OSPF协议原理分析及其两种仿真实验设计与实现
2021-12-08沈秀娟
李 勇，沈秀娟
(曲靖师范学院 数学与统计学院，云南 曲靖 655011)
0 引 言
随着计算机网络通信技术水平的日益提高，互联网企业用户数量呈指数增长，这使得开放最短路径优先(Open Shortest Path First，OSPF)协议的应用日趋广泛.为有效提升OSPF路由协议服务于企业网络工程实践的质量，近年来，研究者对其进行了一系列相关研究.如，文献[1-5]将OSPF协议的原理以仿真实验的方式实现，为其他领域运用OSPF协议提供了理论依据和配置方法.文献[6]对OSPF协议的教学设计与实践进行了相关研究，有利于学生掌握OSPF协议的路由设计原理及相关的组网配置技巧.文献[7-8]对OSPF多区域配置进行了深入研究，有效拓展了OSPF协议服务于大型复杂网络工程实践的能力.文献[9]为了降低网络中冗余数据包传输和拓扑变更时路由重计算量，提高网络收敛速度和网络稳定性，对电力通信网络中OSPF区域划分问题进行了研究.文献[10]研究了OSPF协议在企业骨干网领域的优化测试问题.文献[11]系统研究了NFV中OSPF路由欺骗检测与防御等问题.文献[12]针对OSPF路由协议思想的虚拟维修诱导技术进行分析.上述已有相关研究成果为OSPF进一步更好地服务于理论教学、科学研究、以及工程实践提供了宝贵的参考和借鉴经验.
由于在物理实验设备上进行OSPF协议研究与分析会存在不易操作、学生难以理解等问题.加之物理实验场地及设备数量等局限不利于实验教学.因此，为便于开展实验教学，加深学生对OSPF工作原理的理解和对OSPF配置命令的掌握，本文在eNSP环境下设计网络场景，介绍在eNSP环境下进行OSPF实验仿真的详细过程.
1 OSPF协议原理分析
OSPF协议作为一种基于分布式的链路状态内部网关协议，其使用洪泛的方式给所在自治系统中的所有路由器发送信息，其信息发送通信过程如图1所示.
图1 OSPF协议信息通信的基本过程
图1中所示，OSPF协议信息通信的基本过程主要包括如下三个阶段.
(1)确定可达性阶段.为了便于理解，两个在不同站点的路由器之间相互通信，假设左边的路由器为发送端，右边的路由器为接收端.首先发送端路由器给接收端路由器发送一个信息，接收端路由器收到信息后，作出应答消息，以确定可达性.
(2)达到数据库的同步阶段.首先发送端路由器给接收端路由器发送一个路由消息，接收端路由器收到发送端路由器的路由消息后，作出应答消息，收发双方之间来回传递消息后，最终都将获取对方的摘要信息，达到数据库同步收敛状态.
(3)新情况下的同步阶段.为使接收端路由器给发送端分享链路状态项目的详细信息，发送端路由器给接收端路由器发送一个路由消息；接收端路由器收到发送端路由器传送的信息后，接着又向发送端路由器分享一个应答消息，接收端路由器发送此消息的目的是为了让发送端路由器收到用洪泛法更新的全网的链路状态的信息；最后发送端路由器又向接收端路由器传送一个信息，以便让接收端路由器知道链路状态，从而达到新情况下的数据同步.
OSPF协议采用区域划分的方法，以适应大型复杂网络工程实践需求，把一个大型复杂网络划分为多个更小的范围，这些更小的管理范围称为区域(area)，并且采用层次结构的区域划分方法，主干区域在上层，统一使用32位的区域标识符(0.0.0.0)来标识管理下属的多个子区域.
2 OSPF协议的两种仿真实验设计与实现
为加深学生对OSPF原理及工作方式的理解，使其熟练掌握实现OSPF单区域和多区域部署的配置方法、理解OSPF的应用场景、并学会使用OSPF多区域配置扩展与延伸大型网络，本文后续篇幅将详细介绍OSPF协议的两种仿真实验设计与实现过程.
2.1 单区域OSPF仿真实验设计
实验以某公司的网络场景为参考，把网络场景划分成办公区A、办公区B和办公区C三大办公区，每个办公区分别安装一个路由器，办公区A安置R1，该区的负责人的PC1直接与路由器R1连接；在办公区B安置R2路由器，使该区负责人的PC2主机可以直接与路由器R2通信；在办公区C安置R3路由器，使该区负责人的主机PC3可以直接与路由器R3通信.3个路由器互相直连，在所有路由器上部署OSPF，以保证整个公司网络间能互相通信，三个路由器都在主干区域.实验设计拓扑结构如图2所示，各设备接口IP参数规划如表1所示.
图2 OSPF单区域配置拓扑结构
表1 OSPF单区域配置实验编址
2.2 单区域OSPF协议仿真实现过程
单区域OSPF协议仿真实现过程如下.
步骤1：根据表1中实验设备接口的IP参数规划列表，完成PC和路由器R1、R2、R3中接口的IP地址配置.
步骤2：在R1、R2、R3路由器上启用OSPF协议，启用路由的配置命令如下.
[R1]ospf
[R1-ospf-1]area 0
[R1-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.1.0 0.0.0.255
[R1-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.10.0 0.0.0.255
[R1-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.20.0 0.0.0.255
[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.2.0 0.0.0.255
[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.10.0 0.0.0.255
[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.30.0 0.0.0.255
[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.3.0 0.0.0.255
[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.20.0 0.0.0.255
[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.30.0 0.0.0.255
步骤3：查看路由器的邻居状态及路由表信息、检测各网段之间的连通性，结果如图3所示：
图3 PC1 ping PC2和PC3的结果
2.3 多区域OSPF协议仿真实验设计
实验网络场景如拓扑结构设计图4所示，将路由器R1，R2，R3，R4安置在主干区域0内.R5安置于非主干区域1内，R6安置于非主干区域2内.PC1在非主干区域1内，PC2在非主干区域2内，PC3和PC4是主干区域0管理员的登录设备，用于管理网络.实验过程中各主要设备及其接口IP配置如表2所示.
图4 OSPF多区域配置拓扑结
2.4 多区域OSPF协议仿真实现过程
多区域OSPF协议仿真实现过程如下.
步骤1：根据表2中实验设备接口的IP参数规划列表，完成PC和路由器R1-R6中接口的IP地址配置.
步骤2：在主干区域0中的路由器R1-R4上启用OSPF协议，主要配置命令如下.
[R1]ospf
[R1-ospf-1]area 0
[R1-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.12.0 0.0.0.255
[R1-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.13.0 0.0.0.255
[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.12.0 0.0.0.255
[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.24.0 0.0.0.255
[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.13.0 0.0.0.255
[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.34.0 0.0.0.255
[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.3.0 0.0.0.255
[R4-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.34.0 0.0.0.255
[R4-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.24.0 0.0.0.255
[R4-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.4.0 0.0.0.255
步骤3: 测试PC3、PC4主机之间的连通性，测试结果如图5所示.
图5 PC3 ping PC4的结果
步骤4：在非主干区域1中的路由器R5，R1和R3上启用OSPF协议，主要配置命令如下.
[R5]ospf
[R5-ospf-1]area 1
[R5-ospf-1-area-0.0.0.1]network 10.0.15.0 0.0.0.255
[R5-ospf-1-area-0.0.0.1]network 10.0.35.0 0.0.0.255
[R5-ospf-1-area-0.0.0.1]network 10.0.1.0 0.0.0.255
[R1-ospf-1-area-0.0.0.1]network 10.0.15.0 0.0.0.255
[R3-ospf-1-area-0.0.0.1]network 10.0.35.0 0.0.0.255
步骤5：查看路由器R5的邻居状态及路由表信息.
步骤6：在非主干区域2中的路由器R6，R2和R4上启用OSPF协议，主要配置命令如下.
[R6]ospf
[R6-ospf-1]area 2
[R6-ospf-1-area-0.0.0.2]network 10.0.26.0 0.0.0.255
[R6-ospf-1-area-0.0.0.2]network 10.0.46.0 0.0.0.255
[R6-ospf-1-area-0.0.0.2]network 10.0.2.0 0.0.0.255
[R2-ospf-1-area-0.0.0.2]network 10.0.26.0 0.0.0.255
[R4-ospf-1-area-0.0.0.2]network 10.0.46.0 0.0.0.255
步骤7：查看路由器R6的邻居状态及路由表信息.
步骤8：测试主机PC1、PC2之间的连通性，测试结果如图6所示：
图6 PC1 ping PC2的结果
2.5 实验分析
通过上述两个实验的对比分析发现，随着网络规模不断扩大，如果大量的路由器同时运行在OSPF协议单区域内，则会使得链路状态信息占用较多的路由器资源及带宽资源、网络开销也会相应地增加，且网络将处于不稳定状态.而在多区域OSPF协议中同时运行大量的路由器就不会出现上述问题.因此，本文通过有关OSPF协议在eNSP模拟器中的仿真实验设计及其实现过程的详细介绍，使得学生可以熟练地掌握实现OSPF单区域和多区域部署的配置方法、理解OSPF的应用场景、并且学会使用OSPF协议多区域完成大型复杂网络组建的工程实践技能.此外，学生还可以参考这种实验方式，自行设计实验结构，完成计算机网络中其他协议的实验仿真、学会灵活运用实验仿真的方式去解决不同实际问题，起到举一反三的实验教学效果.
3 结 语
随着计算机网络用户数量及企业计算机网络规模的日益增长，OSPF协议的应用日趋广泛.为使学生熟练地理解OSPF协议的基本工作原理，掌握OSPF协议实践的配置命令与专业技能，本文首先综述了近年来有关OSPF协议的一些研究成果.然后详细介绍了在eNSP模拟器中进行OSPF协议的两种仿真实验设计与配置实现过程、实验分析，使计算机专业学生深刻地理解了OSPF协议的工作过程、掌握了OSPF协议的两种配置方式，起到了良好的实验教学效果.
