隨著Internet技術(shù)在全球范圍內(nèi)的飛速發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)作為一種最有前景的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，受到了人們的普遍關(guān)注。而作為IP網(wǎng)絡(luò)生存、運(yùn)作、組織的核心——IP路由技術(shù)提供了解決IP網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)可變性、實(shí)時(shí)性、QoS等關(guān)鍵技術(shù)的一種可能。在眾多的路由技術(shù)中，OSPF協(xié)議已成為目前Internet廣域網(wǎng)和Intranet企業(yè)網(wǎng)采用最多、應(yīng)用最廣泛的路由技術(shù)之一。本文在分析OSPF動(dòng)態(tài)路由協(xié)議基本工作原理的基礎(chǔ)上，提出了Dijkstra算法和OSPF路由表計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法。

目前應(yīng)用較多的路由協(xié)議有RIP和OSPF，它們同屬于內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，但RIP基于距離矢量算法，而OSPF基于鏈路狀態(tài)的最短路徑優(yōu)先算法。它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中利用的傳輸技術(shù)也不同。

RIP是利用UDP的520號(hào)端口進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)中利用套接口編程，而OSPF則直接在IP上進(jìn)行傳輸，它的協(xié)議號(hào)為89。在RIP當(dāng)中，所有的路由都由跳數(shù)來(lái)描述，到達(dá)目的地的路由最大不超過16跳，且只保留唯一的一條路由，這就限制了RIP的服務(wù)半徑，即其只適用于小型的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，運(yùn)行RIP的路由器需要定期地(一般30s)將自己的路由表廣播到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，達(dá)到對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木酆?，這樣不但聚合的速度慢而且極容易引起廣播風(fēng)暴、累加到無(wú)窮、路由環(huán)致命等問題。為此，OSPF應(yīng)運(yùn)而生。OSPF是基于鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，它克服了RIP的許多缺陷：

第一，OSPF不再采用跳數(shù)的概念，而是根據(jù)接口的吞吐率、擁塞狀況、往返時(shí)間、可靠性等實(shí)際鏈路的負(fù)載能力定出路由的代價(jià)，同時(shí)選擇最短、最優(yōu)路由并允許保持到達(dá)同一目標(biāo)地址的多條路由，從而平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷;

第二，OSPF支持不同服務(wù)類型的不同代價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)不同QoS的路由服務(wù);

第三，OSPF路由器不再交換路由表，而是同步各路由器對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，即鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后通過Dijkstra最短路徑算法計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中各目的地址的最優(yōu)路由。這樣OSPF路由器間不需要定期地交換大量數(shù)據(jù)，而只是保持著一種連接，一旦有鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，才通過組播方式對(duì)這一變化做出反應(yīng)，這樣不但減輕了不參與系統(tǒng)的負(fù)荷而且達(dá)到了對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖倬蹠?huì)。而這些正是OSPF強(qiáng)大生命力和應(yīng)用潛力的根本所在。

一、OSPF工作原理分析

OSPF是一種分層次的路由協(xié)議，其層次中最大的實(shí)體是AS(自治系統(tǒng))，即遵循共同路由策略管理下的一部分網(wǎng)絡(luò)實(shí)體。在每個(gè)AS中，將網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的區(qū)域。每個(gè)區(qū)域都有自己特定的標(biāo)識(shí)號(hào)。對(duì)于主干(backbone)區(qū)域，負(fù)責(zé)在區(qū)域之間分發(fā)鏈路狀態(tài)信息。這種分層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是根據(jù)OSPF的實(shí)際提出來(lái)的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中自治系統(tǒng)非常大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容就更多，所以如果不分層次的話，一方面容易造成數(shù)據(jù)庫(kù)溢出，另一方面當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都重新計(jì)算一遍自己的路由表，既浪費(fèi)資源與時(shí)間，又會(huì)影響路由協(xié)議的性能(如聚合速度、穩(wěn)定性、靈活性等)。因此，需要把自治系統(tǒng)劃分為多個(gè)域，每個(gè)域內(nèi)部維持本域一張唯一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，且各域根據(jù)自己的拓?fù)鋱D各自計(jì)算路由，域邊界路由器把各個(gè)域的內(nèi)部路由總結(jié)后在域間擴(kuò)散。這樣，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某條鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，此鏈路所在的域中的每個(gè)路由器重新計(jì)算本域路由表，而其它域中路由器只需修改其路由表中的相應(yīng)條目而無(wú)須重新計(jì)算整個(gè)路由表，節(jié)省了計(jì)算路由表的時(shí)間。

OSPF由兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的主要部分組成：“呼叫”協(xié)議和“可靠泛洪”機(jī)制。呼叫協(xié)議檢測(cè)鄰居并維護(hù)鄰接關(guān)系，可靠泛洪算法可以確保統(tǒng)一域中的所有的OSPF路由器始終具有一致的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，而該數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成了對(duì)域的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌窢顟B(tài)的映射。鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中每個(gè)條目稱為L(zhǎng)SA(鏈路狀態(tài)通告)，共有5種不同類型的LSA，路由器間交換信息時(shí)就是交換這些LSA。每個(gè)路由器都維護(hù)一個(gè)用于跟蹤網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)，然后各路由器的路由選擇就是基于鏈路狀態(tài)，通過Dijkastra算法建立起來(lái)最短路徑樹，用該樹跟蹤系統(tǒng)中的每個(gè)目標(biāo)的最短路徑。最后再通過計(jì)算域間路由、自治系統(tǒng)外部路由確定完整的路由表。與此同時(shí)，OSPF動(dòng)態(tài)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，一旦發(fā)生變化則迅速擴(kuò)散達(dá)到對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖倬酆?，從而確定出新的網(wǎng)絡(luò)路由表。

OSPF的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)要涉及到指定路由器、備份指定路由器的選舉、協(xié)議包的接收、發(fā)送、泛洪機(jī)制、路由表計(jì)算等一系列問題。本文僅就Dijkstra算法與路由表的計(jì)算進(jìn)行討論。 二、Dijkstra算法

Dijkstra算法是路由表計(jì)算的依據(jù)，通過Dijkstra算法可以得到有關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最短路徑樹，然后由最短路徑優(yōu)先樹得到路由表。

1.Dijkstra算法的描述如下：

(1)初始化集合E，使之只包含源節(jié)點(diǎn)S，并初始化集合R，使之包含所有其它節(jié)點(diǎn)。初始化路徑列O，使其包含一段從S起始的路徑。這些路徑的長(zhǎng)度值等于相應(yīng)鏈路的量度值，并以遞增順序排列列表O。

(2)若列表O為空，或者O中第1個(gè)路徑長(zhǎng)度為無(wú)窮大，則將R中所有剩余節(jié)點(diǎn)標(biāo)注為不可達(dá)，并終止算法。

(3)首先尋找列表O中的最短路徑P，從O中刪除P。設(shè)V為P的最終節(jié)點(diǎn)。若V已在集合E中，繼續(xù)執(zhí)行步驟2。否則，P為通往V的最短路徑。將V從R移至E。

(4)建立一個(gè)與P相連并從V開始的所有鏈路構(gòu)成的侯選路徑集合。這些路徑的長(zhǎng)度是P的長(zhǎng)度加上與P相連的長(zhǎng)度。將這些新的鏈路插入有序表O中，并放置在其長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的等級(jí)上。繼續(xù)執(zhí)行步驟2。

2.Dijkstra算法舉例：

下面我們以路由器A為例，來(lái)說(shuō)明最短路徑樹的建立過程：

(1)路由器A找到了路由器B、C，將它們列入候選列表{B：1;C：2}。

(2)從候選列表中找出最小代價(jià)項(xiàng)B，將B加入最短路徑樹并從候選列表中刪除。接著從B開始尋找，找到了D，將其放入候選列表{C：2;D：2}。

(3)從列表中找出C，再由C又找到了D。但此時(shí)D的代價(jià)為4，所以不再加入候選列表。最后將D加入到最短路徑樹。此時(shí)候選列表為空，完成了最短路徑樹的計(jì)算。

三、OSPF路由表的計(jì)算與實(shí)現(xiàn)

有關(guān)路由表的計(jì)算是OSPF的核心內(nèi)容，它是動(dòng)態(tài)生成路由器內(nèi)核路由表的基礎(chǔ)。在路由表?xiàng)l目中，應(yīng)包括有目標(biāo)地址、目標(biāo)地址類型、鏈路的代價(jià)、鏈路的存活時(shí)間、鏈路的類型以及下一跳等內(nèi)容。關(guān)于整個(gè)計(jì)算的過程，主要由以下五個(gè)步驟來(lái)完成：

(1)保存當(dāng)前路由表，當(dāng)前存在的路由表為無(wú)效的，必須從頭開始重新建立路由表;

(2)域內(nèi)路由的計(jì)算，通過Dijkstra算法建立最短路徑樹，從而計(jì)算域內(nèi)路由;

(3)域間路由的計(jì)算，通過檢查Summary-LSA來(lái)計(jì)算域間路由，若該路由器連到多個(gè)域，則只檢查主干域的Summary-LSA;

(4)查看Summary-LSA：在連到一個(gè)或多個(gè)傳輸域的域邊界路由器中，通過檢查該域內(nèi)的Summary-LSA來(lái)檢查是否有比第(2)(3)步更好的路徑;

(5)AS外部路由的計(jì)算，通過查看AS-External-LSA來(lái)計(jì)算目的地在AS外的路由。

通過以上步驟，OSPF生成了路由表。但這里的路由表還不同于路由器中實(shí)現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能時(shí)用到的內(nèi)核路由表，它只是OSPF本身的內(nèi)部路由表。因此，完成上述工作后，往往還要通過路由增強(qiáng)功能與內(nèi)核路由表交互，從而實(shí)現(xiàn)多種路由協(xié)議的學(xué)習(xí)。

OPSF作為一種重要的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)協(xié)議的普遍應(yīng)用，極大地增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，同時(shí)也反映出了動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的強(qiáng)大功能。但是，在有關(guān)OSPF協(xié)議的研究、實(shí)現(xiàn)中尚存在一些問題，如數(shù)據(jù)庫(kù)的溢出、度量的刻畫、以及MTU協(xié)商等等。同時(shí)，在IPv6中，OSPFv3基于鏈路的處理機(jī)制、IP地址的變化、泛洪范圍的增加、包格式、LSA的變化以及鄰居的識(shí)別等技術(shù)都將是我們共同探討的課題。