時間：2015-06-28 00:00:00 來源：IT貓撲網(wǎng) 作者：網(wǎng)管聯(lián)盟 我要評論(4)
隨著Internet技術(shù)在全球范圍內(nèi)的飛速發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)作為一種最有前景的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，受到了人們的普遍關(guān)注。而作為IP網(wǎng)絡(luò)生存、運作、組織的核心——IP路由技術(shù)提供了解決IP網(wǎng)絡(luò)動態(tài)可變性、實時性、QoS等關(guān)鍵技術(shù)的一種可能。在眾多的路由技術(shù)中，OSPF協(xié)議已成為目前Internet廣域網(wǎng)和Intranet企業(yè)網(wǎng)采用最多、應(yīng)用最廣泛的路由技術(shù)之一。本文在分析OSPF動態(tài)路由協(xié)議基本工作原理的基礎(chǔ)上，提出了Dijkstra算法和OSPF路由表計算的實現(xiàn)方法。
目前應(yīng)用較多的路由協(xié)議有RIP和OSPF，它們同屬于內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，但RIP基于距離矢量算法，而OSPF基于鏈路狀態(tài)的最短路徑優(yōu)先算法。它們在網(wǎng)絡(luò)中利用的傳輸技術(shù)也不同。
RIP是利用UDP的520號端口進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)中利用套接口編程，而OSPF則直接在IP上進(jìn)行傳輸，它的協(xié)議號為89.在RIP當(dāng)中，所有的路由都由跳數(shù)來描述，到達(dá)目的地的路由最大不超過16跳，且只保留唯一的一條路由，這就限制了RIP的服務(wù)半徑，即其只適用于小型的簡單網(wǎng)絡(luò)。同時，運行RIP的路由器需要定期地（一般30s）將自己的路由表廣播到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，達(dá)到對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木酆希@樣不但聚合的速度慢而且極容易引起廣播風(fēng)暴、累加到無窮、路由環(huán)致命等問題。為此，OSPF應(yīng)運而生。OSPF是基于鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，它克服了RIP的許多缺陷：
第一，OSPF不再采用跳數(shù)的概念，而是根據(jù)接口的吞吐率、擁塞狀況、往返時間、可靠性等實際鏈路的負(fù)載能力定出路由的代價，同時選擇最短、最優(yōu)路由并允許保持到達(dá)同一目標(biāo)地址的多條路由，從而平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷；
第二，OSPF支持不同服務(wù)類型的不同代價，從而實現(xiàn)不同QoS的路由服務(wù)；
第三，OSPF路由器不再交換路由表，而是同步各路由器對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的認(rèn)識，即鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，然后通過Dijkstra最短路徑算法計算出網(wǎng)絡(luò)中各目的地址的最優(yōu)路由。這樣OSPF路由器間不需要定期地交換大量數(shù)據(jù)，而只是保持著一種連接，一旦有鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，才通過組播方式對這一變化做出反應(yīng)，這樣不但減輕了不參與系統(tǒng)的負(fù)荷而且達(dá)到了對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖倬蹠?。而這些正是OSPF強(qiáng)大生命力和應(yīng)用潛力的根本所在。
一、OSPF工作原理分析
OSPF是一種分層次的路由協(xié)議，其層次中最大的實體是AS（自治系統(tǒng)），即遵循共同路由策略管理下的一部分網(wǎng)絡(luò)實體。在每個AS中，將網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的區(qū)域。每個區(qū)域都有自己特定的標(biāo)識號。對于主干（backbone）區(qū)域，負(fù)責(zé)在區(qū)域之間分發(fā)鏈路狀態(tài)信息。這種分層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是根據(jù)OSPF的實際提出來的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中自治系統(tǒng)非常大時，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫的內(nèi)容就更多，所以如果不分層次的話，一方面容易造成數(shù)據(jù)庫溢出，另一方面當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，會引起整個網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都重新計算一遍自己的路由表，既浪費資源與時間，又會影響路由協(xié)議的性能（如聚合速度、穩(wěn)定性、靈活性等）。因此，需要把自治系統(tǒng)劃分為多個域，每個域內(nèi)部維持本域一張唯一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，且各域根據(jù)自己的拓?fù)鋱D各自計算路由，域邊界路由器把各個域的內(nèi)部路由總結(jié)后在域間擴(kuò)散。這樣，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某條鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，此鏈路所在的域中的每個路由器重新計算本域路由表，而其它域中路由器只需修改其路由表中的相應(yīng)條目而無須重新計算整個路由表，節(jié)省了計算路由表的時間。
OSPF由兩個互相關(guān)聯(lián)的主要部分組成："呼叫"協(xié)議和"可靠泛洪"機(jī)制。呼叫協(xié)議檢測鄰居并維護(hù)鄰接關(guān)系，可靠泛洪算法可以確保統(tǒng)一域中的所有的OSPF路由器始終具有一致的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，而該數(shù)據(jù)庫構(gòu)成了對域的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌窢顟B(tài)的映射。鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中每個條目稱為LSA（鏈路狀態(tài)通告），共有5種不同類型的LSA，路由器間交換信息時就是交換這些LSA.每個路由器都維護(hù)一個用于跟蹤網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)的數(shù)據(jù)庫，然后各路由器的路由選擇就是基于鏈路狀態(tài)，通過Dijkastra算法建立起來最短路徑樹，用該樹跟蹤系統(tǒng)中的每個目標(biāo)的最短路徑。最后再通過計算域間路由、自治系統(tǒng)外部路由確定完整的路由表。與此同時，OSPF動態(tài)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，一旦發(fā)生變化則迅速擴(kuò)散達(dá)到對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖倬酆?，從而確定出新的網(wǎng)絡(luò)路由表。
OSPF的設(shè)計實現(xiàn)要涉及到指定路由器、備份指定路由器的選舉、協(xié)議包的接收、發(fā)送、泛洪機(jī)制、路由表計算等一系列問題。本文僅就Dijkstra算法與路由表的計算進(jìn)行討論。
二、Dijkstra算法
Dijkstra算法是路由表計算的依據(jù)，通過Dijkstra算法可以得到有關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的最短路徑樹，然后由最短路徑優(yōu)先樹得到路由表。
1.Dijkstra算法的描述如下：
（1）初始化集合E，使之只包含源節(jié)點S，并初始化集合R，使之包含所有其它節(jié)點。初始化路徑列O，使其包含一段從S起始的路徑。這些路徑的長度值等于相應(yīng)鏈路的量度值，并以遞增順序排列列表O.
?。?）若列表O為空，或者O中第1個路徑長度為無窮大，則將R中所有剩余節(jié)點標(biāo)注為不可達(dá)，并終止算法。
?。?）首先尋找列表O中的最短路徑P，從O中刪除P.設(shè)V為P的最終節(jié)點。若V已在集合E中，繼續(xù)執(zhí)行步驟2.否則，P為通往V的最短路徑。將V從R移至E.
?。?）建立一個與P相連并從V開始的所有鏈路構(gòu)成的侯選路徑集合。這些路徑的長度是P的長度加上與P相連的長度。將這些新的鏈路插入有序表O中，并放置在其長度所對應(yīng)的等級上。繼續(xù)執(zhí)行步驟2.
2.Dijkstra算法舉例：
下面我們以路由器A為例，來說明最短路徑樹的建立過程：
?。?）路由器A找到了路由器B、C，將它們列入候選列表{B：1；C：2}.
（2）從候選列表中找出最小代價項B，將B加入最短路徑樹并從候選列表中刪除。接著從B開始尋找，找到了D，將其放入候選列表{C：2；D：2}.
?。?）從列表中找出C，再由C又找到了D.但此時D的代價為4，所以不再加入候選列表。最后將D加入到最短路徑樹。此時候選列表為空，完成了最短路徑樹的計算。
三、OSPF路由表的計算與實現(xiàn)
有關(guān)路由表的計算是OSPF的核心內(nèi)容，它是動態(tài)生成路由器內(nèi)核路由表的基礎(chǔ)。在路由表條目中，應(yīng)包括有目標(biāo)地址、目標(biāo)地址類型、鏈路的代價、鏈路的存活時間、鏈路的類型以及下一跳等內(nèi)容。關(guān)于整個計算的過程，主要由以下五個步驟來完成：
?。?）保存當(dāng)前路由表，當(dāng)前存在的路由表為無效的，必須從頭開始重新建立路由表；
?。?）域內(nèi)路由的計算，通過Dijkstra算法建立最短路徑樹，從而計算域內(nèi)路由；
?。?）域間路由的計算，通過檢查Summary-LSA來計算域間路由，若該路由器連到多個域，則只檢查主干域的Summary-LSA；
（4）查看Summary-LSA：在連到一個或多個傳輸域的域邊界路由器中，通過檢查該域內(nèi)的Summary-LSA來檢查是否有比第（2）（3）步更好的路徑；
（5）AS外部路由的計算，通過查看AS-External-LSA來計算目的地在AS外的路由。
通過以上步驟，OSPF生成了路由表。但這里的路由表還不同于路由器中實現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能時用到的內(nèi)核路由表，它只是OSPF本身的內(nèi)部路由表。因此，完成上述工作后，往往還要通過路由增強(qiáng)功能與內(nèi)核路由表交互，從而實現(xiàn)多種路由協(xié)議的學(xué)習(xí)。
OPSF作為一種重要的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)協(xié)議的普遍應(yīng)用，極大地增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，同時也反映出了動態(tài)路由協(xié)議的強(qiáng)大功能。但是，在有關(guān)OSPF協(xié)議的研究、實現(xiàn)中尚存在一些問題，如數(shù)據(jù)庫的溢出、度量的刻畫、以及MTU協(xié)商等等。同時，在IPv6中，OSPFv3基于鏈路的處理機(jī)制、IP地址的變化、泛洪范圍的增加、包格式、LSA的變化以及鄰居的識別等技術(shù)都將是我們共同探討的課題。
關(guān)鍵詞標(biāo)簽：OSPF動態(tài)路由協(xié)議
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