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(xí)到)路由信息的協(xié)議。在計算機網(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報文發(fā)送的一些路徑信息。動態(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)議使路由器能動態(tài)地隨著網(wǎng)絡(luò)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(luò)中的路由器在較短的時間內(nèi)，無需網(wǎng)絡(luò)管理員介入自動地維持一致的路由信息，使整個網(wǎng)絡(luò)達到路由收斂狀態(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(luò)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(luò)規(guī)劃者根據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(luò)規(guī)劃者，當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大或網(wǎng)絡(luò)拓撲經(jīng)常發(fā)生改變時，網(wǎng)絡(luò)管理員需要做的工作將會非常復(fù)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(yīng)網(wǎng)絡(luò)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(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(luò)中路由器的路由信息保持一致，這個機制浪費了網(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。
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(luò)拓撲發(fā)生變化時，網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)中，路由自環(huán)的產(chǎn)生將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的極大耗費，甚至使網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)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(shè)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(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)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(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)描述，并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的其他路由器。
計算路由
路由器完成周邊網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(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(luò)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(yīng)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(chǔ)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(fù)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(chǔ)。
高效率地進行LSA的交換
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(luò)中就會建立起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(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。備份指定路由器(BDR)是指定路由器在網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(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(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，要耗費較長的時間和很大的CPU資源，網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)，進行區(qū)域劃分是一個重要的原因。
OSPF協(xié)議允許網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)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(luò)中應(yīng)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(dǎo)致路由自環(huán)的遞歸算法)，OSPF協(xié)議依靠維護整個網(wǎng)絡(luò)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(luò)中的可用性。
