開放最短路優先(OSPF)

2019-11-04 11:05:45

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供稿：網友

OSPF是由IETF的IGP工作組為ip網絡設計的路由協議，此工作組于1988年設計了基于最短路優先（SPF）算法的IGP用于Internet。同IGRP一樣，OSPF的產生是因為80年代中期RIP協議已經不能用于大型異構的Internet結構了。下面我們談一下OSPF的路由運行環境，路由算法和通常的協議組件。

OSPF是在包括Bolt，Beranek的努力下完成的，它使用了Newman的最短路優先（SPF）算法進行工作。它有兩個基本特點，首先它是開放的，第二個非凡就是它是基于SPF算法進行的，也就是我們在圖論所說的Dijkstra算法。 OSPF是內部使用連接狀態路由協議，協議通過向同層結點發送連接狀態信息（LSA）工作，當路由器接收到這些信息時，它就可以根據SPF算法計算出到每個結點的最短路了。它的工作方式與我們熟悉的RIP和IGRP協議不同，SPF只使用發送當前結點到相鄰結點的路由信息，而RIP和IGRP需要結點把自己結點保留的由路表或路由表的一部分全部到相鄰結點，相鄰結點根據這些信息更新自己的路由表，前者發送的信息量少，而后者發送的信息量多。

與我們熟悉的RIP不同，OSPF的路由信息在一個樹狀結構內傳送，這個樹狀結構內最大的結構就是一個自治域（AS），它們是使用同一路由策略的一組網絡。OSPF是一個內部路由協議，但這并不是說它不能向其它AS向送路由信息，我們可以知道，OSPF的方法就是尋找一個AS內的最短路，它建立在一個基本的假設之上，也就是假如在每個小范圍內都最短那整個路徑一定最短。一個AS可以被分為不同的域，這不同的域包括同構的網絡和與之相關的主機，有多個接口的路由器可以屬于不同的域，它些非凡的路由器稱為域邊界路由器，它保存每個域的拓樸結構數據庫。拓樸結構數據庫內保存了與這個路由器相連的網絡的拓樸結構，同時它也保存了同一域中所有路由器發送來的LSA信息，我們已經知道了，在同一域中的路由器有相同的路由信息，因此它們有相同的拓樸結構數據庫。我們在閱讀關于OSPF的文檔時，經常會看到域這個名詞，它是描述擁有相同拓樸結構數據庫的路由器的那部分網絡，它有時和AS相互混用，希望注重。對于域外的實體而言這個域的拓樸結構對它們來說是可見的，OSPF使用將AS分塊的方法減少網絡通信量。既然分了一個域的概念，那路由方法也要分為兩種了，一種是用于目的結點和源結點在同一個域內和另一種是用于目的結點和源結點在不同的域內。

OSPF主干負責在域之間傳送路由信息，它包括所有的邊界路由器和未完全包括在任何單獨一個域中的網絡結構以及與此網絡結構相關的設備。下圖就顯示了不同情況，體現了由路由器連接的不同域。

開放最短路優先(OSPF)（圖一）

在上圖中，路由器4，5，6，10，11和12構成了主干，假如在域3中的主機H1希望發送數據到域2中的主機H2，那它就必須把包發到路由器13，由它將信息發送到路由器12，再由12發送到路由器11，由路由器11將路由信息發送到域邊界路由器10，再由兩個域內路由器9和7將信息發送到主機H2。剛才我們提到了主干，主干自己也是一個OSPF域，此域內的路由器使用相同的路由策略，此域的結構對所有域內路由器來說是可見的。大家要注重到，主干域的結構是不同構的，因此主干域的相互連接要使用虛擬連接方式進行，也就是說，兩個主干域內的路由器必須通過一個非主干域進行通信，而這種通信又是對這兩個主干域路由器透明的。

說到現在，我們有些人仍然對SPF算法如墜云霧，下面我們就來簡單地說一下這個算法，假如不理解這個算法就無法理解OSPF的工作過程。當一個SPF路由器啟動時，它初始化它的路由信息結構表，然后等待下層接口，當它確定下層接口可用時，它就使用OSPF的Hello協議向相鄰的路由器發送一個問候包，然后接收這些路由器發回的信息。這個問候包不但可以幫助路由器在初始工作時了解相鄰結構，而且可以在運行中了解相鄰路由器的工作情況，假如相鄰的路由器關機了，那就不會從它那里收到回應信息了。假如網絡支持多個路由器，Hello協議可以幫助選擇一個主控路由器和一個備份路由器，由主控路由器向整個網絡發送LSA。

假如兩個相鄰結點路由器的連接狀態數據庫同步了，我們就稱它們相鄰了，在有主控路由器的網絡中，主控路由器有權決定哪些路由器可以是相鄰的，拓樸結構數據庫在相鄰的路由器之間是同步的，路由信息包的發送也僅僅在相鄰的路由器間進行。每個路由器要定期發出LSA，假如它的路由信息發生了改變，那它需要立即通知其它路由器。通過獲得相鄰路由器發送的信息，能夠很快知道哪些路由器不能工作了，能夠對網絡拓樸結構的變化做到快速反應。通過接收到LSA產生拓樸結構數據庫，再經過SPF算法可以得到了個最短路樹，樹的根結點就是當前這個路由器，通過這個樹可以產生路由表。

下面我們來看一下OSPF包結構，所有的OSPF包都有一個24位的包頭，包頭內的信息如下圖所示：

開放最短路優先(OSPF)（圖二）

首先是版本號，它標明了使用的OSPF版本信息，下一個數據域是數據類型，它說明了包內的數據是干什么的，可以分以下幾種數據類型：
問候：用于建立和維護相鄰結點信息；

數據庫描述：用于描述拓樸結構數據庫的內容，在建立相鄰路由器時，必須交換這些信息；

連接狀態請求：用于從相鄰路由器請求獲得拓樸結構數據庫內的一些數據，當某個路由器發現自己路由表的某部分已經過期時就要使用這一請求獲得更新過的信息；

連接狀態更新：用于響應上面所說的連接狀態請求包，也可以從它在同一個連接狀態包內提取LSA；

連接狀態確認：用于確認連接狀態更新包；

下面的的數據域用于表示包長度，這個長度包括包頭的長度并以字節表示；數據域后面是路由器號，它用于標明是哪個路由器發送的此包，路由器號后面是域號，它標明包屬于的域，每個包只能屬于一個域。OSPF協議還支持對緊急信息的優先發送功能，它為網絡治理提供了靈活方便的手段。

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