校園網(wǎng)內(nèi)部路由協(xié)議的比較與選擇

　　摘要：該文通過分析各種內(nèi)部路由協(xié)議的特點(diǎn)，結(jié)合校園網(wǎng)絡(luò)情況提出應(yīng)優(yōu)選OSPF協(xié)議。針對(duì)OSPF協(xié)議的特色區(qū)域劃分優(yōu)勢設(shè)計(jì)出一種有利于校園網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
　　關(guān)鍵字：校園網(wǎng)；路由協(xié)議；OSPF
　　中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2012）28-6671-02
　　路由的權(quán)威定義是網(wǎng)絡(luò)信息從信源到信宿的路徑。路由過程是指網(wǎng)絡(luò)設(shè)備從一個(gè)接口收到數(shù)據(jù)包后根據(jù)其目的地址進(jìn)行定向和轉(zhuǎn)發(fā)至下一接口，這里的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括路由器、三層交換機(jī)和防火墻。有三種方式可產(chǎn)生路由：一是無需配置自動(dòng)生產(chǎn)的直連路由，二是需手動(dòng)配置的靜態(tài)路由，三是有動(dòng)態(tài)路由協(xié)議發(fā)現(xiàn)和學(xué)習(xí)到的路由。動(dòng)態(tài)路由協(xié)議分外部路由協(xié)議和內(nèi)部路由協(xié)議兩種，外部路由協(xié)議適用于多個(gè)自治系統(tǒng)或域間的路由信息交換，其代表BGP一般應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商內(nèi)部；內(nèi)部路由協(xié)議適用于局域網(wǎng)內(nèi)部，例如RIP、OSPF等都可用于組建校園網(wǎng)內(nèi)部路由信息。根據(jù)校園網(wǎng)建設(shè)規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r，從中選取合適的路由協(xié)議，對(duì)整個(gè)校園網(wǎng)和校園信息應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
　　1 內(nèi)部路由協(xié)議比較
　　現(xiàn)今常見的內(nèi)部路由協(xié)議有RIPv2、OSPF和EIGRP。這些路由協(xié)議的作用都是生成局域網(wǎng)內(nèi)部路由信息表，并保持動(dòng)態(tài)維護(hù)和更新。怎樣選擇合適的路由協(xié)議？需要參考路由協(xié)議的五項(xiàng)主要性能指標(biāo)：路由協(xié)議計(jì)算方法正確性、路由收斂速度、路由協(xié)議占用的系統(tǒng)開銷、路由協(xié)議自身安全和路由協(xié)議適用的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。
　　1.1 計(jì)算方法正確性
　　路由協(xié)議計(jì)算的正確性指路由協(xié)議所采用的算法是否可靠。錯(cuò)誤的靜態(tài)路由配置會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生浪費(fèi)大量網(wǎng)絡(luò)帶寬的路由環(huán)路，某些動(dòng)態(tài)路由協(xié)議在特定環(huán)境中也會(huì)產(chǎn)生路由環(huán)路，優(yōu)秀的路由協(xié)議算法應(yīng)有避免環(huán)路機(jī)制。RIPv2采用的是距離矢量算法，雖然啟用路由毒化、抑制時(shí)間和觸發(fā)更新可降低產(chǎn)生環(huán)路的概率，但仍然無法避免距離矢量算法容易產(chǎn)生路由環(huán)路的缺陷。OSPF使用基于Dijkstra的鏈路狀態(tài)算法，此類算法杜絕了產(chǎn)生路由環(huán)路的可能。EIGRP使用結(jié)合了距離矢量和鏈路狀態(tài)的彌散修正算法（DUAL），同樣可有效避免環(huán)路。
　　1.2 路由收斂速度
　　路由收斂指局域網(wǎng)中所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的路由表達(dá)到一致?？焖偈諗恳馕吨?dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時(shí)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能很快感知并更新變化的路由信息。RIPv2采用周期性廣播（30秒）更新路由信息，固定廣播更新周期導(dǎo)致較慢的收斂速度。OSPF和EIGRP采取不定周期的組播在局域網(wǎng)中維護(hù)所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備路由表信息的統(tǒng)一，同時(shí)在發(fā)現(xiàn)路徑信息改變時(shí)立即觸發(fā)路由信息更新，這種觸發(fā)更新機(jī)制帶來快速路由收斂。
　　1.3 系統(tǒng)資源消耗
　　運(yùn)行路由協(xié)議需要占用CPU、內(nèi)存等系統(tǒng)資源，最終的路由信息由局域網(wǎng)中所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并行運(yùn)算和協(xié)商后的結(jié)果，這里的系統(tǒng)資源指局域網(wǎng)中所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的系統(tǒng)資源。相比較鏈路狀態(tài)算法，基于距離矢量算法的RIPv2路由協(xié)議具有消耗系統(tǒng)資源少的優(yōu)勢。雖然OSPF多個(gè)數(shù)據(jù)庫加上復(fù)雜算法占用較多的系統(tǒng)資源，但對(duì)用于網(wǎng)絡(luò)匯聚與核心層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，此類用于計(jì)算路由的系統(tǒng)開銷對(duì)正常的信息數(shù)據(jù)傳輸交換幾乎沒有影響。
　　1.4 自身安全性能
　　各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備協(xié)商路由信息時(shí)有數(shù)據(jù)交換，路由協(xié)議安全性是指交換相關(guān)數(shù)據(jù)過程中是否有防數(shù)據(jù)篡改等攻擊的性能。除已淘汰的RIPv1和IGRP，目前常見的RIPv2、OSPF和EIGRP路由協(xié)議都具有基于MD5摘要算法的認(rèn)證功能。
　　1.5 適用網(wǎng)絡(luò)規(guī)模
　　路由協(xié)議適用網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和拓?fù)渎杂胁町?，RIPv2協(xié)議在設(shè)計(jì)時(shí)有最大15跳的限制，所以適用于中小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，與距離矢量算法有關(guān)的EIGRP協(xié)議同樣不適用于大型網(wǎng)絡(luò)。受益于區(qū)域劃分機(jī)制，OSPF協(xié)議可應(yīng)用在多達(dá)幾百臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成的大型網(wǎng)絡(luò)中。
　　2 路由協(xié)議的選擇
　　綜合比較這五項(xiàng)路由協(xié)議主要性能指標(biāo)，如圖1所示，不難得出這樣的結(jié)論：大型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)優(yōu)選OSPF路由協(xié)議、而中小型網(wǎng)絡(luò)可選擇OSPF和EIGRP路由協(xié)議。EIGRP路由協(xié)議是思科網(wǎng)絡(luò)公司的私有協(xié)議，與其他品牌廠商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不兼容。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)整體改造升級(jí)時(shí)統(tǒng)一采購思科設(shè)備的情況下才可以考慮使用EIGRP協(xié)議。
　　
　　圖1 各路由協(xié)議性能比較
　　十多年前，國內(nèi)院校開始出現(xiàn)校園網(wǎng)。當(dāng)時(shí)校園網(wǎng)都是小型局域網(wǎng)，只覆蓋信息計(jì)算中心和網(wǎng)絡(luò)機(jī)房。而現(xiàn)今的校園網(wǎng)都是從當(dāng)年的小型局域網(wǎng)發(fā)展而來，或多或少保留并使用著當(dāng)年的一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備甚至是路由協(xié)議。不論全校網(wǎng)絡(luò)是否升級(jí)改造，選配思科品牌作為替代全校所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可能性很小?，F(xiàn)今國內(nèi)高校經(jīng)過兼并重組和發(fā)展，基本擁有兩個(gè)以上的校區(qū)。每個(gè)校區(qū)內(nèi)的校園網(wǎng)已然擴(kuò)張覆蓋到整個(gè)校園，整個(gè)校園網(wǎng)屬于大型局域網(wǎng)。根據(jù)上述兩點(diǎn)實(shí)際情況并參考各常見路由協(xié)議的性能，OSPF是校園網(wǎng)內(nèi)部路由協(xié)議的最佳選擇。
　　3 OSPF路由協(xié)議工作機(jī)制
　　OSPF協(xié)議工作過程主要有四個(gè)階段：首先使用組播形式發(fā)送Hello包來尋找網(wǎng)絡(luò)中可與自己交互鏈路狀態(tài)信息的周邊路由器，組播有利于提高網(wǎng)絡(luò)使用效率，減少對(duì)其他無關(guān)OSPF網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響?？梢越换ユ溌窢顟B(tài)信息的路由器互為鄰居。其次是建立鄰接關(guān)系。所有路由器僅與DR/BDR（制定路由器/備份制定路由器）建立鄰接關(guān)系，若網(wǎng)絡(luò)中未選舉出DR/BDR，則先進(jìn)行選舉。DR負(fù)責(zé)用LSA（鏈路狀態(tài)公告）描述該網(wǎng)絡(luò)類型及該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他路由器，同時(shí)也負(fù)責(zé)管理他們之間的鏈路狀態(tài)信息交互過程。若DR失效，BDR立刻取代DR功能，選舉DR/BDR機(jī)制可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速收斂。當(dāng)建立可靠鄰接關(guān)系后才相互傳遞鏈路狀態(tài)信息。再次是各路由器建立LSA，建立鄰接關(guān)系的OSPF路由器之間通過交互LSA，最終形成包含網(wǎng)絡(luò)完整鏈路狀態(tài)信息的LSDB（鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫）。OSPF路由器采用增量更新的機(jī)制發(fā)布LSA，即只發(fā)布鄰居缺失的鏈路狀態(tài)給鄰居，避免了類似RIP協(xié)議發(fā)送全部路由信息帶來的網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)問題，還保證了路由器之間信息傳遞的可靠性，有利于提高收斂速度。最后各路由器依據(jù)LSDB結(jié)合路由器之間路徑開銷用最短路徑優(yōu)先算法計(jì)算出路由。由于OSPF區(qū)域內(nèi)的路由器對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有相同認(rèn)識(shí)，所以計(jì)算出的路由不會(huì)產(chǎn)生環(huán)路，而使用最短路徑優(yōu)先算法計(jì)算出的路由，合理的將路由選擇和網(wǎng)絡(luò)能力掛鉤。
　　4 OSPF路由協(xié)議特色優(yōu)勢
　　為提高校園網(wǎng)運(yùn)行的可靠和穩(wěn)健性，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和升級(jí)改造應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吐酚蓞f(xié)議的冗余熱備能力。給校園網(wǎng)中所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都配置冗余熱備鏈路，理論上可行，實(shí)際應(yīng)用上難度較大。目前適合的方案是：每個(gè)校區(qū)的校園網(wǎng)選擇采用以星型為主的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。擁有ISP出口和大型機(jī)房的主校區(qū)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)核心與匯聚。每個(gè)分校區(qū)也有網(wǎng)絡(luò)匯聚，通過租用光纜將所有匯聚與核心設(shè)備以環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相連。這里的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)只是個(gè)物理環(huán)路，實(shí)現(xiàn)鏈路冗余備份需要結(jié)合路由協(xié)議對(duì)與物理環(huán)相連的兩個(gè)端口設(shè)置不同的路由優(yōu)先級(jí)。為了方便校園網(wǎng)區(qū)域管理和減少路由信息復(fù)雜程度，可將具備冗余熱備功能環(huán)形網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為主要區(qū)域，其余各校區(qū)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)定義為非主要區(qū)域。OSPF路由協(xié)議恰好支持此類功能。
　　OSPF提出的分區(qū)域管理是為了解決由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大帶來的較大系統(tǒng)資源消耗。OSPF可將一個(gè)大局域網(wǎng)分為幾個(gè)小的區(qū)域（Area），網(wǎng)絡(luò)設(shè)備僅需要在自己區(qū)域內(nèi)相互建立鄰接關(guān)系并共享統(tǒng)一的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。原來整個(gè)大型局域網(wǎng)的龐大鏈路數(shù)據(jù)庫就會(huì)按區(qū)域劃分為幾個(gè)小數(shù)據(jù)庫，并在自己的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行維護(hù)。這種區(qū)域劃分機(jī)制不但降低系統(tǒng)資源消耗，而且提高網(wǎng)絡(luò)資
　　源利用率。OSPF區(qū)域劃分后，路由信息通信分為區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間兩種，為有效管理區(qū)域間通訊，需要定義一個(gè)骨干區(qū)域（Area 0）來匯總每個(gè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎酚傻狡渌袇^(qū)域。所有區(qū)域間通信都必須通過骨干區(qū)域，所有非骨干區(qū)域都必須與骨干區(qū)域相連，非骨干區(qū)域之間不直接交換數(shù)據(jù)。介于骨干區(qū)域和非骨干區(qū)域之間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是區(qū)域邊界網(wǎng)關(guān)，同屬于骨干區(qū)域和非骨干區(qū)域。在環(huán)形主干校園網(wǎng)方案中，各校區(qū)的匯聚交換機(jī)承擔(dān)區(qū)域邊界網(wǎng)關(guān)角色，如圖2所示。
　　5 結(jié)論
　　OSPF路由協(xié)議不是網(wǎng)絡(luò)的唯一選擇，類似其他內(nèi)部路由協(xié)議，OSPF也有缺陷。OSPF不支持多路由動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡（EIGRP支持），配置動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡需要結(jié)合手動(dòng)配置路由信息優(yōu)先級(jí)或借助相關(guān)專業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。同時(shí)OSPF沒有把相鄰網(wǎng)段路由信息自動(dòng)匯總的功能（RIP和EIGRP支持），路由信息匯總需要由網(wǎng)絡(luò)管理員人工配置。瑕不掩瑜，經(jīng)過多年市場洗禮，由Internet工程任務(wù)組開發(fā)的OSPF已然成為大中型局域網(wǎng)內(nèi)部路由協(xié)議的最優(yōu)選擇，小型局域網(wǎng)一樣可以使用OSPF路由協(xié)議。
　　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唵危?guī)模不大，特別是沒有冗余熱備鏈路的校園網(wǎng)除了可選OSPF內(nèi)部路由協(xié)議外，還可以選擇配置靜態(tài)路由。正確配置的靜態(tài)路由同樣可以保障平穩(wěn)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，且不占用任何系統(tǒng)開銷。物理鏈路正常情況下，靜態(tài)路由配置立刻生效，不存在收斂時(shí)間。靜態(tài)路由同樣被所有廠商網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持。
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