編者按：近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用蓬勃發(fā)展，新的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，這些又使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展成為可能。OSPF（Open Shortest Path First）是一種廣泛使用的路由協(xié)議，采用OSPF協(xié)議的自治系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)合理的規(guī)劃可以有效地?cái)U(kuò)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。本文介紹了OSPF的原理和特性。

動(dòng)態(tài)路由協(xié)議簡(jiǎn)介

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(wú)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(guò)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(xiě)到路由表中去，直連路由無(wú)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?fù)洌褂妹钤诼酚善魃吓渲玫穆酚尚畔ⅲ@些靜態(tài)路由信息指導(dǎo)報(bào)文發(fā)送，靜態(tài)路由方式也不需要路由器進(jìn)行計(jì)算，但是它完全依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?jīng)常發(fā)生改變時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理員需要做的工作將會(huì)非常復(fù)雜并且容易產(chǎn)生錯(cuò)誤。而動(dòng)態(tài)路由的方式使路由器能夠按照特定的算法自動(dòng)計(jì)算新的路由信息，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。

動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的分類(lèi)

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(kāi)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(jiǎn)單的比較。

OSPF協(xié)議的特點(diǎn)

OSPF全稱(chēng)為開(kāi)放最短路徑優(yōu)先。“開(kāi)放”表明它是一個(gè)公開(kāi)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(wú)路由自環(huán)；

◆ 支持變長(zhǎng)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(jí)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(guò)合理的規(guī)劃可支持超過(guò)1000臺(tái)路由器，這一性能是距離向量協(xié)議如RIP等無(wú)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(lái)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(wèn)題，下面對(duì)此將作簡(jiǎn)單的介紹。

路由變化收斂速度是衡量一個(gè)路由協(xié)議好壞的一個(gè)關(guān)鍵因素。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的路由器能否在很短的時(shí)間內(nèi)相互通告所產(chǎn)生的變化并進(jìn)行路由的重新計(jì)算，是網(wǎng)絡(luò)可用性的一個(gè)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(fèi)，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(shí)間。

在IP(IPV4)地址日益匱乏的今天，能否支持變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼(VLSM)來(lái)節(jié)省IP地址資源，對(duì)一個(gè)路由協(xié)議來(lái)說(shuō)是非常重要的，OSPF能夠滿(mǎn)足這一要求。

在采用OSPF協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，如果通過(guò)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。這樣，在進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載分擔(dān)或負(fù)載均衡。

在支持區(qū)域劃分和路由分級(jí)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(yàn)證，在鄰接路由器間進(jìn)行路由信息通告時(shí)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(lái)發(fā)送協(xié)議報(bào)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(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。

OSPF協(xié)議的工作原理

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(lái)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(duì)于運(yùn)行 OSPF的路由器R1，只能識(shí)別本身，無(wú)法識(shí)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(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路(如PPP、HDLC等)連接一臺(tái)路由器R2；抽象模型Model 3表示路由器R1通過(guò)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(如Frame Relay、X.25等)鏈路連接多臺(tái)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(guò)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(如Frame Relay、X.25等)鏈路連接多臺(tái)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(lèi)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(lèi)。

在OSPF協(xié)議中，分別對(duì)以上四種鏈路狀態(tài)類(lèi)型作了描述：

對(duì)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(lèi)型)和Metric(代價(jià))來(lái)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(duì)于抽象模型Model 2(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路)，先使用Link ID(連接的網(wǎng)段)、Data(掩碼)、Type(類(lèi)型)和Metric(代價(jià))來(lái)描述接口路由，以上各參數(shù)與Model 1相似。接下來(lái)描述對(duì)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(duì)于抽象模型Model 3(點(diǎn)對(duì)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(lèi)型)和Metric(代價(jià))來(lái)描述接口路由，以上各參數(shù)與Model 1相似。接下來(lái)分別描述對(duì)端路由器R3、R4的方法，與在Model 2中描述R2類(lèi)似。

對(duì)于抽象模型Model 4(點(diǎn)對(duì)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(lèi)型)和Metric(代價(jià))來(lái)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。

路由器在通報(bào)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(guò)LSA完成周邊網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述，并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的其他路由器。

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(tái)路由器生成鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)(LSDB)。路由器開(kāi)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(duì)比，經(jīng)過(guò)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(lèi)型標(biāo)識(shí)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(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(guò)周期性地發(fā)送整張路由表，來(lái)使網(wǎng)絡(luò)中的路由器的路由信息保持一致。這種機(jī)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(kāi)，它使用一種被稱(chēng)作Hello的數(shù)據(jù)包來(lái)確認(rèn)鄰接關(guān)系，這個(gè)數(shù)據(jù)包非常小，它僅被用來(lái)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(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)，Hello包中將表明它已知道存在R1這個(gè)鄰居。R1收到這個(gè)回應(yīng)包后就會(huì)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(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(duì)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(jiǎn)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(wú)連接的協(xié)議，它本身沒(méi)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(lèi)似的確認(rèn)和超時(shí)重傳機(jī)制。在機(jī)制中，R1和R2將進(jìn)行一種被稱(chēng)作鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)描述(DD)的數(shù)據(jù)包的互傳。首先進(jìn)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(hào)，ID號(hào)大的將作為Master)。鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)描述(DD)數(shù)據(jù)包中包含了一些參數(shù)，序列號(hào)(seq)、報(bào)文號(hào)(I)、結(jié)尾標(biāo)識(shí)(M)及主從標(biāo)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(hào)(seq)，作為自己的第一個(gè)DD包的序列號(hào)。當(dāng)主路由器收到從屬路由器的DD包時(shí)，就能確認(rèn)鄰接路由器已收到自己的數(shù)據(jù)包(如果沒(méi)有收到或收到的DD包的序列號(hào)不是自己一個(gè)DD包的序列號(hào)，主路由器將重傳上一個(gè)DD包)，主路由器將序列號(hào)加1(只有主路由器才有權(quán)改變序列號(hào)，而從屬路由器沒(méi)有)，并發(fā)送下一個(gè)DD包，該過(guò)程的重復(fù)保證了在OSPF協(xié)議中數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，從而為OSPF協(xié)議成為一個(gè)準(zhǔn)確的路由協(xié)議打下了基礎(chǔ)。