使用链路状态协议路由

使用链路状态协议路由

使用OSPF协议路由

链路状态协议的运行过程

链路状态协议以其良好的分层设计和足以支持大型网络的可扩展性广泛应用于企业网络中并博得众多ISP 的青睐。距离矢量协议通常并不适合用在复杂的企业网络中。

开放最短路径优先(OSPF) 协议是一种链路状态路由协议。OSPF 是由Internet 工程任务组(IETF) 开发的、用于支持IP 通信的开放式标准路由协议。

OSPF 是一种无类内部网关协议(IGP)。该协议将网络划分为若干不同的部分，也叫做区域。这种划分可以提高网络的可扩展性。通过将网络划分为多个网络区域，网络管理员可以有选择性地启用路由总结并将出现的路由问题隔离到某个区域中。

链路状态路由协议（如OSPF）并不会频繁、定期地发送整个路由表的更新信息。网络完全收敛之后，链路状态协议将只在拓扑发生更改（例如链路断开）时才发送更新信息。其它情况下，OSPF 每30 分钟执行一次完全更新。

OSPF 之类的链路状态协议非常适合更庞大的分层网络，因为在分层网络中，网络的快速收敛能力非常重要。

与距离矢量协议相比较，链路状态路由协议具有以下特性：

需要更复杂的网络规划和配置

需要占用更多的路由器资源

需要占用更多的内存来存储多个表

需要占用更多的CPU 和处理资源来完成复杂的路由计算

不过，如今，市面上的路由器性能很高，因此上述要求通常都不是问题。

运行RIP 协议的路由器仅接收其直连邻居的更新信息，并不接收整个网络的详细信息。运行OSPF 协议的路由器则会生成从路由器自身的角度看到的完整网络地图。通过该地图，路由器可以在网络链路出现故障时快速确定备用的无环路径。

OSPF 不会自动在主网络边界总结。此外，Cisco 版本的OSPF 根据带宽来确定链路的开销。OSPF 根据此开销来确定最佳路径。链路的带宽越高，开销就越低。到目的设备的路径中开销最小的便是最理想的路径。

路由器优先根据带宽（而非跳数）的度量值来确定最短路径。OSPF 的管理距离是110，低于RIP，这是因为其度量的可信度和准确性较高。

OSPF的度量和收敛

OSPF 根据各条链路的带宽或速度来衡量链路的开销。特定目的网络的开销度量标准是所有

链路在该路径中的总开销。如果网络中有多条路径，则总开销最小的路径被列为首选路径并保存在路由表中。

OSPF 链路开销的计算公式为：

开销= 100,000,000 / 以bps 表示的链路带宽

公式中的带宽值取所配置的接口带宽。接口的带宽可通过show interfaces 命令来确定。

对于速度为100 Mbps 或更高的链路，例如快速以太网和千兆网络，使用上述公式会带来一个问题。上面的公式无视这两种链路之间的速度差异，两种链路算出的开销值均为1，因此尽管两者之间差距悬殊，却享受同等的优先级。要解决这个问题，请使用ip ospf cost命令手动配置接口的开销值。

某个区域内的OSPF 路由器会向其邻居通告它们的链路状态信息。路由器使用名为链路状态通告(LSA) 的消息通告此状态信息。

一旦收到描述区域内所有链路状态的LSA，OSPF 路由器便会使用SPF 算法（也称为Dijkstra 算法）生成拓扑树（即网络结构图）。每台运行该算法的路由器都会将自己列为其SPF 树的根。SPF 树从根开始确定通往每个目的地址的最短路径以及每条路径的总开销。

OSPF 链路状态或拓扑数据库会存储SPF 树信息。路由器会在路由表中为每个网络设定最短路径。

当所有路由器运行以下功能后，网络便达到收敛状态：

接收网络上每台目的设备的信息

利用SPF 算法处理此信息

更新各自的路由表

OSPF的邻居和邻接关系

在OSPF 网络中，在网络发生变动时将会发送链路状态更新信息。但路由器如何知道相邻路由器何时出现故障呢？OSPF 路由器会建立和维护与其它相连OSPF 路由器的邻居（或邻接）关系。邻接是高级邻居关系，邻接的路由器之间可以交换路由信息。路由器在邻居之间启动邻接关系时，将会开始交换链路状态更新信息。在链路状态数据库中同步视图后，路由器即达到FULL（完全）邻接状态。

在与其邻居达到完全邻接之前，路由器会经历几种状态变化。

Init（初始化状态）

2-Way（双向状态）

Exstart（预启动状态）

Exchange（交换状态）

Loading（加载状态）

Full（完全邻接）

OSPF 路由器使用Hello 协议开始建立和维护邻接关系。hello 协议通过组播地址224.0.0.5 向直接连接的OSPF 路由器发送很小的hello 数据包。这些数据包在以太网和广播链路上每10 秒发送一次，在非广播链路上则是每30 秒发送一次。hello 数据包中还包含路由器设置信息。这些设置包括hello 间隔、dead 间隔和网络类型，还可能包括身份验证类型和身份验证数据（若已配置）。任何两台路由器要组成邻接关系，其所有设置都必须一致。路由器会将找到的邻居邻接关系记录到OSPF 邻接数据库中。

FULL 是OSPF 路由器的正常状态。如果路由器陷入其它状态，则表明可能存在问题，譬如路由器的设置不匹配。唯一的例外是2-way 状态。在广播环境中，路由器只能与指定路由器(DR) 或备用指定路由器(BDR) 达到FULL 状态。可以看到的其它所有邻居均处于2-way 状态。

DR 和BDR 的作用是减少发送的更新数量，减少不必要的流量以及减少所有路由器的处理开销。通过要求所有路由器仅从DR 接收更新即可实现上述目的。在广播网段上只有一个DR 和BDR。所有其它路由器都必须连接到DR 和BDR。当某条链路出现故障时，包含该链路信息的路由器会使用组播地址224.0.0.6 将此信息发送给DR。DR 负责通过组播地址224.0.0.5 将此变化发布到其它所有OSPF 路由器上。除了减少通过网络发送的更新数量以外，此过程还可确保所有路由器从统一的源设备同时接收相同的信息。

BDR 确保不会出现单点故障。与DR 类似，BDR 会监听224.0.0.6 并接收发送到DR 的所有更新。如果DR 出现故障，则BDR 会立即接管DR 并选择新的BDR。任何未被选为DR 或BDR 的路由器均叫做DROther。

本地网络中路由器ID 最高的路由器将被选作DR。路由器ID 第二高的则被选作BDR。

路由器ID 是一个IP 地址，其确定方法如下：

1. 使用router-id 命令配置的值

2. 若未使用router-id 命令配置该值，则路由器ID 是任何环回接口上已配置的最大IP 地址

3. 若未配置环回接口，则路由器ID 是任何活动物理接口上的最大IP 地址

路由器ID 可以使用以下show 命令查看：

show ip protocols、show ip ospf 或show ip ospf interface 命令。

在某些情形下，管理员可能希望另行指定路由器作为DR 和BDR。比如选择处理能力更强或流量负载更低的路由器。管理员可以强行指定DR 和BDR，其方法是使用以下接口配置命令配置优先级

ip ospf priority number

默认情况下，OSPF 路由器的优先级值为1。如果更改了某台路由器的优先级值，则优先级设置最高（而不是路由器ID 最高）的路由器将被选为DR。路由器优先级可以设置的最大值为255。优先级值为0 表示该路由器不能充当DR 或BDR。

并非所有类型的链路都需要DR 和BDR。OSPF 识别的链路类型包括：

广播型多路访问网络

以太网

点对点协议(PPP) 网络

串行

T1/E1

非广播型多路访问(NBMA) 网络

帧中继

ATM

在广播型多路访问网络（例如以太网）中，邻居关系数量可能会很大，因此需要选择DR。

而在点对点的网络中，并不需要建立完全的邻接关系，因为根据点对点网络的定义，该链路中只有两台路由器。因此，没有必要也不会选择DR。

在NBMA 网络上，OSPF 有两种运行模式：

模拟广播环境：管理员可将网络类型定义为广播，该网络将选择一个DR 和一个BDR 模拟广播网络。这种环境下，通常建议管理员通过配置路由器的优先级来选择DR 和BDR。这样可以确保DR 和BDR 能够完好地连接到所有其它相邻路由器上。在OSPF 配置模式下，也可使用neighbor 命令静态指定相邻路由器。

点对多点环境：该环境下，每个非广播网络都被视为多个点对点链路的集合，不会选择DR。该环境还要求静态指定相邻路由器。

OSPF区域

所有OSPF 网络都以区域0（也称为主干区域）开始。在扩展网络时，可以创建与区域0 相邻的其它区域。可以为新建的这些区域分配任何编号（最大为65535）。每个区域中最多可以有50 台路由器。

OSPF 采用双层设计。区域0（也称为主干区域）位于顶层，而其它所有区域则位于下一层。所有非主干区域都必须直接连接到区域O。这些区域共同组成OSPF 自治系统(AS)。

某个区域内的OSPF 运作与该区域和主干区域之间的OSPF 运作不同。例如，当拓扑发生变化时，只有位于受影响区域的路由器才接收LSP 并运行SPF 算法。网络信息的总结通常发生在两个区域之间。这样有助于减小主干区域中路由表的大小。总结还可将时常变化、不稳定或摆动的链路隔离到路由域的指定区域中。

将一个区域连接到主干区域的路由器叫区域边界路由器(ABR)。将某个区域连接到另一个路由协议（例如EIGRP）或将静态路由重分布到OSPF 区域的路由器称为自治系统边界路由器(ASBR)。

在单区域中配置基本OSPF

配置基本OSPF 并不难，只需两个步骤。第一步是启用OSPF 路由过程。第二步是确定要通告的网络。

步骤1：启用OSPF

router(config)#router ospf

进程ID 由管理员选择，其编号范围为 1 到65535。进程ID 只在本地使用，不必与其它OSPF 路由器的ID 相匹配。

步骤2：通告网络

Router(config-router)#network area

此network 命令与其它IGP 路由协议中的network 命令功能相同，可确定要启用哪些接口来收发OSPF 数据包。该语句确定OSPF 路由更新中要包含哪些网络。

OSPF network 命令结合使用了网络地址和通配符掩码。网络地址和通配符掩码共同指定要启用的OSPF 接口地址（或地址范围）。

区域ID 确定网络属于哪个OSPF 区域。即使未指定任何区域，也总会存在区域0。在单区域OSPF 环境中，唯一的区域便是区域0。

OSPF network 语句需要使用通配符掩码。用于网络总结或超网划分时，通配符掩码是子网掩码的反码。

要确定网络或子网的通配符掩码，只需从全255 掩码(255.255.255.255) 中减去该接口的十进制子网掩码。

举个例子，管理员希望在OSPF 中通告10.10.10.0/24 子网。此以太网接口的子网掩码为/24，即255.255.255.0。从255.255.255.0 中减去上述子网掩码即得通配符掩码。

全255 掩码：255.255.255.255

子网掩码:-255.255.255.0

-----------------------

通配符掩码：0 . 0 . 0 .255

最终的OSPF network 语句是：

Router(config-router)#network 10.10.10.0 0.0.0.255 area

配置OSPF身份验证

与其它路由协议相同，OSPF 的默认配置以纯文本格式在邻居之间交换信息。这样会给网络带来潜在的安全威胁。网络上的黑客可以使用数据包嗅探软件来截获并读取OSPF 更新，从而获取网络信息。

要消除这个安全隐患，可在路由器之间配置OSPF 身份验证。在区域中启用身份验证机制后，则只有当身份验证信息匹配时，路由器才会共享信息。

采用简单口令验证机制时，将为每台路由器分配一个名为密钥的口令。这种方法仅提供基本的安全性，因为密钥会以纯文本格式在路由器之间传递。查看密钥就像查看纯文本一样简单。

更安全的身份验证方法是消息摘要 5 (MD5)。它要求每台路由器都有一个密钥和一个密钥ID。路由器使用处理密钥的算法、OSPF 数据包和密钥ID 生成加密的数字。每个OSPF 数据包都含有该加密数字。使用数据包嗅探器并不能获取该密钥，因为路由器不会传输密钥。

调整OSPF参数

除了执行基本的OSPF 配置之外，管理员经常还需要修改或调整某些OSPF 参数。

例如，有时网络管理员需要指定哪些路由器作为DR 和BDR。在指定路由器上设置接口优先级或路由器ID 即可满足此要求。

路由器依照下列顺序，选择以下任一参数最大的路由器作为DR：

1. 接口优先级：接口优先级使用priority 命令设置。

2. 路由器ID：路由器ID 使用OSPF router-id configuration 命令配置。

3. 最大环回地址：默认情况下使用IP 地址最大的环回接口作为路由器ID。OSPF 支持环回接口，因为环回接口是逻辑接口，不是物理接口。逻辑接口总是处于运行状态。

4. 最大物理接口地址：路由器从其接口中选择活动IP 地址最大的作为路由器ID。如果接口关闭或经过重新配置，此选项会带来问题。

在更改路由器的ID 或接口的优先级之后，将会重置邻居邻接关系。使用clear ip ospf process 命令。此命令可确保新值生效。

带宽是另一个经常需要修改的参数。在Cisco 路由器上，许多串行接口的带宽值默认为1.544 Mbps（T1 的速度）。此带宽值决定了链路的开销，但并不会实际影响链路的速度。

在某些情形下，服务提供商为组织提供的带宽是部分T1。举个例子，部分T1 可以是T1 全速连接的四分之一，即384 Kbps。尽管接口的实际收发速度仅为384 Kbps，但IOS 仍然假设串行链路的带宽值为T1。这种假设会误导路径的选择，因为路由协议假定的链路速度比链路的实际速度快。

如果串行接口的实际工作速度不是默认T1 速度，则需要手动修改该接口。分别配置链路两端的接口，使得两个接口的带宽值相同。

在OSPF 中，无论是使用bandwidth interface 命令修改，还是使用ip ospf cost interface 命令修改，最终的效果都是相同的。这两个命令都可指定一个准确的值，OSPF 使用该值可以确定最佳的路径。

bandwidth 命令可以修改计算OSPF 开销度量所用的带宽值。要直接修改接口的开销，请使用ip ospf cost 命令。

与OSPF 开销度量相关的另一个参数是参考带宽，参考带宽用于计算接口的开销，接口开销也称为链路开销。

每个接口的带宽值的计算公式为：100,000,000/带宽。100,000,000（即10^8）称为参考带宽。

速度更高的链路（例如千兆以太网和万兆以太网链路）存在一个问题。使用默认的参考带宽(100,000,000) 会导致带宽值等于或大于100 Mbps 的接口具有相同的OSPF 开销值1。

为获得更准确的开销计算结果，可能需要调整参考带宽值。参考带宽使用OSPF 命令

auto-cost reference-bandwidth 进行修改。

如果需要使用此命令，请同时用在所有路由器上，以使OSPF 路由度量保持一致。新的参考带宽以Mbps 为单位。要将参考带宽设置为10 Gb，请将该值设置为10,000。

检验OSPF的运行情况

配置OSPF 之后，可以使用几个命令来校验OSPF 是否正常运行。

当排除OSPF 网络故障时，可以使用show ip ospf neighbor 命令来验证该路由器是否已与其相邻路由器建立邻接关系。

若未显示相邻路由器的路由器ID，或未显示FULL 状态，则表明两台路由器未建立OSPF 邻接关系。如果路由器是DROther，则当状态为FULL 或2-Way 时建立邻接关系。

如果是多路访问以太网，则会在State 栏中的FULL 后面显示DR 和BDR 的标签。

在下列情况下，两台路由器不会建立OSPF 相邻关系：

子网掩码不匹配，导致这两台路由器分处于不同的网络中。

OSPF hello 计时器或dead 计时器不匹配。

OSPF 网络类型不匹配

存在信息缺失或不正确的OSPF network 命令

在校验OSPF 的运行状况时，可以使用以下几个show 命令。

show ip protocols

显示路由器ID、OSPF 通告的网络以及邻接邻居的IP 地址等信息。

show ip ospf

显示路由器ID 和关于OSPF 过程、计时器和区域的详细信息。该命令还显示最近执行SPF 算法的时间。

show ip ospf interface

显示路由器ID、网络类型开销和计时器设置等信息。

show ip route

校验每台路由器是否通过OSPF 收发路由。

配置和传播默认路由

大多数网络通过Internet 连接到其它网络。OSPF 提供AS 内部网络的路由信息。OSPF 还必须提供有关访问AS 外部网络的信息。

有时，管理员会在特定的路由器上配置静态路由来提供无法通过路由协议接收的信息。在大型网络中，要在所有路由器上都配置静态路由无疑非常繁琐。较简单的方法是为网络配置指向Internet 连接的默认路由。

利用OSPF，管理员可以在自治系统边界路由器(ASBR) 上配置此路由。ASBR 常常也称为自治系统边界路由器。ASBR 将OSPF 网络连接到外部网络。在ASBR 的路由表中输入默认路由后，即可配置ASBR 使之通告到OSPF 网络其它部分的路径。该过程会将默认路由信息通告给AS 内的所有路由器并减轻管理员的工作量，因为管理员无需再为网络中的每台路由器配置静态路由。

要配置路由器使之将默认路由分布到OSPF 网络中，请遵循以下步骤操作。

步骤1

为ASBR 配置默认路由。

R1(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 serial 0/0/0

默认静态路由语句可以指定一个接口或下一跳的IP 地址。

步骤2

配置ASBR 以便将默认路由传播到其它路由器。默认情况下，即使路由表中存在默认路由，OSPF 也不会将此路由加在通告中。

R1(config)#router ospf 1

R1(config-router)#default-information originate

现在，对于OSPF 域中的其它路由器，其路由表中应该会有最后选用网关以及通往0.0.0.0 /0 网络的入口。默认路由将添加到OSPF 域中，这样在其它路由器的路由表中，该默认路

由会显示为第2 类外部路由(E2)。

配置OSPF总结

为方便OSPF 总结，可将同一个网络区域中的所有IP 地址归为一组。举个例子，在单OSPF 区域中，分配四个连续的网段，例如：

192.168.0.0/24

192.168.1.0/24

192.168.2.0/24

192.168.3.0/24

可以将这四个网络作为一个192.168.0.0 /22 超网进行总结和通告。这样可以减少在整个OSPF 域中通告的网络数量。还可减少所需的内存空间和路由器更新中的条目数量。

此外，总结路由可以减少摆动路由的问题。摆动路由是指时而运行时而中断的路由。默认情况下，每次路由摆动时，都会在整个域中传播链路状态更新。这会带来大量的流量和处理开销。

路由器使用总结路由时，它会使用一个超网地址来代表几条路由。只要总结路由中的其中任何一条子路由处于正常运行，路由器便会通告总结路由。如果一条或多条路由处于摆动状态，则路由器仅继续通告更稳定的总结路由。它不会转发有关具体路由的更新信息。在路由中断时转发到摆动路由的任何数据包在总结路由器上将会直接丢弃。

要配置OSPF ASBR 路由器使之总结这些网络，请在路由器的配置模式下执行以下命令：

area 0 range 192.168.0.0 255.255.252.0

指定要总结网络的区域以及起始网络号和总结掩码。

OSPF的问题和局限性

OSPF 是一种可扩展的路由协议。OSPF 具有快速收敛的特性，能够适应非常庞大的网络。然而在使用OSPF 时仍有些问题需要考虑。

OSPF 必须维护多个数据库，因此与距离矢量路由协议相比，OSPF 需要更多的路由器内存和更强大的CPU。

Dijkstra 算法需要消耗CPU 资源来计算最佳路径。如果OSPF 网络非常复杂而不稳定，该算法将会频繁地重新计算，因而需要消耗大量的资源。运行OSPF 的路由器通常性能较强大，价格也较高。

为避免过度占用路由器资源，请采用严格的分层设计，将网络划分为更小的区域。所有区域都必须保持连接到区域0。否则，它们会无法连接其它区域。

如果网络规模庞大，设计复杂，那么OSPF 的配置会很麻烦。此外，必须对OSPF 技术有深入的了解才能解释OSPF 数据库和路由表中包含的信息。

在首次发现过程中，OSPF 会在网络上分布LSA，从而严重限制了网络可以传输的数据量。在拥有大量路由器的大型网络中，泛洪和低带宽会明显降低网络的吞吐量。

尽管OSPF 存在上述种种问题和局限性，它仍然是企业中应用最广泛的链路状态路由协议。

在企业网络中使用多个协议

出于各种考虑，组织可能会选择不同的路由协议。

网络管理员可以根据原有的设备或可用的资源为不同的网段选择不同的路由协议。