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OSPF支持Hub-And-Spoke組網技術白皮書
關 鍵 詞：OSPF、Hub-And-Spoke
摘 要：Hub-And-Spoke組網是一種典型的網絡扁平化組網方案。本文描述了為了使OSPF協議能夠更好地支持Hub-And-Spoke組網，H3C對OSPF協議進行的一係列優化。
縮略語：
縮略語 | 英文全名 | 中文解釋 |
DD | Database Description | 數據庫描述報文 |
LSR | Link State Request Packet | 鏈路狀態請求報文 |
LSU | Link State Update Packet | 鏈路狀態更新報文 |
LSAck | Link State Acknowledgment Packet | 鏈路狀態確認報文 |
LSA | Link State Advertisement | 鏈路狀態通告 |
LSDB | Link State Database | 鏈路狀態數據庫 |
OSPF | Open Shortest Path First | 開放最短路徑優先 |
目前部分行業的組網應用開始出現網絡扁平化趨勢，Hub-And-Spoke組網就是一種典型的扁平化組網方式。
圖1 Hub-And-Spoke組網示意圖
和傳統的“核心層+彙聚層+接入層”組網相比，Hub-And-Spoke組網省略了彙聚層，核心層設備（Hub設備）直接和多個接入層設備（Spoke設備）相連，如圖1所示。這樣可以減少中間層網絡設備數量，簡化網絡管理和方便網絡維護。
另外，此組網還具有高擴展性的特點，在今後網絡規模擴大時隻需要把核心層下移作為彙聚層，同時增加新的核心層設備即可實現完整的三層體係結構，原有的網絡配置可以最大限度得到保留，實現網絡平滑擴容。
在Hub-And-Spoke這種組網中使用OSPF協議進行路由時，通常將Hub設備與所有Spoke設備規劃在同一個OSPF區域內，讓Hub設備與所有Spoke設備之間維持OSPF鄰居關係。此時，Hub設備鄰居數量眾多，會出現下麵的問題：
l 如何保證鄰居關係能夠穩定維持
能夠建立並維持穩定的OSPF鄰居關係，這是協議工作的基礎。如果Hub設備Hello報文接收和處理不及時，則在Spoke設備上會有鄰居超時，需要重新建立鄰居關係。
l 如何保證網絡穩定所需時間盡量短
Hub設備鄰居數量眾多，網絡收斂達到穩定需要時間比較長。這就要求Hub設備能夠用盡量短的時間建立數量眾多的鄰居，並把變化的路由信息盡快通告給所有的鄰居。
l 如何保證不影響其它業務的開展
Hub設備在支持大量OSPF鄰居的情況下，還需要運行一些其它業務，比如其它路由協議等，不能因為OSPF消耗大量係統資源而影響其它業務的運行。
針對上麵的問題，H3C對OSPF進行了優化，使之可以有效支持Hub-And-Spoke組網：
l 優先接收和處理Hello報文
l 限製並發建立鄰居數目
l 保證報文平緩發送
l 控製LSA的生成
l 控製進行SPF計算的時間間隔
l 大幅度提高了OSPF支持的鄰居數目，並提高了鄰居建立以及LSDB同步的效率，合理使用係統資源。
l 隻需要在Hub設備進行配置，實現簡單、方便維護。
l Hub設備：是Hub-And-Spoke組網中的中心設備，與數量眾多的Spoke設備相連。除了支持OSPF基本功能保證網絡層互通外，需要進行針對Hub-And-Spoke組網的處理。
l Spoke設備：是Hub-And-Spoke組網中的邊緣設備，與用戶網絡相連。隻需要支持OSPF基本功能保證網絡層互通。
設備配置了OSPF優先接收和處理Hello報文功能後，會優先接收Hello報文，這樣就避免了同其它報文競爭係統資源，不受其它類型OSPF協議報文和其它協議（比如BGP、IS-IS等）報文的影響。OSPF協議也會優先處理Hello報文，使得Hello報文能夠得到最大限度的及時處理，優先維持鄰居關係。
鄰居建立過程中，處於Exchange或Loading狀態的鄰居需要交互DD、LSR、LSU、LSAck等大量報文，如果並發建立的鄰居數很多，這時交互報文數量非常多，而係統資源是有限的，會導致大量報文被丟棄或不能及時處理。
H3C對OSPF協議進行優化，對處於Exchange和Loading狀態的鄰居數目進行限製。如果總數超過限製值，則不再允許新鄰居狀態向上進入到這兩個狀態，暫時將這些鄰居狀態停留在Exstart。當總數恢複到限製值以下時，才繼續允許鄰居進入這兩個狀態。這樣可以減少交互報文數量、減少丟失及重傳報文數，使得鄰居快速地分批達到Full狀態，建立一批穩定一批。
在Hub-And-Spoke組網中，每個Spoke設備的鏈路狀態信息都要借助Hub設備通告給其它Spoke設備。此外，Hub設備的鏈路狀態信息也要通告給所有Spoke設備，當Spoke設備很多時，由於鄰居狀態改變、定期刷新LSA或者路由震蕩引起的Hub設備需要發送的報文量非常大，並且這些報文是並發發送，遠遠超過係統的處理能力，影響鄰居建立的數量和效率，另外還會影響到其它業務的運行。
為了解決上麵的問題，H3C實現了報文平緩發送功能，通過配置來降低每個接口LSU報文的發送速率，從而減輕對係統資源的消耗，避免一些無謂的重傳，提高鄰居建立的數量和效率，並使得多業務可以順利開展。
OSPF的Router LSA用來描述設備在區域內的接口、鄰居等信息，每個區域隻能有一個，它的長度與接口、鄰居的個數成正比。當接口、鄰居很多時生成的Router LSA長度很大。當每個鄰居狀態到Full時，都會引起Router LSA改變，就需要向每個鄰居發送。而且這個LSA是隨著鄰居建立不斷變化的，直到最終鄰居狀態全部達到Full才穩定下來。如果不加以限製，大量的處理時間被用來向鄰居發送屬於中間過程的Router LSA，浪費了係統資源，影響鄰居建立的數量和效率。
通過命令行配置，係統就可以根據網絡拓撲變化的頻繁程度自動調節LSA生成時間間隔。LSA生成時間間隔在指定的最小時間間隔和最大時間間隔之間變化，變化的規律為“懲罰增量”按照二的冪次遞增，即隨著LSA反複生成的次數增多，其生成間隔就會越大，直到到達“最大間隔”為止。當時間間隔連續三次達到最大，則下一次的時間間隔又會被重置為最小時間間隔，開始新一輪的懲罰抑製功能。在Hub-And-Spoke組網中，當Hub設備和Spoke設備開始建立鄰居時，LSA生成的次數不斷增多，這個時候LSA生成時間間隔會逐步變大，這樣可以減少鄰居建立過程中的報文數量；當鄰居都已成功建立達到穩定後，LSA生成的次數比較穩定，LSA的生成時間間隔就會保持在最小時間間隔，使路由信息的交互更快捷。
當LSDB發生改變時，需要通過SPF算法重新計算最短路徑。對於Hub-And-Spoke這種有大量鄰居的組網情況，如果頻繁進行SPF計算，將會占用大量係統資源，Hub設備將不能及時處理Spoke設備發送的大量報文，從而使大量報文超時需要重傳，而重傳報文還是得不到及時處理會被丟棄，從而不得不依靠新一輪的重傳。
通過命令行配置，係統就可以根據網絡拓撲變化的頻繁程度自動調節SPF計算的時間間隔。SPF計算的時間間隔在指定的最小時間間隔和最大時間間隔之間變化，變化的規律為“懲罰增量”按照二的冪次遞增，即隨著SPF計算次數不斷增多，其計算間隔就會越大，直到到達“最大間隔”為止。當時間間隔連續三次達到最大，則下一次的時間間隔又會被重置為最小時間間隔，開始新一輪的懲罰抑製功能。在Hub-And-Spoke組網中，當SPF計算的次數不斷增多時（比如Hub設備和眾多Spoke設備開始建立鄰居關係），SPF計算的時間間隔會逐步變大，這樣可以使Hub設備能夠及時處理Spoke設備發送的報文；當網絡趨於穩定後，SPF計算的時間間隔就會保持在最小時間間隔，一旦LSDB發生變化立刻進行SPF計算，更新路由信息。
l RFC 2328：OSPF Version 2
l RFC 4222：Prioritized Treatment of Specific OSPF Version 2 Packets and Congestion Avoidance
OSPF支持Hub-And-Spoke組網典型配置舉例
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