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基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现 中文摘要 基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现 中文摘要 电信网络运营商的主干网是整个运营商网络的核心。但是目前的基于s n m p 协 议的网络管理系统存在着占用目标网络带宽大、故障定位难等缺点。不仅无法有效 地管理主干网，同时还降低主干网的性能。目前的一个解决方案是采用基于路由协 议的路由管理系统来管理主干网络。本文就是在此基础上设计并实现了一个基于 o s p f 的路由管理系统。 + 本文首先介绍了系统的总体设计方案、系统中拓扑采集模块、拓扑服务器模块 和客户端功能模块的设计。 其次，在深入理解o s p f 协议运行机制的基础上，本文定义了一个基于o s p f 协议的故障管理模型，通过对该模型进行故障发生情景分析，给出了影响网络故障 发生的拓扑状态因素、网络故障和网络事件的定义，并在此基础上，确定了网络拓 扑事件和网络故障之间的关系。 最后，详细介绍了系统实现中涉及到的几项关键技术：o s p f 协议源代码的优 化、网络拓扑管理功能和故障诊断模块。在网络拓扑管理功能中，本文参考故障管 理模型设计了网络拓扑信息转换算法。 基于路由协议的路由管理系统是目前电信主干网管理研究领域中的一个重点和 难点。本课题对于此类系统的设计具有一定的借鉴和参考意义。 关键词： o s p f ，拓扑发现，故障管理模型，o s p f 协议优化 作者：尤澜涛 指导老师：朱巧明 垒! ! ! 竺!里竺! 婴竺! 墅! ! 里竺! 苎! ! ! ! ! 墅! ! ! 坚竺! g ! 翌! 坐! ! ! ! 竺! 竺! 璺! ! q ! ! ! d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fr o u t e rm a n a g e m e n t s y s t e mb a s e d o no s p f a b s t r a c t t h eb a c k b o n eo ft h es e r v i c e sp r o v i d e r so ft e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki st h ec o r e n e t w o r ko ft h ew h o l es e r v i c e sp r o v i d e r s h o w e v e r , t h en e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m b a s e do ns n m pi nt h ec u r r e n ts y s t e mh a sm a n ys h o r t c o r h i n g ss u c ha si tn e e d sm u c h b a n d w i d t hi nt h et a r g e tn e t w o r ka n di ti sh a r dt ol o c a t et h ef a u l ta n ds oo n s ot h e n e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do ns n m pc a nn o tm a n a g et h eb a c k b o n ee f f i c i e n t l y , m e a n w h i l ei ta l s or e d u c e st h ep e r f o r m a n c eo fb a c k b o n e ac u r r e n ts o l u t i o ni st oa d o p t r o u t e rm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nr o u t i n gp r o t o c o lt om a n a g et h eb a c k b o n e s ot h i s t h e s i sd e s i g n sa n di m p l e m e n t san e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do no s p ft os o l v e t h ee x i s t i n gp r o b l e m si nt h er o u t e rm a n a g e m e n ts y s t e m t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ew h o l ed e s i g ns c h e m eo ft h es y s t e m ，a n dt h e n d e s c r i b e st h ed e s i g no ft h et o p o l o g yc o l l e c t o r m o d u l e ，t o p o l o g ys e r v e rm o d u l ea n dc l i e n t m o d u l ei nd e t a i l s e c o n d l y , a f t e rs t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h eb a s i cm e c h a n i s mo ft h eo s p fi nd e t a i l ， t h i st h e s i sd e f i n e saf a u l tm a n a g e m e n tm o d e lb a s e do no s p ei te x p o u n d st h et o p o l o g y s t a t u sf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h en e t w o r kf a u l t ，a n dg i v e st h ed e f i n i t i o n so f t h en e t w o r kf a u l t a n dn e t w o r ke v e n t sb ya n a l y z i n gt h es c e n a r i ow h e r et h ef a u l tt a k e sp l a c e t h e ni t d e s c r i b e st h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h 6n e t w o r kt o p o l o g ye v e n t sa n dt h en e t w o r kf a u l t a t l a s t ，i ti n t r o d u c e ss o m ek e yt e c h n o l o g i e sa sf o l l o w s ：t h eo p t i m i z a t i o no ft h es o u r c eo f o s p f p r o t o c o l ，n e t w o r kt o p o l o g ym a n a g e m e n ta n df a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m i nt h e t o p o l o g ym a n a g e m e n tm o d u l e ，t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dat r a n s f o r ma l g o r i t h mf o rn e t w o r k t o p o l o g yb a s e d o no s p f a c c o r d i n g t ot h ed e f a u l tm a n a g e m e n tm o d e l r o u t e rm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nr o u t i n gp r o t o c o li sah o tt o p i ci nt h em s e a r c h a r e ao f t e l e c o m m u n i c a t i o nb a c k b o n en e t w o r kc u r r e n t l y t h er e s e a r c hi nt h i st h e s i sw i l lb e _i ， h e l p f u la n du s e f u lf o rt h es i m i l a rs y s t e m s k e yw o r d s ：o s p f , t o p o l o g yd i s c o v e r y , f a u l tm a n a g e m e n tm o d e l ，o s p fp r o t o c o l o p t i m i z a t i o n i w r i t t e nb yy o ul a n t a o s u p e r v i s e db yz h uq i a o m i n g v 工9 5 7 15 4 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声朋 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的磅究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：垄! 塑活日期：堡芝笠：呈 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 1 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 期：塑5 ：墨 期：型堕：! 护 基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现 第一章引言 第一章引言 1 1 课题背景 随着网络技术的发展，在企业和服务供应商的任务关键的网络中，i p ( i n t e r n e t p r o t o c 0 1 ) 取代了基于电路的技术而成为实际的标准，口网络成了语音、数据和视 频等业务统一承载的网络。目前我国各个电信运营商大都拥有了一个规模巨大的d 主干网，主干网的发展呈现规模不断扩大、功能复杂性不断增加、设备异构性更加 突出的特点”1 。随着网络的增长，流量以几乎每年翻一倍的速度增加旺1 ，这对网络 设备的性能提出了更高的要求，然而作为p 主干网可用性基础的路由器，本身的可 靠性仅为9 9 9 ，离电信级的5 个9 要求还有不少差距【3 1 。由于这些原因，p 主干 网的可靠性大大降低，行为变得不可预知。 与此同时，随着一些高性能增值业务的出现，用户对计算机网络服务质量的要 求也越来越高 4 1 。对于企业和服务供应商来说，网络特别是主干网的质量十分重要， 将直接影响到自身的业务。如银行交易，证券买卖、d 电话，此类用户的日常业务 对网络有极高的要求，每分钟有超过上百万的业务通过网络交易，网络一旦发生故 障损失将非常巨大，网络的质量与其业务收益有密切的相关性。 所有这些都给主干网的实时性管理带来了巨大的挑战，提出了更高的要求。但 是，目前疋主干网的有效管理，还面临着如下问题： ( 1 ) p 的缺点 在电路交换技术向口过渡的过程中，机构已获益于其本身固有的弹性、可扩展 性及较低的部署成本。但是在处理过程中，也同时失去了相当程度的控制。在电路 交换的环境中，网络管理人员总是很准确地知道其网络话务将由哪一条路径或哪一 条路由负载，因为这些固定的路径是由他们自己建立的。而现在，他们所面对的是 另一种网络实体：其中的路由不是固定的，并且在不断地变化中。 ( 2 ) 基于s n m p 协议的网管软件的不足 现有的为管理各个网络设备而开发的传统的工具系列无法提供动态路由的信 息。为了获得称为口“云”的可视性，操作员至今都不得不令人厌倦地查询各个路 第一章引言基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现 由器，并且手动修正结果数据，这一过程需要几个小时，甚至几天。同时现有的网 络管理软件采用s n m p 协议，它有两种管理方式：集中式和分布式。对于集中式管 理方式，由管理站通过不断地轮询被管设备中的代理来读取被管对象m m 中每个变 量的值，从而综台获得当前网络的状态，这就增加了网络的业务量负荷，也限制了 网络管理的实时性 ”。对于分布式管理方式，将管理功能尽可能的集成到被管理对 象，降低了管理站与代理之间通信的频率，减少了对网络带宽的使用。但是分布 式管理方式又带来了些新的问题。首先，需要被管理设备上配置复杂的环境来支 持代理的运行；其次，即使被管理设备支持这些环境，代理的本地化运行也耗费了 j 被管理设备的系统资源。对于主干网管理来说，这些都是不允许的。 为了满足主干网管理需求，解决目前网管系统所面临的不足，基于路由协议的 路由管理系统成为企业和服务供应商的首选。基于路由协议的路由管理系统国外 最近几年才开始研究。如e m m a n u e lb a c c e l l i 和r a j ua a j a n 于2 0 0 1 年提出了使用 o s p f 来设计和实现碑路由监控系统 6 l ；a m a ns h a i k h 等人于2 0 0 2 年，分别使用o s p f 和s n m p 来实现了拓扑服务器，通过比较得到结论，基于o s p f 的拓扑生成在实时 性和可靠性上优于s n m p 拓扑服务器【i 4 j ；a n l a l ls h a i k h 和a l b e r tg r e e n b e r g 于2 0 0 4 年设计并实现了一个路由管理系统o s p fm o n i t o r ，给出了系统功能和实现( 4 。目前 国外已经有比较成熟的产品，如p a c k e t d e s i g n 公司的r o u t e e x p l o r e r 系统，其功能 比较完善 7 ，但对国内客户来说，还存在如下问题：首先其价格比较昂贵；其次该 产品由国内客户代理，国内客户只负责产品的部署，一旦程序出了问题，无法及时 地维护。因此这些产品在国内电信行业内并没有广泛的应用。 在国内，基于路由协议的路由管理系统研究还处于起步阶段，相关资料比较少， 徐建锋，邓永平，丁圣勇于2 0 0 4 年对文献4 的o s p fm o n l t o f 部署进行了优化，采 用了隧道技术，减少了m o n i t o r 的数量i l 。目前国内还没有成熟的产品，直针公司 开发了路由管理系统r a s i 0 t ”，功能还比较简单。 为此在广东移动，上海移动等多家运营商的要求下，本文开发了一个基于o s p f 路由协议的路由管理系统。 基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现 第一章引言 1 2 课题内容及意义 本课题的主要内容是设计和实现一个基于o s p f 的路由管理系统。主要有以下 几方面的内容： ( 1 ) 基于o s p f 的故障管理模型。从理论上对o s p f 的运行原理进行分析，找 出网络中拓扑事件与网络故障之间的关系，建立一个故障管理模型，并将该模型运 用到路由管理系统中。 ( 2 ) 整个系统的实现。本课题要完成的是基于o s p f 的路由管理系统，该系统 ； 底层以c + + 作为开发工具，上层以j a v a 为开发工具，以m y s q l 为底层数据库。 本课题有以下几点意义： ( 1 ) 实现路由器监视和管理的质的飞跃。该系统通过快速识别并诊断口路由 故障，将网络的可用性和客户的满意度最大化；同时通过提高网络资源及网络工程 人员的工作效率来降低整体运营成本；最后该系统能够在网络维护后验证网络是否 按照所希望的方式运行，帮助预防由路由器误配置所引发的网络问题，这些问题占 了全部网络问题的三分之一。 ( 2 ) 本课题完成的路由管理系统是一个具有自主知识产权的国产应用软件。 本课题的创新点在于提出了一种新的基于o s p f 的路由管理模型：从o s p f 协 议执行原理上分析o s p f 协议发生故障时所产生的操作序列，定义出故障和网络拓 扑事件之间的关系，从而构建出故障管理模型，为整个路由管理系统的设计和实现 提供了理论基础。 1 3 本人所做的工作 ( 1 )针对m 主干网的路由管理应用领域，研究o s p f 路由协议，在深入理 解o s p f 的基础上，通过实验，找出o s p f 协议在故障发生前后所产生的所有网络 事件，确定出故障与这些事件之间的联系，从而定义出基于o s p f 的故障管理模型。 ( 2 )设计并实现了一个路由管理系统，用于对主干网路由器的监控和告警。 该系统主要有三个模块构成：l s a 采集模块、拓扑服务器模块和客户端模块，本人 负责其中大部分功能的设计与实现。 第一章引言基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现 1 4 论文结构 本文的下面几个章节，主要介绍本人在整个项目中所做的工作，包括系统的总 体框架设计和几个主要模块的设计思想和实现技术。具体情况如下： 第二章简单介绍了o s p f 路由协议，并重点对o s p f 的数据包格式和o s p f 运 行原理进行了分析，为下面各章打下了基础。 第三章介绍了本系统的总体设计方案，主要从拓扑信息采集模块、拓扑服务器 模块和客户端功能模块介绍了系统的整个架构和各组成部分。 第四章是本文的核心章节之一，是课题的理论研究部分。本章在进行故障发生 情景分析的基础上，定义了网络故障管理模型。 第五章详细说明了系统设计与实现中的关键技术，包括o s p f 协议源代码的优 化、拓扑显示功能、模型实现、故障诊断模块等模块的设计和实现。 第六章总结了系统的特点，并指出了系统中存在的不足和有待完善的地方。 4 基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现 第二章o s p f 路由协议简介 第二章o s p f 路由协议简介 2 1 协议概述 o s p f ( o p e n s h o a e s t p a t h f i r s t ) 是一种链路状态( 1 i n k - s t a t e ) 路由协议，被设计用于 单一的自治系统( a u t o n o m o u ss 娜e m ) 中【9 】o 每个o s p f 路由器都维持着相同的数据 库以描述a s 的拓扑结构，并以此数据库来创建最短路径树并计算路由表。o s p f 由i e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) - 于1 9 8 8 年提出，专门为t c p i p 网络而设计， o s p f 的产生是因为8 0 年代中期r i p 协议已经不能支持大型异构的i n t e m e t 结构了 0 0 。 目前广为使用的o s p f 为第二版，最新标准为r f c2 3 2 8 ，o s p f 协议有很多优 点： ( 1 )收敛速度快：能够在较短的时间内将路由变化传递到整个自治系统。 ( 2 ) 良好的安全性：o s p f 支持纯文本身份验证和消息摘要( m d 5 ) 身份验证。 可以在处于相同o s p f 区域的路由器上启用身份验证的功能，只有经过身份验证的 同一区域的路由器才能互相通告路由信息。纯文本身份验证传送的身份验证口令为 纯文本，而消息摘要( m d 5 ) 身份验证在传输身份验证口令前，要对口令进行加密。 ( 3 ) 开放性：o s p f 是一个开放的国际标准的路由选择协议，它能够支持许 多不同厂商的路由器，而不像e i g r p 协议只支持思科的路由器。“开放”是针对某 些厂家的“私有”路由协议而言，而正是因为o s p f 开放性，才有了o s p f 今天强 大的生命力和广泛的使用。 ( 4 )可扩展性：o s p f 适应各种规模的网络，最多可达数千台。o s p f 是一 种标准协议，不依赖于某个供应商，各厂家的路由器之间具有良好的互操作性1 。 ( 5 )动态性：o s p f 动态检测网络状态，使路由器能动态地探知网络拓扑结 构的变化，更新其保存的路由表。网络中的路由器在较短的时间内自动地维持一致 的路由信息，使整个网络达到路由收敛状态，从而保持网络的快速收敛和高可用性。 正是由于o s p f 的这些特点，使得o s p f 已成为目前i n t e m e t 广域网和i n t r a n e t 企业网采用最多、应用最广泛的路由协议之一。 第二章o s p f 路由协议简介基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现 2 2 基本概念和术语 为了便于描述o s p f 路由协议，这里先介绍一下o s p f 中的基本概念和术语【1 2 】。 ( 1 ) a s ( a u t o n o m o u ss y s t e m ) ：一组使用相同路由协议交换路由信息的路由 器，称为自治系统。 ( 2 )路由器( r o u t e r ) ：一种三层口包的交换设备，在早期的邛文献中被称为 网关。本文后面将简记为r t 。 ( 3 ) 路由器标识( r o u t e r ) ：一个3 2 位的数字，用以识别每台运行o s p f 协 议的路由器。在一个a s 中，这个数字可以唯一地标识出一台路由器，本文简记为 r t d 。 ( 4 ) 接e l ( i n t e r f a c e ) ：是指路由器与所接入的网络之间的一条链路。接e 1 通过 下层协议和路由协议本身获取与其自身相关的状态信息。连接网络的接口只与单一 的d 地址及掩码相关，接口有时也被称为链路( 1 i n k ) 。 ( 5 ) 邻接( a d j a c e n c y ) ：为了在所选择的邻居路由器之间交换路由信息而形成 的关系。 ( 6 ) 泛洪( f l o o d i n g ) ：在o s p f 协议中，用于在o s p f 路由器之间发送及同步 链路状态数据库。 ( 7 )链路状态广播化i n ks t a t ea d v e r t i s e m e n t ) ：描述路由器自身状态的数据结 构。在本文中，链路状态广播被缩写为l s a 。l s a 包含路由器的接口和邻接状态， 每一个链路状态广播都被泛洪到整个路由区域，所有路由器的链路状态广播的集合 形成了链路状态数据库。 ( 8 ) 指定路由器f d e s i g n a t e dr o u t e r ) ：在广播和n b m a 网络中都有一台路由 器作为指定路由器，它由网络中的路由器通过h e l l o 协议选举产生，指定路由器生 成n e t w o r k - l s a ，本文后面将简记为d r 。 2 3 数据包格式 为了在路由器之间交换数据，o s p f 定义了5 种数据包【1 2 1 ： ( 1 ) h e l l o 数据包：h e l l o 包是o s p f 的第1 类包，用于建立和维持路由器邻 基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现 第二章o s p f 路由协议简介 居关系，该协议包会在路由器接口上周期性地发送。 ( 2 ) d d ( d a t a b a s ed e s c r i p t i o n ) 数据包：数据库描述包是o s p f 的第2 类包， 当路由器之间形成邻接关系时交换这种包，它描述了链路状态数据库的内容。 ( 3 )l s r ( l i n ks t a t er e q u e s t ) 数据包：链路状态请求包是o s p f 的第3 类包， 在与邻居交换了d d 包后，路由器也许会发现它有一部分链路状态数据库还没包含 或已经过期，它就发送l s r 来请求邻居数据库中较新的那部分l s a 。 ( 4 ) l s u ( l i n k s t a t eu p d a t e ) 数据包：链路状态更新是o s p f 的第4 类包，用 于实现l s a 泛洪，把邻居路由器需要的那部分l s a 发送给邻居路由器。 ； ( 5 ) l s a c k ( l i n k s t a t ea c k ) 数据包：链路状态确认更新是o s p f 的第5 类包， 用于确认l s u 包，使得泛洪过程更可靠。 所有的o s p f 包文( 除了o s p fh e l l o 包) 都处理l s a 列表，因此，必须了解 l s a 的格式才能正确分析o s p f 协议包文。 o s p f 定义了五种不同类型的l s a ，l s a 的集合形成了链路状态数据库，每种 不同类型的l s a 有不同的功能：r o u t e r - l s a 和n e t w o r k - l s a 描述了区域内路由器 和网络的连接；s u m m a r y l s a 提供了区域路由器信息盼汇总；a s e x t e r n a l l s a 提 供了将外部路由信息传入a s 内部的方法。 2 3 1l s a 头部格式 所有的l s a 开始于标准的2 0 个字节的头部，头部包含的信息( l s 类型、l s 标识和宣告路由器) 可以唯一地识别出l s a 。在同一时间里，可能存在相同l s a 的多个实例，通过检查l s a 头部中的l s 时限、l s 序号和l s 校验可以确定哪个l s a 更新。l s a 头部格式如图2 1 所示。 012 345 67 012 34567 012 3 4 5 6 7 012 345 6 7 l s 时限l sa g e 选项o p t i o n s l s 类型l st y p e l s 标 , 识, l i n ks t a t ei d 宣告路由器a d v e n i s i n gr o u t e r l s 序号l ss e q u e n c en u m b e r l s 校验和l sc h e c k s u m长度l e n g t h 图2 1l s a 头部格式 7 第二章o s p f 路由协议简介基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现 其中主要的字段如下： ( 1 ) l s 时限f l sa g e ) ：l s a 已经生成时间，单位为秒。 ( 2 ) l s 类型( l st y p e ) ：l s a 的类型，不同类型的l s a 使用不同的格式，o s p f 定义的l s a 类型如表2 1 所示。 表2 1l s a 类型 l s 类型类型描述 lr o u t e r - l s a s 2n e t w o r k - l s a s ； 3 s u m m a r y - l s a s0 v 网络1 r 4 s u m m a r y - l s a s ( a s b r l 5a s - e x t e r n a l l s a s ( 3 ) l s 标识( l i n g s t a t e m l ：用来标识由l s a 所描述的网络类型，具体的内容 取决于l s a 中的l s 类型。 ( 4 ) 宣告路由器( a d v e r t i s i n g r o u t e r ) ：生成该l s a 的路由器标识( r t d ) 。 ( 5 ) l s 序号( l ss e q u e n c e n u m b e r ) ：l s a 的序列号，连续的l s a 实例使用连续 的l s 序号。 2 3 2r o u t e r - l s a 格式 r o u t e r - l s a 是类型为1 的l s a ，每台路由器为所接入的每一个路由区域都生成 一条r o u t e r - l s a ，该l s a 描述了路由器连接到该区域的链路( 即接口) 状态和距 离值等信息。路由器到一个路由区域的所有接口必须在一个r o u t e r - l s a 中描述，并 且该l s a 仅在对应的路由区域中泛洪，r o u t e r - l s a 格式如图2 2 所示。 基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现第二章o s p f 路由协议简介 012 34567 012 345 6 7 0l2 3 4 5 6 7 0l2 345 6 7 l s 时限l sa g e 选项o p t i o n s l l s 标t 只l i n ks t a t ei d 宣告路m 器a d v e r t i s i n gr o u t e r l s 序号l ss e q u e n c en u m b e r l s 校验和l sc h e c k s u m 一长度l e n g t h 0 i v i e i b 0 链路数膊l i n k s 链路标识 l i n ki d 链路数据l i n kd a t a 类型t y p e t o s 数撑t o s 距离值，m e 研c t o s0 t o s 催b q o sm e 研c 链路标识，l i n ki d 链路数据l i n kd a t a 图2 2r o u t e r _ l s a 格式 在r o u t e r - l s a 中，l s 标识被设为生成该l s a 的路由器标识( r t d ) 。主要的字 段如下： ( 1 ) 链路数( # l i n k s ) ：l s a 所描述的路由器链路数量，为路由器连接到路由区 域的所有链路( 即接口) 总和。 # l i n k s 以下各域用于描述路由器链路( 接口) 信息。每个链路都有类型，类型 域说明了所描述链路的类型，可能为连接到传输网络、到达另一路由器或存根网络 的链路。其它描述链路的域取决于链路类型。 ( 2 ) 类型( t y p e ) ：路由器链路类型描述，可以为表2 2 的值。注意，主机路径 被看作网络掩码为o x 膝嘧的指向存根网络的链路。 表2 2r o u t e r - l s a 描述的网络类型 类型描述 l 点对点连接 2 连接到传输网络 3 连接到存根网络 4 虚拟链路 ( 3 ) 链路标识( l i n k d ) ：表示路由器链路所连接的目标。其值取决于链路类型， 第二章o s p f 路由协议简介基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现 如表2 - 3 所示。当所连接的目标也生成l s a ( 即另一路由器或传输网络) ，链路标识 就等于邻居l s a 的l s 标识。在路由表计算中，这提供了在链路状态数据库中查找 邻居l s a 的关键。 表2 3l s a 链路标识 类型 l s 标识 1 邻居路由器的路由器标识 2 d r 的i p 接口地址 3 i p 网络子网号 = 4 邻居路由器的路由器标识 ( 4 ) 链路数据( l i n kd a t a ) ：取值同样取决于链路的类型。对于指向存根网络的 链路，链路数据说明的是网络的p 地址掩码。对于无编号点对点网络，说明的是接 口的m m 的i f i n d e x 接口索引值：对于其它类型的链路，说明的是路由器接口的 口地址。在计算路由表过程中，计算下一跳的口地址时需要使用这些信息。 ( 5 ) 距离值( m e t r i c ) ：使用该路由器链路的耗费值。 2 3 3n e t w o r k - l s a 格式 n e t w o r k l s a 是类型为2 的l s a ，由d r 为包含两个或多个路由器的广播网或 n b m a 网络生成，每个l s a 描述了接入该网络的所有路由器，包括d r 自身。从 网络到所有接入的路由器的耗费为零，所以在n e t w o r k l s a 中不需要m e t r i c 域，如 图2 3 所示。 012 345670l2 3 4 5 6 70l2345 6 7 012 3 4 567 l s 时限，l sa g e 、 选项o p t i o n s 2 l s 标 , 识, l i n ks t a t ei d 宣告路由器a d v e r t i s i n gr o u t e r l s 序县s l ss e q u e n c en u m b e r l s 校验和l sc h e c k s u m长度l e n g t h 网络掩码n e t w o r km a s k 接入路由i f a t t a c h e dr o u t e r 图2 3n e t w o r k - l s a 格式 1 0 基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现第二章o s p f 路由协议简介 主要的字段如下： ( 1 ) 网络掩码( n e t w o r km a s k ) ：该网络的口地址掩码。例如a 类网络的掩码 为o x 册0 0 0 0 0 。 ( 2 ) 接入路由器( a t t a c h e dr o u t e r ) ：接入该网络的各个路由器的路由器标识。 注意，只有与d r 达到完全邻接的路由器才被列出，d r 自身也被包含在列表中， 列表中的路由器数量可以从l s a 头部中的长度域中计算而得到。 2 3 4s u m m a r y l s a 格式 j s u m m a r y l s a 是类型为3 和4 的l s a 。这些l s a 由a b r 生成，描述区域间目 标，如图2 4 所示。 0l2 3 4 567 012 3 4 5 6 7 012 345 6 7 012 345 6 7 图2 4s u m m a r y l s a 格式 主要的字段如下： ( 1 ) 网络掩码( n e t w o r km a s k ) ：对于类型为3 的s u m m a r y - l s a ，表示网络的 m 地址掩码。例如，a 类网络使用0 x f f 0 0 0 0 0 0 。对于类型4 的s u m m a r y - l s a ，该域 无意义，必须设定为0 。 ( 2 ) 距离值( m e t r i c ) ：路径的距离，与在r o u t e r - l s a 中定义的接口距离意义相 同。 2 3 5a s e x t e r n a l 。l s a 格式 a s e x t e r n a l l s a 是类型为5 的l s a ，是由a s b r 所生成，并描述a s 外部的路 第二章o s p f 路由协议简介基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现 径，如图2 5 所示。 0l2 3 4 5 670l2 3 4 5 6 7 012 3 4 5 6 7 012 3 4 5 6 7 l s 时限l sa g e 选项o p t i o n s 5 l s 标识，l i n ks t a t ei d 宣告路由器a d v e r t i s i n gr o u t e r l s 序号，l ss e q u e n c en u r f f b e r l s 校验和l sc h e c b u m长度l e n g t h 网络掩码n e t w o r km a s k 巳0 距离f f m e t r i c 转发地址f o r w a r d i n ga d d r e s s 外部路径标识, e x t e m a lr o u t et a g bt o s t o s 值t o sm e t r i c 转发地t k f o r w a r d i n ga d d r e s s 外部路径标识，e x t e m a lr o m et a g 图2 5a s - c x t e m a l 一l s a 格式 主要的字段如下： ( 1 ) 网络掩码( n e t w o r km a s k ) ：表示所宣告目标的坤地址掩码。例如，a 类网 络使用o x t t 0 0 0 0 0 0 。 ( 2 ) 距离值( m e t r i c ) ：路径的距离。 ( 3 ) 转发地址( f o r w a r d i n ga d d r e s s ) ：到达所宣告目标的流量应该被转发的地址。 如果转发地址被设为0 0 0 0 ，数据就应当被转发到l s a 的起源( 相对应的a s b r ) 。 ( 4 ) 外部路径标识( e x t e m a lr o u t et a g ) ：附加在每条外部路径上的3 2 位数。并 不被o s p f 协议自身所使用，而是被用于a s b r 之间的通讯。 2 4 o s p f 协议运行机制 o s p f 是一种分层次的路由协议，其层次中最大的实体是a s ( 自治系统) ，在 每个a s 中，网络又会被划分为多个区域。每个区域都是独立的，区域内的拓扑结 构对于区域外来说是不可见的；反过来，在给定区域内的路由器也不会知道区域外 的拓扑细节。o s p f 划分区域主要是出于性能上的考虑，当自治系统中的路由器非 常多的时候，网络中的l s a s 将非常庞大，如果不分层次的话，一方面容易造成数 基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现 第二章o s p f 路由协议简介 据库溢出，另一方面当网络中某一链路状态发生变化时，整个网络的所有节点都需 要重新计算路由表，对于大型网络链路状态的改变将是频繁的，这就极大地浪费资 源，又浪费时间，并降低了路由协议的性甜2 ”。 o s p f 的运行过程主要由4 个子部分组成【1 2 】【1 3 】： ( 1 ) h e l l o 协议 h e l l o 协议负责建立和维持邻居( n e i g h b o r ) 关系，它同时确保邻居间的通讯是双 向的。h e l l o 包文从路由器的所有接口周期性地发出。双向通讯是指路由器发现其邻 居的h e l l o 包中包含了自己。在广播和n b m a 网络上，h e l l o 协议为网络选举出一 ； 个d r 。 ( 2 )交换协议 当相邻路由器建立双向连接关系之后，就开始链路状态数据库同步过程，所有 路由器保持链路状态数据库的同步，每台路由器通过向其邻居发送一系列d d 包， 来描述自身的数据库。当邻居发现其中的l s a 比自己数据库中的拷贝要新时，就记 录下这些需要重新请求的l s a 。然后在l s r 包中发出对这些l s a 的请求。路由器 在数据库中检索l s r 包中的每个l s a ，并将其复制到l s u 包中发往邻居。 ( 3 ) 泛洪协议 当到更新时刻或网络拓扑结构发生变化时，路由器生成新的l s a ( l i n k s t a t e a d v e r t i s e m e n t ) ，这些l s a 包含了当前网络拓扑结构。路由器通过泛洪过程将其l s a 数据包传送给所有与其相邻的o s p f 路由器，相邻路由器根据其接收到的链路状态 信息更新自己的数据库，并将该链路状态信息转送给与其相邻的路由器，为了保证 泛洪的可靠性，o s p f 使用l s a c k 进行应答。 ( 4 ) 计算最短路径 所有的路由器会根据其各自的链路状态数据库计算出路由表。在路由表条目中， 应包括有目标地址、目标地址类型、链路的代价、链路的存活时间、链路的类型以 及下一跳等内容。o s p f 运行d i j k s t r a 算法建立以自己为树根的最短路径树，再由最 短路径树计算出路由表。 一旦网络发生变化，受影响的路由器将执行上面的l s a 交换过程：而当网络状 态比较稳定时，网络中传递的链路状态信息是比较少的，或者可以说，当网络稳定 时，o s p f 网络是比较安静的。 第二章o s p f 路由协议简介 基于o s p f 的路由 2 5 本章小结 本章首先简单介绍了o s p f 路由协议及其特点，描述了o s p f 协议中使用的基 本概念和术语；接着介绍了o s p f 协议中使用的数据包格式，重点分析了 r o u t e r - l s a 、n e t w o r k l s a 、二种s u m m a r y - l s a 以及a s e x t e r n a l l s a 的格式：最 后介绍了o s p f 协议的运行机制。 1 4 基于o s p f 的路由管理系统的设计与实现 第三章路由管理系统的总体设计 第三章路由管理系统的总体设计 通过上一章对o s p f 协议的分析可以知道，o s p f 是一种链路状态路由协议， 它的协议包文中包含了网络拓扑结构。通过采集o s p e 协议的链路状态广播( l s a ) ， 可以分析并生成网络拓扑结构。当网络拓扑结构发生变化时，路由器又会重新生成 l s a ，然后泛洪到路由区域的每一台路由器，通过比较同一路由器在不同时间点上 产生的l s a ，就可以得到网络拓扑结构的变化情况。所有的路由器相关事件都可以 从中获得，进而可以得到路由器故障信息，并快速定位赦障，确定故障的根源。 o s p f 是一种分层的路由协议，它将一个自治系统( a s ) 分成多个路由区域，每 个区域都是相互独立的j 区域内的拓扑结构对于区域外来说是不可见的。所有的链 路状态广播( l s a ) ，都在单个路由区域内泛洪。因此，可以在每一个路由区域中接 入一台l s a 采集机。采集机运行o s p f 路由协议，与目标网络中的路由器进行交互， 采集路由区域中的所有l s a 。一台采集机可以接入多个路由区域，同时采集多个区 域的l s a 。本文采用如图3 1 所示的部署方式【1 4 】。该结构能实现快速、实时地采集 各个路由区域的l s a 信息。 图3 1o s p f 服务器的一种部署方案 从软件功能上划分，本系统可以分成拓扑信息采集模块、拓扑服务器模块和客 户端功能模块三个部分： 第三章路由管理系统的总体设计基于o s p