（计算机系统结构专业论文）路由协议服务器的实现及其应用研究.pdf

摘要 摘要 千年之交的几年时间里，i n t e r n e t 无论是在网络建设上还是在网络应用上都获 得了巨大的发展。路由器及其路由技术在其中发挥了举足轻重的作用。不同地区， 不同类型的网络能够互连互通是由路由器完成的；数据分组在庞大面又复杂的网 络中，有赖于路由才能快速准确的“由此及彼”；终端用户能上i n t e r n e t 是接入路 出器的功劳；而各地i s p 在网络管理、网络收费、网络安全等方面的目标，无不 是通过在自己的路由器中实施各种路由策略来实现的。其中o s p f 路由协议是一 个非常优秀的链路状态路由协议。它收敛快，消耗低，对路由进行精确的度量， 更重要的是它的健壮性，o s p f 的健壮性使它能够在最恶劣的网络环境中正常工 作，这是其他路由协议所无法比拟的。随着i n t e r n e t 规模性，复杂性的提高，o s p f 逐渐成为各厂家路由协议的主角，成为i s p 手中的利器。本课题就是研究当前 i n t e r n e t 上的主流路由协议一一o s p f 。o s p f 的机制，o s p f 的实现和o s p f 在网 络拓扑发现上的应用。 i n t e r n e t 发展的同时也给网络管理提出了种种问题。路由故障如何监测，如何 尽快发现故障，如何定位故障；数据包实际路由是否正确，是否符合既定的路由 策略，有没有更好的路由；当前的网络是否满足用户需要，下一步如何拓展等等 问题。这些问题的解决无不是以快速准确可靠的网络拓扑为基础。然而当前各种 网络拓扑发现机制存在着种种的不足，如速度慢、网络负荷高、可靠性低、准确 性不够、可扩展性弱等等缺陷。这样，如何寻找一种新的拓扑发现机制，如何快 速准确可靠的发现网络拓扑结构成为当务之急。 本课题在研究探讨了o s p f 路由协议的理论和实现的同时，提出了路由协议服 务器的思路。o s p f 服务器实现了o s p f 路由协议，但不进行路由转发，对硬件的 要求不高，可以运行在一般的主机上，却能够象路由器一样在网络中收集路由信 息，生成网络拓扑，计算路由表，监督网络的正常运行等等，在计算机网络管理、 监测等方面有较大的应用价值。特别是利用o s p f 协议链路状态算法的特点，能 够在o s p f 服务器内获得快速准确可靠的网络拓扑结构。 关键词：路由协议服务器；路由技术；o s p f ；网络管理；拓扑发现 华南理工大学i ：学硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n gt h ep a s tf e wy e a r s ，t h e r eh a v eb e e ng r e a ta c h i e v e m e n t si nb o t hn e t w o r k c o n s t r u c t i o na n dn e t w o r k a p p l i c a t i o n r o u t e ra n di t s t e c h n i q u e s h a v e p l a y e d a n i m p o r t a n t r o l ei nt h ep r o c e s s d i f f e r e n tt y p eo fn e t w o r k si nd i f f e r e n tr e g i o n sc a n tb e c o n n e c t e dt oo n ea n o t h e rw i t h o u t r o u t e r t h r o u g h r o u t e rd a t a p a c k e t s c a nb e t r a n s f e r r e df r o mt h es o u r c et ot h ed e s t i n a t i o ni n h u g ea n dc o m p l e xn e t w o r k i ti s r o u t e rt h a th e l p st e r m i n a lu s e r st oe n j o yi n t e r n e t o n l yb yc a r r y i n go u ta l lk i n d so f r o u t e rp o l i c i e si nt h e i ro w nr o u t e rc a ni s p sa c h i e v et h e i rg o a l si nt h ef i e l d so fn e t w o r k m a n a g e m e n t ，n e t w o r kt o l l ，n e t w o r ks e c u r i t y ，e t c o s p fr o u t e rp r o t o c o l i sa ne l i t e r o u t e rp r o t o c 0 1 o s p fi sf a m o u sf o ri t sf a s tc o n v e r g e n c e ，l o wc o n s u m p t i o n ，a c c u r a t e m e a s u r e m e n ta n de s p e c i a l l yr o b u s t n e s s o s p fi ss or o b u s tt h a ti tc a nw o r kv e r yw e l l i nt h em o s ti n s t a b l en e t w o r ke n v i r o n m e n tw h i l en oo t h e rr o u t e rp r o t o c o lc a nd ol i k e t h i s w i t ht h ei n c r e a s eo fs c a l ea n dc o m p l e x i t yo fi n t e r n e t ，o s p fi su s e dw i d e l yi ni p n e t w o r k sa n db e c a m eau s e f u lt o o lo fi s p s a l m o s ta l lr o u t e rm a n u f a c t o r i e ss u p p o r t o s p fp r o t o c o li nt h e i r p r o d u c t s t h i s d i s s e r t a t i o nj u s tr e s e a r c ht h em a i nr o u t e r p r o t o c o l i nc u r r e n ti n t e r n e t o s p f i t sm e c h a n i s m ，i t s i m p l e m e n t a t i o n a n di t s a p p l i c a t i o ni nt o p o l o g yd i s c o v e r y m a n yp r o b l e m sc o n c e r n i n gn e t w o r km a n a g e m e n t a r ea r i s i n gw h i l et h ei n t e r n e ti s d e v e l o p i n g ：h o wt om o n i t o r r o u t e rf l a w ，h o wt od e t e c ta n di o c a t et h ef l a wa sf a s ta s p o s s i b l e ，a r ed a t ap a c k e t sr o u t e r e dc o r r e c t l ya c c o r d i n gt ot h ee s t a b l i s h e dp o l i c y , c a n t h ec u r r e n tn e t w o r k s a t i s f y c u s t o m e r s d e m a n d ，h o w t os c h e m et h en e t w o r k c o n s t r u c t i o ni nt h en e x ts t e p ，a n ds oo n s o l u t i o n so fa l lt h e s ep r o b l e m sa r eb a s e do n f a s t ，a c c u r a t ea n dr e l i a b l et o p o l o g yd i s c o v e r y h o w e v e r , t h e r e a r es o m es h o r t c o m i n g s e x i s t i n g i nc u r r e n tm e c h a n i s mo f t o p o l o g yd i s c o v e r y ，s u c h a sl o w s p e e d ，l o w r e l i a b i l i t y ，l o wa c c u r a c y , h i g hn e t w o r kl o a d n e s s ，e t c s o ，i t su r g e n tt o f i n dan e w m e t h o do f t o p o l o g ya n d d i s c o v e rt o p o l o g yq u i c k l y , a c c u r a t e l ya n dr e l i a b l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ib r o u g h tf o r w a r dat h o u g h to fr o u t e rp r o t o c o ls e r v e rw h i l e d i c u s s i n gt h et h e o r ya n di m p l e m e n t a t i o no fo s p f o s p f s e r v e ro n l yi m p l e m e n t st h e o s p fp r o t o c o la n dd o e s n tp r o c e s sp a c k e t sf o r w a r d i n g ，s o i th a sl o wr e q u e s t so n h a r d w a r ea n dc a nr u nw e l li nan o r m a lh o s t b u ti t c a nw o r kl i k ear o u t e rt oc o l l e c t r o u t e ri n f o r m a t i o n ，d i s c o v e rt o p o l o g y ，c a l c u l a t e r o u t e rt a b l e ，m o n i t o rn e t w o r kf o r n o r m a l l yr u n n i n g a n ds oo n i th a sl a r g ea p p l i c a b l ev a l u ei nc o m p u t e r n e t w o r k m a n a g e m e n t a n dm o n i t o r ，e s p e c i a l l yu t i l i z i n gt h el s ( 1 i n ks t a t e ) a r i t h m e t i co f o s p ft o a b s t r a c t d i s c o v e rf a s t ，a c c u r a t ea n dr e l i a b l et o p o l o g yi no s p f s e r v e r k e y w o r d ： r o u t e r p r o t o c o l s e r v e r ：r o u t e rt e c h n o l o g y ：o s p f ；n e t w o r k m a n a g e m e n t ：t o p o l o g yd i s c o v e r y 孤 第一章绪论 第一章绪论 1 1 路由技术 随着信息技术革命带来的巨大动力，网络经济，特别是与i n t e r n e t 相关的经济， 已经成为知识经济时代的主要模式，各种形式的网络应用深入到千家万户的日常 生活中，人们对网络的性能、安全以及稳定性的期望越来越高。是什么把网络相 互连接起来? 如何实现高效、安全、稳定的网络呢? 是路由器。路由器是网络互 联的枢纽。目前已经广泛应用于各行各业的计算机网络中，各种不同档次的产品 已经成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互联和骨干网与互联网互联互通业 务的主力军。 所谓路由就是指通过相互连接的网络把信息从源地点移动到目标地点的活 动。一般来说，在路由过程中，信息至少会经过一个或多个中间节点。通常，人 们会把路由和交换进行对比，这主要是因为在普通用户看来两者所实现的功能是 完全一样的。其实，路由和交换之问的主要区别就是交换发生在o s i ( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t m o d e l ) 参考模型的第二层一一数据链路层，而路由发生在第三层一一 网络层。这一区别决定了路由和交换在移动信息的过程中使用不同的控制信息， 所以两者实现各自功能的方式也是不同的。交换是基于网络各节点的物理地址进 行转发的，它速度快，但灵活性和安全性低。路由则要打开i p 数据包，获得i p 地址后再根据路由表，安全访问表确定下一跳地址后进行转发。路由速度慢一些， 但能实现各种路由策略，安全性高。 路由有动静之分，静态路由是一种特殊的路由，它由管理员手工设定。手工 配置所有的路由虽然可以使网络正常运转，但是也会带来很大局限性。网络拓扑 发生变化之后，静态路由不会自动改变，必须有网络管理员的介入。缺省路由是 静态路由的一种，也是由管理员设置的。在没有找到目标网络的路由表项时，路 由器将信息发送到缺省路由器，因此又称作最后求助网关。而动态路由是由路由 器自动计算出的路由，并能够根据网络实际情况动态更新。常说的r i p 、i g r p 、 o s p f 、b g p 等等都是动态算法的典型代表。 下面介绍几个有关路由的基本概念：路由域、a s 、i g p 和e g p 、收敛。 路由域属于一种管理实体，是网络管理上的概念。其范围最终由网络管理员 决定。一个小型路由域可能由几个子网构成；而大型路由域可能涉及多个网络。 建立路由域的目的在于决定路由信息的发布边界，并最终实现对数据包数量的限 制。另外，路由域的概念也常用于网络的安全管理，用户服务和计费管理。 自治系统a s ( a u t o n o m o u ss y s t e m ) 是指在同一机构管理下，实施相同路由 策略的一系列路由器和网络的集合。i n t e r n e t 就是由a s 集合构成的，目前有近 竺室堡；! 查兰三兰堡兰堡篁兰 1 5 0 0 0 个a s 。每个a s 都有自己独立的a s 号，由i n t e r n e t 注册机构分配，并作为 a s 的识别号。 运行在同一自治系统的内部路由器上，负责进行路由决策和报文转发的路由 协议叫内部网关协议i g p ( i n t e r i o r g a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 协议。而运行在不同自治系 统问，负责不同自治系统间路由决策和报文转发的路由协议叫外部网关协议e g p ( e n t e r i o rg a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 协议。 收敛是指路由域中所有路由器对当前的网络结构、对路由转发达成一致的状 态。收敛时间是指从网络的拓扑结构发生变化到网络上所有的相关路由器都得知 这一变化，并且相应地做出改变所需要的时间。这一时间越短，网络变化对全网 的扰动就越小。收敛时间过长会导致路由循环的出现。在上述几种域内路由算法 中，r i p 和i g r p 的收敛时间相对较长，都是分钟数量级的：o s p f 要短一些，数 十秒内可以收敛；e i g r p 最短，网络拓扑发生变化之后，几秒钟即可达到收敛状 态。 1 2 路由协议简介 路由算法在路由协议中起着至关重要的作用，负责路由表的建立，交换和更 新。常见的路由算法有：距离向量d v ( d i s t a n c ev e c t o r ) 算法，该算法将当前路 由器的路由信息传送给相邻路由器，相邻路由器将这些信息加入自身的路出表。 而链路状态l s ( l i n ks t a t e ) 算法将链路状态信息传给域内所有的路由器，接收 路由器利用这些信息构建网络拓扑图，并利用图论中的最短路径优先算法决定路 由。相比之下，距离向量算法比较简单，而链路状态算法较为复杂，占用的c p u 和内存也要多一些。但是由于链路状态算法采用的是根据自身所拥有的整个网络 结构拓扑信息进行路由计算，所以不容易产生路由循环。另外，还有介于d v 和 l s 之间的路径向量路由算法，它一般用于a s 间的路由转发，在对等体路由器之 间交换当前所用的路由，其每个路由更新分组都带有中转网络从源站点到目的站 点的全部列表。接受路由器收到该分组时要检查自身的a s 是否在列表中，以避 免路由循环。通过该列表也可以构建一个a s 级的网络拓扑图。 r i p 和i g r p 是d v 类算法的典型代表，而o s p f 是l s 的代表协议，路径向 量算法则用在b g p 协议中。下面简单介绍一下这几个协议。 路由信息协议r i p ( r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 是应用较早、使用最广泛的 距离向量协议，它是由x e r o x 公司在7 0 年代开发的。t c p i p 版本的r i p 是施乐 协议的改进版。r i p 无论是在实现原理还是配置方法上，都非常简单，r i p 基于 跳数计算路由，最大允许的跳步数是1 6 ，缺省情况下每隔3 0 秒钟向邻居路由器 发送更新消息。1 9 9 4 年r f c l 7 2 3 定义了r i pv 2 ，加入了一些现在的大型网络中 所要求的特性，如安全认证、路由汇总、无类域间路由c i d r ( c l a s s l e s s 2 第一章绪论 i n t e r d o m a i nr o u t i n g ) 、组播等。 内部网关路由协议i g r p ( i n t e r i o rg a t e w a yr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 是c i s c o 专有 的协议，只在c i s c o 路由器中实现。它也属于距离向量协议，所以在很多地方与 r i p 有共同点，比如广播更新等。它和r i p 最大的区别表现在度量方法、负载均 衡等几方面。i g r p 支持多路径上的加权负载均衡，这样网络的带宽可以得到更 加合理的利用。另外，与r i p 仅使用跳数作为度量依据不同，i g r p 使用了多种 参数，构成复合的度量值，这其中可以包含的因素有：带宽、延迟、负载、可靠 性和m t u ( m a x i m u mt r a n s f e ru n i t ) 等等。e i g r p 是i g r p 的增强版，它也是 c i s c o 专有的路由协议。e i g r p 采用了扩散更新d u a l ( d i f f u s i n g u p d a t e a 1 9 0 r i t h m ) 算法，在某种程度上，和距离向量算法相似，但具有更短的收敛时间 和更好的可操作性。作为对i g r p 的扩展，e i g r p 支持多种网络层协议，如i p 、 i p x 和a p p l e t a l k 等等。运行在i p 环境时，e i g r p 可以与i g r p 进行平滑的连接， 因为它们的度量方法是一致的。 开放式最短路径优先o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) 协议是8 0 年代后期开 发的，9 0 年代初成为工业标准，是一种典型的链路状态协议。o s p f 的主要特性 包括：支持v l s m ( v a r i a b l el e n g t hs u b n e tm a s k ) 、收敛迅速、带宽占用率低等 等。o s p f 协议在邻居之间交换链路状态信息，以便路由器建立链路状态数据库， 然后路由器根据数据库中的信息使用s p f ( s h o r t e s tp a t h f i r s t ) 算法计算路由表， 选择路径的主要依据是带宽。o s p f 支持一种两层的层次化路由选择方案，一个 网络，或者况是一个路由域可以划分为多个区域a r e a ，区域之间相对独立，彼此 并不知道对方的详细拓扑信息，各个区域通过o s p f 边界路由器相连，区域问可 以通过路由总结来减少路由信息，减小路由表，提高路由器的运算速度。 以上几种路由协议都是域内路由协议，他们通常用在自治系统的内部。当进 行自治系统间的连接时，往往采用b g p ( b o r d e rg a t e w a yp r o t o c o l s ) 域问路由协 议。目前在i n t e r n e t 上使用的域问路由协议是b g p 第四版。主要功能是交换网络 层可达信息n l r i ( n e t w o r kl a y e rr e a c h a b l ei n f o r m a t i o n ) 。网络层可达信息包括 可达信息经过的自治系统列表。从而构造了一个自治系统连接图，以避免路由环 路，同时也使得基于自治系统级别的策略控制成为可能。 1 3 网络管理和拓扑发现 网络管理就是控制一个复杂的计算机网络使它具有最高的效率和生产力的过 程，它包括数据收集、数据处理、数据分析等。其目标是最大限度地增加网络可 用时间，提高网络设备的利用率、网络性能、服务质量和安全性，简化多厂商混 合网络环境下的管理和控制网络运行成本，提供网络的长期规划。网络管理是由 一组软件组成的，它的使用可以大大提高网络的效率。 华南理工大学工学硕士学位论文 网络管理大致包括五大功能，在o s i 中提出的方案定义了配置管理、性能管 理、故障管理、计费管理和安全管理等功能域。配置管理主要是对网络资源即网 络对象的定义、储存、定位及操作。因此，网络配置管理功能至少包含：识别网 络拓扑结构、标识网络中的管理对象、自动修改指定设备的配置、动态维护网络 数据库等等。它是网络管理的起点和基础。性能管理负责估计系统资源的运行状 况及通信效率等系统机制。如网络流量等。故障管理要求确保网络能够提供连续 可靠的服务。包括故障监测、故障隔离和故障纠正等三个方面。计费管理是商业 化计算机网络中网络管理的一个重要功能，它记录网络资源的使用，控制和监测 网络操作的费用和代价。安全管理要求网络资源不被非法使用，网络管理系统本 身不被未经授权的访问。主要包括授权机制、访问机制、加密和加密关键字的管 理。另外，该功能还要维护和检查安全同志。 拓扑发现是网络管理的第一步。计算机网络管理和故障诊断的基础是清楚网 络的拓扑结构、网络设备及主机类型、i p 地址等。然而当前对网络拓扑的发现技 术都存在种种缺陷，无法达到“快、准、细”等对网络拓扑发现的一般要求。为 了更好的实现网络管理，更准确及时的实施网络监控，必须克服当前各种网络拓 扑发现技术的不足，寻找一种新的机制来发现网络拓扑结构。将o s p f 路由协议 用于网络拓扑发现，能够实现对i n t e r n e t 骨干网快速准确精细的拓扑发现。 1 4 论文的主要工作及意义 论文首先概要性介绍了路由技术的基础，有关概念，路由协议和网络管理等 知识。第二章就o s p f 协议的运行机制进行了深入的研究，特别是o s p f 中的链 路状态算法和报文结构、o s p f 的工作流程、o s p f 路由器之间如何建立和保持相 互之间的邻接关系、链路状态数据库如何在o s p f 路由器之间实现同步以及l s a ( l i n ks t a t ea d v e r t i s e m e n t ) 的传输机制一一泛洪等等。第三章研究了o s p f 协议的软件实现。o s p f 实现的软件框架结构，各主要类的描述和主要功能的具 体实现流程，同时提出了部分自己的改进工作。并在此基础上构建一台路由协议 服务器。第四章探讨了路由协议服务器的应用，主要是利用o s p f 的链路状态算 法进行网络拓扑发现，并在网络拓扑的基础上，进一步提供对网络管理的支持。 本章首先比较了当前几种主要的网络拓扑发现技术，指出了它们的缺陷和不足。 接着研究了如何将o s p f 服务器用于网络拓扑发现，有些什么目标，要对o s p f 的实现进行什么修改。同时给出从l s a 得到网络拓扑的算法和o s p f 服务器的系 统构成，并通过隧道协议解决o s p f 服务器在部署上的一个难题。接着从理论上 分析了o s p f 服务器应用于网络拓扑发现的速度，准确性和健壮性问题。最后通 过实验结果验证分析有关结论。 路由器是互联网的主要节点设备。作为不同网络之间互相连接的枢纽，路由 4 第一章绪论 器系统构成了基于t c p i p 的国际互连网络i n t e r n e t 的主体脉络，也可以说，路 由器构成了i n t e r n e t 的骨架。因此，在园区网、地区网、乃至整个i n t e r n e t 研究 领域中，路由器技术始终处于核心地位，其发展历程和方向，成为整个i n t e r n e t 研究的一个缩影。路由器技术中最核心的技术是软件技术，路由软件一般实现路 由协议功能、查表转发功能和维护管理等功能。本论文集中研究探讨了o s p f 路 由协议的理论和实践，提出了路由协议服务器的思路。顾名思义，路由协议服务 器就是运行路由协议的服务器。同路由器的最大差别就在于路由协议服务器不进 行路由转发，因此它对硬件的要求不高，可以运行在一般的主机上。但它实现了 路由器的核心软件部分，能够象路由器一样收集路由数据，生成网络拓扑，计算 路由表，监督网络的j 下常运行等等，在计算机网络的管理，监测和路由协议验证 等方面，有着广泛的应用前景。在当前i n t e r n e t 飞速发展，网络规模越来越庞大， 网络管理越来越复杂的背景下，本论文具有普遍的实际意义。 华南理工大学： 学硕士学位论文 第二章0 s p f 路由协议 2 1 o s p f 路由协议 1 9 8 8 年i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 开始制定新的链路状态 协议，即o s p f 协议，并且在1 9 9 0 年形成标准，公布在r f c l l 3 1 中。同i n t e r n e t 一样，o s p f 也经历了多年的发展，不断的修改完善，增加了许多新的功能，第 二版的o s p f 草案于1 9 9 1 年在r f c l 2 4 7 中公布，于1 9 9 4 年成为标准，公布在 r f c l 5 8 3 ，又在1 9 9 7 年和1 9 9 8 年进行两次较大的更新，分别公布在r f c 2 1 7 8 和 r f c 2 3 2 8 中。现在o s p f 已经是i n t e r n e t 上的主要内部网关协议。 2 1 1 o s p f 的基本特征 为了更好地说明o s p f 路由协议的基本特征，将o s p f 路由协议与距离矢量路 由协议之一的r i p 协议作一比较，归纳为如下几点： r i p 路由协议中使用了一种非常简单的方式来表示路由度量值，即跳数，也即 到达目的网络所要经过的路由器个数。在r i p 路由协议中，该参数被限制为最大 1 5 ，也就是说r i p 路由信息最多能传递至第1 6 个路由器；而o s p f 路由协议支持 精确的路由度量值( 范围在1 到6 5 5 3 5 之间) ，它自身不指定度量值的具体含义， 而是由网络管理员来指定，可以是链路带宽、延迟、通讯成本等等。如果需要， 还支持多重度量值。o s p f 路由协议支持t o s ( t y p eo f s e r v i c e ) 路由，因此，o s p f 比较适合应用于大型网络中。 r i p 路由协议收敛速度较慢。无论链路是否有更新，r i p 路由协议每3 0 秒钟 将整个路由表作为路由信息广播至网络中。这影响了r i p 路由协议的收敛速度， 甚至出现不收敛的现象。这是因为整个网络收敛要经过多个路由器的广播来传递， 而各个路由器的广播更新时间并不是一致的( 也要求不一致，否则，会出现广播 风暴) 。最终累加使得收敛周期较长，一般大小网络要几分钟。而对于路由器或链 路出现故障无法通讯的时候，收敛周期会更长。o s p f 路由协议采用一种泛洪 ( f i o o d i n g ) 的机制来传播路由信息，大大加快了收敛速度。泛洪机制在后面有 详细的描述。 r i p 路由协议每3 0 秒钟将整个路由表作为路由信息广播至网络中，在一个较 为大型的网络中，这会产生很大的广播信息，占用较多的网络带宽资源，并且容 易产生广播风暴。o s p f 是一种相对较“安静”的协议，正常工作状态下，平时 邻居路由器每1 0 秒钟发送h e l l o 包来保持联系，在较长时间间隔( 如3 0 分钟) 才发送自己产生的l s a ( 不是全部l s a ) 来更新路由表。因此，o s p f 对网络带 宽资源的占用比较少。 6 第二章o s p f 路由协议 在r i p 协议中，网络是一个平面的概念，并无区域和边界的定义。随着c i d r 概念的出现，r i p 协议就明显落伍了。在o s p f 路由协议中，一个网络，或者说 是一个路由域可以划分为很多区域，每一区域通过o s p f 边界路由器相连，区域 问可以通过路由总结来减少路由信息，缩短路由表，提高路由器的运算速度。同 时也缩小了错误路由信息的影响范围。 其他方面，o s p f 路由协议支持验证，只有互相通过验证的路由器之间才+ 能 交换路由信息。并且o s p f 可以对不同的区域定义不同的验证方式，提高网络的 安全性。o s p f 路由协议对负载均衡的支持较好。在多条c o s t 相同的链路上的能 实现负载均衡，目前一些厂家的路由器支持6 条链路的负载均衡。 2 1 2 一个0 s p f 的例子 下面给出一个点到点的o s p f 例子。网络拓扑如图2 1 所示。 假定网络已经运行了一段时问。图中所画的每个路由器都将有一个相同的链 路状态数据库用来描述一个完整的网络地图。通过查看这个数据库，六个路由器 的任何一个都能判断出网络还有多少路由器( 5 个) 、路由器1 0 1 1 4 有多少个 链接( 3 个) 、是否有链路连接1 0 1 1 2 和1 0 1 1 4 ( 有) 等等。同时数据库给 出每条链路的度量值。 根据这个数据库，每个路由器都可以计算出到达其他路由器的最短路径。例 如，路由器1 0 1 1 1 可以计算出到达1 0 1 1 6 的最短路径，其中一条经过 1 0 1 1 2 和1 0 1 1 4 ，而另一条经过1 0 1 1 3 和1 0 1 1 5 。特别要注意的是， 出于每个路由器都有相同的链路状态数据库，都能生成该路由域的完整拓扑结构。 因此，任一路由器都可以计算出其他路由器的路由表来。 图2 1 点到点的o s p f 网络拓扑 f i g2 - 1o s p ft o p o l o g y o fp o i n tt op o i n t 当网络处于稳定时，也就是说没有路由器链路进入或退出服务时，唯一的0 s p f 7 华南理jr 大学工学硕士学位论文 路出业务流就是相邻路由器之间周期性的h e l l o 分组以及链路状态数掘库偶尔的 刷新。h e l l o 每1 0 秒钟一次，如果不能及时从邻居路由器收到h e l l o 分组就说明 该路由器的邻居路由器或与之相连的链路出了问题。链路状态数据库的更新每3 0 分钟一次，以免出现数据库中有片断丢失或某个路出器的数据库发生错误。 现在假定连接路由器1 0 1 1 2 和1 0 1 1 4 的链路出现故障。则4 0 秒钟内( 缺 省时间) 不能通过该链路收到h e l l o 分组表明该链路失效。一旦检测到失效，路 由器1 0 1 1 2 通过产生自己的l s a 来更新链路状念数据库并泛洪给其他路由器知 道。当每个路由器都收到了路由器1 0 1 1 2 的新l s a ，路由器将重新计算其最短 路径。例如，路由器1 0 1 1 1 将计算出它只有一条到达1 0 1 1 6 的最短路径， 经过1 0 1 1 3 和1 0 1 1 5 。 2 1 3o s p f 的网络类型 i n t e r n e t 接入的许多子网中，其数据链路技术各有不同，有以太网，令牌环网、 x 2 5 、a t m 等等。o s p f 把这些不同的子网分为几种不同的类型，并在邻居路由 器的发现和保持以及数据库的同步上使用不同的通讯模式，以充分利用网络物理 上的特性，用最少的网络流量，实现o s p f 的正常运行。 先介绍两个有关的术语：邻居路由器( n e i g h b o rr o u t e r ) 和邻接路由器 ( a d j a n c e n tr o u t e r ) 。邻居路由器是指物理上有共享数据链路的路由器。邻接路由 器是指可以互相交换路由信息的邻居路由器。路由器根据它们连接的子网类型不 同而采用不同方式建立邻接关系。 a 点到点网络：点到点网络类型是串行口的缺省类型，每条点到点链路都要 求一个分开的子网，每个子网只有一台路由器，通过该路由器与其他路由 器连接起来形成点到点网络，i n t e r n e t 就是最大的点到点网络。点到点连接 的路由器总是有邻接关系。这种网络类型简单地体现了链路状态协议的基 本要素，对o s p f 的描述主要就是集中在点到点网络。 b 虚拟链路：可以把它当作没编号( u n n u m b e r e d ) 的点到点网络。 c 广播网络：如以太网、令牌环网、f d d i 环等。在广播网络，存在多个路 由器，让每个路由器和其他所有邻居路由器交换路由信息显然效率不高， 为了避免这种情况，选择一个路由器作为指定路由器d r ( d e s i g n a t e d r o u t e r ) 。它被认为和其他所有路由器邻接，并与他们交换信息，没有邻接 的邻居路由器不交换信息。 d 非广播网络一一如x 2 5 网络，帧中继和a t m 网络，也支持多个路由器， 但没有广播能力。非广播网络可配置成点到多点( p o i n t m u l t i p o i n t ) 或非 广播多重接入n b m a ( n o n b r o a d c a s tm u l t i a c c e s s ) 工作模式。点到多点 网络相当于多个点到点连接。非广播多重接入n b m a 网络类似于广播网 b 第二章0 s p f 路由协议 络，需通过选举指定路由器来建立邻接关系。 2 1 40 s p f 的路由层次 层次化路由选择是构建大型网络的常用技术，0 s p f 支持一种两层的层次化路 由选择方案，其层次中最大的实体是自治系统。一个 s 又可以分为多个区域，即 一组连网的终端系统。路由器和传输设备的集合。理论上，要选择合理的区域边 界，使不同区域之间的通信量达到最小。一个区域内的路由器之间交换所有的链 路状态信息，而对于其他区域内的路由器则隐藏它的详细拓扑结构。 区域的划分产生了两种不同类型的o s p f 路由，区别在于源和目的是在相同的 还是不同的区域，分别为区域内路由和区域问路由。o s p f 骨干区负责在区域之 间分发路由信息，其本身也是个o s p f 区域( 由于其区域标识符缺省为0 ，又 叫0 区域) 。因此，所有的骨干路由器与其他区域路由器一样，使用相同的过程和 算法来维护骨干区内的路由信息，骨干区拓扑对所有的跨区域路由器都是可见的。 图2 2 是一个分为若干区域的0 s p f 自治系统的例子。 图2 20 s p f 的分区 f i g2 - 2e x a m p l eo f0 s p fa r e a 当一个a s 划分成几个o s p f 区域时，根据一个路由器在相应的区域之内的作 用，可以将o s p f 路由器作如下分类： a 内部路由器：所有接口均连接到同一个区域，且这个区域不是骨干区域的 鼻 一 兰童罂：查耋三兰堡主耋堡丝兰 路由器是内部路由器。如图2 2 的路由器1 ，2 ，3 ，7 ，8 ，9 ，1 3 等都是 内部路由器。内部路由器仅仅保存所属区域的拓扑数据库，也就是仅仅收 集所属区域内的链路状态信息。 b 区域边界路由器a b r ( a r e ab o r d e rr o u t e r ) ：同时连接到两个或多个区域 的路由器叫区域边界路由器。图2 2 中，路由器4 、1 0 、1 l 和1 2 等都是 区域边界路由器。区域边界路由器具有相连的每一个区域的拓扑数据库。 并且了解如何将该区域的链路状态信息广播至骨干区域，再由骨干区域转 发至其他区域。 c 骨干路由器：骨干区域中的路由器。图2 2 中的路由器4 、5 、6 、l o 、1 1 和1 2 等都是骨干路由器。骨干路由器保存骨干区的拓扑数据并承担各个 区域之间的路由信息交换。 d a s 边界路由器a s b r ( a u t o n o m o u ss y s t e mb o r d e rr o u t e r ) ；a s 边界路由 器是与a s 外部的路由器互相交换路由信息的o s p f 路由器，该路由器在 a s 内部广播其所得到的a s 外部路出信息。这样a s 内部的所有路由器都 知道到a s 外部的路由信息。a s 边界路由器的定义与前面几种路由器的定 义相独立，一个a s 边界路由器可以是一个内部路由器或是一个区域边界 路由器。图2 2 中的路由器1 是一个a s b r 。 e 指定路由器d r ( d e s i g n a t e d r o u t e r ) ：在一个广播性的、多接入的网络中， 存在一个指定路由器，指定路由器主要在o s p f 协议中完成如下工作：1 指 定路由器与所有与其处于同一网段上的o s p f 路由器建立相邻关系。由于 o s p f 路由器之间通过建立相邻关系及f l o o d i n g 过程来进行链路状态数据 库的同步。可以说指定路由器处于一个网段的中心地位。2 指定路由器 产生用于描述所处的网段的链路数据包( 详见2 2 1 小节) ，该数据包中含 有该网段上所有路由器，包括指定路由器本身的状态信息。 虚拟链路( v i r t u a ll i n k ) ：o s p f 要求所有区域都与骨干区直接相连，但并不 要求这种连接是物理连接。实际上可以随意安排各区的位置，然后通过o s p f 虚 拟链路将它们逻辑的连接到骨干区。虚拟链路必须设置在两个区域边界路由器之 间，这两个路由器都有一个端口与同一非骨干区域相连( 即这两个路由器同属于 该非骨干区域) ，而且其中个路由器必须属于骨干区域。虚拟链路被认为是属于 骨干区域的，通过虚拟链路的路由信息作为域内路由来看待。 末梢区域( s t u b a r e a ) ：当一个o s p f 的区域只存在一个区域出口点时，可以 将该区域配置成一个末梢区域。在o s p f 路由协议的链路状态信息中，有a s 外 部链路状念信息( 详见2 2 1 小节) ，这些信息通过f l o o d i n g 传递到a s 内所有o s p f 路由器上。但是a s 外部信息不允许广播进出末梢区域。对于末梢区域，访问 a s 外部的数据只能根据默认路由来寻址。这样做有利于减小末梢区域内路由器 第二章0 s p f 路由协议 中链路状态数据库的大小及内存的使用，提高路由表的计算速度。成为末梢区域 有两点限制：一是木梢区域中不允许存在虚拟链路；二是末梢区域中不允许存在 a s 边界路由器。图2 2 中只有a r e a 2 可以配置成末梢区域。 2 2 链路状态通告l s a 每个o s p f 路由器生成一个或多个链路状态通告l s a ( l i n ks t a t e a d v e r t i s e m e n t ) ，以描述路由器选择域的局部情况。生成的l s a 会扩散到路由选 择域的其他路由器，综合所有的l s a ，就可以形成一个链路状态数据库，该数据 库用来作为路出表计算时的输入数据。 2 2 1 链路状态通告及其格式 所有的o s p fl s a 都是以2 0 字节的普通首部开始的，如图2 - 3 所示 l s 年龄选项l s 类型 链路状态i d 发出通告的路由器 l s 序列号 l s 校验和长度 图2 3 l s a 报文头 f i g2 - 3h e a d e r o fl s ap a c k e t 一个o s p f 状态数据库可能包含几千个l s a 。在泛洪过程中和各种路由选择 计算过程中，必须标识单个l s a 。可以通过l s a 首部三个字段来标识：l s 类型、 链路状态i d 和发出通告路由器。对于同一l s a 的不同实例则通过l s 序列号、 l s 校验和、l s 年龄三个字段来区分。 l s 类型字段 随着o s p f 区域的划分和路由器类型的引入，o s p f 路由协议又对其链路状态 广播数据包(