基于OSPF協(xié)議的NSSA-External-LSA攜帶Forwording Address的優(yōu)化

王琦進(jìn)，經(jīng)默然(安徽新華學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽 合肥　230088)

OSPF是由網(wǎng)絡(luò)工程任務(wù)組織(IETF)開發(fā)的一種基于鏈路狀態(tài)的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議，有OSPF Version 2(RFC2328)和OSPF Version 3(RFC2740)2個(gè)版本。早期網(wǎng)絡(luò)上廣泛使用基于距離矢量算法的RIP(routing information protocol)作為內(nèi)部路由協(xié)議；但是RIP不適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，且存在著收斂慢、路由環(huán)路等問題，因此逐漸被OSPF取代。OSPF具有支持無(wú)類型域間路由(CIDR)、報(bào)文加密以及組播形報(bào)文等優(yōu)點(diǎn)；然而隨著OSPF V2的廣泛運(yùn)用，其收斂速度、路徑選擇以及路由表大小等方面開始呈現(xiàn)出不同問題，針對(duì)OSPF的優(yōu)化機(jī)制也在不斷地增加與完善[1-4]。

本文主要研究NSSA-External-LSA攜帶FA地址的優(yōu)化機(jī)制。通過場(chǎng)景設(shè)計(jì)、抓包分析，研究路徑優(yōu)化的過程和原理，同時(shí)探討了NSSA-External-LSA攜帶FA地址后仍不能做到路徑優(yōu)化的場(chǎng)景及外部路由無(wú)法計(jì)算的原因。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的OSPF路由路徑更優(yōu)，路由傳輸效率更高。

1　OSPF協(xié)議優(yōu)化方式

1.1　網(wǎng)絡(luò)收斂和路由計(jì)算

1.1.1OSPF與BFD聯(lián)動(dòng)

雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)BFD(bidirectional forwarding detection)是一種用于檢測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)引擎之間通信故障的檢測(cè)機(jī)制[5]。OSPF與BFD聯(lián)動(dòng)就是將BFD和OSPF協(xié)議關(guān)聯(lián)起來，一旦與鄰居之間的鏈路出現(xiàn)故障，就將BFD對(duì)鏈路故障的快速感應(yīng)通知OSPF協(xié)議，從而加快OSPF協(xié)議對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓捻憫?yīng)。

1.1.2優(yōu)先級(jí)收斂

OSPF按優(yōu)先級(jí)收斂是指在大量路由情況下，能夠讓某些特定的路由優(yōu)先收斂的一種技術(shù)[6]。用戶可以把和關(guān)鍵業(yè)務(wù)相關(guān)的路由配置成相對(duì)較高的優(yōu)先級(jí)，使這些路由更快的收斂，從而使關(guān)鍵業(yè)務(wù)受到的影響減小。

1.1.3增量最短路徑優(yōu)先算法I-SPF

增量最短路徑優(yōu)先算法I-SPF(incremental SPF)是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓淖儠r(shí)，只對(duì)受影響的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由計(jì)算，加快路由計(jì)算速度，縮短計(jì)算時(shí)間[7]。I-SPF改進(jìn)了原算法，除第1次計(jì)算需要全部節(jié)點(diǎn)外，每次只計(jì)算受影響的節(jié)點(diǎn)，最后生成最短路徑樹SPT(shortest path tree)。I-SPF的計(jì)算結(jié)果與原算法相同，但降低了CPU占用率，提高了網(wǎng)絡(luò)收斂速度。

1.1.4部分路由計(jì)算PRC

PRC(partial route calculation)對(duì)發(fā)生變化的路由進(jìn)行重新計(jì)算[8]。它不需要計(jì)算節(jié)點(diǎn)路徑，而是根據(jù)SPT更新路由。如果I-SPF計(jì)算后的SPT改變，PRC只處理那個(gè)變化節(jié)點(diǎn)上的所有葉子；如果SPT并沒有變化，PRC只處理變化的葉子信息。

1.1.5智能定時(shí)器

在進(jìn)行SPF計(jì)算和產(chǎn)生LSA時(shí)用到智能定時(shí)器。SPF智能定時(shí)器既可以對(duì)少量外界突發(fā)事件進(jìn)行快速響應(yīng)，又可以避免過度占用CPU[9]。若OSPF網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定則不會(huì)頻繁進(jìn)行路由計(jì)算，如果拓?fù)渥兓容^頻繁，智能定時(shí)器會(huì)隨著計(jì)算次數(shù)的增加，間隔時(shí)間也會(huì)逐漸延長(zhǎng)，從而避免占用大量CPU資源。

1.2　流量工程和路徑優(yōu)化

1.2.1OSPF TE

OSPF TE(OSPF traffic engineering)是為了支持MPLS TE，支持建立和維護(hù)TE的標(biāo)簽交換路徑LSP(label switch path)而在OSPF協(xié)議基礎(chǔ)上擴(kuò)展的新特性[10]。在MPLS TE架構(gòu)中，OSPF扮演著信息發(fā)布組件的角色，負(fù)責(zé)收集擴(kuò)散MPLS TE信息。除網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑼?，流量工程還需知道網(wǎng)絡(luò)的約束信息。OSPF現(xiàn)有功能不能滿足這些要求，因此需要對(duì)現(xiàn)有OSPF進(jìn)行擴(kuò)展，引入新類型的LSA發(fā)布這些信息。

1.2.2轉(zhuǎn)發(fā)地址FA

轉(zhuǎn)發(fā)地址FA(forwarding address)是OSPF中AS-External-LSA(Autonomous system external LSA)和NSSA-External-LSA攜帶的一個(gè)特殊字段，用來防止經(jīng)SPF算法后計(jì)算出次優(yōu)路由。本文重點(diǎn)對(duì)NSSA-External-LSA進(jìn)行研究。

2　NSSA-External-LSA攜帶FA地址優(yōu)化

2.1　理論分析

NSSA-External-LSA被稱為7類LSA和AS-External-LSA(5類LSA)作用幾乎相同，用來向OSPF的NSSA區(qū)域通告外部網(wǎng)絡(luò)路由信息。它由NSSA區(qū)域ASBR產(chǎn)生，只能在NSSA區(qū)域內(nèi)泛洪。與AS-External-LSA不同的是，NSSA-External-LSA無(wú)論如何都會(huì)攜帶FA地址。其原因是與ASBR同區(qū)域的ABR收到NSSA-External-LSA后會(huì)進(jìn)行7轉(zhuǎn)5操作，將NSSA-External-LSA轉(zhuǎn)換成AS-External-LSA向OSPF區(qū)域內(nèi)部泛洪，此時(shí)這臺(tái)ABR就充當(dāng)了ASBR的角色，從而掩蓋了網(wǎng)絡(luò)中真實(shí)ASBR的身份和位置，次優(yōu)路徑產(chǎn)生的可能性大，因此NSSA-External-LSA無(wú)論是否滿足AS-External- LSA的3個(gè)條件(引入外部路由的對(duì)應(yīng)接口加入OSPF進(jìn)程、對(duì)應(yīng)接口沒有設(shè)置成Passive-Interface以及對(duì)應(yīng)接口OSPF接口網(wǎng)絡(luò)類型為Broadcast或NBMA)，都會(huì)攜帶FA地址。攜帶的內(nèi)容分2種情況。

1)若滿足AS-External-LSA的3個(gè)條件，那么攜帶內(nèi)容和AS-External-LSA一致；

2)若不滿足，那么在此ASBR上選擇一個(gè)加入OSPF進(jìn)程的活動(dòng)接口地址作為FA地址，環(huán)回口地址優(yōu)先。

通常，外部路由引入后，NSSA區(qū)域的ASBR會(huì)生成關(guān)于外網(wǎng)路由的NSSA -External- LSA，與此ASBR同區(qū)域的ABR會(huì)進(jìn)行7轉(zhuǎn)5操作。如果有2臺(tái)ABR存在，那么由Router ID較大的那臺(tái)進(jìn)行7轉(zhuǎn)5操作，在轉(zhuǎn)換過程中，新產(chǎn)生的AS-External- LSA會(huì)繼承原NSSA-External-LSA中的FA字段，并向區(qū)域內(nèi)部泛洪。區(qū)域內(nèi)部路由器收到此AS-External-LSA后會(huì)根據(jù)其中的FA地址計(jì)算自身到外部網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路徑，從而避免次優(yōu)路徑產(chǎn)生。

2.2　實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)場(chǎng)景如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖

圖1中，AR1的GE0/0/0、GE0/0/1，AR2的GE0/0/0，AR3的GE0/0/0在OSPF area 0的骨干區(qū)域中，AR2的GE0/0/1，AR3的GE0/0/1，AR4的GE0/0/0、GE0/0/1在NSSA區(qū)域中，AR4和AR5間使用RIPV2互相學(xué)習(xí)路由，AR5模擬外網(wǎng)。2臺(tái)設(shè)備(Y，Z)間互連地址規(guī)劃方式為10.1.YZ.Y、10.1.YZ.Z，AR1和AR3鏈路之間的OSPF Cost為100。在AR4上將RIP重分布到OSPF中，使得AR1能夠通過OSPF學(xué)習(xí)到外網(wǎng)5.5.5.5的路由。網(wǎng)絡(luò)中有2臺(tái)處在NSSA區(qū)域的ABR，當(dāng)它們收到NSSA-External-LSA后，會(huì)由Router ID大的AR3進(jìn)行7轉(zhuǎn)5操作，生成新的AS-External-LSA，通告給AR1。

由于NSSA-External-LSA始終攜帶FA地址，為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果，在生成新AS-External-LSA的AR3上使用“nssa suppress-forwarding-address zero-address-forwarding”命令將FA強(qiáng)制改為0.0.0.0。此時(shí)在AR1上的GE0/0/1接口開啟Wireshark抓包，找到AS-External- LSA，如圖2所示。

圖2　修改后AR3生成的AS-External- LSA

由圖2可以看出，由AR3通告給AR1有關(guān)外網(wǎng)5.5.5.5路由的AS-External-LSA中FA地址已經(jīng)被強(qiáng)制改成了0.0.0.0。由于拓?fù)湓O(shè)置了Cost值，AR1和AR3之間OSPF鏈路開銷遠(yuǎn)大于AR1和AR2之間鏈路，因此最佳訪問外網(wǎng)路徑應(yīng)為AR1-AR2-AR4-AR5。查看AR1的路由表，顯示AR1上訪問外網(wǎng)5.5.5.5的下一跳指向10.1.13.3(AR3)，訪問路徑為AR1-AR3-AR4-AR5。由于7轉(zhuǎn)5生成的新AS-External- LSA沒有攜帶FA地址，AR3作為能夠生成5類LSA的新ASBR產(chǎn)生的AS-External-LSA掩蓋了AR4這個(gè)ASBR的真實(shí)身份和位置，AR1便只能根據(jù)AR3去訪問外網(wǎng)，從而產(chǎn)生AR1-AR3-AR4-AR5的次優(yōu)路徑。刪除AR3上強(qiáng)制修改的FA配置信息，再次在AR1上的G0/0/1接口開啟Wireshark抓包，找到AS-External- LSA，圖3所示。

圖3　攜帶FA的AS-External-LSA

此時(shí)AR1收到的LSA已經(jīng)攜帶了值為4.4.4.4的FA，AR1會(huì)根據(jù)當(dāng)初NSSA- External- LSA生成時(shí)寫入的FA值，通過SPF算法計(jì)算自身到這個(gè)地址的最優(yōu)路徑作為自身訪問外網(wǎng)5.5.5.5的最優(yōu)內(nèi)部路徑。攜帶FA地址后，通過路由表查看及路徑走向測(cè)試，其結(jié)果表明，由于NSSA-External-LSA攜帶了FA地址，使得7轉(zhuǎn)5操作新生成的AS-External- LSA成功繼承了FA值，AR1不用再依據(jù)ASBR位置確定訪問外網(wǎng)路徑，從而避免了次優(yōu)路徑。

3　優(yōu)化可能出現(xiàn)的問題

作為一種優(yōu)化機(jī)制，NSSA-External-LSA無(wú)論何時(shí)都會(huì)攜帶FA地址，那么是否會(huì)出現(xiàn)即使攜帶了FA地址，也無(wú)法執(zhí)行最優(yōu)路徑的問題。本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了如圖4的仿真場(chǎng)景。

圖4　實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖

圖4中，AR5、AR3的E0/0/1接口及環(huán)回口在OSPF Area 0 中，AR1、AR2、AR3、AR5都屬于OSPF Area 1，Area 1被設(shè)置為NSSA區(qū)域。AR1的GE0/0/1和AR3的GE0/0/0 也加入OSPF Area 1 進(jìn)程，AR2和AR1間OSPF Cost為100，AR4模擬外網(wǎng)，與AR1和AR3之間通過RIPV2互相學(xué)習(xí)路由。3臺(tái)路由器(AR1、AR3、AR4)通過交換機(jī)連接在一起，由于設(shè)備在同一網(wǎng)段，設(shè)備間的互連地址規(guī)劃方式為10.1.XYZ.X/Y/Z。在AR1上將外網(wǎng)4.4.4.4路由引入到OSPF區(qū)域中，使得AR5可以計(jì)算出外網(wǎng)路由。

3.1　攜帶FA地址卻無(wú)法優(yōu)化路徑

單從鏈路上看，AR5訪問AR4，有3種途徑：AR5-AR3-AR4、AR5-AR2-AR3-AR4以及AR5-AR2-AR1-AR4。文章第2部分已證明NSSA -External-LSA無(wú)論何時(shí)都會(huì)攜帶FA地址在OSPF自治系統(tǒng)內(nèi)做到路徑優(yōu)化。就路徑開銷而言，AR5-AR3-AR4這條路徑開銷最小，為最優(yōu)路徑。此時(shí)查看AR5路由表，顯示通向外網(wǎng)4.4.4.4路由的下一跳指向AR2，并不是最優(yōu)路徑里的AR3。由于AR1是ASBR，此時(shí)路徑也指向AR1所在方向，因此懷疑FA字段出現(xiàn)問題。

仿真場(chǎng)景中，AR1作為ASBR，其配置符合AS-External- LSA攜帶FA地址的3個(gè)條件，其生成的NSSA-External-LSA攜帶的FA地址是自身到外網(wǎng)路由的下一跳，值應(yīng)為10.1.134.4。此時(shí)在AR5的E0/0/0接口開啟Wireshark抓包，找到由AR2通告給AR5的NSSA-External-LSA信息，如圖5所示。

圖5　AR5的NSSA-External-LSA

圖5顯示FA字段正常，可能的原因是：

1)AR5在計(jì)算到達(dá)外網(wǎng)路徑時(shí)出現(xiàn)某種問題導(dǎo)致最終沒有使用此字段；

2)AR5計(jì)算到達(dá)外網(wǎng)路徑時(shí)此字段被正常使用，但在最終計(jì)算時(shí)路徑被更優(yōu)先的機(jī)制覆蓋。

進(jìn)行路徑跟蹤測(cè)試，排除了第1種可能?？紤]原因二，在路徑計(jì)算時(shí)，F(xiàn)A字段已計(jì)算在內(nèi)，AR5上也計(jì)算了自身到達(dá)10.1.134.0/24網(wǎng)段的最優(yōu)路徑。再次開啟Wireshark抓包，找到向AR5通告10.1.134.0/24網(wǎng)段的LSA，如圖6所示。

圖6　AR5接口E0/0/0的LSA信息

AR5接收用來描述10.1.134.0/24網(wǎng)段LSA的是Router-LSA和Network-LSA。在LSA的一條Summary-LSA中找到了關(guān)于10.1.134.0/24網(wǎng)段的描述，證明由Area 0傳來的描述10.1.134.0/24網(wǎng)段的LSA是由AR3的Summary-LSA產(chǎn)生。對(duì)OSPF路由器而言，能夠使用Router-LSA和Network-LSA計(jì)算出的路由，不會(huì)選擇用Summary-LSA計(jì)算，因此，AR5在計(jì)算到達(dá)10.1.134.0/24網(wǎng)段路徑時(shí)，采用的是NSSA區(qū)域的Router-LSA和Network-LSA，計(jì)算出的是在NSSA區(qū)域中的最短路徑，和AR5與AR3之間屬于Area 0的鏈路無(wú)關(guān)。在這種部署下，發(fā)現(xiàn)FA工作正常，但是到達(dá)ASBR的路徑受到OSPF域內(nèi)路由計(jì)算機(jī)制限制，并未達(dá)到優(yōu)化效果，從而產(chǎn)生了AR5-AR2-AR3-AR4的次優(yōu)路徑；因此，在實(shí)際OSPF部署中，應(yīng)盡量避免這種“NSSA區(qū)域包圍Area 0”的結(jié)構(gòu)，以防出現(xiàn)上述路徑選擇不優(yōu)的問題。

3.2　攜帶FA地址外部路由無(wú)法計(jì)算

在2.1節(jié)中，AR5優(yōu)選了NSSA區(qū)域描述10.1.134.0/24網(wǎng)段的Router-LSA和Network-LSA來計(jì)算到達(dá)外網(wǎng)4.4.4.4的OSPF內(nèi)部路徑，使得AR1產(chǎn)生的NSSA-External-LSA即使攜帶了FA地址，也沒有做到路徑優(yōu)化。那么如果OSPF Area 0通告給AR5描述此網(wǎng)段的也是Router-LSA和Network-LSA，在AR5計(jì)算路由時(shí)平等對(duì)待這2個(gè)區(qū)域傳來的LSA，在計(jì)算最優(yōu)路徑時(shí)，是否會(huì)得到AR5-AR3-AR4這條最小開銷路徑。

在圖4仿真場(chǎng)景基礎(chǔ)上，將AR3的GE0/0/0接口從NSSA區(qū)域釋放，加到OSPF Area 0中，此時(shí)GE0/0/0接口所在的10.1.134.0/24網(wǎng)段對(duì)于Area 0不再是區(qū)域外部路由，而是區(qū)域內(nèi)部路由；因此，AR3通過Area 0通告給AR5的10.1.134.0/24網(wǎng)段將由Router-LSA和Network-LSA來描述。在AR5的E0/0/1接口開啟Wireshark抓包，找到描述此網(wǎng)段的相關(guān)LSA，如圖7所示。

圖7　AR5接口E0/0/1的LSA信息

圖7表明，此時(shí)AR3通過Area 0通告給AR5的10.1.134.0/24網(wǎng)段已由Router-LSA和Network-LSA來描述，在路由計(jì)算時(shí)會(huì)比較路徑開銷，此時(shí)AR5-AR3-AR4這條路徑應(yīng)被優(yōu)選，測(cè)試路徑顯示此時(shí)外網(wǎng)路由不可達(dá)。查看AR5路由表，外網(wǎng)路由4.4.4.4消失，此時(shí)外網(wǎng)路由在AR5上無(wú)法計(jì)算?？赡艿脑蚴茿R2通告給AR5的NSSA-External-LSA或者Router-LSA出現(xiàn)問題。抓包結(jié)果如圖8所示。

圖8表明，AR5收到的NSSA-External-LSA描述了外網(wǎng)路由4.4.4.4并攜帶了FA地址，Router-LSA也描述了作為FA地址的10.1.134.0/24網(wǎng)段；但是AR5仍無(wú)法計(jì)算外網(wǎng)路由。就其原因可能為AR5優(yōu)選了由開銷較小的Area 0中的Router-LSA和Network-LSA計(jì)算出的結(jié)果，但卻沒有加入路由表中，導(dǎo)致不可用。若要使AR5優(yōu)選NSSA本區(qū)域的Router-LSA和Network-LSA來計(jì)算NSSA區(qū)域內(nèi)的NSSA-External-LSA所描述的外網(wǎng)路由，外網(wǎng)路由才可被計(jì)算并添加，應(yīng)修改Cost值。

對(duì)于圖4仿真場(chǎng)景，修改AR5的E0/0/1接口，將OSPF Cost 改為800，使得Area 0通告給AR5的Router-LSA和Network-LSA計(jì)算出的路徑開銷遠(yuǎn)大于NSSA區(qū)域通告給AR5，此時(shí)AR5在計(jì)算時(shí)會(huì)優(yōu)選NSSA本區(qū)域內(nèi)的Router-LSA和Network-LSA。再次進(jìn)行仿真試驗(yàn)，查看路由表發(fā)現(xiàn)，AR5路由表存在去往外網(wǎng)的4.4.4.4路由， 證明外網(wǎng)路由成功被計(jì)算且可用，路徑測(cè)試結(jié)果顯示外網(wǎng)路由可達(dá)，AR5此時(shí)訪問外網(wǎng)路徑為AR5-AR2-AR3-AR4。盡管仍是次優(yōu)路徑(OSPF區(qū)域部署問題)，但是解決了此狀態(tài)下外網(wǎng)路由無(wú)法計(jì)算的問題并得出結(jié)論：NSSA區(qū)域的ABR要通過本區(qū)域的Router-LSA和Network-LSA計(jì)算出FA的路由被優(yōu)選，才能計(jì)算NSSA-External-LSA描述的外部路由。

圖8　AR5在NSSA區(qū)域收到的信息

因此，在實(shí)際部署中遇到NSSA-External-LSA通告的外部路由無(wú)法被計(jì)算時(shí)，可通過修改相關(guān)接口OSPF Cost保證NSSA區(qū)域的ABR要通過本區(qū)域的Router-LSA和Network-LSA計(jì)算出FA的路由被優(yōu)選來解決此問題。

4　結(jié)束語(yǔ)

OSPF通過NSSA-External-LSA攜帶Forwarding Address字段來防止訪問外網(wǎng)的次優(yōu)路徑出現(xiàn)的優(yōu)化機(jī)制是合理且成熟的。本文在研究其優(yōu)化原理，證明此機(jī)制優(yōu)化后的OSPF路由路徑更優(yōu)，路由傳輸效率更高的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了NSSA-External-LSA攜帶FA地址后仍不能做到優(yōu)化路徑的場(chǎng)景和NSSA-External-LSA通告的外部路由無(wú)法計(jì)算的問題，為此，提出了“應(yīng)盡量避免這種NSSA區(qū)域包圍Area 0的結(jié)構(gòu)，以防出現(xiàn)路徑選擇不優(yōu)問題”的OSPF部署建議，得出了“NSSA區(qū)域的ABR要通過本區(qū)域的Router-LSA和Network-LSA計(jì)算出FA的路由被優(yōu)選，才能計(jì)算NSSA-External-LSA描述外部路由”的研究結(jié)論。

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