基于Packet Tracer的多區(qū)域OSPF仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘 ?要：鏈路狀態(tài)路由協(xié)議OSPF是目前業(yè)內(nèi)使用最為廣泛的IGP，協(xié)議原理復(fù)雜。基于Packet Tracer進(jìn)行多區(qū)域OSPF仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)分層路由思想，結(jié)合鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫分析和路由分析，對比區(qū)域內(nèi)部路由器和區(qū)域邊界路由器LSDB和路由表項(xiàng)的異同，明確多區(qū)域關(guān)系，以及收斂后各區(qū)域LSDB的同步狀。實(shí)驗(yàn)邏輯清晰，有助于學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用場景中靈活運(yùn)用相關(guān)理論正確部署OSPF路由協(xié)議。

關(guān)鍵詞：多區(qū)域;開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議;鏈路狀態(tài)通告;Packet Tracer

中圖分類號：TP393 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）14-0113-04

Abstract： Link state routing protocol OSPF is the most widely used IGP in the industry at present， and the protocol principle is complex. The multi area OSPF simulation experiment is designed based on Packet Tracer， which fully reflects the idea of hierarchical routing. Combined with link state database analysis and routing analysis， the similarities and differences between LSDB and routing table items of regional internal router and regional boundary router are compared， and the multi area relationship and the synchronization of LSDB in each area after convergence are clarified. The experimental logic is clear， which is helpful for students to flexibly use relevant theories to correctly deploy OSPF routing protocol in practical application scenarios.

Keywords： multi area; open shortest path first protocol; link state advertisement; Packet Tracer

0 ?引 ?言

OSPF是一種典型的鏈路狀態(tài)路由選擇協(xié)議，應(yīng)用廣泛[1，2]。OSPF用于一個(gè)自治系統(tǒng)內(nèi)部[3，4]，在這個(gè)自治系統(tǒng)中，每個(gè)OSPF路由器都維護(hù)著一個(gè)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫（Link-State Database， LSDB），并基于LSDB中存儲的鏈路狀態(tài)信息，利用路由算法計(jì)算出到達(dá)目的地的最佳路由，生成路由表。

鏈路狀態(tài)信息包括當(dāng)前路由器與哪些路由器相鄰，以及該路由器到達(dá)鄰居的度量值，OSPF通過洪泛鏈路狀態(tài)通告（Link-State Advertisement， LSA）將自己的鏈路狀態(tài)信息傳送給其他路由器。OSPF基于和帶寬相關(guān)的度量進(jìn)行選路，選擇最快的無環(huán)路徑，常用于大型網(wǎng)絡(luò)[5]。

1 ?區(qū)域

OSPF將一個(gè)自治系統(tǒng)劃分為多個(gè)區(qū)域（area），即將AS這個(gè)大的路由器組劃分為多個(gè)較小的路由器組。區(qū)域不能相互重疊，不同區(qū)域通過區(qū)域邊界路由器（Area Border Router， ABR）相連，區(qū)域間可以通過路由總結(jié)（Summary）來減少路由信息，縮減路由表，提高路由器的運(yùn)算速度。

每一個(gè)區(qū)域都有該區(qū)域獨(dú)立的LSDB及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這意味同在一個(gè)區(qū)域的所有路由器都維護(hù)著相同的LSDB。ABR與多個(gè)區(qū)域相連，它維護(hù)有與其相連的每一個(gè)區(qū)域的LSDB。不同區(qū)域的LSDB是各自獨(dú)立的，不同區(qū)域的最短路徑優(yōu)先（Shortest Path First， SPF）算法也是分開進(jìn)行運(yùn)算的。

每個(gè)使用OSPF的AS中都有一個(gè)主干區(qū)域，稱為0號區(qū)域（Area 0），其主要工作是在其他區(qū)域間傳遞路由信息。其他所有區(qū)域都要求連接到主干區(qū)域上，所以，從AS的任何一個(gè)區(qū)域出發(fā)，經(jīng)過主干區(qū)域，總是可以到達(dá)該AS的任何其他區(qū)域。當(dāng)一個(gè)區(qū)域?qū)ν鈴V播時(shí)，其路由信息首先傳遞至主干區(qū)域，再由主干區(qū)域?qū)⒃撀酚尚畔⑾蚱溆鄥^(qū)域廣播。主干區(qū)域與其余區(qū)域的關(guān)系可以用圖1來說明。

2 ?常見的OSPF LSA類型

OSPF使用LSA來承載鏈路狀態(tài)信息，完成LSDB同步和路由選擇，OSPF定義了多種類型的LSA，使用較多的是類型1～5和7，表1列舉本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)涉及的兩種LSA[6]。

3 ?多區(qū)域OSPF仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

Cisco公司的Packet Tracer是一款能夠進(jìn)行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與配置實(shí)現(xiàn)的可視化界面仿真軟件，支持的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備種類、型號齊全，能夠滿足中大型綜合性實(shí)驗(yàn)需求。在PT中利用具有Serial接口的路由器4臺、交換機(jī)2臺、計(jì)算機(jī)2臺，搭建如圖2所示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

3.1 ?路由器接口配置

參照表2分別配置路由器 R1至R4各接口的IP地址、子網(wǎng)掩碼，并且激活接口。

3.2 ?主機(jī)協(xié)議參數(shù)配置

參照表3分別配置主機(jī)PC1和PC2接口的IP地址、子網(wǎng)掩碼。

3.3 ?OSPF協(xié)議配置

在4臺路由器上分別啟用OSPF，并使用“router-id”命令設(shè)置路由器ID（也可提前配置環(huán)回接口地址，作為路由器ID），R1至R4的ID依次為10.0.0.1、10.0.0.2、10.0.0.3、10.0.0.4。設(shè)置好路由器ID之后，指定連接網(wǎng)絡(luò)并設(shè)定所在區(qū)域：R1屬于area1、R2跨接area0和area1、R3跨接area0和area2、R4屬于area2。各路由器配置如下文所示：

（1）路由器R1的配置：

R1（config）#router ospf 1

R1（config-router）#router-id 10.0.0.1

R1（config-router）#network 172.16.0.0 0.0.255.255 area 1

R1（config-router）#network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 1

（2）路由器R2的配置：

R2（config）#router ospf 1

R2（config-router）#router-id 10.0.0.2

R2（config-router）#network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 1

R2（config-router）#network 192.168.0.0 0.0.0.255 area 0

（3）路由器R3的配置：

R3（config）#router ospf 1

R3（config-router）#router-id 10.0.0.3

R3（config-router）#network 192.168.0.0 0.0.0.255 area 0

R3（config-router）#network 192.168.2.0 0.0.0.255 area 2

（4）路由器R4的配置：

R4（config）#router ospf 1

R4（config-router）#router-id 10.0.0.4

R4（config-router）#network 192.168.2.0 0.0.0.255 area 2

R4（config-router）#network 172.17.0.0 0.0.255.255 area 2

3.4 ?測試主機(jī)連通性

分別為 R1～R4正確配置OSPF路由協(xié)議后，用ping命令測試PC1～PC2之間的連通性，發(fā)現(xiàn)主機(jī)間連通性良好。在主機(jī)PC1上利用“tracert”命令跟蹤到達(dá)PC2的路由，如圖3所示，從PC1出發(fā)以此經(jīng)過R1～R4，證明路由已生效。

3.5 ?OSPF鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫分析

分別在4臺路由器上使用“show ip ospf database”命令查看LSDB。圖4和圖5分別為區(qū)域內(nèi)部路由器R1和區(qū)域邊界路由器R2的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫（其他路由器的LSDB與之類似）。

“Router Link States （Area N）”列出的是Area N的類型1的LSA條目，類型1的LSA能夠描述本路由器的多個(gè)鏈路，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)路由器都會產(chǎn)生一個(gè)類型1的LSA并將其泛洪到當(dāng)前區(qū)域?！癓ink ID”實(shí)際上指的是Link-State ID，這是LSA的唯一ID，取值為產(chǎn)生該LSA的路由器的ID，“ADV Router”是產(chǎn)生該LSA的路由器的ID;“Age”是LSA條目的老化時(shí)間?！癝eq#”是LSA的序列號;“Checksum”是LSA的校驗(yàn)和;“Link count”是通告路由器（ADV Router）在本區(qū)域內(nèi)檢測到的活動鏈路數(shù)目。

“Summary Net Link States （Area N）”的表列出的是Area N的類型3的LSA條目。ABR路由器針對某個(gè)區(qū)域內(nèi)的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個(gè)類型3的LSA并將其洪泛到其他區(qū)域。以R1的“Summary Net Link States （Area 1）”表為例，表中“10.0.0.2”即R2，它是一個(gè)ABR，它向本區(qū)域（Area 1）通告了其他區(qū)域中的網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)信息，表中的“Link ID” 即Link-State ID，取值為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識信息。同樣，觀察R2的“Summary Net Link States （Area 0）”的表，可以看出R2也向其他區(qū)域通告了Area 1中的網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)信息。

R2是跨接在Area 0和Area 1上的ABR，因此R2維護(hù)著Area 0、Area 1兩個(gè)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。收斂后，同一區(qū)域中的路由器的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫是一致的，如R2和R1的Area 1的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫完全相同;R2和R3的Area 0的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫完全相同;R3和R4的Area 2的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫完全相同。如果使用“show ip ospf neighbor”命令觀察路由器之間的關(guān)系狀態(tài)，能夠發(fā)現(xiàn)R2和R1，R2和R3，R3和R4均為全毗鄰關(guān)系。

3.6 ?路由分析

在4臺路由器上查看路由表。以路由器R2為例，如圖6所示。路由表中標(biāo)記為“O”的路由是區(qū)域內(nèi)路由，而標(biāo)記為“O IA”的路由是區(qū)域間路由。R2 是Area 0和Area 1間的ABR，以R2的路由表為例，“O 172.16.0.0/16……”這條路由是區(qū)域內(nèi)路由，因?yàn)槟繕?biāo)網(wǎng)絡(luò)172.16.0.0就在Area 1中，而“O IA 172.17.0.0/16……”和“O IA 192.168.2.0/24……”這兩條路由之所以是區(qū)域間路由，是因?yàn)槟繕?biāo)網(wǎng)絡(luò)172.17.0.0和192.168.2.0均在Area 2中。在本實(shí)驗(yàn)中（不含多路訪問鏈路），區(qū)域內(nèi)路由是根據(jù)類型1的LSA生成的，區(qū)域間路由是根據(jù)類型3的LSA生成的。

4 ?結(jié) ?論

OSPF協(xié)議是一種被廣泛使用的動態(tài)路由協(xié)議，工作原理復(fù)雜，不易理解。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)拓?fù)湟?guī)模適中，實(shí)驗(yàn)邏輯清晰，測試分析部分不僅僅停留在主機(jī)間連通性的測試，引入路由跟蹤的同時(shí)，結(jié)合多區(qū)域OSPF鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫分析和路由分析，使得多區(qū)域關(guān)系、鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫狀態(tài)以及區(qū)域間路由過程更加清晰明了。在教學(xué)實(shí)踐中，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能明顯降低學(xué)生對多區(qū)域路由的理解難度，有效訓(xùn)練學(xué)生OSPF多區(qū)域部署與分析能力。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：趙婧如（1977—），女，漢族，河北滿城人，講師，碩士，研究方向：網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。