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1、TCP/IP 协议课程设计专业 网络工程 年级 2008 姓名 XX 学号 XX 二一一年 6 月 29 日OSPF 路由协议原理与实验解析XX计算机与软件学院，08 网络工程专业，1 班摘 要：随着 Internet 技术在全球范围的飞速发展， OSPF 已成为目前 Internet 广域网和 Intranet 企业网采用最多、应用最广泛的路由协议之一。 OSPF（Open Shortest Path First）路由协议是由IETF（Internet Engineering Task Force）IGP 工作小组提出的，是一种基于 SPF 算法的路由协议，目前使用的 OSPF 协议是其第二
2、版，定义于 RFC1247 和 RFC1583。关键词：OSPF；路由协议；SPF1 OSPF 概述路由协议通过在路由器之间共享路由信息来支持可路由协议。路由信息在相邻路由器之间传递，确保所有路由器知道到其它路由器的路径。总之，路由协议创建了路由表，描述了网络拓扑结构；路由协议与路由器协同工作，执行路由选择和数据包转发功能。1.1 路由协议的作用路由协议主要运行于路由器上，路由协议是用来确定到达路径的，它包括RIP,IGRP,EIGRP,OSPF。起到一个地图导航，负责找路的作用。它工作在网络层。路由选择协议主要是运行在路由器上的协议，主要用来进行路径选择。路由分为静态路由和动态路由，其相应的
3、路由表称为静态路由表和动态路由表。静态路由表由网络管理员在系统安装时根据网络的配置情况预先设定，网络结构 发生变化后由网络管理员手工修改路由表。动态路由随网络运行情况的变化而变化，路由器根据路由协议提供的功能自动计算数据传输的最佳路径，由此得到动态路由表。根据路由算法，动态路由协议可分为距离向量路由协议（Distance Vector Routing Protocol）和链路状态路由协议 （Link State Routing Protocol）。距离向量路由协议基于 Bellman-Ford 算法，主要有 RIP、IGRP（IGRP 为 Cisco 公司的私有协议）；链路状态路由协议基于图论
4、中非常著名的 Dijkstra 算法，即最短优先路径（Shortest Path First， SPF）算法，如 OSPF。在距离向量路由协议中，路由器将部分或全部的路由表传递给与其相邻的路由器；而在链路状态路由协议中，路由器将链路状态信息传 递给在同一区域内的所有路由器。 根据路由器在自治系统（AS）中的位置，可将路由协议分为内部网关协议 （Interior Gateway Protocol，IGP）和外部网关协议（External Gateway Protocol，EGP，也叫域 间路由协议）。域间路由协议有两种：外部网关协议（EGP）和边界网关协议（BGP）。EGP 是为一个简单的树型拓
5、扑结构而设计的，在处理选路循环和设置 选路策略时，具有明显的缺点，目前已被 BGP 代替。1.2 内部网关协议在一个 AS（Autonomous System，自治系统，指一个互连网络，就是把整个 Internet划分为许多较小的网络单位，这些小的网络有权自主地决定在本系统中应采用何种路由选择协议）内的路由协议称为内部网关协议（interior gateway protocol） 。这里网关是路由器的旧称。现在正在使用的内部网关路由协议有以下几种：RIP-1，RIP-2，IGRP，EIGRP，IS-IS 和 OSPF。其中前 4 种路由协议采用的是距离向量算法，IS-IS 和 OSPF 采用的
6、是链路状态算法。对于小型网络，采用基于距离向量算法的路由协议易于配置和管理，且应用较为广泛，但在面对大型网络时，不但其固有的环路问题变得更难解决，所占用的带宽也迅速增长，以至于网络无法承受。因此对于大型网络，采用链路状态算法的 IS-IS 和 OSPF 较为有效，并且得到了广泛的应用。1.2.1 链路状态路由协议链路状态路由选择协议又称为最短路径优先协议，它基于 Edsger Dijkstra 的最短路径优先（SPF）算法。它比距离矢量路由协议复杂得多，但基本功能和配置却很简单，甚至算法也容易理解。路由器的链路状态的信息称为链路状态，包括：接口的 IP 地址和子网掩码、网络类型（如以太网链路或
7、串行点对点链路） 、该链路的开销、该链路上的所有的相邻路由器。链路状态路由协议是层次式的，网络中的路由器并不向邻居传递“路由项” ，而是通告给邻居一些链路状态。与距离矢量路由协议相比，链路状态协议对路由的计算方法有本质的差别。距离矢量协议是平面式的，所有的路由学习完全依靠邻居，交换的是路由项。链路状态协议只是通告给邻居一些链路状态。运行该路由协议的路由器不是简单地从相邻的路由器学习路由，而是把路由器分成区域，收集区域的所有的路由器的链路状态信息，根据状态信息生成网络拓扑结构，每一个路由器再根据拓扑结构计算出路由。1.2.2 OSPFOSPF 路由协议是一种典型的链路状态（Link-state）
8、的路由协议，一般用于同一个路由域内。在这里，路由域是指一个自治系统（Autonomous System） ，即 AS，它是指一组通过统一的路由政策或路由协议互相交换路由信息的网络。在这个 AS 中，所有的 OSPF 路由器都维护一个相同的描述这个 AS 结构的数据库，该数据库中存放的是路由域中相应链路的状态信息，OSPF 路由器正是通过这个数据库计算出其 OSPF 路由表的。作为一种链路状态的路由协议，OSPF 将链路状态广播数据包 LSA（Link State Advertisement）传送给在某一区域内的所有路由器，这一点与距离矢量路由协议不同。运行距离矢量路由协议的路由器是将部分或全部
9、的路由表传递给与其相邻的路由器。OSPF 特性如下：快速收敛； 能够适应大型网络； 能够正确处理错误路由信息(原文:less susceptibility to bad routing information.注释:产生错误路由信息的几率更小,算法先进嘛)； 使用区域，能够减少单个路由器的 CPU 负担，构成结构化的网络 (原文:makes possible the construction of hierarchical internetwork topologies 注释:可以更好的构建层次化的网络结构)； 支持无类路由，完全支持超网，可变长子网等无类特性； 支持多条路径负载均衡； 使用组
10、播地址来进行信息互通，减少了非 OSPF 路由器的负载； 使用路由标签来表示来自外部区域的路由。1.3 外部网关协议23 外部网关协议外部网关协议是一个现已过时的互联网路由协议，最初于 1982 年由 BBN 技术公司的EricC.Rosen 及 DavidL.Mills 提出。其最早在 RFC827 中描述，并于 1984 年在 RFC904 中被正式规范。EGP 是一种简单的（网络）可达性协议，其与现代的距离-矢量协议和路径-矢量协议不同，它仅限适用于树状拓扑的网络。在互联网发展的早期，自治系统之间的互连使用的是一种称为“EGP 版本 3”的外部网关协议。EGP3 不应与一般所说的各种 E
11、GP 协议相混淆。现今，边界网关协议（BGP）是互联网路由的目前公认标准，其基本已取代了局限较大的 EGP3 协议。2 OSPF 基本原理2.1 OSPF 邻居和邻接关系1. OSPF 的邻居（Neighbors）同一个网段上的路由器可以成为邻居。邻居是通过 Hello 报文来选择的，Hello 报文使用 IP 多播方式在每个端口定期发送。路由器一旦在其相邻路由器的 Hello 报文中发现他们自己，则他们就成为邻居关系了，在这种方式中，需要通信的双方确认。邻居的协商只在主地址（Primary address） 间协商。两个路由器之间如果他们不满足下列条件，则他们就不能成为邻居：1、Area-i
12、d：两个路由器必须有共同的网段上，它们的端口必须属于该网段上的同一个区，当然这些端口必须属于同一个子网。2 验证（Authentication OSPF）允许给每一个区域配置一个密码来进行互相验证。路由器必须交换相同的密码，才能成为邻居。3、Hello Interval 和 Dead Interval： OSPF 协议在每个网段上交换 Hello 报文，这是 Keeplive 的一种形式，路由器用它来确认该网段上存在哪些路由器，并且选定一个指定路由器 DR（Designated Router）。Hello Interval 定义了路由器上 OSPF 端口上发送Hello 报文时间间隔长度（秒为
13、单位）。Dead Interval 是指邻居路由器宣布其状态为DOWN 之前，没有收到其 Hello 报文的时间。OSPF 协议需要两个邻居路由器的这些时间间隔相同，如果这些时间间隔不同，这些路由器就不能成为邻居路由器。可在路由器的端口模式下设置这些定时器：ip ospf hello-interval ip ospf dead-interval 4 Stub 区标记：两个路由器为了成为邻居还可以在 Hello 报文中通过协商 Stub 区的标记来达到。Stub 区的定义会影响邻居选择的过程。2. 邻接（Adjacencies）邻居关系形成后路由器之间就会进行邻接关系的形成。成为邻接关系的路由器
14、之间，不仅仅是进行简单的 Hello 报文的交换，而是进行数据库的交换/为了减少特定网段上的交换信息。OSPF 协议在每一个多址可达的网段上选择一个路由器作为指定路由器（DR Designated Router）， 选择另外一个路由器作为备份的指定路由器 BDR （Backup Designated Router）， BDR 作为 DR 的备份。这种设计的考虑是让 DR 或 BDR 成为信息交换的中心，而不是让每个路由器与该网段上其它路由器两两做更新信息的交换。路由器首先与 DR、 BDR 交换更新信息，然后 DR 、BDR 将这些更新信息转发给该网段上的其他路由器。这样信息交换的复杂度就会从
15、 O （n*n）降到 O （n），其中 n 是多址可达网段上的路由器的数量。如图 1， 显示了 DR 和 BDR 的关系。在上图中，所有的路由器在同一个多址可达网段上，通过相互交换 Hello 报文来选择DR 和 BDR. 在该网段上的每个路由器（他们之间已经成为 Neighbor）会进一步与 DR 和 BDR建立邻接（Adjacency） 关系。2.2 OSPF 的网络类型根据路由器所连接的物理网络不同，OSPF 将网络划分为四种类型：广播多路访问型（Broadcast multiAccess）、非广播多路访问型（None Broadcast MultiAccess，NBMA）、点到点型（P
16、oint-to-Point）、点到多点型（Point-to-MultiPoint）。 广播多路访问型网络如：Ethernet、Token Ring、FDDI。NBMA 型网络如：Frame Relay、X.25、SMDS。Point-to-Point 型网络如：PPP、HDLC。designated router(DR):多路访问网络中为避免 router 间建立完全相邻关系而引起大量开销,OSPF 在区域中选举一个 DR,每个 router 都与之建立完全相邻关系.router 用 Hello 信息选举一个 DR.在广播型网络里 Hello 信息使用多播地址 224.0.0.5 周期性广播,并发现邻居.在非广播型多路访问网络中,DR 负责向其他 router 逐一发送 Hello 信息backup designated router(BDR):多路访问网络中 DR 的备用 router,BDR 从拥有adjacency 关系的 router 接收路由更新,但是不会转发
