OS路由协议实验设计方案报告.doc

OSPF路由协议实验设计报告20014010-02 陈果设计目标设计一个关于OSPF路由协议的实验，要求采用如下的拓扑：单区域多区域设计要求1. 设计实验指导书，要求包括：实验目的、预备知识、实验环境、实验原理、实验方法、实验步骤、思考题。2. 设计实验记录的内容和格式。3. 根据指导书中设计的实验方法和步骤完成实验，记录实验数据，并回答指导书中设计的思考题。4. 分析实验数据，解释实验现象，总结实验结果。5. 完成设计报告。设计方法1. 以小组为单位进行课程设计。2. 小组成员共同设计一份实验指导书，协同完成本小组的实验内容。3. 小组成员独立完成课程设计报告。设计安排设计时间为两周，具体安排如下：第一周设计并完成实验指导书，收集实验所需的路由器配置命令 周一：了解设计内容、要求和环境，选举组长。 周二：搜集相关材料，讨论、分析实验原理、方法和步骤。 周三：完成实验指导书，分析实验所需环境、设备配置内容。 周四：与指导老师讨论和修改实验指导书、实验环境和实验设备的配置内容。 周五：完成实验指导书，完成实验准备工作。第二周实现并验证所设计的实验，完成设计报告，进行答辩 周一周三：在指导老师和组长的组织下完成实验内容，记录实验数据和实验现象。 周四：分析设计过程和实验过程，完成并提交设计报告。 周五：答辩。设计过程 确定目标 实验环境是一个相对简单的小规模网络，且网络的拓扑比较简单（实际上就是线型拓扑），权衡各方面的因素，我们确定了三条实验目的：1、基本的OSPF配置；2、分别在单区域与多区域中观察LSA的扩散过程；3、观察OSPF是如何应对链路状态发生改变的情况的。另外有一个可选的实验目的，即截获实际的OSPF报文并对其进行解码。后来的实验证明，在现有的实验条件下是可以完成以上实验目的的。 配置过程 实验环境中有5台CISCO 2600路由器，运行的操作系统是IOS 12.1。在配置过程中我们曾经遇到了以下几个问题： 1、超级终端的速率设置不当，导致输出乱码。解决方法是指定速率为9600 bps。另外，通过超级终端的捕获功能将输出导入到文本文件中，非常有利于实验数据的采集与分析。 2、对IOS的模式不是很熟悉，因而常常出现某些特定命令无法执行的情况。 3、以前保存在路由器中的配置文件没有清除，因而干扰了本次实验的配置。解决方法是在特权模式下输入：Router#erase然后重新启动路由器：Router#reload 4、在配置路由器串口的过程中忘记了指定时钟频率，导致串口的链路层协议不能启用。解决方法是在串口的DCE端指定时钟频率：Router(config-if)#clockrate 72000 5、没有指定RID，即没有创建Loopback接口。结果导致了在此后的实验过程中，如果某个接口的IP地址恰恰被选择成为RID，当我们手工将其shutdown之后，就会导致路由器的RID改变，从而引起链路状态数据库中的信息标识发生混乱。解决办法是为每台路由器创建Loopback接口。在我们的实验中，A、B、C、D、E的Loopback地址分别是1.1.1.1、1.1.1.2、1.1.1.3、1.1.1.4、1.1.1.5。 另外，对于OSPF数据包的截取，因为无法在串口上进行侦听，我们选择了A与C之间的以太网线路。将采用交叉双绞线连接更换成采用集线器连接，这样就可以通过PC的以太网卡来捕获数据。配置路由器E所用到的命令如下：接口标识：Fa0/0 接口类型：以太网Router(config)#interface fastethernet 0/0Router(config-if)#ip address 192.168.248.1 255.255.255.0Router(config-if)#no shutdown观察此接口状态的命令：Routershow interface fastethernet 0/0显示结果表明此接口已经启用：FastEthernet0/0 is up, line protocol is up Internet address is 192.168.248.1/24接口标识：S0/0 接口类型：串口Router(config)#interface serial 0/0 Router(config-if)#ip address 192.168.240.2 255.255.255.252Router(config-if)#clockrate 72000Router(config-if)#no shutdown观察此接口状态的命令：Router show interface serial 0/0显示结果表明此接口已经启用：Serial0/0 is up, line protocol is up Internet address is 192.168.240.2/30配置Loopback接口：Router(config)#interface loopback 0 Router(config-if)#ip address 1.1.1.5 255.255.255.0 单区域测试 在实验中，我们采用debug命令来观察各路由器之间的信息交互过程。我们发现Router#debug ip ospf adj命令比Router#debug ip ospf events命令更有效，因为它能提供更详细的信息。但是，debug命令会持续不断的刷屏，干扰正常的操作过程（可以通过und all来结束debug进程），而实际上，LSA的传播过程可以通过链路状态数据库和路由表来观察，因而我们没有将debug命令写入实验指导书中。 打开debug ip ospf adj命令后，可以观察出两台路由器从发现邻居到建立邻接关系的过程。以路由器E为例：打开debug命令：Router#debug ip ospf adjOSPF adjacency events debugging is on启动ospf进程：Router(config)#router ospf 1配置各个网络接口所在的区域（单一区域）：Router(config-router)#network 192.168.248.1 0.0.0.255 area 0Router(config-router)#network 192.168.240.2 0.0.0.3 area 0以太网接口所产生的信息：00:29:52: OSPF: Interface FastEthernet0/0 going Up00:29:52: OSPF: Build router LSA for area 0, router ID 1.1.1.5, seq 0x8000000100:30:32: OSPF: end of Wait on interface FastEthernet0/000:30:32: OSPF: DR/BDR election on FastEthernet0/0 00:30:32: OSPF: Elect BDR 1.1.1.500:30:32: OSPF: Elect DR 1.1.1.500:30:32: OSPF: Elect BDR 0.0.0.000:30:32: OSPF: Elect DR 1.1.1.500:30:32: DR: 1.1.1.5 (Id) BDR: none 00:30:32: OSPF: Build network LSA for FastEthernet0/0, router ID 192.168.248.100:30:32: OSPF: No full nbrs to build Net Lsa for interface FastEthernet0/0以上信息反映了在以太网接口产生LSA，选举指定路由器和备份路由器的过程。由于路由器E所在的以太网只有一台路由器（它本身），因而其结果就是DR和BDR都为1.1.1.5。串行接口所产生的信息：00:31:06: OSPF: Interface Serial0/0 going Up00:31:07: OSPF: Build router LSA for area 0, router ID 1.1.1.5, seq 0x8000000200:31:47: OSPF: Rcv hello from 1.1.1.4 area 0 from Serial0/0 192.168.240.100:31:47: OSPF: End of hello processing00:31:56: %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console00:31:56: OSPF: Rcv DBD from 1.1.1.4 on Serial0/0 seq 0x1DCF opt 0x2 flag 0x7 len 32 mtu 1500 state INIT00:31:56: OSPF: 2 Way Communication to 1.1.1.4 on Serial0/0, state 2WAY00:31:56: OSPF: Send DBD to 1.1.1.4 on Serial0/0 seq 0xE5E opt 0x2 flag 0x7 len 3200:31:56: OSPF: First DBD and we are not SLAVE00:31:56: OSPF: Rcv DBD from 1.1.1.4 on Serial0/0 seq 0xE5E opt 0x2 flag 0x2 len 52 mtu 1500 state EXSTART00:31:56: OSPF: NdBR Negotiation Done. We are the MASTER00:31:56: OSPF: Send DBD to 1.1.1.4 on Serial0/0 seq 0xE5F opt 0x2 flag0x3 len 5200:31:56: OSPF: Database request to 1.1.1.4 00:31:56: OSPF: sent LS REQ packet to 1.1.1.4, length 1200:31:56: OSPF: Rcv DBD from 1.1.1.4 on Serial0/0 seq 0xE5F opt 0x2 flag 0x0 len 32 mtu 1500 state EXCHANGE00:31:56: OSPF: Send DBD to 1.1.1.4 on Serial0/0 seq 0xE60 opt 0x2 flag 0x1 len 3200:31:56: OSPF: Rcv DBD from 1.1.1.4 on Serial0/0 seq 0xE60 opt 0x2 flag 0x0 len 32 mtu 1500 state EXCHANGE00:31:56: OSPF: Exchange Done with 1.1.1.4 on Serial0/000:31:56: OSPF: Synchronized with 1.1.1.4 on Serial0/0, state FULL00:31:57: OSPF: Build router LSA for area 0, router ID 192.168.248.1, seq 0x8000000300:31:57: OSPF: Rcv hello from 1.1.1.4 area 0 from Serial0/0 192.168.240.100:31:57: OSPF: End of hello processing00:32:07: OSPF: Rcv hello from 1.1.1.4 area 0 from Serial0/0 192.168.240.100:32:07: OSPF: End of hello processing00:32:17: OSPF: Rcv hello from 1.1.1.4 area 0 from Serial0/0 192.168.240.100:32:17: OSPF: End of hello processing此后收到的都是保持邻接状态的Hello报文。以上信息反映了路由器E和路由器D发现对方并形成邻接关系的过程：首先通过Hello报文确认对方的存在，然后进行协商并指定主从路由器，再发送各自的链路状态信息，更新数据库，最后通过每隔10秒钟发送一次的hello报文维持两台路由器的联系。显示此时的OSPF信息：Router#show ip ospf Routing Process ospf 1 with ID 1.1.1.5 Supports only single TOS(TOS0) routes SPF schedule delay 5 secs, Hold time between two SPFs 10 secs Minimum LSA interval 5 secs. Minimum LSA arrival 1 secs Number of external LSA 0. Checksum Sum 0x0 Number of DCbitless external LSA 0 Number of DoNotAge external LSA 0 Number of areas in this router is 0. 0 normal 0 stub 0 nssa External flood list length 0 Area BACKBONE(0)Number of interfaces in this area is 2Area has no authenticationSPF algorithm executed 5 timesArea ranges areNumber of LSA 2. Checksum Sum 0x105F1 Number of DCbitless LSA 0Number of indication LSA 0Number of DoNotAge LSA 0Flood list length 0从以上信息可以看出，在这台路由器上，为了防止网络状态改变频繁时占用大量CPU时间，将SPF算法的间隔设置为10秒钟。同时还可以看到，至OSPF 1进程运行以来，SPF算法一共执行了5次。显示此时的邻居路由器：Router#show ip ospf neighborNeighbor ID Pri State Dead Time Address Interface1.1.1.4 1 FULL/ - 00:00:37 192.168.240.1 Serial0/0从这里也可以看出，路由器E已经发现了与它串口相连的邻居路由器1.1.1.4。显示链路状态数据库：Router#show ip ospf database OSPF Router with ID (10.1.1.5) (Process ID 1)Router Link States (Area 0)Link ID ADV Router Age Seq# Checksum Link count1.1.1.1 1.1.1.1 153 0x80000005 0xEECA 31.1.1.2 1.1.1.2 730 0x80000003 0x1E1 31.1.1.3 1.1.1.3 151 0x80000005 0x5E13 31.1.1.4 1.1.1.4 158 0x80000005 0xBFD6 41.1.1.5 1.1.1.5 766 0x80000002 0xB6FC 3Net Link States (Area 0)Link ID ADV Router Age Seq# Checksum1.1.1.1 1.1.1.1 153 0x80000001 0x219E 对比其他各路由器可以发现，所有路由器上的链路状态数据库是一致的。这正是单区域下OSPF的特征。显示路由表：Router#show ip route 192.168.72.0/30 is subnetted, 1 subnetsO 192.168.72.0 110/1628 via 192.168.240.1, 00:01:03, Serial0/0 192.168.224.0/30 is subnetted, 1 subnetsO 192.168.224.0 110/845 via 192.168.240.1, 00:01:03, Serial0/0 192.168.240.0/30 is subnetted, 1 subnetsC 192.168.240.0 is directly connected, Serial0/0 192.168.64.0/30 is subnetted, 1 subnetsO 192.168.64.0 110/1627 via 192.168.240.1, 00:01:03, Serial0/0C 192.168.248.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0O 192.168.1.0/24 110/846 via 192.168.240.1, 00:01:04, Serial0/0以上的路由表是通过链路状态数据库通过SPF算法得出，与实际的网络情况完全符合。几乎在相同时刻，其他的路由器也得到了正确的路由表，可见OSPF在很短的时间内就已经快速收敛了。在192.168.248.2上进行连通性测试：C:Documents and SettingsUserping 192.168.72.2Pinging 192.168.72.2 with 32 bytes of data:Reply from 192.168.72.2: bytes=32 time=39ms TTL=123Reply from 192.168.72.2: bytes=32 time=32ms TTL=123Reply from 192.168.72.2: bytes=32 time=32ms TTL=123Reply from 192.168.72.2: bytes=32 time=32ms TTL=123Ping statistics for 192.168.72.2: Packets: Sent = 4, Received = 4, Lost = 0 (0% loss),Approximate round trip times in milli-seconds: Minimum = 32ms, Maximum = 39ms, Average = 33ms路由测试：C:Documents and SettingsUsertracert 192.168.72.2Tracing route to 192.168.72.2 over a maximum of 30 hops 1 1 ms 1 ms 1 ms 192.168.248.1 2 19 ms 19 ms 19 ms 192.168.240.1 3 21 ms 20 ms 20 ms 192.168.224.1 4 20 ms 20 ms 20 ms 192.168.1.2 5 40 ms 39 ms 39 ms 192.168.64.2 6 49 ms 47 ms 47 ms 192.168.72.2Trace complete.显示整个网络通信正常。然后将D的S 0/0端口断开，观察E的链路状态数据库，发现其表项并未减少：Router Link States (Area 0)Link ID ADV Router Age Seq# Checksum Link count1.1.1.1 1.1.1.1 1396 0x80000004 0xDDE1 31.1.1.2 1.1.1.2 1798 0x80000003 0xFEE1 31.1.1.3 1.1.1.3 1396 0x80000005 0x1E74 31.1.1.4 1.1.1.4 282 0x80000006 0xFFD9 21.1.1.5 1.1.1.5 280 0x80000003 0xF9CD 3Net Link States (Area 0)Link ID ADV Router Age Seq# Checksum1.1.1.1 1.1.1.1 1397 0x80000001 0x7BB1 但是注意到被断开的链路所对应的年龄字段在不断增大（粗体部分）。观察E的路由表，发现已经更新了路由信息。后来发现，在链路断开的时候，E的路由信息就已经立即更新了，只不过被断开的链路的信息仍然保留在链路状态数据库中。因而观察链路状态改变有三种途径：debug命令的输出、链路状态数据库的age字段以及路由表。考虑到debug命令容易干扰正常的实验，因而在设计实验指导书的时候采用了后两种方法。多区域测试多区域的测试过程与单区域的大同小异。需要注意的是，如果之前曾经配置了单区域的OSPF进程，那么在配置多区域的OSPF之前一定要将以前的配置清除掉，否则会对多区域的配置产生干扰。实验中我们采用的是用erase命令清除所有配置，然后重新启动路由器。后来我们发现clear命令可以清除一个OSPF进程，而不会对路由器的接口配置产生影响。在路由器E上配置多区域OSPF的过程如下：启动OSPF进程：Router(config)#router ospf 1配置区域：Router(config-router)#network 192.168.248.1 0.0.0.255 area 2Router(config-router)#network 192.168.240.2 0.0.0.3 area 2在实验中我们发现，虽然配置了多区域，但是任何一台路由器的链路发生改变之后，所有的路由器都可以感知到变化，LSA的扩散过程与单区域的OSPF并没有什么不同。后来才知道路由器在默认状态下是不进行链路聚合的，必须手工进行链路聚合。在边界路由器进行链路聚合的命令如下（以路由器C为例）：Router(config-router)#area 2 range 192.168.224.0 255.255.224.0进行链路聚合之后，路由器E的链路状态数据库如下： OSPF Router with ID (1.1.1.5) (Process ID 1)Router Link States (Area 2)Link ID ADV Router Age Seq# Checksum Link count1.1.1.3 1.1.1.3 397 0x80000003 0x5309 21.1.1.4 1.1.1.4 447 0x80000004 0x821E 41.1.1.5 1.1.1.5 43 0x80000004 0xB309 1Summary Net Link States (Area 2)Link ID ADV Router Age Seq# Checksum192.168.1.0 1.1.1.3 388 0x80000001 0xAC1F 192.168.64.0 1.1.1.3 378 0x80000001 0x80FE 192.168.72.0 1.1.1.3 378 0x80000001 0x3244 对比单区域的链路状态数据库可以看出，多区域的链路状态数据库有着明显的不同。其数据库中只有本区域（这里是区域）的链路状态信息，而不存在本区域之外的链路状态信息，而通往192.168.1.0、192.168.64.0、192.168.72.0的路由都聚合在RID为1.1.1.3的路由器上。从E的路由表也可以看出这一点： 1.0.0.0/24 is subnetted, 1 subnetsC 1.1.1.0 is directly connected, Loopback0 192.168.224.0/30 is subnetted, 1 subnetsO 192.168.224.0 110/845 via 192.168.240.1, 00:11:48, Serial0/0 192.168.240.0/30 is subnetted, 1 subnetsC 192.168.240.0 is directly connected, Serial0/0C 192.168.248.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0O IA 192.168.1.0/24 110/846 via 192.168.240.1, 00:11:48, Serial0/0O IA 192.168.0.0/16 110/1628 via 192.168.240.1, 00:00:16, Serial0/0其中的192.168.0.0就是被C聚合的路由。将路由器B的Fa 0/0断开之后，路由器E的链路状态信息数据库没有发生任何变化，路由器E的路由表也没有发生改变。由此可以说明，区域外的链路状态的变化不会影响本区域的路由。将路由器A的Fa 0/0断开之后，路由器E的链路状态信息数据库变为： OSPF Router with ID (1.1.1.5) (Process ID 1)Router Link States (Area 2)Link ID ADV Router Age Seq# Checksum Link count1.1.1.3 1.1.1.3 105 0x80000007 0x4B0D 21.1.1.4 1.1.1.4 105 0x8000000A 0x7624 41.1.1.5 1.1.1.5 1717 0x80000006 0x9C25 3Summary Net Link States (Area 2)Link ID ADV Router Age Seq# Checksum192.168.1.0 1.1.1.3 1086 0x80000005 0xA423 由于路由器A在主干区域内，因而其链路状态的变化可以被路由器E感知，然而此时的路由表却没有发生变化。因此，路由器E是不清楚区域之外的链路状态细节的。 分区是OSPF的重要特征和优势。对区域路由进行聚合有利于建立层次化的网络，提高网络的性能和稳定性。局部的网络故障不会对整个网络造成太大的影响，也不会引起大规模的链路状态信息的扩散以及SPF算法的重新计算。以上的实验的结果证明了这一点。报文分析OSPF使用种不同类型的分组：hello分组、数据库描述分组、链路状态请求分组、链路状态更新分组以及链路状态确认分组。下面以一个最常见的hello分组进行分析：02 01 00 2c 01 01 01 01 00 00 00 00 fa 9c 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 ff ff ff 00 00 0a 02 01 00 00 00 28 00 00 00 00 00 00 00 00这段数据是直接附在IP头之后的，各字段内容如下：02（版本2)01（类型1）00 2c（长度44）01 01 01 01（RID 1.1.1.1）00 00 00 00（区域0）fa 9c（校验和）00 00（未加密）00 00 00 00 （加密口令）ff ff ff 00（掩码255.255.255.0）00 0a（hello间隔10秒）02（选项）01（优先级）00 00 00 28（链路死亡间隔40秒）00 00 00 00（制定路由器）00 00 00 00（备份路由器）可见OSPF是一种不依赖TCP或UDP的协议，它有独立的确认机制和差错控制机制，还提供了一定的加密验证功能。设计体会 OSPF协议是一种基本思想相对简单，但技术细节却十分复杂的协议，在短时间内演示其完整的运作机制是十分困难的。在翻阅OSPF文档的时候，发现其可选参数多达四十多个，而这些参数与OSPF的性能密切相关。幸运的是，在绝大多数情况下，使用它们的默认值就足够了。在我们的实验设计中，有意识的回避了实施起来相对困难的步骤。例如，OSPF协议一个重要的特征就是收敛时间短，但是在我们的实验网络中OSPF的收敛是如此的迅速（只有几秒甚至几百毫秒），以至于无法进行精确测算，而只能对其有一个感性的认识。又如，采用洪泛法扩散链路状态信息也是OSPF的一个主要特征，但是直接观测的方法（如sniffer软件或者debug命令）会产生大量难于分析和处理的数据，因而我们最终决定采用间接的方式，即从链路状态数据库和路由表的变化来了解链路状态信息的扩散过程。 在实验中可以发现一些没有预想到的问题。例如，我们原以为配置多区域之后，单区域的设置就被覆盖了，结果并非如此，因而在显示链路状态数据库的时候，单区域和多区域的数据混在一起了。又如，原以为在设置多区域之后，路由器会自动进行链路聚合，但事实上链路聚合是需要手工完成的。在对实验结果进行分析之后，我们对实验指导书进行了多次修改。 整个实验设计需要多人的集体协作。没有小组成员的共同努力和指导老师的帮助，本次实验设计是不可能取得成功的。附件一OSPF路由协议实验指导书学号_ 姓名_实验目的1、 掌握采用Cisco路由器建立、配置一个OSPF网络的方法；2、 比较在单区域与多区域中，LSA扩散范围以及路由表项的区别；3、 测试在链路状态发生改变时OSPF的运作机制；4、 了解实际的OSPF报文格式及其内容。（选作）预备知识1、 OSPF路由协议的基本原理；2、 CISCO路由器命令行基本操作及OSPF协议相关配置命令。实验环境1、 分组实验，每组5-7人。2、 网络拓扑：单区域多区域3、 网络设备：5台PC（预装终端模拟软件）；5台CISCO 2600路由器；连接线若干；集线器一台（可选）。实验原理 OSPF是一个无类路由选择协议，采用多播和路由限时器的概念来发现和维持邻居路由器。OSPF在区域中扩散发送链路状态通告，直到路由器的链路状态数据库完全一致，然后通过Dijkstra算法产生一个无环路径图表。每台路由器都拥有无环路径图表的完全拷贝，因此可以快速收敛。其具体过程如下：1、 初始化时，OSPF通过所有的接口以多播地址224.0.0.5发送HELLO数据包。在接收到HELLO数据包后，路由器会将此数据包与它自己的网络信息进行验证；2、 数据包经过验证之后，两台路由器就建立了邻接关系；3、 每台路由器向新建的邻居路由器发送链路状态信息；4、 每台邻居路由器记录新收到的信息，再转发到所有邻居路由器；5、 所有路由器收到链路状态信息后，建立完全相同的链路状态数据库，并由此产生无环路径图表。6、 通过无环路径图表更新路由表或转发数据库。 在本次实验中，实验者在PC上运行超级终端软件，通过TELNET协议登录到路由器上，完成配置OSPF的全部过程。实验步骤及数据记录一、任务分配一般应当保证一个人对一台路由器进行配置。工作站的配置工作不多，可由配置其相邻路由器的小组成员配置。二、建立实验网络1、 按照拓扑图连接各路由器和工作站；你所配置的路由器在拓扑图上的名称：_2、 通过串口登录到路由器；选择的串口名称：_ 速率：_3、配置路由器的各个接口；（请同时记录运行命令的模式，即系统提示符）接口在拓扑图上的标识：_ 接口类型：_选择此接口_设置IP地址_设置时钟频率（串口）_激活此接口_观察此接口状态_显示结果为_显示结果表明此接口是否已激活_接口在拓扑图上的标识：_ 接口类型：_选择此接口_设置IP地址_设置时钟频率（串口）_激活此接口_观察此接口状态_显示结果为_显示结果表明此接口是否已激活_4、创建并配置Loop back接口_5、在A与C所在的以太网中打开sniffer软件（选作）三、单区域