基于CCIE实验室环境下的开放式最短路径优先协议OSF的技术实现及分析毕业论文设计.doc

精选资料芜湖职业技术学院毕业论文题目：基于CCIE实验室环境下的开放式最短路 径优先协议（OSPF）的技术实现及分析 院系名称：信息工程系专业班级：计算机网络技术1班学生姓名：程小林学 号：80402119指导教师：万振宇2010年 11 月27日毕业论文中文摘要摘 要 路由协议主要运行于路由器上，路由协议是用来确定到达路径的，它包括RIP,IGRP,EIGRP,OSPF。起到一个地图导航，负责找路的作用。它工作在传输层或应用层。而我们将对OSPF协议进行研究。OSPF(Open Shortest Path First开放式最短路径优先)是一个内部网关协议(Interior Gateway Protocol,简称IGP)，用于在单一自治系统(autonomous system,AS)内决策路由。与RIP相比，OSPF是链路状态路由协议，而RIP是距离矢量路由协议。OSPF的协议管理距离（AD）是110。我们通过在网络中配置OSPF协议来了解它的主要功能和特性，同时进一步了解网络的原理。我们主要研究OSPF的配置，以及一些与OSPF相关的模型，如：在NBMA网络非广播式模型.并在模型上进行一些特殊的配置。关键字 ：路由 ，协议 ， OSPF ， NBMA ，AD Graduation thesis English abstract abstract Routing protocol mainly runs on a router, routing protocol is used to determine the path of arrive, it includes RIP, IGRP, EIGRP, OSPF. Play a map navigation, responsible for finding the way role. It works in the transport layer or network. And we will study of OSPF agreement. OSPF (Open Shortest Path First Open Shortest Path is preferred) is an internal Gateway Protocol (Interior Gateway Protocol, abbreviation IGP), used in a single autonomous system (autonomous system, AS) in decision-making routing. Compared with RIP, OSPF is link-state routing protocol, and RIP is distance vector routing protocol. OSPF agreement management distance (AD) is 110. We through in the network configuration OSPF protocol to understand its main functions and characteristics, and further understand the principle of network. We mainly study OSPF configuration, and some related model with OSPF NBMA networks, such as: in the Non Broadcast MultiAccess. And on the model for some special configuration. Keywords ： Routing，protocol，OSPF，NBMA，AD目 录1 引 言5 1.1 RIP 与 OSPF 的区别5 1.2 基本概念6 1.3 OSPF 分组格式7 1.4 链路状态数据库的建立和更新92 OSPF的基本配置112.1 实验一：点到点的OSPF配置112. 2 实验二：配置优先级的DR选择162.3 实验三：OSPF 的虚链路202.4 实验四：OSPF 邻居认证242.5 实验五：OSPF接口参数的配置 272.6 实验六：综合实 验302.7 实验七：OSPF故障查找及分析42结 论48 致 谢49参考 文献501 引言开放最短路径优先(Open Shortest Path First, OSPF) 协议是由Internet 工程任务组（Internet Engineering Task Force, IETF）开发的一种路由选择协议。OSPF 使用Dijkstra的最短路径优先（SPF） 算法。它是一种链路状态协议，并且引入了区域的概念。OSPF 中的LSA 分为11 种，其中常用的为7 种，通过各种类型LSA 的传播，使得路由信息能够快速地交互。协议定义了5 种网络类型：点到点网络、广播型网络、NBMA网络、点到多点网络、虚链路。NBMA （非广播多路访问)是OSPF 所定义的5 种网络类型中的一种，主要用于帧中继、X.25、ATM 环境，NBMA 不具有广播能力，因此数据包一般必须通过Unicast传播。1.1 RIP与OSPF的区别（作为正文2级标题，用四号黑体加粗） RIP协议使用矢量距离算法在网关和主机中传播路由信息，其最大的优点就是简单。RIP通过限制从源地址到目的地址路径上的跳数，有效防止了路由选择循环的无限延续，从而保证了网络的稳定性。然而随着Internet规模的不断扩大，RIP协议的缺点就更加严重。首先就是RIP限制了网络的规模，它能使用的最大距离为15（16为不可达）；其次路由器之间交换的完整路由信息开销太大。最后，“坏消息传播得慢”，使许多更新过程的收敛时间过长。开放最短路径优先OSPF(Open Shortest Path First)使用链路状态算法来传播选路信息，它使用SPF算法(Dijkstra算法)。其要点如下：1、所有的路由器都维持一个链路状态数据库，只有可达邻站的链路状态信息才存入链路状态数据库，这个数据库实际上就是整个互连网的拓扑结构图。而使用RIP协议的路由器只各自知道到所有目的网络的下一站路由器，但却不知道全网的拓扑结构。2、OSPF让每一个链路状态都带上一个32bit的序号（增长的速率不得超过每5秒1次），序号越大状态越新。每一个路由器用链路状态数据库中的数据，算出自己的路由表。3、要网络拓扑发生任何变化，链路状态数据库就能很快地进行更新，使各个路由器能够重新计算出新的路由表。4、OSPF依靠各路由器之间的频繁交换信息来建立链路状态数据库，并维持这数据库在全网范围内的一致性（链路状态数据库的同步）。5、OSPF不象RIP使用运输层的用户数据报UDP进行传送，而是直接用IP数据报传送，并且数据报很短。IP数据报首部(20字节) OSPF报文首部(24字节) 类型1至5的OSPF报文OSPF使用IP数据报传送由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态，因而与整个互连网的规模无关。1.2 基本概念1、链路状态：所谓一个路由器的“链路状态”就是该路由器都和哪些网络或路由器相邻，以及将数据发往这些网络或路由器所需的费用。2、自治系统：一般简称为AS。一个自治系统是一个互连网络，其最重要的特点是它有权自主地决定在本系统内应采用何种路由选择协议。3、内部网关协议IGP：即在一个自治系统内部使用的路由选择协议。4、区域：OSPF允许进一步地将互连网划分成一些区域。每个区域都包含一组相邻的网络及所连接的主机，每个网关都必须被放置在其中的一个区域中。每一区域内的拓扑结构对区域外是不可见的。由于保持了区域拓扑的独立性，因此路由选择交换信息量比AS未被分隔时小。带有多个接口的路由器可加入到多个区域，这些所谓的区域边界路由器为每个区域维护一个单独的拓扑数据库。5、链路状态数据库：是与路由器相关的网络的整体结构图，它包含从同一区域中所有路由器接收的LSA（链路状态通告：包含有关链路接口、所用计量标准及其他变量信息）。6、OSPF主干：负责在两个区域之间发送路由选择信息，它由区域边界路由器、跨区域网络及与其连接的路由器组成。运行OSPF的AS边界路由器通过外部网关协议或配置信息了解外部路由。7、指定的路由器：如果某个网络上接有N个网关，则它们可形成N(N-1)/2个可能的邻接。每当某个网关传送一个报文时，它会向所有N-1个邻接网关发送该报文，因而共传送(N-1)?个链路状态。当指定一个网关作为指定路由器后，每个网关都变得与指定路由器有邻接关系，而与其它网关不存在邻接关系，与特定网络相连的N个网关之间仅有N-1个邻接，传送的信息量大为减少。指定路由器的另一项任务是为该网络发送链路状态通告，传送链路状态更新数据。8、后备指定路由器：当多重接入网络上的网关没有选出指定路由器的时候，后备指定路由器成为指定路由器，再在余下的网关中选出新的后备指定路由器。此时N个网关之间可能有2N-3个邻接关系。1.3 OSPF分组格式版本号（1） 类型（1） 数据分组长度（2） 路由器ID（4） 区域ID（4） 校验和（2） 鉴别类型（2） 鉴别（8） 数据（可变）Version #typePacket LengthRouter IDArea IDChecksumAuTypeAuthenticationAuthentication图1 OSPF分组格式各字段含义如下（图2）：版本号字段：给出了OSPF的版本。类型字段：OSPF共有五种报文类型：类型1：Hello报文，用来发现和维持邻站的可达性；类型2：Database Description报文，向邻站给出自己的链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息；类型3：Link State Request报文，向对方请求发送某些链路状态项目的详细信息；类型4：Link State Update报文，用洪泛法向全网更新链路状态；类型5：Link State Acknowledgment报文，对链路更新报文的确认。数据分组长度字段：OSPF分组的长度，包括分组首部。路由器ID字段：标识数据分组的源地。区域ID字段：标识分组所属的区域。校验和字段：检验分组内容。鉴别类型字段：所有OSPF协议路由器间的数据交换都需要被鉴别，保证只有可信赖的路由器才能传送路由信息。鉴别字段：包括鉴别信息。数据：类型1至类型5的OSPF报文。1.4 链路状态数据库的建立和更新每个路由器定期发送一个链路状态通告LSA，以提供有关路由器的邻接信息，或通知其他路由器某个路由器的状态改变了。通过把已经建立的邻接路由器与连接状态相比较，可以快速检测出失效路由器，并适时修改网络的链路状态数据库，每一路由器以其为根据计算一个最短路径树，该最短路径树提供一个路由选择表。OSPF规定，每两个相邻路由器每隔10秒要交换一次Hello报文，以确知哪些邻站是可达的。只有可达邻站的链路状态信息才存入链路状态数据库，并由此算出路由表来。若有40秒没有收到某个相邻路由器发来的Hello报文，则可认为该相邻路由器不可达，应立即修改链路状态数据库，并重新计算路由表。当一个路由器刚开始工作时，它只能通过Hello报文得知它有哪些相邻的路由器在工作，以及将数据发往相邻路由器所需的费用。OSPF让每一个路由器用Database Description报文和相邻路由器交换本数据库中已有的链路状态摘要信息（指出有哪些路由器的链路状态信息已写入数据库）。之后路由器使用Link State Request报文向对方请求发送自己所缺的某些链路状态项目的详细信息。通过一系列的这种报文交换，全网的链路状态数据库就建立起来了。在网络运行的过程中，只要一个路由器的链路状态发生变化，该路由器就要使用Link State Update报文，用洪泛法向全网更新链路状态。当一个重复的报文到达时，网关丢弃该报文，而不发送它的副本。为了确保链路状态数据库与全网的状态保持一致，OSPF还规定每隔一段时间，如30分钟要刷新一次数据库中的链路状态。五、OSPF的图论模型OSPF利用网络拓扑的图论模型来计算最短路径。OSPF拓扑图中的每个节点或者对应一个网关，或者对应一个网络。如果网中两实体存在物理连接，则OSPF图在代表实体的两个节点之间有一对有向边，每个边都有一个“权”。OSPF根据沿着花费最小的路径转发数据报的原则建立选路表。六、OSPF的有限状态机模型有两个原因使Hello对多重接入网络特别重要。首先，网络硬件并不检查或报告网关的崩溃或重启，为了互相保留对方的状态信息，与多重接入网络相连接的两个网关必须交换分组。第二，与某个多重接入网络相连接的任意两个网关之间都能够直接通信，因此OSPF必须防止这些网关形成过多的邻接。OSPF标准使用了一个有限状态机来规范使用Hello的网关如何与相邻网关交互作用。一般来说，所有相邻网关最初都处于DOWN状态，表示并未准备通信。当一个网关接收到相邻网关发出的Hello分组后，它将相邻网关从DOWN状态变迁到INIT状态。在此之后，相邻网关或者进入2-WAY状态，或者进入EXSTART状态。其中2-WAY状态表示通信已经建立，但相邻网关与该网关之间没有邻接关系，EXSTART状态表示不但已经建立通信，而且两个网关之间存在经过双方协商同意的邻接关系。当协商结束时，网关开始交换链路状态数据库中的信息，以确保它们有完全相同的底层互连网拓扑图。两个相邻网关中的一个成为“主网关”，它查询另一个网关数据库中的信息。非主网关返回数据库描述分组，以通知主网关最近接收到的该拓扑图中每条链路的信息。在建立邻接关系时，交换信息尤其重要，因为在网络断连期间，某个网关中的信息可能变为过时的信息。每个拓扑信息分组中包含一个序号，因此网关能够知道相邻网关数据库中的描述信息是否比该网关自身数据库中的信息更新。在交换完成且所有拓扑信息都已装载后，网关进入FULL状态。在FULL状态中，两个网关定期交换分组，以保持连接。2 OSPF的基本配置2.1 实验一：点到点的OSPF配置实验母的：1.掌握路由器的基础配置命令 2.了解单区域OSPF的原理实验拓扑图：实验步骤：1. 选取5个路由器，两台计算机，并按拓扑用网线连好。2. 开始配置路由器:R1：Router(config)#interface e1/0Router(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0Router(config)#interface e1/1Router(config-if)#ip address 192.168.12.1 255.255.255.0Router(config)#route ospf 1Router(config-router)#router-id 1.1.1.1Router(config-router)#network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 1Router(config-router)#network 192.168.12.0 0.0.0.255 area 1R2:Router(config)#interface e1/0Router(config-if)#ip address 192.168.12.2 255.255.255.0Router(config)#interface e1/1Router(config-if)#ip address 192.168.23.2 255.255.255.0Router(config)#route ospf 1Router(config-router)#router-id 2.2.2.2Router(config-router)#network 192.168.12.0 0.0.0.255 area 1Router(config-router)#network 192.168.23.0 0.0.0.255 area 1R3:Router(config)#interface e1/0Router(config-if)#ip address 192.168.23.3 255.255.255.0Router(config)#interface e1/1Router(config-if)#ip address 192.168.34.3 255.255.255.0Router(config)#route ospf 1Router(config-router)#router-id 3.3.3.3Router(config-router)#network 192.168.23.0 0.0.0.255 area 1Router(config-router)#network 192.168.34.0 0.0.0.255 area 1R4:Router(config)#interface e1/0Router(config-if)#ip address 192.168.34.4 255.255.255.0Router(config)#interface e1/1Router(config-if)#ip address 192.168.45.4 255.255.255.0Router(config)#route ospf 1Router(config-router)#router-id 4.4.4.4Router(config-router)#network 192.168.34.0 0.0.0.255 area 1Router(config-router)#network 192.168.45.0 0.0.0.255 area 1R5:Router(config)#interface e1/0Router(config-if)#ip address 192.168.45.5 255.255.255.0Router(config)#interface e1/1Router(config-if)#ip address 192.168.2.1 255.255.255.0Router(config)#route ospf 1Router(config-router)#router-id 5.5.5.5Router(config-router)#network 192.168.45.0 0.0.0.255 area 1Router(config-router)#network 192.168.2.0 0.0.0.255 area 1以上就是各路由器的配置命令。*router -id 是用来确定本地路由器的ID的 这样可以帮助你设置你想设置的 DR BDR 3.配置PC的IP地址： PC0的IP地址配置为192.168.1.2，网关为192.168.1.1 PC1的IP地址配置为192.168.2.2，网关为192.168.2.13. 运行各设备，并抓取数据报及分析：在初始时刻各路由器的路由表只有它的直连路由，我们在PC0上挂上SNIFFER进行抓包。我们在这主要可以抓到ARP报文，CDP报文和OSPF报文，我们主要观察OSPF报文。Version #typePacket LengthRouter IDArea IDChecksumAuTypeAuthenticationAuthentication上图是ospf报文的报文格式，在引言中我们也介绍过。下面是我们在PC0中抓到的一个OSPF的报文（图中的router priority:1）从图中我们可以看出这是一个HELLO包，用来发现和维持邻站的可达性，发出该报文的路由器的ROUTER-ID为1.1.1.1，区域ID为0.0.0.1，而下半部分则是HELLO的数据部分，记录了一些相关的路由信息。如该路由器的优先级为1，DR为192.168.1.1，也就是R1，BDR没有。从这里我们也可以看出选取DR和BDR是通过hello包来完成的。2.2 实验二：配置优先级的DR选择实验目的：1.通过用命令设置来进行DR的选举2. 了解DR的选举原理实验拓扑：实验设备：路由器4台，集线器1台，PC机5台，网线若干。实验步骤：1.按拓扑连接好各设备。 2.配置路由器：R1：Router(config)#interface e0Router(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0Router(config)#interface e1Router(config-if)#ip address 192.168.10.1 255.255.255.0R2：Router(config)#interface e0Router(config-if)#ip address 192.168.2.1 255.255.255.0Router(config)#interface e1Router(config-if)#ip address 192.168.10.2 255.255.255.0Router(config)#route ospf 1Router(config-router)#router-id 2.2.2.2Router(config-router)#network 192.168.2.0 0.0.0.255 area 1Router(config-router)#network 192.168.10.0 0.0.0.255 area 1R3:Router(config)#interface e0Router(config-if)#ip address 192.168.3.1 255.255.255.0Router(config)#interface e1Router(config-if)#ip address 192.168.10.3 255.255.255.0Router(config)#route ospf 1Router(config-router)#router-id 3.3.3.3Router(config-router)#network 192.168.3.0 0.0.0.255 area 1Router(config-router)#network 192.168.10.0 0.0.0.255 area 1R4:Router(config)#interface e0Router(config-if)#ip address 192.168.4.1 255.255.255.0Router(config)#interface e1Router(config-if)#ip address 192.168.10.4 255.255.255.0Router(config)#route ospf 1Router(config-router)#router-id 4.4.4.4Router(config-router)#network 192.168.4.0 0.0.0.255 area 1Router(config-router)#network 192.168.10.0 0.0.0.255 area 13. 路由器配置好后，就给各PC机配置上IP地址，PC0：192.168.10.5 网关：192.168.10.1PC1：192.168.1.2 网关：192.168.1.1PC2：192.168.2.2 网关：192.168.2.1PC3：192.168.3.2 网关：192.168.3.1PC4：192.168.4.2 网关：192.168.4.14. 以上，这个网络就已经配置完成了，运行各设备后，路由器之间回进行DR与BDR的选举。在我们不改改变他们的优先级的情况下。他们的优先级都是默认为1，在这种情况下，最先启动的路由器就是DR，如果同时启动，优先级又相同，则router-id最高的为DR。5. 现在我们要手动改变DR，只要改变他们优先级即可。 在上面的拓扑中，我要指定R1为DR，我只需改变R1的优先级R1：Router(config)#interface e1Router(config-if)#ip ospf priority 255当键入以上命令后，想让R1成为DR还需输入Router#clear ip ospf process这样就会进行重新选举，选举出优先级最高的R1为DR也可以在保存配置后，重启路由器，这样也会进行重新选举。我们可以通过键入Router#show ip ospf neighbor来查看选举结果。2.3 实验三：OSPF的虚链路实验目的：1.了解OSPF虚链路的原理 2.了解OSPF虚链路的配置实验拓扑： 实验设备：4台路由器，PC机4台，网线若干，串口线若干 实验步骤:1.按拓扑将将各设备连接好。2. 对路由器进行配置：R1:Router(config)#interface e0Router(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0Router(config)#interface S0Router(config-if)#ip address 192.168.12.1 255.255.255.0Router(config)#route ospf 1Router(config-router)#router-id 1.1.1.1Router(config-router)#network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 0Router(config-router)#network 192.168.12.0 0.0.0.255 area 0R2：Router(config)#interface e0Router(config-if)#ip address 192.168.2.1 255.255.255.0Router(config)#interface S0Router(config-if)#ip address 192.168.12.2 255.255.255.0Router(config)#interface S1Router(config-if)#ip address 192.168.23.2 255.255.255.0Router(config)#route ospf 1Router(config-router)#router-id 2.2.2.2Router(config-router)#network 192.168.2.0 0.0.0.255 area 0Router(config-router)#network 192.168.12.0 0.0.0.255 area 0Router(config-router)#network 192.168.23.0 0.0.0.255 area 1Router(config-router)#area 1 virtual-link 3.3.3.3R3：Router(config)#interface e0Router(config-if)#ip address 192.168.3.1 255.255.255.0Router(config)#interface S2Router(config-if)#ip address 192.168.23.3 255.255.255.0Router(config)#interface S3Router(config-if)#ip address 192.168.34.3 255.255.255.0Router(config)#route ospf 1Router(config-router)#router-id 3.3.3.3Router(config-router)#network 192.168.3.0 0.0.0.255 area 0Router(config-router)#network 192.168.23.0 0.0.0.255 area 1Router(config-router)#network 192.168.34.0 0.0.0.255 area 0Router(config-router)#area 1 virtual-link 2.2.2.2R1:Router(config)#interface e0Router(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0Router(config)#interface S3Router(config-if)#ip address 192.168.34.4 255.255.255.0Router(config)#route ospf 1Router(config-router)#router-id 4.4.4.4Router(config-router)#network 192.168.4.0 0.0.0.255 area 0Router(config-router)#network 192.168.34.0 0.0.0.255 area 0*画线部分为重点*串口线是需要在DCE端进行时钟频率的配置的3. 对PC机进行相对应的ip配置。4. 配置完成。实验分析与总结：配置完成后.我们通过在PC1上使用PING命令PING PC4可以通信。如果我们不配置虚链路，他们之间是无法通信的。 虚连接（Virtual-link）：由于网络的拓扑结构复杂，有时无法满足每个区域必须和骨干区域直接相连的要求，为解决此问题，OSPF提出了虚链路的概念。 虚连接是设置在两个路由器之间，这两个路由器都有一个端口与同一个非主干区域相连。虚连接被认为是属于主干区域的，在OSPF路由协议看来，虚连接两端的两个路由器被一个点对点的链路连接在一起。在OSPF路由协议中，通过虚连接的路由信息是作为域内路由来看待的。2.4 实验四：OSPF邻居认证实验目的：了解OSPF之间的认证配置与调试.实验拓扑：实验设备：路由器2台，PC机两台，网线若干。实验步骤：配置路由器R0：Router(config)#interface e0Router(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0Router(config)#interface e1Router(config-if)#ip address 192.168.12.1 255.255.255.0Router(config)#route ospf 1Router(config-router)#router-id 1.1.1.1Router(config-router)#network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 0Router(config-router)#network 192.168.12.0 0.0.0.255 area 0 Router(config-router)#area 0 authentication (区域0 启用口令认证) Router(config)#interface e1 Router(config-if)#ip ospf authentication-key 123(设置认证密码为123）R1:Router(config)#interface e0Router(config-if)#ip address 192.168.2.1 255.255.255.0Router(config)#interface e1Router(config-if)#ip address 192.168.12.2 255.255.255.0Router(config)#route ospf 1Router(config-router)#router-id 1.1.1.1Router(config-router)#network 192.168.2.0 0.0.0.255 area 0Router(config-router)#network 192.168.12.0 0.0.0.255 area 0 Router(config-router)#area 0 authentication (区域0 启用口令认证) Router(config)#interface e1 Router(config-if)#ip ospf authentication-key 123(设置认证密码为123）4. 配置PC机的IP地址。实验总结及分析：设备调试完成后PC1与PC0能够完成通信，但是，在配置过程中，我只启用R1的口令认证，R2未启用，通信不行，若都启用，但密码不一致也是通信不行，在这里我配置的是简单的口令认证，还有MD5认证R0： Router(config-router)#area 0 authentication message-digest(区域0 启用MD5口令认证) Router(config)#interface e1 Router(config-if)#ip osp