開放最短路徑優先(OSPF)

2019-11-04 20:42:54

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供稿：網友

　　一、背景
　　OSPF是由IETF的IGP工作組為ip網開發的路由協議。該工作組成立于1998年，專門設計用于因特網的基于最短路徑優先（SPF）算法的IGP。與IGRP類似，OSPF創建的原因是到了八十年代中期，RIP不能服務于大型、異構網絡的缺陷愈發明顯。本文介紹OSPF的路由環境、基礎的路由算法和基本的協議組件。
　　
　　OSPF是由多個研究結果發展而來的，包括1978年為ARPANET開發的Bolt,Beranek,Newman(BBN)的SPF算法，Dr. Radia Perlman對路由信息容錯性廣播的研究（1988），BBN在區域路由的工作（1986）和OSI的IS-IS路由協議的早期版本。
　　
　　OSPF有兩個主要的特性。首先該協議是開放的，即其規范是公開的，公布的OSPF規范是RFC1247。另一個基本的特性是OSPF基于SPF算法，該算法也稱為Dijkstra算法，即以創建該算法的人來命名。
　　
　　OSPF是個鏈接狀態路由協議，在同一層的區域內與其它所有路由器交換鏈接狀態公告(LSA)信息。OSPF的LSA中包含連接的接口、使用的metric及其它的變量信息。OSPF路由器積累鏈接狀態信息，并使用SPF算法來計算到各節點的最短路徑。
　　
　　作為鏈接狀態路由協議，OSPF與RIP和IGRP這些距離向量路由協議是不同的。使用距離向量算法的路由器的工作模式是在路由更新信息中把路由表全部或部分發送給其相鄰的路由器。
　　
　　二、路由層次
　　與RIP不同，OSPF的工作是有層次的，其層次中最大的實體是自治系統(AS)，即遵循共同的路由策略統一治理下的網絡群。雖然OSPF可以與其它AS中的路由器交換路由信息，但它們是一種AS內部（內部網關）路由協議。
　　
　　一個AS可以分為多個區間，即一組連續的網絡和相連的主機。擁有多個接口的路由器可以加入多個區間，這些路由器稱為區間邊緣路由器，分別為每個區間保存其拓撲數據庫。拓撲數據庫實際上是與路由器有關聯的網絡的總圖，包含從同一區間所有路由器收到的LSA的集合。因為同一區間內的路由器共享相同的信息，所以它們具有相同的拓撲數據庫。（術語域(domain)有時用于描述含有相同拓撲數據庫的路由器組成的網絡，通常與AS可互換。）
　　
　　區間的劃分產生了兩種不同類型的OSPF路由，區別在于源和目的是在相同的還是不同的區間，分別為區間內路由和跨區間路由。
　　
　　OSPF主干負責在區間之間分發路由信息，包含所有的區間邊緣路由器、非全部屬于某區間的網絡及其相連的路由器。下圖是一個分為若干區間的OSPF自治系統的例子。
　　　開放最短路徑優先(OSPF)（圖一）

　　上圖中，路由器4、5、6、10、11和12構成了主干。假如區間3中的主機H1要給區間2中的主機H2發送數據，則先發給路由器13，它轉發給路由器12，再轉給路由器11，路由器11再沿主干轉發給路由器10，然后通過兩個區間內路由器（9和7）到達主機H2。
　　
　　主干本身也是個OSPF區間，所以所有的主干路由器與其它區間路由器一樣，使用相同的過程和算法來維護主干內的路由信息，主干拓撲對所有的跨區間路由器都是可見的。
　　
　　可以以非連續主干的形式來定義區間，這時，主干的連接必須通過虛擬鏈接來保持。虛擬鏈接可以配置在任意共享非主干區間鏈接的路由器對之間，就象它們有直接鏈接一樣工作。
　　
　　運行OSPF的AS邊緣路由器通過外部網關協議，如EGP或BGP，或通過配置信息來學習外部路由。
　　
　　三、SPF算法
　　最短路徑優先（SPF）路由算法是OSPF的基礎。當SPF路由器加點后，它就初始化路由協議數據結構，然后等待下層協議關于接口已可用的通知信息。當路由器確認接口已預備好，就用OSPF Hello協議來獲取鄰居信息，即具有在共同的網絡上接口的路由器。路由器向鄰居發送Hello包并接收它們的Hello包。除了幫助學習鄰居外，Hello包也有keep-alive的功能。
　　
　　在多重訪問網絡（支持多于兩個路由器的網絡）中，Hello協議選出一個“指派路由器”和一個備份指派路由器。指派路由器負責為整個多重訪問網絡生成LSA，它可以減少網絡通信量和拓撲數據庫的大小。
　　
　　當兩個相鄰路由器的鏈接狀態數據庫同步后，就稱為“鄰接”。在多重訪問網絡中，指派路由器決定哪些路由器應該相鄰接，拓撲數據庫在鄰接路由器對間進行同步。鄰接控制路由協議分組的分發，只在鄰接點間交換。
　　
　　每個路由器周期性地發送LSA，提供其鄰接點的信息或當其狀態改變時通知其它路由器。通過對已建立的鄰接關系和鏈接狀態進行比較，失效的路由器可以很快被檢測出來，網絡拓撲相應地更動。從LSA生成的拓撲數據庫中，每個路由器計算最短路徑樹，以自己為根。這個最短路徑樹就生成了路由表。
　　
　　四、分組格式
　　所有的OSPF分組均有24字節的頭，如下圖：
　　開放最短路徑優先(OSPF)（圖二）

　　其中各域為：
　　
　　版本號--標識使用的OSPF版本。
　　
　　類型--標識OSPF分組類型，為下列類型之一：
　　
　　--Hello：建立和維持鄰居關系。
　　--數據庫描述：描述拓撲數據庫內容，此類信息在初始化鄰接關系時交換。
　　--鏈接狀態請求：從相鄰路由器發來的拓撲數據庫請求。此類信息在路由器通過檢查數據庫描述分組發現其部分拓撲數據庫過期后發送。
　　--鏈接狀態更新：對鏈接狀態請求分組的響應，也用于通常的LSA散發。單個鏈接狀態更新分組中可以包含多個LSA。
　　--鏈接狀態確認：確認鏈接狀態更新分組。
　　
　　分組長度--指示包括OSPF頭在內的分組長度，以字節計。
　　
　　路由器ID--標識分組來源。
　　
　　區間ID--標識分組所屬的區間。所有的OSPF分組都與某一個區間相關聯。
　　
　　校驗碼--對整個分組的內容檢查傳輸中是否發生損壞。
　　
　　認證類型--所有的OSPF協議交換均被認證。認證類型可以在每區間的基礎上配置。
　　
　　認證--包含認證信息。
　　
　　數據--包含封裝的上層信息。
　　
　　五、附加特性
　　OSPF的附加特性包括等價、多路徑路由和基于上層服務類型（TOS-type of service）請求的路由。基于TOS的路由支持可以指定特定服務類型的上層協議。例如，應用程序可能指定某些數據為緊急的，假如OSPF有高優先級的鏈接，就可用于傳輸緊急數據。
　　
　　OSPF支持一個或多個metric。假如只用一個metric，則為任意的，且不支持TOS。假如使用多于一個metric，通過對由三個IP TOS位（延遲、吞吐量和可靠性）生成的八種組合各使用獨立的metric（因此也是獨立的路由表）可以支持TOS。例如，假如IP TOS位指示低延遲、低吞吐量和高可靠性，OSPF就基于此TOS設計計算到所有目的的路由。
　　
　　每個目的地址都含有IP子網掩碼，答應VLSM(variable-length subnet mask)。通過VLSM，IP網可以分成各個不同大小的子網，這給了網管更大的網絡治理的靈活性。

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