工程认证背景下的多区域OSPF 实验设计与实现

韩慧妍 熊风光 郁晓庆 孙福盛 安道新 樊彩霞

摘要：多区域开放式最短路径优先协议（OSPF） 网络拓扑结构及工作原理复杂，需要较多的物理网络设备，且很难在设备上完成。为了提升实验教学效果、加深学生对该知识点的理解程度，课程组基于华为网络仿真工具平台eNSP，选择适宜的网络设备，搭建网络场景进行路由协议仿真，以连通性测试、网络配置前后对比及抓包数据分析为手段完成该实验。实验结果及问卷调查结果表明，该模式能够加深学生对该知识点的理解、提升其实践操作能力、节省物理网络设备，是一种有效的、可以推广的实验教学模式。

关键词：多区域；OSPF；实验教学；仿真实验；洪泛

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）10-0091-03

0 引言

工程认证对工科专业学生分析和解决工程问题的能力和素养提出了更高的要求[1]。作为被广泛应用的路由协议OSPF[2]，是计算机网络基础课程中的一项必做实验。如何使学生轻松掌握其工作原理、提升实践能力，不少学者进行了研究。文献[3]介绍了路由设计原理及组网配置技巧。文献[4]分析探讨了各类故障并给出解决方案，文献[5]提出虚拟化的协议安全性仿真评估方法，文献[6]提出IPv6多区域网络下动态路由优化方法，文献[7]基于硬件抽象技术设计全协议栈网络路由器，文献[8]基于EVE-NG设计了虚拟网络实践教学平台，以上研究成果在教学方面均值得借鉴。

多区域OSPF实验需要较多网络设备，实验拓扑搭建复杂。受网络设备数量、接口类型、协议分析不同步及不确定性故障的限制，该实验很难在物理设备上完成[9]。eNSP是一款由华为公司提供的免费的、可扩展的、图形化操作的仿真工具平台[10]，课程组基于此平台，搭建网络场景，通过终端连通性测试、配置前后路由表对比、理论和实践相结合、接口协议分析及归纳总结，加深学生对OSPF工作过程的理解，提升其实践能力，使OSPF协议更好地服务于企业网络。

1 多区域OSPF 实验流程

为加深学生对OSPF工作原理、多区域概念及与RIP区别的理解，使其能够解决网络工程中遇到的各类问题，实验中特意设置了各类配置前后路由表、LSU 影响的对比环节，整体实验流程如图1所示。

1） 根据工程问题背景搭建网络拓扑。

2） 完成路由器接口IP地址及主机网络配置。

3） 为路由器配置OSPF进程及ID，为接口划分区域，声明参与OSPF进程的网络。

4） 验证查看：主机间的连通性测试、在各个路由器上查看路由表及LSDB，通过路由器接口的中断及开启，查看LSU（链路状态更新）的影响区域。

5） ABR路由汇总通告，再次进行验证查看，并与第一次所得路由表及LSU影响区域进行对比，分析多区域间路由传递的机理。

2 多区域OSPF 实验设计

2.1 网络拓扑搭建及设备网络配置

将某大型公司总部划分为区域0，即R1路由器的3个接口均位于区域0，公司的两个分部分别位于区域1（R4和R5） 和区域2（R6和R7） ，为了实现总部与分部间的通信，将R2和R3设置为ABR，分别连通区域0和区域1、区域0和区域2，为了验证区域内、区域间网段的连通性，区域0、1 和2 分别增设主机PC1、PC2 及PC3和PC4及PC5，为了模拟较大带宽的串口（以期得到较小的cost） ，实验中所有路由器均采用AR1220系列，整体网络拓扑如图2所示，路由器接口IP地址及主机网络配置情况如表1所示。

2.2 OSPF 区域配置及验证查看

R1-R7 的OSPF 进程号均设置为1，其他主要OSPF配置如表2所示，为了方便识别不同路由器，各路由器的Router ID均设置为与名称一致的点分十进制编号。

1） 路由表验证查看。以R1为例，全网共有11 个网段，R1 直连3 个网段，通过OSPF学到了到其他的8个网段的路由，如表4第二列和第三列所示，此时全网达到收敛状态。

2） LSDB 验证查看。每台路由器将会形成自己的LSDB，以R3为例，R3学到了区域0和区域2的两类LSA（第一类Router LSA和第三类Network Summary LSA） ，如图3所示。

3） 主机间的连通性验证查看。通过ping命令的使用，测试结果为PC1-PC7两两之间均为可达。

4） LSU 影响区域验证查看。为了测试LSU的影响区域，将R4连接PC2的G0/0/0接口shut down，在R1 的S1/0/0 及R7 的SS1/0/0 抓包，可以看到关于网段40.1.2.0/24（所属区域为1） 的LSU的影响区域为区域0和区域2，该现象跟多区域OSPF的优点（LSU仅限于本区域）有冲突，且跟单区域OSPF没有本质区别。

2.3 ABR 路由汇总通告及验证查看

对于多区域OSPF，区域之间应该交换汇总路由，使得详细路由的交换限制在某区域内部，为此，在R2 和R3两台ABR上进行路由汇总通告，R2将area 0中汇总后的40.0.0.0/16和area 1中汇总后的40.1.0.0/16 网段进行通告，R3将area 0中汇总后的40.0.0.0/16网段和area 2中汇总后的40.2.0.0/16网段进行通告，具体命令如表3所示。

1） 路由表验证查看。再次查看各路由器的OSPF 路由，并且与第一次查看的路由表进行比对，结果如表4所示，R3与R2路由表类似，R4、R5和R7与R6路由表类似，表中略去R3、R4、R5和R7的路由表，可以看出，經过ABR路由汇总通告后，每台路由器的路由表条数均减少，且其cost值也有所变化，以R2为例，路由汇总通告前，学习到其他非直连网络段的8条路由，其中到达40.2.2.0/24 网段的cost 值的计算方法为：+RR2-3----R-R1（61（0408M） +/2R.064直8M连=4（18）（ =1取45，整经）过） 路+R由1-汇--总R3通（4告8）后，40.2.0.0/24、40.2.1.0/24、40.2.2.0/24、40.2.3.0/24 四个网段被汇总为40.2.0.0/16一个网段，原因是R3将这四个网段汇总为40.20.0./16发布出去，而area0中的（R418）再 +R次1-通--告R给3（4a8r）e +a a1re，a其 0-c-o-st4值0.2的.0.计0（2算0）为 =1R162。---R1

2） 主机间的连通性验证查看。通过主机连通性测试，可以得知PC1-PC7之间仍然保持两两可达。

3） LSU 影响区域验证查看。为了测试LSU的影响区域，将R4连接PC2的G0/0/0接口shut down，在R1 的S1/0/0 及R7 的SS1/0/0 抓包，可以看到关于网段40.1.2.0/24的LSU均不会发布到区域0和区域2，该结果验证了多区域OSPF的优点（LSU仅限于本区域），此时便可以很好地解答上面留下的问题。

2.4 实验分析

1） OSPF克服了RIP的诸多缺点，具有路由信息收敛快、解决网络环路、安全认证及适合用大型网络等优点。

2） 单区域OSPF适用于小型网络，如果网络中路由器数量较多，单区域的OSPF将不会凸显该协议的诸多优点，且路由器之间大量的LSA交换会浪费宝贵的路由器及网络带宽资源，网络稳定性及安全性将大打折扣。

3） 多区域OSPF中的ABR如果不进行汇总路由通告，其效果与单区域OSPF无异。因此，该环节是多区域OSPF实验中最重要的配置步骤，该配置可以清理区域间的路由信息，受到其他链路状态变化的影响降到最低，隐藏网络拓扑结构，提升网络安全性，减少每台路由器的路由条目，提升路由计算效率及网络性能。另外，也可以按照工程实际情况动态设置其cost 值，满足各类网络场景的需求。

2.5 实验掌握情况分析

为了更好地了解学生对该实验的掌握情况，倾听学生对实验改革的诉求，探索深化改革的措施，教学团队对中北大学2019级计算机科学与技术专业、大数据专业以及物联网专业共437个学生进行了实验掌握情况的定性和定量分析。

通过对所有同学的实验报告进行批改，计算每个专业学生的平均分，并与2018级学生（未使用实验平台）的平均分进行比对，结果如表5所示，可以看出，引入实验平台后，学生对该实验的掌握程度有较明显的提升。

教学效果为主题的匿名在线问卷调查，共收回429份样本，回卷质量较高。该问卷调查涉及6个方面：学生对单区域OSPF的理解程度、多区域OSPF的理解程度、路由汇总的掌握程度、与RIP协议的区分、eNSP仿真平台的掌握程度、eNSP对本课程的提升。问卷调查结果如图4所示，可以看出，通过引入eNSP 仿真平台，学生能够较好地掌握该实验，且平台对本课程中的各类概念、实验配置、网络设备等帮助很大，可推广使用。

3 实验效果

本课程组基于eNSP完成该实验，学生无需受实验设备及不确定性故障的限制，可以搭建任意复杂拓扑的网络场景，实验设计采用从简单到复杂、从单区域到多区域、从理论到实践再回到理论的循序渐进模式，通过终端连通性测试、路由器配置前后路由表和LSU影响对比及设备接口协议分析，加深学生对IP地址规划、路由汇总、OSPF如何克服RIP缺点、单区域OSPF工作原理、多区域OSPF工作原理、ABR路由汇总通告的理解，真正掌握多区域OSPF中LSA洪泛区域隔离的内涵。在实验过程中，学生有充足的时间反复配置设备，当遇到实验结果与预期不一致时，能够独立思考，通过各类信息查看，排除实验中硬件或配置故障，提高学生网络设备操作实践能力、分析和解决实际网络工程问题的能力，培养学生良好的科学素养。

参考文献：

[1] 杜睿山，田枫，刘志刚，等.面向工程教育专业认证的计算机类课程精准教学模式探究[J].中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2021（10）：119-121.

[2] 申海洋，叶松，余建立，等.基于应用型人才培养的《计算机网络》课程教学改革研究[J].电脑知识与技术，2022，18（11）：159-161.

[3] 章丽玲，雷建军.OSPF协议的教学设计与实践[J].湖北第二师范学院学报，2019，36（8）：75-78.

[4] 马记，王会强.浅析路由交换设备中OSPF故障的处理方法[J].网络安全和信息化，2022（3）：157-160.

[5] 易典，刘渊，王晓锋.基于虚拟化的OSPF协议安全性仿真评估方法[J].小型微型计算机系统，2023，44（5）：1052-1060.

[6] 李春平，叶裴雷，许碧雅，等.IPv6多区域网络下OSPF动态路由优化方法研究与仿真[J].现代计算机，2021，27（26）：87-92，100.

[7] 全成斌，陈嘉杰，郑宁汉，等.基于硬件抽象技術的全协议栈网络路由器设计[J].实验技术与管理，2022，39（4）：111-115.

[8] 曹雪峰，傅冬颖，于万国，等.基于EVE-NG的虚拟网络实践教学平台设计与实现[J].实验技术与管理，2019，36（6）：158-161，166.

[9] 刘志敏. 浅谈《计算机网络（本）》课程教学改革与探究[C]//2022教育教学与管理重庆论坛论文集，2022：635-637.

[10] 钮家伟，郭文普，吴强.基于eNSP路由错误配置的分析与解决实验[J].实验室研究与探索，2022，41（1）：148-152，248.

【通联编辑：王 力】