（通信与信息系统专业论文）基于热备份机制的ospf不间断路由的设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着下一代网络的发展、多媒体网络业务、大客户专线以及虚拟专用网的 发展，用户对网络可靠性也提出了很高的要求。针对该要求，目前市场上路由器 普遍采用的是不间断转发( n o n s t o p f o 删i n g ，以下简称n s f ) 技术，但该实现 对外部环境要求比较高，它要求实现n s f 技术路由器的周围邻居设备具有相应的 优雅重启能力。为此，本文设计并实现了一种新型的高可靠性技术不间断路 由( n o n s t o p r o u t i n g ，以下简称n s r ) 技术，它无需周围邻居的帮助即可完成路 由与转发不中断。它依赖于热备份机制，通过对一种典型的路由协议刈s p f ( o p e ns h o 他s tp a mf i r s t 开放式最短路径优先) 协议的备份数据和时序的研究分 析，来保证主备倒换后备板能够无缝接管主板的工作，延长了路由器的无故障运 行时间，提高了网络的稳定性。 本文以o s p f 协议为基础，分别从备份数据、备份机制两个不同的角度探讨 o s p fn s r 的底层实现。对于备份数据，本文根据o s p f 数据的划分，提出了五类 数据备份方案，分别从可行性和备份效率比较五类备份方案之间的差异，最后总 结了一套备份数据较准确、备份性能较优的数据备份方案。针对备份机制，本文 提出了一种新型的热备份机制，它基于主备板间的一个通信代理高可用性 ( h i 曲a b i l i 坝以下简称h a ) 通道，通过h a 状态机的维护以及b u 彘r 缓冲区的 设计提高了数据备份性能。本文分析了它与传统的热备份机制之间的差异，最后 得出结论在备份数据较少时采用传统的热备份机制具有优越性，备份数据较多时 采用基于h a 通道的热备份机制具有优越性。 同时本文还分析了o s p fn s r 的上层实现，它基于h 3 c 公司的c o m w 6 衄 平台，并对o s p f 协议的配置、接口、邻居、l s d b ( 链路状态数据库) 、l s a ( 链 路状态通告) 泛洪模块进行探讨，分析了各模块为了实现n s r 功能需要做的改进。 最后，本文在s 7 5 0 0 和s 6 8 0 0 这两款路由器上验证了o s p f 的n s r 功能以及 传统型热备份机制与基于h a 的热备份机制的性能对比，总结了一些实现中的不 足并展望了b g p 、i s i s 等路由协议的n s r 实现。 关键词：o s p f ；优雅重启；h a ；热备份；n s r ：n s f 分类号：t p 3 9 3 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lm ed e v e l o p m e n to fn e x tg e n e r a t i o nn e t w o f km i l l t i m e d i an e t w o r ks e n ，i c e s ， l a 略ec u s t o m e rh o t l i l l ea i l dt l l ev i r t u a lp r i v a t e 咖r k ，u s e r sh a v eal l i 曲d e m a n do nt l l e n e t w o r kr e l i a b i l i 够f 0 rt h j s p u 印o s e ，n o n s t o p f o 朋a r d i i l g ( n s f ) i sc o m m o n j y i n l p l e m e n t e db ym o s tr o u t e r s b u tt h j si m p l e m e n t a t i o nh a sal l i 曲r e q u i r e m e n to nt h e e x t e m a le n v i r o r 衄e n t ，a n di td e m a n d s 也a tt l l e n e i g h b o rr o u t e r ss h o u l dh a v et h e c a p a b i l i 锣o fq a c e 触- r e s t a n ( g r ) f o rt l l i s d e f i c i e n c y ，m en o n s t o p r o u t i n g t e c l l i l o l o g ) ，i sd e s i 印e da i l d 呻l e m e n t e di i l 廿1 ep a p w b j c hd 印e n d so nh o tb a c l ( u p m e c i l a i l i s ma n dh a sah i 曲r e l i a b i l i 够b y 锄a l y s i s0 nb a c k u pd a 组曲do r d e ro fo s p f ( o p e ns h o n e s tp a 也f i r s t ) p r 0 1 d c o l ，i tc a l lb ee n s u r e dt 1 1 a tn l es l a v eb o a r dc a l lt a k eo v e r t 1 1 ew o r ko f 吐l em a i nb o a r ds e a i 】= l l e s s l y i tc a i lr e d u c e 也ep e r i o dt or c o b t a i nt h er o u t i n g a n d 嘣e n dn l er o u t e r su p t i m et 0i m p r o 、，em es 诅b i l i 锣o f t l l en 咖r k t h eu n d e d y i n gi i i l p l e m e mo fo s p fn s r 丘o m 也eb a c k u pd a t aa n dt h eb a c k u p m e c h a l l i s mb a s e do no s p fi sd i s c u s s e d f o rb a c l ( i n gu pd a 札m e r ea r ef i v ec a t e g o r i e s o fd a t ab a c k 呷s 0 l u t i o l l sa c c o r d i n gt ot l l ed i v i s i o no fo s p fd a _ t a t h e s es o l u t i o n sa r e c o i n p a r e df - r o mt l l ef e a l s i b i l i 够锄db a c k u pe 衔c i e n c y t h e 玛as o l u t i o n 晰廿lt l l em o s t a c c w l t e 胁觚dn l eb e s tp e r f o m a i l c ei sc h o s e n f o rt l l e b a c k u pm e c h a i l i s i i l w e p r o p o s ean e wh o ts t a i l d b ym e c h a i l i s m ，w l l i c hi so nt h eb a l s i so fh i 曲a b i l 时( h a ) c l 砌e 1 t m sd 脚m e li m p r o v e sm eb a c b l pp e r f o 珊a n c e l r o u 曲m eh as t a t em a c k n e 锄dt 量l ed e s i 弘o fb u 侬i r i i la d d i t i o 玛w ea l s o 锄m y z em ed i 位i r e n c eb e 觚e e n 也e 位l d i t i o n mh o ts t a i l d b ym e c h 砌s m 锄dm ei m p r 0 v e dh o ts t ；md b ym e c l l a l l i s m f i i l a l l y ， 位甜i t i o n a lh o tb a c k u pm e c h a m s mp e r f 0 m sb e t t l e rw h e ns m a l l 锄。吼to fd a t aa r e r e q u i r e dt 0b a c k u p ，b u t 呻r o v e dh o tb a c k u pm e c h a l l i s mp e o m sb e 讹rw h e n1 a r g e 锄o u i l to f d a ：t aa r er e q u 试狙t 0b 洳p b e s i d e s ，t l l eu p p e ro s p fn s ri i i l p l 锄e n t a t i o ni sd i s c u s s e d ，、) l 加c hi sb a s e do n h 3 c sc o m w u 汪p la t f o 肌b a s e do nt l l e 觚a l y s i so fo s p fp r o t o c o l舶m c o 曲删i o i l ，i m e r f k e ，n e i g b b o r s ，l s d ba i l dl s af l o o d i i l gm o d u l e s ，、v ep r o p o s e 柚 i m p r 0 v e m e n ts c h e m et 0a c 王l i e v eo s p fn s r o s p fn s ri i ls 7 5 0 0a i l ds 6 8 0 0r o u t e r s 锄dd i 彘r e l l tp e 面胁柚c eb e 抑e e nm e 位l d i t i o n a lh 优s t a l l d b ym e c h a 血s ma i l dt l l e i i i l p r 0 v e dh o ts t a i l d b ym e c t 瑚1 i s ma r e v e r i f i e di 1 1t l l ep a p _ e r f i n a l l y ，w es 眦m n a r i z es o m ed e f i c i e n c i e si ni m p l e m e m a ：t i o na n d t h en s r i i n p l e m e n t a t i o ni no t l l e rr o u t e rp r o t o c o l ss u c ha sb g pa i l di s i s k e y w o r d s ：o s p f ；g 1 _ a c e f h lr e s t a r t ；h a ；h o tb a c k u p ；n s r ；n s f v 北京交通大学硕士学位论文 c l a s s n o ：t p 3 9 3 致谢 本论文的工作是在我的导师陈常嘉教授的悉心指导下完成的，陈常嘉教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年半 来陈常嘉老师对我的关心和指导。 胡师舜老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向胡师舜老师表示衷心的谢意。 郭宇春教授、赵永祥副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，颜志杰、叶青等同学对我论文中的o s p f 不间 断转发的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外感谢我的家人王华秀、杨木兰，他们的理解和支持使我能够在学校专心 完成我的学业。 图表目录 图表目录 图2 1o s p f 区域图9 图2 2o s p f 协议数据图1 1 图2 3o s p f 接口状态机l2 图2 - 4 邻居状态机13 图2 5o s p f 路径计算图1 4 图3 1o s p f n s r 应用组网图1 8 图3 2o s p fn s r 系统框架图一1 9 图3 3 传统热备份机制一2 3 图3 - 4 基于h a 的热备份机制2 4 图3 5o s p f 模块结构图2 5 图3 6o s p fn s r 在o s p f 中的位置2 6 图4 1o s p fn s r 特性命令行配置一2 8 图4 - 2o s p fn s r 特性去使能配置2 8 图4 3o s p fn s r 的调试命令2 8 图4 - 4 双主控冗余备份系统图2 9 图4 5 热备份实现流程图3l 图4 - 6 主备板通信架构图3 3 图4 7h a 状态图3 5 图4 8 热备份数据封装图3 6 图4 9o s p f 进程数据结构3 7 图4 1 0o s p f 区域数据结构3 8 图4 1 1o s p f 接口数据图3 9 图4 1 2o s p f 邻居数据结构图4 1 图4 13o s p fl s d b 数据结构图4 2 图4 1 4o s p f 数据关系图4 3 图4 1 5o s p f 批量备份时序图4 4 图4 16o s p f 配置图一4 5 图5 1c o m w r e 系统架构图4 8 图5 - 2o s p f 配置模块n s r 实现流程图。51 图5 3o s p f 接口模块n s r 实现流程图5 8 图5 1 4o s p f 邻居模块n s r 实现流程图6 2 图5 5o s p fl s d b 模块n s r 实现流程图6 5 图5 南o s p fl s a 泛洪模块n s r 实现流程图6 8 图6 1o s p fn s r 测试组网图7 1 图6 2 邻居r o u t e r b 的o s p f 配置一7 2 图6 3 邻居r o u t e 疋的o s p f 配置7 2 图6 - 4 配置n s r 后主备板的配置信息7 3 图6 5 配置n s r 后主备板的接口信息7 3 图6 - 6 配置n s r 后主备板的邻居信息7 4 图6 7 配置n s r 后主备板的l s d b 信息7 5 图6 - 8 配置n s r 后主备板的路由信息7 6 图6 - 9 大批量备份l s a 7 7 北京交通大学硕士学位论文 图6 1 0 备份数据和备份时间图7 7 图6 1 1 传统热备份与基于h a 通道热备份的备份性能对比图7 8 表2 1o s p f 报文头格式6 表2 2h e l l o 报文格式6 表2 3d d 报文格式7 表2 4 链路状态请求报文8 表2 5 链路状态更新报文8 表2 6 链路状态确认报文8 表2 7o s p f 路由计算表15 表3 1 几种数据备份方案性能比较。2 2 表3 2 两种热备份方案的性能比较2 2 引言 1引言 1 1路由器高可靠性技术概述 随着现代网络的发展，各种增值业务在互联网上的广泛应用，用户不仅对网 络的速率，同时对网络的服务质量也提出了很高的要求。做为衡量网络服务质量 的一个重要指标，高可靠性一直是运营商关注的问题。目前运营商对系统可靠性 的普遍指标为9 9 9 9 9 ，也就是一年中平均故障时间不超过3 m i n 【1 】。要实现该指标 仅仅靠硬件是不够的，还需要合理的系统设计和良好的处理机制。 路由器的高可靠性可以通过转发路径备份、优雅重启、主备倒换、快速重路 由、跨设备聚合链路自动备份、虚拟路由器冗余协议( v i 沁) 设备间备份以及分 布式智能弹性路由等多种技术手段加以改善。转发路径备份是通过m p l s 技术中 的边缘路由器的备份来实现。优雅重启( g 瑚l c e 砌r e s t a n ，简称g r ) ，它是i e t f 对于b g p 、o s p f 、i s i s 等路由协议提出的一种增强型协议，它的实现原理是在 设备出现故障时，将自身的网络拓扑信息通过报文交互保存到邻居设备上，在设 备重启后能够恢复到重启前的状态。主各倒换则是为设备提供多块主控板，其中 一块为主用，其它为备用，当主用板出现故障时进行主备倒换，各板无缝接管主 板工作f 2 j 。快速重路由则是通过在转发路径的各点事先建立旁路，当路径中出现故 障时，旁路引入本地流量从而减少业务中断时间，一般用于网络的汇聚层和核心 层。对于跨设备聚合链路的自动备份，它是将跨设备的链路进行聚合，链路出现 故障时，聚合链路却不会发生中断。v 砌冲设备间备份是将多台设备组成一个设备 组，实现设备间备份，如果其中一台设备失效，报文仍然可以通过其他设备转发， 一般应用于网络的接入层，分布式智能弹性路由结合了链路保护技术，对路由协 议和三层转发表进行冗余备份。路由器的高可靠性是网络高可靠性的必要条件， 高可靠性的改善有利于人们享受更优质的口业务。 1 2 研究背景及意义 为了满足用户对高可靠性需求，目前市场上的路由器普遍采用的是不间断转 发( n o n - s t o p f 0 刑a r d i n g ，以下简称n s f ) 技术来减少每次故障的持续时间。它 是通过基于o p a q u el s a 的优雅重启( g r ) 技术在双主控设备上实现。由于该技 术的实现对外部环境依赖比较高，它要求相关的路由协议，如o s p f 、b g p 、i s i s 具备g r 能力。所以本文提出了一种新的设计思路，即不间断路由 北京交通大学硕士学位论文 ( n o n s t o p i b u t i n g ) 技术，以下简称n s r 。相对于传统的n s f 方式，n s r 不需 要周围路由器同时具备g r 能力，它直接将路由信息备份至备板保证在主板出现故 障时备板无缝接管主板工作。 本文提出的n s r 特性是针对目前应用比较广泛的0 s p f 路由协议，o s p f 是 由i e t f 在2 0 世纪8 0 年代开发，先后出现过o s p f v l 和o s p f v 2 两个版本，分别 在i 强c 1 1 3 1 和i 强c 1 2 4 7 作了详细的阐述。l 心c 1 2 4 7 又有不少后续的更新文档，包 括r f c l 5 8 3 、r f c 2 1 7 8 和i 心c 2 3 2 8 。其中r f c 2 3 2 8 是o s p f 的最新版本。0 s p f 是基于链路状态的路由协议，它计算路由时采用d i j k s 仃a 算法。o s p f 协议一般用 于同一个路由域里，即同一个自治系统。在整个自治系统中，所有路由器维护相 同的链路状态数据库。对于o s p f 协议，存在五种形式的网络，即点到点网络 ( p o i n t t 0 p o 、广播型网络( b r o a d c a s t ) 、非广播型网络( n b m a ) 、点到多点网 络( p o h n - t o m u l t i p o i n t ) 以及虚链接( v i n l l a l 1 i 1 1 l 【) 网络。o s p f 协议采用分层机制。 最大的层次实体是a s ( 自治系统) ，对于每个自治系统又划分为若干个区域。0 s p f 层次性的划分有利于避免链路状态的数据库溢出。对于每一个区域维护一张拓扑 结构图，各个区域根据自己的拓扑计算各自路由，再通过区域边界路由器向其他 域扩散。 对于o s p f 协议网络的高可靠性提高，当前普遍采用的是n s f 技术。它基于 优雅重启( 即研a c e 触r e s t a r t 以下简称g r ) 技术。r f c 3 6 2 3 详细描述了o s p f 的 g r 实现。它是在路由器进行o s p f 协议重启前将路由器自身的链路状态数据库发 送至该路由器的周围邻居路由器上，在该路由器完成o s p f 协议重启后再从邻居路 由器上获取原有的链路状态数据库信息恢复到重启前的状态。o s p fg r 技术可以 保证协议重启或主备切换过程中业务转发不中断，可以降低设备故障或者升级造 成的对全网络的影响。但该技术要求路由器的周围邻居设备也需支持g r 。针对该 缺陷，本文提出了一种全新的高可靠性提升技术o s p f 不间断路由技术，并在 基于h 3 c 公司的c o m w a i 也平台上提出了具体的设计方案和实现手段。 o s p fn s r 是基于双主控系统的( 即一块主板，一块备用板) ，依赖于热备份 机制，在主备倒换后邻居和流量不中断，在路由器上使能o s p fn s r 特性一是可 以通过用户配置手动触发，一是可以在路由器主板出现故障时自动触发，具有良 好的可操作性。由于o s p fn s r 特性使得设备不需具有g r 能力就能独立实现转 发不中断的功能，所以它对网络中的每个节点位置具有普遍适用性，降低了主备 倒换后路由振荡对全网络的影响，同时它也继承了n s f 技术降低单点故障率这一 优点p j 。本文提出的设计思路和实现方法不仅仅限于0 s p f 协议，同样可用于b g p 和i s i s 协议的n s r 的设计和实现。 2 引言 1 3论文结构及主要工作 本论文基于杭州华三通信技术有限公司的“o s p f 高可靠性开发”项目，提出了 o s p f 协议的不间断路由技术的设计方案与具体最优化的实现方法。本论文的主要 工作是研究和实现0 s p fn s r 技术。 第一章阐述了路由的高可靠性，提出了论文的研究背景和意义，列出了论文的 组织结构和主要工作内容。 第二章是针对0 s p f 协议中的进程、区域等概念做具体介绍，同时阐述o s p f 中的邻居状态机、接口状态机、路由计算的基本原理，从而更深层次的明确o s p f 中各个模块的工作原理以及数据之间的交互关系。 第三章是从总体上分析o s p fn s r 的设计方法，并将o s p fn s r 从系统上分为 上层o s p f 模块和底层备份两部分。对于上层模块，分析o s p f 各个模块为了实现 n s r 所需做的改进。对于底层备份又分为备份数据以及备份机制两方面：针对备 份数据本文提出了五种备份方案，并分析了这五种方案的可行性以及优缺点；针 对备份机制本文提出了两种备份方案，并分析了这两类方案的优缺点。 第四章是对底层备份进行详细的阐述分析，一是设计实现了基于h a 通道的改 进型热备份机制，一是对数据备份方案提出了具体的数据结构以及数据的备份时 序，为n s r 的实现提供了良好的底层机制。 第五章是从上层实现阐述o s p f 各模块为了实现n s r 功能所需做的改进。包 括o s p f 的配置、接口一邻居关系、l s d b 以及l s a 泛洪各个功能模块为了实现 n s r 功能在主备板上的改进算法。 第六章是采用s 6 6 0 8 和s 7 5 0 0 这两款设备对o s p f 各个功能模块以及路由信息 进行o s p fn s r 特性的应用测试，通过分析测试结果论证设计方案。 第七章是对论文的工作进行总结，提出了本文的创新点以及不足之处并对 b g p 、i s i s 等路由协议的n s r 技术进行展望。 本文的主要研究工作如下： ，1 介绍o s p f 协议的应用场景、工作原理以及具体实现，为后面的工作打下 良好的基础； 2 针对h 3 c 公司提出的o s p fn s r 的系统框架，从底层和上层两方面去分析 o s p fn s r 的设计与实现原理； 3 分析比较了五类o s p fn s r 底层数据备份方案的优缺点和可行性，总结出 了一类功能和性能较为优异的数据备份方案； 4 分析比较了两类o s p fn s r 底层备份机制的优缺点，提出了基于h a 通道 3 北京交通大学硕士学位论文 的改进型热备份机制； 5 分析了n s r 在o s p f 协议中的位置，提出了针对n s r 的o s p f 各个模块的 改进实现算法； 6 通过s 7 5 0 0 和s 6 8 0 0 这两款路由器验证o s p f 的n s r 功能，并分析验证在 传统热备份机制和基于h a 通道的改进型热备份机制下的备份性能差异。 7 分析了在实现o s p fn s r 功能中的一些不足，并展望诸如b g p 、i s i s 等其 他路由协议的n s r 实现。 4 o s p f 协议综述 2o s p f 协议综述 为了更好的介绍o s p fn s r 的功能流程，本章先介绍了o s p f 协议并回顾 了o s p f 协议中的重要术语。 o s p f 协议是一种典型的内部网关协议。它基于连接状态，通过m 包转发， 具有无路由自环、路由变化收敛速度快、支持验证、支持等值路由、支持路由 分级管理、支持以组播地址发送协议报文的优点【4 】。在一个o s p f 网络中，每 台路由器都维护着一个链路状态数据库，数据库中存有描述链路状态的l s a ， 通过泛洪机制，路由器将自身的链路状态传送到整个自治系统( a s ) 中，最终， 自治系统中的路由器链路状态数据达到一致。所有的路由器再根据各自链路状 态数据库中的l s a 进行路由计算并构造出以自身为根的最短路径树。根据最 短路径树，路由器可以计算出到达转发目标的最短路径。当有多条等值的路径 到达同一目标时，数据流量将在这些路径上平分【5 】。 o s p f 采用分而治之的思想，将一个自治系统划分为若干区域，区域与区 域之间通过区域边界路由器进行路由信息的交互。o s p f 支持可变长子网掩码， 可用于广播( b r o a d c a s t ) 、非广播多路( n b m a ) 、点对点( p t p ) 、点对多点( p t m p ) 等多种网络中。 2 1o s p f 报文 o s p f 报文在传输时封装在口报文中，协议号为8 9 。o s p f 报文头部2 4 字节，用于判断决定数据包处理时的下一步操作。报文体部分依据报文类型填 充。o s p f 报文有五种类型。分别为脏l l o 报文、数据库描述报文( d d ) 、 连接状态请求报文( l s r ) 、连接状态更新报文( l s u ) 、连接状态确认包 ( l s a c k ) 。 1 ) o s p f 报文头格式 5 北京交通大学硕士学位论文 表2 1o s p f 报文头格式 t a b l e2 1t h ef o 册a to fo s p fp a c k e th e a d e r 版本号胱r s i o n 类型t y p e ( 8 位) 包长度p a c k e tl e n g m ( 8 位) ( 1 6 位) 路由器标识瓜o u t e ri d ( 3 2 位) 区域标识a 托ai d ( 3 2 位) 校验和c h e c k s 啪( 1 6 位)验证类型( 1 6 位) 验证a u 廿l e n t i c a t i o n ( 3 2 位) 验证a u 吐】e m i c a t i o n ( 3 2 位) 版本号厂、厂e r s i o n ：本论文中o s p f 版本号为2 类型厂聊e ：定义o s p f 的五种报文类型，1 表示h e l l o 报文，2 表示数据库描 述报文d d ，3 表示连接状态请求报文l s r ，4 表示连接状态更新报文l s u ，5 表示连接状态确认报文l s u 。 包长度p a c k e tl e n 啦：o s p f 报文的字节长度，包括o s p f 头部。 路由器标识r 0 u t e ri d ：生成o s p f 报文的路由器标识，具有唯一性。 区域标识a 心ai d ：生成o s p f 报文路由器所属区域的标识。 校验和c h e c k s 啪：除验证域外的整个o s p f 报文的口校验和。 验证类型a u l 卯e ：验证过程采用的类型 ， 验证域a u t l l e n t i c a t i o n ：6 4 位验证域，与选择的验证类型相关联。 2 ) h e l l o 报文 表2 2 h e l l 0 报文格式 i a b l e2 2t h ef o n n a lo fh e u op a c k e t o s p f 报文头( 其中类型字段置1 ) 网络掩码n e 觚o r km a s k h e l l o i i l t e r v 越( 1 6 位) 选项o p t i o n s ( 8 位) 路由器优先级( 8 位) r o u t e r d e a d i n t e r v a l 指定路由器d e s i g i l a t e dr o u t e r 备份指定路由器b a c k u pd e s i g i l a t e di b u t e r 邻居n e i 曲b o r 网络掩码n 娟o r km a s k ：该接口所关联的网络掩码。 选项o p t i o n s ：路由器所支持的选项。 6 o s p f 协议综述 h e l l o i n t e r v a l ：路由器发送h e l l o 包的间隔秒数。 路由器优先级：路由器的优先级。用于d r 、b d r 的选举。 r o u t e r d e a d i n t e n ，a l ：与未收到宣告路由器之间断开连接所需等待的秒数。 指定路由器d e s i 舯a t e dr o u t e r ：发送脏l l o 报文时路由器认定的d r ，0 o o o 表示没有d r 。 备份指定路由器b a c k u pd e s i 印a t i 甜r 0 m e r ：发送h e l l o 报文时路由器认定的 b d r ，0 o 0 0 表示没有b d r 。 邻居n e i g h b o r ：在i 沁u t e r d e a d i n t e r v a l 时间内通过h e l l o 报文，从网络上新近 收到的路由器标识。 3 ) 数据库描述报文 表2 3d d 报文格式 r l b l e2 3t h ef o 咖a to f d dp a c k e t o s p f 报文头( 其中类型字段置2 ) 接口m t u 值( 1 6 位)选项( 8 位)o ( 5 位)im m s h e l l o i n t e n ，甜( 1 6 位) 选项o p t i o n s ( 8 位)路由器优先级 d ：d 序号 l s a 头部 接口m 1 r i7 i n t e 慨em t u ：所关联的接口不分片时发送的最大i p 包字节大小。 选项叫i o i l s ：路由器所支持的选项。 i 位i - b i t ：初始位，表示是否是第一个d d 包。 m 位，l b i t ：更多位，表示是否还有d d 包。 m s 位m s 七i t ：主从位。表示数据库交换过程中的主从关系。 d d 序号d ds e q u e n c en u m b e r ：用于描述d d 包的序号。在数据库交互过程中， d d 序号线性增加。 4 ) 链路状态请求报文 7 北京交通大学硕士学位论文 表2 4 链路状态请求报文 i 、幻l e2 4t h ef o n n a to fl s rp a c k e t o s p f 报文头( 其中类型字段置3 ) 链路状态类型l st ) r p e ( 3 2 位) 链路状态标识l i n l 【s t a t ei d ( 3 2 位) 宣告路由器a d v e n i s i n gr o u t e r ( 3 2 位) 通过l s 类型、l s 标识和宣告路由器说明需要请求的l s a 。 5 ) 链路状态更新报文 表2 5 链路状态更新报文 t l b l e2 5t h ef o 姗a to fl s up a c k e t o s p f 报文头( 其中类型字段置4 ) l s a 数量饼l s a l s a l s a 数量饼l s a ：该更新报文中包含的l s a 数量。 6 ) 链路状态确认报文 表2 6 链路状态确认报文 7 i a b l e2 6t h ef o 舯a to fl s a c kp a c k e t o s p f 报文头( 其中类型字段置4 ) 一个l s a 头部a nl s ah e a d e r 通过l s a 头部的描述确认每一个对应的l s a 。 在o s p f 网络中，路由器之间通过h e l l o 报文建立起邻居关系，并选举出网 络中的d r 与b d r ，非d r 非b d r 路由器( 即为d r - o t h e r 路由器) ，再通过数 据库描述包的交互，各个路由器的链路状态数据库达到一致。如果网络发生变化， 路由器之间通过链路状态请求、更新、确认报文的交互使得各个路由器的链路状 态数据库达到一致。o s p f 报文是o s p f 路由协议的重要组成部分，承载着o s p f 8 o s p f 协议综述 网络信息的交互。 2 20 s p f 重要术语 o s p f 将自治系统( a s ) 分为若干个区域，区域与区域之间通过区域边界路由 器( a b r ) 完成链路状态数据的交互。对于每个区域又根据i p 地址分为若干个网 段【6 1 。对于广播和n b m a 网络，如果接入该网络的路由器数大于等于两台，则其 中一台就会被选举为指定路由器( d r ) 。d r 与该网段的其他路由器建立邻接关系， 负责该网络上的链接状态数据库的同步。由于d r 与其他路由器构成了星型关系， 当d r 发生改变时，网络会产生比较大的震荡，对此，每个广播和n b m a 网络上 又选举出备份指定路由器( b d r ) ，在d r 失效后，b d r 成为该网络的d r 。o s p f 通过分层机制良好的解决了大规模网络链路状态数据库同步的问题。如图2 一l 所 示，整个o s p f 系统被分为5 个区域，i 玎l 和i 汛是自治系统边界路由器，r t l 3 和r t 9 是区域边界路由器，r t l 5 是区域4 的d r ，r t l 6 是区域4 的b d r ，区域 与区域之间通过区域边界路由器传输链路状态信息，不同协议的路由信息通过自 治系统边界路由器引入到另一协议中。 图2 1o s p f 区域图 9 北京交通大学硕士学位论文 f l g u l e2 一lo s p fa r e ac h a r t 根据i u c 的规定，o s p f 在设计上应包含区域数据结构、接口数据结构、邻居 数据结构以及链路状态数据结构，为了更好的描述o s p f 与其他协议之间的交互以 及路由器本身系统的工作机制，在实现时，本文引入了实例数据结构和进程数据 结构。由于o s p f 应用范围较广，不仅应用于普通公网上，同时也用于各种虚拟专 用网( v p n ) p j ，为了区别不同的v p n ，o s p f 引入了实例的概念，实例数据结构 里定义了关键字实例i d ，每一个实例i d 对应于一个v p n 网络。对于普通公网， 我们将其o s p f 的实例i d 规定为1 。现代网络的组成，有时需要在一台路由器上 运行多个0 s p f 协议，为此我们引入了进程概念，每一个o s p f 协议对应于一个 o s p f 进程，o s p f 进程中定义关键字进程i d ，每一个进程i d 唯一确定一个o s p f 进程，相对于其他的数据结构，进程更多的描述是本地路由器 自身的运行状态。图2 2 列出了o s p f 几种数据结构之间的关系。 1 0 o s p f 协议综述 图2 - 2o s p f 协议数据图 f i g u i e2 2o s p fp “) t o c o ld a t a 协议是一个全局概念，协议数据结构里记录协议的协议号、协议数据的缓冲存 储。路由进程根据协议号区别不同路由协议，比如o s p f 的协议号是8 9 ，协议的 缓冲区用于协议数据的顺序写入和读取。o s p f 以实例i d 唯一标记一个实例，每 一个实例对应一个运行网络形式( 比如公网、虚拟专用网) ，实例中记录实例下的 各个进程、区域、接口、邻居信息以及网段配置信息，实例中同样存在对应的缓 冲区用于实例数据的备份与恢复。进程以进程i d 唯一标记一个进程。进程中记录 进程自身的状态、泛洪l s a 列表、区域、接口、邻居信息。区域以区域i d 唯一 标记一个区域( 区域i d 为0 用来标识骨干区域) ，区域中记录所属区域的区域地 北京交通大学硕士学位论文 址范围、邻居、接口、链路状态数据库信息。接口通过接口索引唯一标识，接口 下记录接口的状态、接口的p 地址、接口下的邻居信息。接口有d o w n 、l 0 0 p b a c k 、 w 撕t i n g 、p o i n t t o p o i n t 、d ro t l l e r 、b a c k u p 、d r 几种状态。图2 3 描述了接口各个状 态的变迁。 图2 3o s p f 接口状态机 f i g - e2 3o s p fi n t e r f k es t a t em a c h i n e d o 啪：接口的初始状态。 l 0 0 p b a c k ：标识接口处于环回口状态。 w a i t i i l g ：接口在收到h e l l 0 报文后，选举出d r 、b d r 前的等待状态。 p o i n t t o - p o i n t ：物理点对点网络的接口状态。 d r o t l l e r ：广播或者n b m a 网络上，d r 选举后，接口既不是d r ，也不是b d r 状态 b a c k u p ：广播或者n b m a 网上，d r 选举后，接口为b d r 状态。 d r ：广播或者n b m a 网上，d r 选举后，接口为d r 状态。 i m e 血c e u p ：下层协议指出网络接口开通。 u n l o o p i i l d ：收到指令，表示接口不再为l o o p b a c k 。 w 越t t i m e r ：等待计时器到期，d r 、b d r 选举结束。 b a c l ( u p s e e n ：路由器已经探知网络上的b d r 。 n e i 曲b o 疋h a l l g e ：接口上的邻居发生改变。 1 2 o s p f 协议综述 邻居通过 二元组唯一标识，邻居下记录邻居优先级、 邻居状态以及邻居的重传列表、请求列表和数据库描述列表信息引。图2 -