电力系统数据专网OSPF协议的理论研究

摘要：电力系统数据专网的搭建采用的是OSPF协议。本文首先对OSPF协议进行较为详细的阐述，然后通过对其工作流程进行分析得出该协议在实际应用时存在着一些不足，并对OSPF协议在实际应用中的不足进行了较为细致的说明。

关键词：数据专网、OSPF协议、DR、BDR

中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：

一.引言

为了电力发展的改革需求，实现电力调度一体化，更方便的实现各个变电站之间信息数据的监控、交流、传输，在一定的范围内建立调度通信数据专网，以便能够实现上述需求。在建立数据专网的时候，考虑到实际情况和业务需求，确定采用开放最短路径优先协议，即：OSPF协议来完成对电力数据专网的组建工作。

二.OSPF协议简介

开放最短路径优先协议（Open Shortest Path First，OSPF协议）是一个内部网关协议，用于单个自治域体系（Autonomous System，AS）内路由器之间的路由选择[1]。OSPF协议使用Dijkstra（SPF）算法来计算出一条最短的路径完成对路由发送数据包的传输。与其他内部路由选择协议相比较，OSPF协议具有以下优势：收敛速度快、使用区域概念，减少网络设备硬件和网络带宽的占用、降低路由器之间通信的数据、支持多条路由路径的选择、可以查看外部路由标记，方便排查出故障。根据OSPF协议的这些特点，确定其适合大型网络的构建及维护。

三.OSPF协议中的基本概念和工作机制

3.1 OSPF协议中的基本概念

在对OSPF协议工作机制进行介绍之前，首先先介绍一些基本的概念[2]：

（1）自治域体系（AS）：采用同一种路由协议交换路由信息的路由器及其互联的网络构成一个系统。就称为一个自治域系统。

（2）链路状态信息（LSA）：使用OSPF路由协议的路由器收集其所在网络区域上各个路由器的连接状态的信息，描述了路由器所有的链路、接口和邻居路由等信息，即称为链路状态信息。

（3）链路状态数据库（LSDB）：当自治域体系内的OSPF路由器收到链路状态信息时，就会在自身路由器中建立一个路由表，用来保存到其他各个路由器的信息。通过LSA的扩散，使所有使用OSPF协议的路由器都会生成同样的LSDB。然后每一台路由器都使用SPF算法计算出距离其他路由器的最短路径，将其存入自己的路由表中，这个路由表就被称为链路状态数据库。链路状态数据库完成的是对整个自治域系统的网络拓扑结构的描述。

（4）指定路由器（DR）：在广播型网络或者在非广播多路访问型网络中，有可能存在多个路由器，为了避免路由器之间建立完全相邻关系而引起大量的通信开销，OSPF要求在区域内选出一个指定路由器DR。DR路由器完成对区域内所有路由器建立完全邻接关系，并负责收集所有的链路状态信息，再将其转发给其他路由器。

（5）备份路由器（BDR）：在选举出DR路由器时，为了保持网络的稳定，也会选出一个备份路由器BDR。BDR和DR具有相同的路由表，他们中都包含有区域内所有的路由信息，能够在DR失效的时候，承担起DR的职责。

（6）区域和区域ID：区域是一组路由的集合，相同区域内的路由器拥有相同的LSDB。OSPF协议用区域把一个自治域系统分为多个链路状态域，一个区域的拓扑结构对一个区域是不可见的。区域ID是一个32位的二进制数，用来区别不同的区域。

3.2OSPF协议的工作机制

OSPF协议的工作流程主要包含五个功能步骤，分别为：使用OSPF协议的路由器交换HELLO报文、选举主路由器（DR）和备份主路由器（BDR）、建立邻接关系、选择最佳路由（路径）、维护路由信息[3]。

第一步：使用OSPF协议的路由器交换HELLO报文

发送HELLO交换报文的目的是实现查询OSPF路由器的邻居路由器。HELLO报文通常包含有：拥有路由ID、区域ID、优先权等信息。与它相邻的路由器如果收到这个HELLO报文，就将这个报文内的信息，加入到自己的HELLO报文内。如果路由器的某个端口收到从其他路由器发送的、含有自身信息的HELLO报文，则根据该端口所在网络的类型，确定是否可以建立邻接关系。

所谓邻接关系是指使用OSPF路由协议的路由器以交换路由信息为目的，在所选择的相邻路由器之间建立的一种关系。当路由器发现自己出现在邻居的HELLO数据分组中，说明这两个路由器之间建立了邻接关系，当路由器之间的邻接关系建立起来后，就需要实现路由器之间的数据库同步。默认的HELLO包发送时间间隔是10秒，每隔10秒路由器向邻居路由器发送HELLO数据包完成对通信链路状态的确认。

第二步：选举指定路由器（DR）和备份指定路由器（BDR）

如果在点对点型网络（P2P）或者在点到多点型网络（P2MP）中，路由器将直接和对端路由器建立起邻接关系，无需选举出DR和BDR，如果在广播型网络或者在非广播多路访问型网络（NBMA）中，该路由器还要先进行DR和BDR的选举，然后再确立邻接关系。

在广播型网络或者在非广播多路访问型网络中，OSPF路由协议需要在网络结构中建立一个中心节点（路由器），该节点能和其他任何一个节点进行链路状态信息（LSA）交换和更新。因此网络结构就利用HELLO报文内的路由ID和优先权字段值来确定选择，优先权值最高的路由器称为DR。如果优先权值大小一样，则路由ID值最高的路由器选举为DR，优先权值次高的路由器选举为BDR。

第三步：建立邻接关系

在这个步骤中，路由器与路由器之间，首先利用HELLO报文中的路由ID信息，确认主从关系，然后让主从路由器相互交换部分链路状态信息。每个路由器对信息进行分析比较，如果收到的信息有新的内容，路由器将要求对方发送完整的链路状态信息。这个状态完成后，路由器之间建立完全邻接（Full Adjacency）关系，同时邻接路由器拥有了自己独立的、完整的链路状态数据库。在广播型网络或者在非广播多路访问型网络中，DR和BDR相互之间交换信息，并同时与本子网内其他路由器交换链路状态信息，如果在点对点型网络或者在点到多点型网络中，只有相邻路由器之间交换链路状态信息。

第四步：选择最佳路由（路径）

当一个路由器拥有完整独立的链路状态数据库后，它将会依据自己链路状态数据库的内容，以自身为根，并采用SPF算法计算出以棵最短路径树，然后从最短路径树得出到每个目的网络的最佳（最短）路径，并将其存入在自身路由表中。使用OSPF路由协议路由器是利用量度（Cost）计算目的路径，Cost值最小者为最佳路径。

第五步：维护路由信息

当一个使用OSPF路由协议的路由器，链路状态发生变化时，将会把关于自己的心的链路状态信息通过泛洪的方式通道网络上其他路由器。当其他路由器接收到包含有新信息的链路状态信息的报文时，将更新自己的链路状态数据库，然后用SPF算法从新计算到每个目的网络的最佳路径。在重新计算过程中，路由器继续使用旧路由表来传输数据包，直到完成新的路由表。

其中的“泛洪”过程，指的是路由器向其他路由器发送信息的过程。这一过程有两种情况：一是主路由器为了使区域内的其他路由器的路由表中同样拥有区域内路由信息，会主动的向区域内发送包含有其他路由器信息的数据包，并且这一数据包为泛洪的方式来进行网络内的发送；二是从路由器发现网络内的链路状态发生改变，OSPF路由器会产生新的LSA，向整个区域或者自治域系统系统扩散，邻居路由器在收到LSA后与自己的LSA数据库相对比，然后将新的LSA写入链路状态数据库中，这一过程实现的方式也为泛洪的方式。

四.OSPF协议的不足

从上述对OSPF协议的工作原理的描述上可以得出该协议存在着以下几点缺点：

（1）配置相对复杂。由于网络区域划分和网络属性的复杂性，需要网络分析员有较高的网络知识水平才能配置和管理OSPF网络。

（2）路由负载均衡能力较弱。OSPF虽然能根据接口的速率、连接的可靠性等信息，自动生成接口路由优先级，但在通往同一目的路由器的不同优先级路由中，OSPF只选择优先级较高的路由信息进行转发，不同优先级的路由中，不能实现负载分担。只有相同优先级的，才能达到负载均衡的目的，OSPF协议不能根据优先级的不同，实现自动匹配流量[4]。

（3）网络中存在有冗余信息的情况。为了保证区域网络的稳定性，会选举出DR和BDR，在选举结果出来后会出现泛洪广播，告知区域内的其他路由器，这样在短时间内，将会给整个区域内的网络带来很大的通信开销，直接影响网络的性能和质量。

五.总结

本文根据电力系统数据专网的搭建要求，对目前比较流行的OSPF协议进行了较为详细的理论分析。文章中较为详细的阐述了OSPF协议的工作流程，并对OSPF协议在实际应用中的一些不足进行分析。OSPF协议的这些不足的改进，将作为下一步的工作来进行研究。

参考文献

[1]邵国荣. OSPF应用研究[J]. 电脑知识与技术. 2011(5).

[2]周杰. OSPF路由协议的研究和应用[J]. 安徽电子信息职业技术学院学报. 2011(2).

[3]王晓东，迟扬，宋艳，霍吉. OSPF区域类型的划分和路由选择[J]. 计算机与网络. 2012(12).

[4]邵兵，李越鹏，赵保华. OSPF协议性能测试的研究与实践[J]. 计算机应用. 2012(3).