OSPF動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的原理與特點(diǎn)介紹

引言

根據(jù)是否在一個(gè)自治域內(nèi)部使用，動(dòng)態(tài)路由協(xié)議分為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP）和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（EGP）。這里的自治域指一個(gè)具有統(tǒng)一管理機(jī)構(gòu)、統(tǒng)一路由策略的網(wǎng)絡(luò)。自治域內(nèi)部采用的路由選擇協(xié)議稱為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，常用的有RIP、OSPF；外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議主要用于多個(gè)自治域之間的路由選擇，常用的是BGP和BGP-4。

路由協(xié)議（Routing Protocol）：用于路由器動(dòng)態(tài)尋找網(wǎng)絡(luò)最佳路徑，保證所有路由器擁有相同的路由表，一般路由協(xié)議決定數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上的行走路徑。這類協(xié)議的例子有OSPF,RIP等路由協(xié)議，通過提供共享路由選擇信息的機(jī)制來支持被動(dòng)路由協(xié)議。路由選擇協(xié)議消息在路由器之間傳送。路由選擇協(xié)議允許路由器與其他路由器通信來修改和維護(hù)路由選擇表。

1路由和路由協(xié)議

顧名思義，動(dòng)態(tài)路由協(xié)議是一些動(dòng)態(tài)生成（或?qū)W習(xí)到）路由信息的協(xié)議。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)IP報(bào)文發(fā)送的一些路徑信息。動(dòng)態(tài)路由協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如路由器（Router）學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中路由信息的方法之一，這些協(xié)議使路由器能動(dòng)態(tài)地隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲挟a(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(luò)中的路由器在較短的時(shí)間內(nèi)，無需網(wǎng)絡(luò)管理員介入自動(dòng)地維持一致的路由信息，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到路由收斂狀態(tài)，從而保持網(wǎng)絡(luò)的快速收斂和高可用性。

路由器學(xué)習(xí)路由信息、生成并維護(hù)路由表的方法包括直連路由（Direct）、靜態(tài)路由（Static）和動(dòng)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(luò)管理員維護(hù)，也不需要路由器通過某種算法進(jìn)行計(jì)算獲得，只要該接口處于活動(dòng)狀態(tài)（Active），路由器就會(huì)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。

2 動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的分類

按照區(qū)域（指自治系統(tǒng)），動(dòng)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(dòng)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。

3 OSPF協(xié)議的特點(diǎn)

OSPF全稱為開放最短路徑優(yōu)先?！伴_放”表明它是一個(gè)公開的協(xié)議，由標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議組織制定，各廠商都可以得到協(xié)議的細(xì)節(jié)。“最短路徑優(yōu)先”是該協(xié)議在進(jìn)行路由計(jì)算時(shí)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(gè)協(xié)議，它具有以下特點(diǎn)：

◆ 可適應(yīng)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)；

◆ 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(yàn)證；

◆ 支持以組播地址發(fā)送協(xié)議報(bào)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(luò)中路由器的路由信息保持一致，這個(gè)機(jī)制浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)帶寬并引發(fā)了一系列的問題，下面對此將作簡單的介紹。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(shí)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(gè)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(luò)中，如果通過OSPF計(jì)算出到同一目的地有兩條以上代價(jià)（Metric）相等的路由，該協(xié)議可以將這些等值路由同時(shí)添加到路由表中。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(shí)是一個(gè)比較先進(jìn)的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，這也是它得到廣泛采用的主要原因。

4 OSPF協(xié)議的工作原理

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(gè)以太網(wǎng)接口不連接其他路由器，只連接了一個(gè)以太網(wǎng)段。此時(shí)，對于運(yùn)行 OSPF的路由器R1，只能識別本身，無法識別該網(wǎng)段上的設(shè)備（主機(jī)等）；抽象模型Model 2表示路由器R1通過點(diǎn)對點(diǎn)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(diǎn)對多點(diǎn)（如Frame Relay、X.25等）鏈路連接多臺路由器R3、R4等，此時(shí)路由器R5、R6之間不進(jìn)行互聯(lián)；抽象模型Model 4表示路由器R1通過點(diǎn)對多點(diǎn)（如Frame Relay、X.25等）鏈路連接多臺路由器R5、R6等，此時(shí)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(diǎn)，而不涉及具體的鏈路層協(xié)議細(xì)節(jié)。該模型基本表達(dá)了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)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(jià)）來描述。此時(shí)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(jià)值。

對于抽象模型Model 2（點(diǎn)對點(diǎn)鏈路），先使用Link ID（連接的網(wǎng)段）、Data（掩碼）、Type（類型）和Metric（代價(jià)）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(gè)參數(shù)名不變，但其含義有所不同。此時(shí)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(jià)值。

對于抽象模型Model 3（點(diǎn)對多點(diǎn)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(jià)）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(diǎn)對多點(diǎn)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(jià)）來描述接口路由。此時(shí)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。

5 計(jì)算路由

路由器完成周邊網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的描述（生成LSA）后，發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)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(jì)算路由，路由器以自己為根節(jié)點(diǎn)，把LSDB中的條目與LSA進(jìn)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(shí)意味著所到達(dá)的該段鏈路的類型標(biāo)識為3（Stubnet）。

6 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(jī)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(luò)中的路由器的路由信息保持一致。

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(shí)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(shí)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(dāng)然，在發(fā)送時(shí)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(rèn)和錯(cuò)誤重傳機(jī)制。那么，在這種協(xié)議基礎(chǔ)之上，要做到數(shù)據(jù)包丟失或出錯(cuò)后進(jìn)行重傳，上層協(xié)議必須本身具備這種可靠的機(jī)制。OSPF采取了與TCP類似的確認(rèn)和超時(shí)重傳機(jī)制。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(bào)文號（I）、結(jié)尾標(biāo)識（M）及主從標(biāo)志（MS）。

7 高效率地進(jìn)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(jī)制來完成的，該機(jī)制使距離向量路由協(xié)議無法高效地進(jìn)行路由信息的交換。在OSPF協(xié)議中，為了提高傳輸效率，在進(jìn)行鏈路狀態(tài)通告（LSA）數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)，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(jìn)行傳輸，因?yàn)槊總€(gè)LSA頭中不包含具體的鏈路狀態(tài)信息，它只含有各LSA的標(biāo)識（該標(biāo)識唯一代表一個(gè)LSA），所以，該報(bào)文非常小。

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）。

8 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(bào)文，并簡單介紹了它們的作用，我們作個(gè)簡單的小結(jié)：

◆ Hello報(bào)文，通過周期性地發(fā)送來發(fā)現(xiàn)和維護(hù)鄰接關(guān)系；

◆ DD（鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫描述）報(bào)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(bào)文，向鄰居請求本地沒有的LSA；

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

◆ LSAck（LS ACK）報(bào)文，收到鄰居發(fā)送的LSA后發(fā)送的確認(rèn)報(bào)文。

OSPF協(xié)議采用的特殊機(jī)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(bào)文來確定鄰接關(guān)系，每一臺路由器都會(huì)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(dá)到同步鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的目的，在網(wǎng)絡(luò)中就會(huì)建立起n×（n-1）/2條鄰接關(guān)系（n為網(wǎng)絡(luò)中OSPF路由器的數(shù)量），這樣，在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫同步時(shí)需要占用一定的帶寬。

為了解決這個(gè)問題，OSPF采用了一個(gè)特殊的機(jī)制：選舉一臺指定路由器（DR），使網(wǎng)絡(luò)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(luò)中僅需建立n-1條鄰接關(guān)系。

要被選舉為指定路由器，該路由器應(yīng)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(gè)滿足條件的路由器則當(dāng)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(bào)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(luò)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(shí)，要耗費(fèi)較長的時(shí)間和很大的CPU資源，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓母怕室泊蟠笤黾?。這些因素的存在，不僅耗費(fèi)了路由器大量的存儲空間，加重了路由器CPU的負(fù)擔(dān)，而且，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)因?yàn)橥負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的經(jīng)常變化，長期處于“動(dòng)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(luò)，進(jìn)行區(qū)域劃分是一個(gè)重要的原因。

OSPF協(xié)議允許網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)人員根據(jù)需要把路由器放在不同的區(qū)域（Area）中，兩個(gè)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(gè)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(gè)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。

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?yàn)樵趨^(qū)域間不再進(jìn)行鏈路狀態(tài)信息的交互（實(shí)際上，在區(qū)域間傳遞路由信息采用了可能導(dǎo)致路由自環(huán)的遞歸算法），OSPF協(xié)議依靠維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)無路由自環(huán)的能力，在區(qū)域間無法實(shí)現(xiàn)。

9 結(jié)束語

本文對OSPF動(dòng)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(hù)鄰接關(guān)系，維護(hù)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(shí)，又采用了一些特殊的機(jī)制，保證了它在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中的可用性。