IPv6多区域网络下OSPF动态路由优化方法研究与仿真

李春平，叶裴雷，许碧雅，朱婷婷

（广东白云学院大数据与计算机学院，广州 510000）

0 引言

随着互联网的迅速发展，互联网终端用户呈现爆发式增长，导致传统的标识互联网主机的IPv4地址资源紧张［1］。这是由于IPv4网络协议采用的是32位IP地址结构。一方面，IPv4协议结构中没有设计专门进行安全性验证的字段，只有简单的头部校验和验证，因此IP数据包在传输过程中存在安全隐患，容易被截获和篡改，导致数据完整性失效。解决这些问题的最终办法是使用新的128位地址结构的IPv6协议替代传统的IPv4协议［2］。

另一方面，数据包在网络传输过程中，需要寻找最佳途径将数据包转发到目的地，担任转发任务的通常是路由器或三层交换机之类的三层设备。为了找到最佳路由，在路由器上需要执行路由算法，例如RIP、OSPF、BGP等不同的路由协议［3］。RIP是基于距离矢量的路由协议，由于跳数限制，通常应用在中小规模的网络中，BGP是一种边界网关协议［4］，通常运行在自治系统边界路由器上。而OSPF是另一种内部网关协议，它基于链路状态，采用最短路径优先算法，实现快速收敛，能在大型网络中部署。目前有两个常用的版本OSPFv2（OSPF版本2）和OSPFv3（OSPF版本3）。OSPFv2是用来支持IPv4网络，OSPFv3用来支持IPv6网络［5］。因为IPv6将在未来代替IPv4协议，因此本文讨论基于IPv6的OSPF路由协议。

1 OSPF路由协议工作机制

1.1 OSPF组成

OSPF有3个主要组件:数据结构、路由协议消息和算法。

（1）数据结构。OSPF路由器数据结构包括邻接数据库、链路状态数据库（LSDB）、转发数据库，对应着邻居表、拓扑表和路由表等3张表。

（2）路由协议消息。OSPF消息通常封装在IP数据包中，OSPF数据包类型主要由Hello、数据库描述（DBD）、链路状态请求（LSR）、链路状态更新（LSU）、链路状态确认（LSACK）组成［6］。

（3）算法。OSPF采用SPF（Shortest Path First）算法即最短路径优先算法计算路由，以达到路由快速收敛的目的。

1.2 OSPF工作过程

当路由器运行OSPF路由进程时，它会依次进行以下操作：发现邻居并与之建立建立邻接关系；交换路由信息；计算最佳路由；实现收敛。

OSPF在尝试实现收敛时会进入几种状态：Down状态、Init状态、Two-Way状态、ExStart状态、Exchange状态、Loading状态和Full状态。

（1）建立邻接关系。当运行了OSPF的相邻路由器收到一个Hello数据包，路由器会对照自己的邻居表，检查这个Hello数据包中的路由器ID，如果邻居表中没有存储这个ID信息，接收路由器将把这个源路由器ID作为邻居添加到邻居表中，以此建立邻接关系。

（2）交换路由信息。在多接入网络中，OSPF会选择出一个DR作为所收发LSA的收集与分发点。如果DR发生故障，则会选择BDR。在Two-Way状态之后，路由器转变为数据库同步状态。

（3）计算最佳路由。OSPF根据链路状态数据库里面的内容，利用SPF算法，计算到每一个目的网络度量值，从中选取最小值作为首选路由，添加到路由表中。

（4）实现收敛。当整个OSPF区域中的所有路由器都对网络拓扑有了统一的认识，既没有新的路由器增加，也没有路由器从中删除，路由器中所有路由条目都彼此交换完成的过程，这个时候邻居表、链路状态数据库和路由表达到稳定，这个过程叫收敛。OSPF能够实现快速收敛，在小型网络中，收敛时间一般在5秒内。

OSPF可以使用单区域OSPF或多区域OSPF两种方式之一进行实施。

1.3 OSPF存在的问题

如前所述，OSPF路由协议从发现邻居到交换链路状态信息直至建立路由表，最后达到收敛，是一个完整的过程。OSPF在执行SPF算法和存储邻居表、拓扑表、路由表这3张表是以占用路由器CPU和内存资源为代价，这种机制是无法规避的，当网络规模变得庞大时，路由表也会变大，同时路由器计算量也会增加，路由器资源消耗会越来越大。这将会导致网络可用性降低，稳定性变差。因此，为了提高网络的可用性，增强网络稳定性，在中大型网络中部署OSPF路由协议时要将路由优化的技术和方法考虑进来［7］。

2 路由优化技术方法

2.1 实施多区域OSPF

单区域OSPF如果没有汇总路由，每台路由器必须保留关于路由域中的每个网络的详细信息，因此路由表会变得非常大。采用多区域OSPF的好处是：路由表减小、链路状态更新开销降低、SPF计算次数减少，从而带来路由综合性能的提升［8］。

2.2 更改OSPF默认路由器ID分配

路由器ID采用32位结构，格式与IPv4地址相同，它所显示的形式是x.x.x.x。启用了OSPF路由进程的路由器使用路由器ID来唯一标识路由器和参与DR的选择。路由器ID基于以下3个标准之一确定：①使用OSPF router-id rid配置命令明确定义；②如果没有明确定义router-id，路由器将选择所有已配置环回接口的最高IPv4地址；③如果未配置环回接口，则路由器会选择其所有物理接口的最高活动IPv4地址。

为了正确选举每个区域中的DR，防止在同等优先级的情况下抢占DR权利，导致路由信息在网络中过多传播，可自定义路由器ID。

同样的，在IPv6接口上启用OSPF之前，OSPFv3需要分配一个32位路由器ID。使用router-id rid命令可以在OSPFv3中定义路由器ID。

2.3 防止不必要的OSPF路由通告

在LAN环境中，末节网络通常不需要接收路由器发来的路由更新通知，以免造成不必要的带宽资源浪费和安全隐患。为了防止OSPF路由更新通过指定路由器端口发送，向不必要的网络扩散，可以配置OSPF被动接口来完成指定路由更新通知，以减少LAN的流量。

使用passive-interface路由器配置模式命令防止通过路由器接口传输路由消息，但是仍允许通过该接口接收路由信息，并通告给其他路由器。在被动接口上无法建立邻居邻接关系。因此，路由器接口一旦配置为被动接口，则该接口通常连接到末节网络［9］。

2.4 更改OSPF度量

包括更改路由器参考带宽、更改接口带宽、更改路由开销，以适应具体的网络，使路由器与网络匹配，从而改善网络综合性能［10］。

2.5 执行路由重分布

路由重分布的作用是在路由器上转换路由协议类型和格式，以实现不同的路由协议之间的路由信息交换。例如，在一个运行RIP和OSPF两种不同路由协议的网络中，可以将RIP重分布到OSPF协议中。在同时配置有直连路由、默认路由、动态路由的网络中，可以通过重分布，将直连路由和默认路由传播到整个网络中，提高配置效率。

3 仿真实验

3.1 网络拓扑

如图1所示，建立OSPFv3多区域网络，由area0、area1、area2共3个区域组成内部网络，其中area0为骨干区域。区域area1、area2分别与骨干区域area0相连。多区域网络中共有R1、R2、R3、R4共4台路由器，用ISP路由器模拟外部网络路由器。内部网络路由器上运行OSPFv3路由协议，内网与外网之间部署静态默认路由。

图1 IPv6多区域网络拓扑图

3.2 IPv6地址规划

设备地址分配如表1所示。

表1 IPv6地址规划

R2 R3 R4 ISP PC0 PC1 PC2 PC3 SERVER0 G0/0 G0/1 S0/0/0 G0/0 G0/1 G0/0 G0/1 G0/2 S0/0/0 G0/0 NIC NIC NIC NIC NIC 2021:1212::2/64 EUI-64 2021:2323::1/64 EUI-64 2019:2525::1/64 2021:3434::1/64 2021:2323::2/64 2021:3434::2/64 2020:2222::1/64 2020:3333::1/64 2019:2525::2/64 2018:1111::1/64 SLAAC SLAAC SLAAC SLAAC SLAAC N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A SLAAC SLAAC SLAAC SLAAC SLAAC

3.3 接口基础配置

3.3.1 R1配置

Router（config）#hostname R1

R1（config）#interface g0/0

R1（config-if）#ipv6 address 2021:1212::1/64

R1（config-if）#no shutdown

R1（config-if）#interface t g0/1

R1（config-if）#ipv6 address 2017:1111::1/64

R1（config-if）#no shutdown

R1（config-if）#interface g0/2

R1（config-if）#ipv6 address 2017:1122::1/64

R1（config-if）#no shutdown

3.3.2 R2配置

Router（config）#hostname R2

R2（config）#interface g0/0

R2（config-if）#ipv6 address 2021:1212::2/64

R2（config-if）#no shutdown

R2（config-if）#interface g0/1

R2（config-if）#ipv6 address 2021:2323::1/64

R2（config-if）#no shutdown

R2（config-if）#interface s0/0/0

R2（config-if）#ipv6 address 2019:2525::1/64

R2（config-if）#no shutdown

3.3.3 R3配置

Router（config）#hostname R3

R3（config）#interface g0/0

R3（config-if）#ipv6 address 2021:3434::1/64

R3（config-if）#no shutdown

R3（config-if）#interface g0/1

R3（config-if）#ipv6 address 2021:2323::2/64

R3（config-if）#no shutdown

3.3.4 R4配置

Router（config）#hostname R4

R4（config）#interface g0/0

R4（config-if）#ipv6 address 2021:3434::2/64

R4（config-if）#no shutdown

R4（config-if）#interface g0/1

R4（config-if）#ipv6 address 2020:2222::1/64

R4（config-if）#no shutdown

R4（config-if）#interface g0/2

R4（config-if）#ipv6 address 2020:3333::1/64

R4（config-if）#no shutdown

3.3.5 ISP配置

Router（config）#hostname ISP

ISP（config）#interface g0/0

ISP（config-if）#ipv6 address 2018:1111::1/64

ISP（config-if）#no shutdown

ISP（config-if）#interface s0/0/0

ISP（config-if）#ipv6 address 2019:2525::2/64

ISP（config-if）#no shutdown

3.4 IPv6路由优化配置

3.4.1 规划OSPF多区域

本实例中，由area0、area1、area2共3个区域组成内部网络，其中area0为骨干区域。每个常规区域均与骨干区域相连。通过在路由器上执行ipv6 ospf process-id area area-id命令配置路由器所在区域。

3.4.2 重新定义路由器ID

以R1路由器配置为例，多区域网络中其它路由器可参照R1配置。

R1（config）#ipv6 unicast-routing

R1（config）#ipv6 router ospf 1

R1（config-rtr）#router-id 1.1.1.1

3.4.3 配置被动接口

在路由器连接末节网路的接口上执行passive-interface interface-id，配置被动接口。

R1路由器上的末节网络配置被动接口：

R1（config-rtr）#passive-interface g0/1

R1（config-rtr）#passive-interface g0/2

R4路由器上的末节网络配置被动接口：

R4（config-rtr）#passive-interface g0/1

R4（config-rtr）#passive-interface g0/2

3.4.4 更改OSPF度量

以R1路由器配置为例，多区域网络中其它路由器可参照R1配置。

（1）修改参考带宽值。

R1（config-rtr）#auto-cost reference-bandwidth 1000

R1（config-rtr）#exit

（2）修改开销值。

R1（config）#int g0/0

R1（config-if）#ipv6 ospf 1 area 1

R1（config-if）#ipv6 ospf cost 500

（3）修改hello-interval与dead-interval值。

R1（config-if）#ipv6 ospf hello-interval 4

R1（config-if）#ipv6 ospf dead-interval 24

3.4.5 执行路由重分布

（1）配置访问外网的静态默认路由。与外网的通信是通过R2路由器连接的，因此在R2上配置静态路由。

R2（config）#ipv6 unicast-routing

R2（config）#ipv6 route::/0 Serial0/0/0//配置访问外网的静态默认路由

（2）传播静态默认路由。为了将R2上部署的静态路由传播到内网其它路由器上，减少在其它路由器上的重复配置，在R2上执行重分布路由命令。

R2（config）#ipv6 router ospf 2

R2（config-rtr）#router-id 2.2.2.2

R2（config-rtr）#auto-cost reference-bandwidth 1000

R2（config-rtr）#default-information originate//传播默认路由

（3）重分布直连路由。可在R4上执行重分布直连路由，将area2外的直连路由传播到其它区域路由器的路由表上。

R4（config）#ipv6 unicast-routing

R4（config）#ipv6 router ospf 4

R4（config-rtr）#router-id 4.4.4.4

R4（config-rtr）#redistribute connected//重 分 布 直 连路由

3.5 仿真结果分析

3.5.1 在R2上查看邻居建立情况

可以看到R2的邻居ID分别为1.1.1.1与3.3.3.3，这两个ID分别是R1、R3路由器的，说明R2与R1、R3相邻。

图2 R2邻居表信息

3.5.2 查看链路状态数据库

在R2上执行show ipv6 ospf database时，会显示出链路状态数据库即拓扑情况。该信息与实际网络拓扑相关，信息可能会比较长。本实验截取部分显示。

图3 R2拓扑表信息

3.5.3 查看路由表

通过执行show ipv6 route命令，可以查看路由表情况，IPv6路由表已经建立起来。

图4 R2路由表信息

3.5.4 连通性测试

在配置了OSPFv3路由协议并进行优化之后，对全网连通性进行测试。在终端PC及服务器上设置好IPv6参数，主机之间通过命令来测试连通性。

PC0 ping PC2，回显结果如下:

C:>ping 2020:2222::20d:bdff:fe77:64d2

Pinging 2020:2222::20d:bdff:fe77:64d2 with 32 bytes of data:

Reply from 2020:2222::20D:BDFF:FE77:64D2:bytes=32 time=1ms TTL=124

Reply from 2020:2222::20D:BDFF:FE77:64D2:bytes=32 time＜1ms TTL=124

Reply from 2020:2222::20D:BDFF:FE77:64D2:bytes=32 time＜1ms TTL=124

Reply from 2020:2222::20D:BDFF:FE77:64D2:bytes=32 time=13ms TTL=124

Ping statistics for 2020:2222::20D:BDFF:FE77:64D2:

Packets:Sent=4,Received=4,Lost=0（0%loss）,

Approximate round trip times in milli-seconds:

Minimum=0 ms,Maximum=13 ms,Average=3 ms

由上可见，内网是连通的。再测试内网和外网的连通性。

PC0 ping SERVER0，回显结果如下:

C:>ping 2018:1111::209:7cff:fe49:79c

Pinging 2018:1111::209:7cff:fe49:79c with 32 bytes of data:

Reply from 2018:1111::209:7CFF:FE49:79C:bytes=32 time=12ms TTL=125

Reply from 2018:1111::209:7CFF:FE49:79C:bytes=32 time=1ms TTL=125

Reply from 2018:1111::209:7CFF:FE49:79C:bytes=32 time=1ms TTL=125

Reply from 2018:1111::209:7CFF:FE49:79C:bytes=32 time=1ms TTL=125

Ping statistics for 2018:1111::209:7CFF:FE49:79C:

Packets:Sent=4,Received=4,Lost=0（0%loss）,

Approximate round trip times in milli-seconds:

Minimum=1 ms,Maximum=12 ms,Average=3 ms

PC2 ping SERVER0，回显结果如下:

C:>ping 2018:1111::209:7cff:fe49:79c

Pinging 2018:1111::209:7cff:fe49:79c with 32 bytes of data:

Reply from 2018:1111::209:7CFF:FE49:79C:bytes=32 time=61ms TTL=124

Reply from 2018:1111::209:7CFF:FE49:79C:bytes=32 time=3ms TTL=124

Reply from 2018:1111::209:7CFF:FE49:79C:bytes=32 time=1ms TTL=124

Reply from 2018:1111::209:7CFF:FE49:79C:bytes=32 time=2ms TTL=124

Ping statistics for 2018:1111::209:7CFF:FE49:79C:

Packets:Sent=4,Received=4,Lost=0（0%loss）,

Approximate round trip times in milli-seconds:

Minimum=1 ms,Maximum=61 ms,Average=16 ms

通过从不同区域内的主机发送ping包到服务器，均能收到服务器的响应，说明全网已连通。

4 结语

通过分析当前多区域网络中运行OSPF协议存在的问题，给出了在IPv6多区域网络环境下部署OSPF路由协议优化的技术与方法，该方法可解决大规模网络中部署OSPF存在路由性能降低的问题。给出了一个完整的案例，按文中提出的优化方法进行了实践部署，并进行了验证，取得了较好的效果，具有一定的应用和借鉴意义。