毕业设计OSPF路由协议的分析与配置.docx
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毕业设计OSPF路由协议的分析与配置
物理与电子工程系2014届本科毕业设计（论文）
论文题目：
OSPF路由协议的分析与配置
专业电子信息工程
姓名刘超锋
学号10037117
指导教师党楠
完成时间2014年5月1号
陕西商洛
独创性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得商洛学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：
_______________日期：
_________________
关于论文使用授权的说明
本人完全了解商洛学院有关保留、使用学位论文的规定，即：
学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
□公开□保密（____年____月）（保密的学位论文在解密后应遵守此协议）
签名：
导师签名：
日期：
目录
摘要4
Abstract5
第1章绪论6
1.1课题背景6
1.2课题意义6
第2章IP路由原理和路由协议基础7
2.1什么是路由7
2.2路由的来源7
2.3路由的度量8
2.4路由优先级8
2.5路由环路8
2.6直连路由8
2.7静态路由9
2.7.1静态路由描述9
2.7.2静态路由配置9
本章小结10
第3章路由协议基础10
3.1路由协议基本原理10
3.2路由协议与IP的关系11
3.3路由协议的性能指标11
本章小结12
第4章OSPF路由协议的分析与配置12
4.1什么是OSPF12
4.2OSPF协议工作过程描述12
（1）寻找邻居13
（2）建立邻接关系13
（3）链路状态信息13
（4）计算路由13
4.3链路状态信息传递13
4.4OSPF分区域管理14
4.5OSPF基本配置命令15
4.6OSPF可选配置命令16
4.7校验，诊断OSPF配置16
4.8OSPF配置实例16
（1）路由器基本配置17
（2）启动OSPF.20
（3）查看路由.20
（4）诊断和校验.21
本章小结23
结论23
致谢23
参考文献24
摘要
随着Internet技术在全球范围的飞速发张，OSPF已成为目前Internet广域网和Internet企业网采用最多，应用最广泛的路由协议之一。
OSPF路由协议是基于链路状态（LinkState）算法的自制系统内部路由协议，用来替代存在一些问题的RIP协议，具有更大的扩展性，快速收敛性和安全可靠性。
本文主要介绍了网络设备的基础知识，详细分析了IP路由原理，路由协议原理。
RIP路由协议等方面知识，重点分析了OSPF路由协议的基本原理，OSPF协议工作过程，链路状态信息传递，OSPF分区域管理，OSPF配置命令等内容。
最后利用思科系统公司的PacketTracer模拟器模拟了OSPF路由协议在真实网络中的应用，达到预期的效果。
关键词：
Internet技术；OSPF路由协议；链路状态；RIP
Abstract
AlongwiththeInternettechnologyintheglobalscopeoftherapiddevelopment,hasbecomethecurrentOSPFInternetWanandenterpriseIntranetnetworkusedbythelargest,mostwidelyusedoneoftheroutingprotocol.OSPFroutingprotocolisbasedonthelinkstate（LinkState）algorithmhomemadesysteminteriorroutingprotocol,usedtoreplacesomeproblemswithRIPprotocol,hasgreaterexpansibility,fastconvergenceandreliability.
Thispaperintroducesthecomputernetwork,thenetworkequipmentbasedonknowledge,thenadetailedanalysisoftheprincipleofIProuting,routingprotocol,routingprotocolRIPandotheraspectsofknowledge,focusingonanalysisofOSPFroutingprotocoltheory,theworkingprocessofOSPFprotocol,linkstateinformationtransmission.OSPFregionmanagement,OSPFconfigurationcommandsetc..FinallytheuseofCiscosystemcompanyPacketTracersimulatortosimulatetheOSPFroutingprotocolnetworkintherealapplication,andachievedthedesiredresults.
Keywords:
Internettechnology；OSPFroutingprotocol;linkstate;RIP
第1章绪论
1.1课题背景
随着Internet技术在全球范围的飞速发展，OSPF已成为目前Internet广域网和Internet企业网采用最多，应用最广泛的路由协议之一。
OSPF（OpenShortestPathFirst）路由协议是由IETF（InternetEngineeringTaskForce）IGP工作小组提出的，是一种基于SPF算法的路由协议，目前使用的OSPF协议是其第二版，定义于RFC1247和RFC1583。
路由器作为网络互联的一种关键设备，路由器是伴随着Internet和网络行业发展起来的。
正如它的名字寓意一样，这种设备最重要的功能是在网络中对IP报文寻找一条合适的路径进行“路由”，也就是向合适的方向转发。
它的实质是完成了TCP/IP协议族中IP层提供的无连接，尽力而为的数据报传送服务。
而路由器又分为静态路由和动态路由。
而OSPF路由协议就是动态路由协议中的一种。
OSPF路由协议是一种典型的链路状态（Link—state）的路由协议，一般用于同一个路由域内。
在这里，路由域是指一个自治系统（AutonomousSystem）,即AS，它是指一组通过统一的路由政策或路由协议互相交换路由信息的网络。
在这个AS中，所有的OSPF路由器都维护一个相同的描述这个AS结构的数据库，该数据库中存放的是路由域中相应链路的状态信息，OSPF路由器正是通过这个数据库计算出其OSPF路由表的。
1.2课题意义
由于RIP路由协议存在无法避免的缺陷，所以在规划网络时，其多用于构建中小型网路。
但随着网路规模的日益扩大，一些中小型企业网的规模几乎等同于十几年前的中型企业网，并且对于网络的安全性和可靠性提出了更高的要求，RIP路由协议显然已经不能完全满足这样的需求。
在这种背景下，OSPF（OpenShortestPathFirst，开放最短路径优先）路由协议一起众多的优势而出。
它解决了很多RIP路由协议无法解决的问题，因而得到广泛应用。
OSPF具有收敛时间较快，不会造成环路，当网络出现故障时OSPF路由更新速度快，路由表容量较少，路由协议本身开销小，适合各种规模的网络等优点。
缺点是配置工作量大，由于网络区域划分为和网路属性的复杂性，需要网络分析员有较高的网络知识水平才能配置和管理OSPF网络，路由负载均衡能力较弱的缺点。
第2章IP路由原理和路由协议基础
2.1什么是路由
路由提供了将异构网络互联起来的机制，实现将一个数据包从一个网络发送到另一个网络。
路由就是指IP数据包发送的路径信息。
在互联网中进行路由选择要使用路由器，路由器知识根据所收到的数据报头的目的地址选择一个合适的路径（通过某一网络），将数据包传送到下一个路由器，路径上最后的路由器负责将数据包送交目的主机。
路由器的特点是逐跳转发。
即路由只指导本地转发行为，不会影响其它设备转发行为，设备之间的转发是相互独立的。
2.2路由表
路由器转发数据包的依据是路由表。
每个路由器中都保存着一张路由表，表中每条路由项都指明数据包到某子网或某主机应通过路由器的哪个物理端口发送，然后就可到达该路径的下一个路由器，或者不再经过别的路由器而传送到直接相连的网络中的目的主机。
2.2路由的来源
路由的来源主要有三种：
1.直连路由
直连路由不需要配置，当借口存在IP地址并且状态正常时，由路由进行自动生成。
它的特点是开销小，配置简单，无需人工维护，但只能发现本接口所需网段的路由。
2.手工配置的静态路由
由管理员手工配置而成的路由称之为静态路由。
通过静态路由的配置可建立一个互通的网路，但这种配置的问题在于：
在一个网络故障发生后，静态路由不会自动修正，必须有管理员的介入。
静态路由无开销，配置简单，适合简单拓扑结构的网络。
3.动态路由协议发现的路由
当网路拓扑结构十分复杂的时候，手工配置静态路由工作量大而容易出现错误，这时就可用动态路由协议，让其自动发现和修改路由，避免人工维护。
但动态路由协议开销大，配置复杂。
2.3路由的度量
路由度量值表示到达这条路由所指目的地址的代价，也称为路由权值。
各路由协议定义度量值的方法不同，通常会考虑一下因素：
跳数、链路带宽、链路延迟、链路使用率、链路可信度、链路MTU。
不同的动态路由协议会选择其中一种或几种因素来计算度量值。
在常用的路由协议里，RIP使用“跳数”来计算度量值，跳数越小，其路由度量值也就越小，而OSPF使用“链路带宽”来计算度量值，链路带宽大，路由度量值也就越小。
度量值通常只对动态的路由协议有意义，静态路由协议的度量值统一规定为0.
路由度量值只在同一种路由协议内有比较意义，不同的路由协议之间的路由度量值没有可比性，也不存在换算关系。
2.4路由优先级
路由优先级代表了路由协议的可信度。
在计算路由信息的时候，因为不同路由协议所考虑的因素不同，所以计算出的路径也可能不同。
具体表现就是到相同的目的地址，不同的路由协议（包括静态路由）所生成路由的下一跳可能会不同。
在这种情况下，路由器会选择哪一条路由作为转发报文的依据呢？
此时就取决于路由的优先级，具有较高优先级（数值越小表明优先级越高）的路由协议发现的路由将成为最优路由，并被加入路由表中。
2.5路由环路
路由环路会使数据转发形成死循环，不能到达目的地。
如图中RTA收到目的为11.4.0.0的数据包后，查看路由表，发现其下一跳是S0/0接口，于是转发RTB；RTB发现下一跳是S1/0，于是又转发给RTC；RTC中路由表的下一跳指向RTA，所以RTC又将数据包发回RTA。
如此在三台路由器间循环转发，直到数据包中TTL字段值为0后丢弃。
这将导致巨大的资源浪费。
路由环路主要生成原因是配置了错误的静态路由或网络规划错误。
如在两台路由器上配置到相同目的地址路由表项，下一跳互相指向对方，就会造成路由环路。
另外，某些同态路由协议在特定环境或配置不当，也可能产生环路。
2.6直连路由
直连路由是指路由器接口直接相连的网段的路由。
直连路由不需要特别的配置，只需在路由器的接口上配置IP地址即可。
但路由器会根据接口的状态决定是否使用此路由。
如果接口的物理层和链路层状态均为up,路由器即认为接口工作正常，该接口所属网段的路由即可生效并以直连路由出现在现在的路由表中；如果接口状态为down,路由器认为接口工作不正常，不能通过该接口到达其地址所属网段，也就不能以直连路由出现在路由表中。
基本的局域网间路由如下图所示。
其中路由器RTA的三个以太口分别连接三个局域网段，只需在RTA上为其三个以太口配置IP地址，即可为10.1.1.0/24、10.1.2.0/24和10.1.3.0/24网段提供路由服务。
但需要注意的是，终端主机需要配置相应的网关，网关地址是相连路由器以太口的IP地址。
2.7静态路由
2.7.1静态路由描述
静态路由是一种特殊的路由，由网络管理员采用手工方法在路由器中配置而成。
在早期的网络中，网络的规模不大，路由器的数量很少，路由表也相对较小，通常采用手工的方法对每台路由器的路由表进行配置，即静态路由。
这种方法适合于在规模较小、路由表也相对简单的网络中使用。
它较简单，容易实现，沿用了很长一段时间。
但随着网络规模的增长在大规模的网络中路由器的数量很多，路由表的表项很多，较为复杂。
在这样的网络中对路由表进行手工配置出了配置复杂外，还有一个更明显的问题就是不能自动适应网络拓扑结构的变化。
对于大规模网络而言，如果网络拓扑结构改变或网络链路发生故障，那么路由器上指导数据转发的路由表就应该发生相应变化。
如果我们还是采用静态路由，用手工的方法配置及修改路由表，对管理员会形成很大的压力。
但在小规模的网络中，静态路由也有它的一些优点：
1.手工配置，可以精确控制路由选择，改进网路的性能。
2.不需要动态路由协议参与，这将会减少路由器的开销，为重要的应用保证带宽。
2.7.2静态路由配置
静态路由的配置在全局配置模式下进行，命令为：
Router（config）#iproute[network][mask]
[next-hop-addressorexitinterface]
[administrativedistance][permanent]
其中各个参数的解释如下：
Network:
静态路由的目的IP地址，点分十进制格式。
当目的IP地址和掩码均为0.0.0.0时，配置的是缺省路由，即当查找路由表失败后，根据缺省路由进行数据包的转换。
Mask:
IP地址的掩码，点分十进制格式。
掩码和目的地址一起来标识目的网络。
把目的地址和网络掩码逻辑与，即可得到目的网络。
比如，目的地址为129.102.8.10，掩码为255.255.0.0，则目的网络为129.102.0.0。
next-hop-addressorexitinterface：
指定路由的下一跳的IP地址，点分十进制格式。
也称为网关，离本子网最近的路由器接口地址。
administrative_distance：
管理距离，静态路由管理距离为1，一般省略,
permanent：
永久有效（省略）。
本章小结
本章主要分析了路由来源和路由的作用，指导IP报文转发，还有传递一条信息由哪些东西共同完成，路由表主要表现有目的地址/掩码、下一跳、出接口等，路由度量值及路由环路产生原因，直连路由配置和静态路由的配置。
第3章路由协议基础
3.1路由协议基本原理
为了能够在路由器之间交换路由信息，需要路由器运行相同的路由协议。
每种路由协议都有自己的语言，如果两台路由器都实现了某种路由协议并已经启动该协议，则具备了相互通信的基础。
各种路由协议的共同目的是计算与维护路由。
通常，各种动态路由协议的路由器的工作过程包含一下几个阶段：
1.邻居发现阶段：
运行了某种路由协议的路由器会主动把自己介绍给网段内的其他路由器。
具体方式既可以是广播发送路由协议消息，也可以是单播将路由协议报文发送给指定邻居路由器。
2.交换机路由信息阶段：
发现邻居后，每台路由器将自己已知的路由相关信息发给相邻的路由器，相邻路由器有发送给下一台路由器。
这样经过一段时间，最终每台路由器都会收到网络中的所有的路由信息。
3.计算路由阶段：
每一台路由器都会运行某种算法，计算出最终的路由来.
4.维护路由阶段;：
为了能够感知突然发生的网络故障，路由协议规定两台路由器之间的协议报文应该周期性的发送。
如果路由器有一段时间收不到邻居发来的协议报文，则认为邻居失败了。
3.2路由协议与IP的关系
在TCP/IP网络中，常用的路由协议有RIP、OSPF和BGP。
各路由协议都需要使用IP来进行协议报文的承载，但其细节有所不同，如图所示。
RIP协议是最早的路由协议，其设计思想是为小型网络中提供简单易用的动态路由。
RIP协议报文采用UDP封装，端口号520。
由于UDP是不可靠的传输层协议，所以RIP协议需要周期性的广播协议报文确保邻居收到路由信息。
OSPF是目前应用最广泛的路由协议，可以为大中型网络提供分层次的，可靠的路由服务。
OSPF直接采用IP来进行承载，所有的协议报文都由IP封装后进行传输，协议号是89。
IP是尽力而为的网络层协议，本身是不可靠的；所以为了保证协议报文传输的可靠性，OSPF采用了复杂的确认机制来保证传输可靠。
与其他协议不同，BGP采用TCP来保证协议传输的可靠性，TCP端口号是179。
TCP本身有三方握手的确认机制，运行BGP的路由器首先建立可靠的TCP连接，然后通过TCP连接来交互BGP协议报文。
这样，BGP协议不需要自己设计可靠传输机制，降低了协议报文的复杂度和开销。
3.3路由协议的性能指标
路由协议的性能指标主要体现在以下几个方面：
1.协议计算的正确性：
主要指路由协议所采用的算法会不会可能产生错误的路由而导致自环了。
不同路由协议所采用的算法不同，所以其正确性也不相同。
总体来说，链路状态算法协议如OSPF在算法上杜绝了产生了路由环的可能性，所以此指标上占优。
2.路由收敛速度：
路由收敛是指全网中路由器的路由表达到一致。
收敛速度快，意味着在网络拓扑发生变化时，路由器能够更快的感知并提示更新相应的路由信息。
OSPF，BGP等协议的收敛速度要快于RIP.。
3.协议所占有的系统开销：
路由器在运行路由协议时，需要消耗系统资源，如CPU，内存等。
因为工作原理的不同，各路由协议对系统资源的需求也不同。
例如OSPF路由计算所所需系统资源要大于RIP协议。
4.协议自身的安全性：
协议安全性是指协议设计有没有考虑防止攻击。
OSPF、RIPv2有相应的防止协议攻击的认证方法，而RIPv1没有。
本章小结
本章主要分析了路由协议与可路由协议的区别，路由协议的分类和距离矢量性路由协议的工作原理。
第4章OSPF路由协议的分析与配置
4.1什么是OSPF
OSPF（OpenshortestPathFirst,开放最短路径优先）是由IETF（InternetEngineerTaskForce，Internet工程任务组）开发的基于链路状态（LinkState）的自制系统内部路由协议，用来替代存在一些问题的RIP协议。
目前通用的OSPF协议第二版由RFC2328定义。
与距离矢量协议不同，链路状态路由协议使用Dijikstra的最短路径优先算法（ShortestPathFirst，SPF）计算和路由。
这类路由协议关系网络中链路或机构的状态，每个路由器将其已知的链路状态向该区域的其他路由器通告，通过这种方式，网络上的每台路由器对网络结构都会有相同的认识。
随后，路由器以其为依据，使用SPF算法计算和选择路由。
OSPF协议在有组播发送能力的链路层上以组播地址发送协议包，即达到了节约资源的目的，又最大程度的减少了对其他网络设备的干扰。
OSPF将协议包直接封装在IP包中，协议号89。
由于协议本身是无连接的，所以OSPF传输的可靠性需要协议本身来保证。
因此，OSPF协议定义了一些机制保证协议包安全可靠的传输。
总体来说，OSPF协议比RIP具有更大的扩展性、快速收敛性和安全可靠性，同时，它采用路由增量更新的机制在保证全区域路由同步的同时，尽可能的减少了对网络资源的浪费。
但是OSPF的算法耗费更多的路由器内存和处理能力，在大型网络里，路由器本身承受的压力会很大。
因此，OSPF协议适合企业中小型网络构建。
4.2OSPF协议工作过程描述
如上图所示，OSPF协议的四个主要工作过程如下：
（1）寻找邻居
不同于RIP，OSPF协议运行后，并不立即向网络广播路由信息，而是先寻找网络中可与自己交互链路状态信息的周边路由器。
可以交互链路状态信息的路由器互为（Neighbor）。
（2）建立邻接关系
邻接关系（Adjacency）可以想象为一条点到点的虚链路，它是在一些邻居路由器直接构成的。
只有建立了可靠邻接关系的路由器才能互相传递链路状态信息。
（3）链路状态信息
OSPF路由器将建立描述网络链路状态的LSA（LinkStateAdvertisement，链路状态公告），建立邻接关系的OSPF路由器之间将交互LSA，最终形成包含网络完整链路状态信息的LSDB（LinkStateDataBase，链路状态数据库）。
（4）计算路由
获得了完整的LSDB后，OSPF区域内的每个路由器将会对该区域的网络结构有相同的认识，随后各路由器将依据LSDB的信息用SPF（ShortestPathFirst，最短路径优先）算法独立计算出路由。
4.3链路状态信息传递
建立邻接关系的OSPF路由器之间通过发布LSA来交互链路状态信息。
通过获得对方的LSA，同步OSPF区域内的链路状态信息后，各路由器形成相同的LSDB。
LSA通告描述了路由器所有的链路信息（或接口）和链路状态信息。
这些链路可以是到一个末梢网络（指没有和其他路由器相连的网络）的链路，也可以是到其他OSPF路由器的链路或是到外部网络的链路等。
为避免网络资源浪费，OSPF路由器采用路由增量更新的机制发布LSA，即只发布邻居缺失的链路状态给邻居。
如上图所示，当网络更变时，路由器立即像已经建立邻接关系的邻居发送LSA摘要信息；而如果网络未发生变化，OSPF路由器每隔30分钟向已建立邻接关系的邻居发送一次LSA的摘要信息。
摘要信息仅对该路由器的链路状态进行简单的描述，并不是具体的链路信息。
邻居接收到LSA摘要信息后，比较自身链路状态信息，如果发现对方具有自己不具备的链路信息，则向对方请求该链路信息，否则不做任何动作。
当OSPF路由器接收到邻居发来的请求某个LSA的包后，将立即向邻居提供它所需要的LSA，邻居在接收到LSA后，会立即给对方发送确认包进行确认。
综上所见，OSPF协议在发布LSA时进行了四次握手，这种方式不仅有效避免了类似RIP协议发送全部路由带来的网络资源浪费的问题，还保证了路由器之间信息传递的可靠性，提高了收敛速度。
OSPF协议具备超时重传机制同时，在LSA更新阶段，如果发送的包在规定时间内没有收到对方的回应，则认为包丢失，重新发送包。
为避免网络时延大造成路由器超时重传，OSPF协议为每个包编写从小到大
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