIP、OSPF和IS-IS。

(2)?外部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議(EGP)：運(yùn)行在不同自治系統(tǒng)之間，通常使用的是BGP。

圖13.1動(dòng)態(tài)路由協(xié)議按作用范圍分類

根據(jù)路由算法的不同，動(dòng)態(tài)路由協(xié)議分為距離矢量路由協(xié)議和鏈路狀態(tài)路由協(xié)議兩類。

(1)?距離矢量路由協(xié)議：依據(jù)從源網(wǎng)絡(luò)到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)所經(jīng)過的路由器的個(gè)數(shù)來選擇路由，如RIP、IGRP。

(2)?鏈路狀態(tài)路由協(xié)議：綜合考慮從源網(wǎng)絡(luò)到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的各條路徑的情況來選擇路由，如OSPF、IS-IS。

2.?OSPF

OSPF(OpenShortestPathFirst，開放式最短路徑優(yōu)先)是一種基于鏈路狀態(tài)進(jìn)行路由計(jì)算的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，主要用于大中型網(wǎng)絡(luò)。

每臺(tái)OSPF路由器根據(jù)自己周圍的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成LSA(Link-StateAdvertisement，鏈路狀態(tài)通告)，并通過更新報(bào)文將LSA發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的其他OSPF路由器。每臺(tái)OSPF路由器都會(huì)收集其他路由器通告的LSA，最終形成統(tǒng)一的LSDB(LinkStateDatabase，鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫)，如圖13.2所示。圖13.2OSPF概述

OSPF路由器將LSDB轉(zhuǎn)換成一張帶權(quán)的有向圖，這張圖便是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的真實(shí)反映，各個(gè)路由器得到的有向圖是完全相同的。每臺(tái)路由器根據(jù)有向圖，使用SPF算法計(jì)算出一棵以自己為根的最短路徑樹，這棵樹給出了它到自治系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的路由，如圖13.3所示。

圖13.3OSPF轉(zhuǎn)換后的有向圖

OSPF路由協(xié)議的特點(diǎn)如下：

(1)?適應(yīng)范圍廣：支持各種規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，最多可支持幾百臺(tái)路由器。

(2)?快速收斂：在網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化后立即發(fā)送更新報(bào)文，使該變化在自治系統(tǒng)中同步。

(3)?無自環(huán)：由于OSPF根據(jù)收集到的鏈路狀態(tài)用最短路徑樹算法計(jì)算路由，因此從算法本身保證了不會(huì)生成自環(huán)路由。

(4)?區(qū)域劃分：允許自治系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)被劃分成區(qū)域來管理。

路由器鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的減小降低了內(nèi)存的消耗和CPU的負(fù)擔(dān)，區(qū)域間傳送路由信息的減少降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用率。

(5)?等價(jià)路由：支持到同一目的地址的多條等價(jià)路由。

(6)?路由分級(jí)：使用4類不同的路由，按優(yōu)先級(jí)順序分別是區(qū)域內(nèi)路由、區(qū)域間路由、第一類外部路由、第二類外部路由。

(7)?支持驗(yàn)證：支持基于接口的報(bào)文驗(yàn)證，以保證報(bào)文的交互和路由計(jì)算的安全性。

(8)?組播發(fā)送：在某些類型的鏈路上以組播地址的形式來發(fā)送協(xié)議報(bào)文，以減少對(duì)其他設(shè)備的干擾。

3.?OSPF的基本概念

1)?OSPF區(qū)域

自治系統(tǒng)(AutonomousSystem)是一組使用相同路由協(xié)議來交換路由信息的路由器組成的系統(tǒng)，縮寫為AS。

為了適應(yīng)大型網(wǎng)絡(luò)，OSPF在AS內(nèi)劃分了多個(gè)區(qū)域，每個(gè)OSPF路由器只維護(hù)所在區(qū)域的完整鏈路狀態(tài)信息，如圖13.4所示。

圖13.4OSPF區(qū)域劃分

2)?區(qū)域ID

區(qū)域ID可以表示成一個(gè)十進(jìn)制的數(shù)字，也可以表示成一個(gè)IP地址的格式。

3)?骨干區(qū)域

OSPF劃分區(qū)域之后，并非所有的區(qū)域都是平等的關(guān)系，其中有一個(gè)區(qū)域的區(qū)域號(hào)(AreaID)是0，它通常被稱為骨干區(qū)域。

骨干區(qū)域負(fù)責(zé)區(qū)域之間的路由，非骨干區(qū)域之間的路由信息必須通過骨干區(qū)域來轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)此，OSPF有如下兩個(gè)規(guī)定：

(1)?所有非骨干區(qū)域必須與骨干區(qū)域保持連通。

(2)?骨干區(qū)域自身也必須保持連通。

4)?路由器ID

一臺(tái)路由器如果要運(yùn)行OSPF協(xié)議，則必須存在RID(RouterID，路由器ID)。RID是一個(gè)32bit的無符號(hào)整數(shù)，可以在一個(gè)自治系統(tǒng)中唯一地標(biāo)識(shí)一臺(tái)路由器。

RID可以手工配置，既可以使用router-id命令指定RouterID，也可以自動(dòng)生成。

如果沒有通過命令指定RID，則按照如下順序自動(dòng)生成一個(gè)RID。

(1)?如果當(dāng)前設(shè)備配置了Loopback接口，則選取所有Loopback接口上數(shù)值最大的IP地址作為RID。

(2)?如果當(dāng)前設(shè)備沒有配置Loopback接口，則選取它所有已經(jīng)配置IP地址且鏈路有效的接口上數(shù)值最大的IP地址作為RID。

5)?度量值

OSPF的度量值為Cost，最短路徑是基于接口指定的代價(jià)(Cost)來計(jì)算的，即

Cost=參考帶寬/實(shí)際帶寬

默認(rèn)參考帶寬為100Mb/s。當(dāng)計(jì)算結(jié)果有小數(shù)位時(shí)，只取整數(shù)位；當(dāng)結(jié)果小于1時(shí)，Cost取1。例如，F(xiàn)astEthernet接口的Cost為1。

6)?OSPF的協(xié)議報(bào)文

OSPF數(shù)據(jù)包承載在IP數(shù)據(jù)包內(nèi)，使用協(xié)議號(hào)89。OSPF有如下五種類型的協(xié)議報(bào)文：

(1)?Hello報(bào)文：周期性發(fā)送，用來發(fā)現(xiàn)和維持OSPF鄰居節(jié)點(diǎn)關(guān)系。

(2)?DD(DatabaseDescription，數(shù)據(jù)庫描述)報(bào)文：描述了本地LSDB中每一條LSA的摘要信息，用于兩臺(tái)路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的同步。

(3)?LSR(LinkStateRequest，鏈路狀態(tài)請(qǐng)求)報(bào)文：向?qū)Ψ秸?qǐng)求所需的LSA。兩臺(tái)路由器互相交換DD報(bào)文之后，得知對(duì)端的路由器有哪些LSA是本地的LSDB所缺少的，這時(shí)需要發(fā)送LSR報(bào)文向?qū)Ψ秸?qǐng)求所需的LSA。該報(bào)文的內(nèi)容包括所需要的LSA的摘要。

(4)?LSU(LinkStateUpdate，鏈路狀態(tài)更新)報(bào)文：向?qū)Ψ桨l(fā)送其所需要的LSA。

(5)?LSAck(LinkStateAcknowledgment，鏈路狀態(tài)確認(rèn))報(bào)文：用來對(duì)收到的LSA進(jìn)行確認(rèn)。該報(bào)文的內(nèi)容是需要確認(rèn)的LSA的Header(一個(gè)報(bào)文可對(duì)多個(gè)LSA進(jìn)行確認(rèn))。

7)?鄰居和鄰接

在OSPF中，鄰居(Neighbor)和鄰接(Adjacency)是兩個(gè)不同的概念。

OSPF路由器啟動(dòng)后，便會(huì)通過OSPF接口向外發(fā)送Hello報(bào)文。收到Hello報(bào)文的OSPF路由器會(huì)檢查報(bào)文中所定義的參數(shù)，如果雙方的參數(shù)一致就會(huì)形成鄰居關(guān)系。

形成鄰居關(guān)系的雙方不一定都能形成鄰接關(guān)系，只有當(dāng)雙方成功交換DD報(bào)文、交換LSA并達(dá)到LSDB的同步之后，才形成真正意義上的鄰接關(guān)系。

4.?OSPF的網(wǎng)絡(luò)類型

OSPF根據(jù)鏈路層協(xié)議類型將網(wǎng)絡(luò)分為以下四種類型：

1)?Broadcast(廣播型多路訪問)網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)本身支持廣播功能。當(dāng)鏈路層協(xié)議是Ethernet、FDDI時(shí)，OSPF缺省認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)類型是Broadcast。在該類型的網(wǎng)絡(luò)中，OSPF通常以組播形式(224.0.0.5和224.0.0.6)發(fā)送協(xié)議報(bào)文。

2)?NBMA(Non-BroadcastMulti-Access，非廣播型多路訪問)網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)鏈路層協(xié)議是幀中繼、ATM或X.25時(shí)，OSPF缺省認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)類型是NBMA。在該類型的網(wǎng)絡(luò)中，以單播形式發(fā)送協(xié)議報(bào)文。

3)?P2MP(Point-to-MultiPoint，點(diǎn)到多點(diǎn)型)網(wǎng)絡(luò)

點(diǎn)到多點(diǎn)必須是由其他網(wǎng)絡(luò)類型強(qiáng)制更改的，常用做法是將NBMA改為點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。在該類型的網(wǎng)絡(luò)中，缺省情況下以組播形式(224.0.0.5)發(fā)送協(xié)議報(bào)文，且可以根據(jù)用戶需要，以單播形式發(fā)送協(xié)議報(bào)文。

4)?P2P(Point-to-Point，點(diǎn)到點(diǎn)型)網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)鏈路層協(xié)議是PPP、HDLC時(shí)，OSPF缺省認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)類型是P2P。在該類型的網(wǎng)絡(luò)中，以組播形式(224.0.0.5)發(fā)送協(xié)議報(bào)文。

5.?DR和BDR

1)?DR和BDR

在廣播網(wǎng)和NBMA網(wǎng)絡(luò)中，任意兩臺(tái)路由器之間都要交換路由信息。如果網(wǎng)絡(luò)中有n臺(tái)路由器，則需要建立n(n-1)/2個(gè)鄰接關(guān)系，如圖13.5所示。

圖13.5DR和BDR(1)

這使得任何一臺(tái)路由器的路由信息變化都會(huì)被多次傳遞，浪費(fèi)了帶寬資源。為解決這一問題，OSPF協(xié)議定義了指定路由器(DesignatedRouter，DR)，所有路由器都只將信息發(fā)送給DR，由DR將網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)發(fā)送出去，如圖13.6所示。

圖13.6DR和BDR(2)

DR和BDR之外的路由器(稱為DROther)之間將不再建立鄰接關(guān)系，也不再交換任何路由信息，這樣就減少了廣播網(wǎng)和NBMA網(wǎng)絡(luò)上各路由器之間鄰接關(guān)系的數(shù)量，如圖13.7所示?？梢钥吹剑捎肈R/BDR機(jī)制后，5臺(tái)路由器之間只需要建立7個(gè)鄰接關(guān)系就可以了。

圖13.7DR和BDR(3)

2)?DR和BDR的選舉過程

DR和BDR是由同一網(wǎng)段中所有的路由器根據(jù)路由器優(yōu)先級(jí)、RouterID通過HELLO報(bào)文選舉出來的，只有優(yōu)先級(jí)大于0的路由器才具有選取資格。

進(jìn)行DR/BDR選舉時(shí)每臺(tái)路由器將自己選出的DR寫入Hello報(bào)文中，發(fā)給網(wǎng)段上的每臺(tái)運(yùn)行OSPF協(xié)議的路由器，如圖13.8所示。

圖13.8DR和BDR的選舉過程

需要注意以下問題。

(1)只有在廣播或NBMA類型接口時(shí)才會(huì)選舉DR，在點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)類型的接口上不需要選舉DR。

(2)?DR是在某個(gè)網(wǎng)段中的概念，是針對(duì)路由器的接口而言的。某臺(tái)路由器在一個(gè)接口上可能是DR，在另一個(gè)接口上有可能是BDR，或者是DROther。

(3)?路由器的優(yōu)先級(jí)可以影響一個(gè)DR／BDR的選舉過程。如果當(dāng)DR/BDR已經(jīng)選舉完畢，就算一臺(tái)具有更高優(yōu)先級(jí)的路由器變?yōu)橛行?，但是也不?huì)替換該網(wǎng)段中已經(jīng)選舉的DR/BDR成為新的DR/BDR。

13.1.2OSPF的鄰接關(guān)系

1.OSPF啟動(dòng)的第一個(gè)階段

是OSPF路由器之間使用Hello報(bào)文建立雙向通信的過程，如圖13.9所示。

圖13.9OSPF鄰接關(guān)系的建立過程(1)

1)?狀態(tài)的含義

(1)?Down：這是鄰居的初始狀態(tài)，表示沒有從鄰居收到任何信息。

(2)?Init：在此狀態(tài)下，路由器已經(jīng)從鄰居收到了Hello報(bào)文，但是自己的RouterID不在所收到的Hello報(bào)文的鄰居列表中，表示尚未與鄰居建立雙向通信關(guān)系。

(3)?2-Way：在此狀態(tài)下，路由器發(fā)現(xiàn)自己的RouterID存在于收到的Hello報(bào)文的鄰居列表中，已確認(rèn)可以雙向通信。

2)?鄰居建立的過程

其建立過程分為如下幾步：

2.OSPF啟動(dòng)的第二個(gè)階段

是OSPF路由器之間建立完全鄰接關(guān)系的過程，如圖13.10所示。

圖13.10OSPF鄰接關(guān)系的建立過程(2)

1)?狀態(tài)的含義

(1)?ExStart：鄰居狀態(tài)變成此狀態(tài)以后，路由器開始向鄰居發(fā)送DD報(bào)文。Master/Slave的關(guān)系是在此狀態(tài)下形成的，初始DD序列號(hào)也是在此狀態(tài)下確定的。在此狀態(tài)下發(fā)送的DD報(bào)文不包含鏈路狀態(tài)的描述。

(2)?Exchange：在此狀態(tài)下，路由器與鄰居之間相互發(fā)送包含鏈路狀態(tài)信息摘要的DD報(bào)文。

(3)?Loading：在此狀態(tài)下，路由器與鄰居之間相互發(fā)送LSR報(bào)文、LSU報(bào)文、LSAck報(bào)文。

(4)?Full：LSDB同步過程完成，路由器與鄰居之間形成了完全的鄰接關(guān)系。

2)?LSDB同步的過程

13.1.3OSPF的單域配置

1.?基本配置命令

2.?OSPF單域配置案例

使用eNSP搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，要求配置OSPF實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)互通，并使用命令來驗(yàn)證配置，如圖13.11所示。

圖13.11OSPF單域配置案例

13.2OSPF多區(qū)域

13.2.1OSPF多區(qū)域的原理1.?OSPF多區(qū)域隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益擴(kuò)大，當(dāng)一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)中的路由器都運(yùn)行OSPF路由協(xié)議時(shí)，路由器數(shù)量的增多會(huì)導(dǎo)致LSDB的數(shù)量非常龐大，需要占用大量的存儲(chǔ)空間，并使得SPF算法運(yùn)行的復(fù)雜度增加，導(dǎo)致CPU負(fù)擔(dān)加重。

OSPF協(xié)議通過將自治系統(tǒng)劃分成不同的區(qū)域(Area)來解決上述問題，如圖13.12所示。區(qū)域的邊界是路由器，而不是鏈路。一個(gè)網(wǎng)段(鏈路)只能屬于一個(gè)區(qū)域，或者說每個(gè)運(yùn)行OSPF的接口必須指明屬于哪一個(gè)區(qū)域。

圖13.12OSPF多區(qū)域示意圖

劃分多區(qū)域后，OSPF的三種通信量如下：

(1)?域內(nèi)通信量(Intra-AreaTraffic)：?jiǎn)蝹€(gè)區(qū)域內(nèi)的路由器之間交換數(shù)據(jù)包構(gòu)成的通信量。

(2)?域間通信量(Inter-AreaTraffic)：不同區(qū)域的路由器之間交換數(shù)據(jù)包構(gòu)成的通信量。

(3)?外部通信量(ExternalTraffic)：OSPF域內(nèi)的路由器與OSPF域外或另一個(gè)自治系統(tǒng)內(nèi)的路由器之間交換數(shù)據(jù)包構(gòu)成的通信量。

2.?OSPF的路由器類型

根據(jù)在AS中的不同位置，OSPF路由器可以分為四類，如圖13.13所示。

圖13.13OSPF的路由器類型

(1)?內(nèi)部路由器(InternalRouter)：該類路由器的所有接口都屬于同一個(gè)OSPF區(qū)域。

(2)?區(qū)域邊界路由器ABR(AreaBorderRouter)：該類路由器可以同時(shí)屬于兩個(gè)及以上的區(qū)域，但其中一個(gè)必須是骨干區(qū)域。ABR用來連接骨干區(qū)域和非骨干區(qū)域，它與骨干區(qū)域之間既可以是物理連接，也可以是邏輯上的連接。

(3)?骨干路由器(BackboneRouter)：該類路由器至少有一個(gè)接口屬于骨干區(qū)域。因此，所有的ABR和位于Area0的內(nèi)部路由器都是骨干路由器。

(4)?自治系統(tǒng)邊界路由器ASBR(AutonomousSystemBoundaryRouter)：與其他AS交換路由信息的路由器稱為ASBR。ASBR并不一定位于AS的邊界，它有可能是區(qū)域內(nèi)路由器，也有可能是ABR。只要一臺(tái)OSPF路由器引入了外部路由的信息，它就成為