动态路由协议OSPF介绍
文章目录
- OSPF知识点汇总
- OSPF特性以及相关术语
- RID生成方式以及DR/BDR选举规则
- OSPF四种网络类型
- OSPF六种LSA类型介绍
- OSPF特殊区域
- OSPF五种报文分析
- OSPF报文结构
- OSPF工作原理
- OSPF八种状态机
- OSPF原理详细过程
OSPF知识点汇总
主要内容包括：OSPF相关术语、OSPF网络类型、常见LSA介绍、OSPF特殊区域、OSPF报文介绍和报文结构、OSPF状态机以及状态机迁移、OSPF工作原理。
OSPF特性以及相关术语
OSPF(Open Shorts Path Frist，开放式最短路径优先)：是一种内部动态路由协议，用于解决RIP不能是用于大型网络，存在环路的问题；
OSPF的特性：
- 使用SPF算法、支持汇总和认证、支持CIDR和VLSM、是无类路由协议；
- 协议号89、管理距离(华为10，思科110)、触发更新、增量更新、周期更新和组播更新，绝对无环路；
OSPF常见术语：
- IR(Internal Routers，区域内路由器)：设备所有接口都在同一个区内；
- ABR(Area Border Routers，边界区域路由器)：设备的接口属于两个或两个以上的区域，其中必有骨干区域。ABR用于连接普通区域和骨干区域，与骨干区域的连接，可以是物理上的连接，也可以是逻辑上的连接(虚链路)；
- ASBR(AS Boundary Routers，自制系统边界路由器)：设备接口至少一个接收了其他AS系统的路由信息。ASBR通常是在AS系统边界，但也可以在区域间，只要引进了外部路由(直连路由、静态路由、RIP路由、BGP路由等)就是ASBR；
注：ABR和ASBR与物理地址无关，只要能实现相关功能就是ABR或ASBR；- BR(Backbone Routers，骨干路由器)：设备接口至少有一个连接骨干区域。ABR和骨干区域内的路由器均是BR；
- 第一类外部路由(Type1 External)：经过ASBR引进的内部路由，计算方式为：开销=本设备到达ASBR的开销+ASBR到达目的路由的开销(OSPF区域内部的路由器到ASBR的开销+ASBR达到其他AS系统目的路由的开销)；
- 第二类外部路由(Type2 External)：经过ASBR引进的内部路由，计算方式为：开销=ASBR到达目的路由的开销(只计算其他AS区域内路由的开销，不计算OSPF区域内到达ASBR的开销)；
RID生成方式以及DR/BDR选举规则
RID(Router ID，路由ID)：用于唯一标识OSPF内的路由器；
RID的生成方式(生成方式按照优先级依次往下)：
- 手动配置；
- 如果没有手动配置，就使用路由器环回口的最大IP地址；
- 如果没有配置环回口，就使用路由器物理接口的最大IP地址；
DR/BDR(Designated Router/Back-up Designated Router，指定路由器/指定备份路由器)：在广播网络和NBMA网络环境中的角色，用于减少报文在环境中的传输，收集网络环境中的拓扑情况，发送给非DR/BDR，进行路由条目同步；
DR/BDR的选举：
- 比较路由器的接口优先级，优先级最高的为DR，次之为BDR，缺省优先级为1；
- 如果优先级相同，就比较RID，最大的为DR，次之为BDR；
注：在广播网络和NBMA网络中，每个网段都会选举出DR/BDR；优先级为0表示不参与选举；DR与BDR为邻接关系，DR/BDR与Dother为邻接关系，Dother与Dother为邻居关系；
OSPF四种网络类型
OSPF协议定义了四种网络环境：广播网络、NBMA(非广播网络)、P2P(点到点网络)和P2MP(点到多点网络)；
- 广播网络：选举DR/BDR，接口优先级默认为1，hello时间10s，自动发现邻居；组播发送hello、LSU和LSAck报文，单播发送DD和LSR报文；
- NBMA：选举DR/BDR，接口优先级默认为1，hello时间30s，手动设置邻居；单播发送Hello、DD、LSR、LSU和LSAck报文；
- P2P：不选举DR/BDR，接口优先级默认为1，hello时间10s，自动发现邻居；组播发送Hello、DD、LSR、LSU和LSAck报文；
- P2MP：不选举DR/BDR，几口优先级默认为1，hello时间30s，自动发现邻居，组播发送Hello报文，单播发送DD、LSR、LSU和LSAck报文；
注：缺省下，Dead Time(Hello死亡时间)是Hello时间的四倍；在邻接关系建立过程中两端的Hello时间不一致会造成邻居关系建立不成功；
OSPF六种LSA类型介绍
**LSA(Link State Advertisement，链路状态通告)**用于交换和保存整个网络的链路状态信息，从而掌握整个网络的拓扑结构，独立计算路由。
LSA常见的类型有6类：1类、2类、3类、5类、4类和7类；
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Type1 LSA(Router LSA，路由LSA)：
- 描述对应设备的物理接口所连接的链路或接口(宣告设备存在)，指明本设备接口信息(IP、子网掩码、MTU等信息)；向邻居发送本设备的链路状态信息；
- 传播范围：本地OSPf区域，不穿透ABR；
- 发送者：所有路由器；
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Type2 LSA(Network LSA，网络LSA)：
- 描述DR/BDR所在的网络拓扑结构；
- 传播范围：本地OSPf区域，不穿透ABR；
- 发送者：DR/BDR路由器；
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Type3 LSA(Network Summary LSA，网络汇聚LSA)：
- 描述所连接区域的整个区域拓扑结构，用于告知同AS内其他OSPf区域，本区域的拓扑结构和链路信息；
- 传播范围：所有OSPF区域(Totally stub和Totally NSSA区域除外)；
- 发送者：ABR；
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Type5 LSA(AS External LSA，自治系统外部LSA)：
- 描述AS外部路由进入OSPF区域的路由(即向所有OSPF区域描述到达非OSPF区域内设备的状态信息)；
- 传播范围：所有OSPF区域(NSSA/Totally NSSA特殊区域除外)；
- 发送者：ASBR；
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Type4 LSA(ASBR Summary LSA，ASBR聚合LSA)：
- 描述其他OSPF区域到达该ASBR的路径，由于第五类LSA在OSPF区域传播时不会修改下一跳，因此需要第四类LSA指明到达ASBR的路径；
- 传播范围：所有OSPF区域(NSSA/Totally NSSA特殊区域除外)；
- 发送者：ABR；
注：ASBR所在的区域内路由器都知道通往ASBR所在的外部路由器，因此该区域不会存在去往本ASBR的第四类LSA，会存在去往其他区域ASBR的第四类LSA；
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Type7 LSA(NSSA External LSA，NSSA外部LSA)：
- NSSA/Totally NSSA特殊区域内存在的路由，内容与第5类LSA基本相同；
- 传播范围：NSSA区域；
- 发送者：ASBR；
OSPF特殊区域
OSPF为了使某些性能较低的路由器也能够划入OSPF并减小这些路由的负担，划分了四种特殊区域：stub、Totally stub、NSSA和Totally NSSA区域；
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末节区域(Stub Area)：为某些性能较低并处于AS边界的路由器设置的优化策略；
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前提条件：
- 位于AS边界并且只有一个ABR；
- 没有ASBR；
- 无虚链路穿越的非骨干区域；
- 特殊区域内的路由器都需要配置(区域内路由器均知道)；
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存在的LSA：将Type4 LSA和Type5 LSA过滤，并由ABR生成一条Type3 LSA默认路由并通告给本区域内的所有路由器，使得本区域能够通过默认路由访问其他其余的路由器；
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完全末节区域(Totally Stub Area)：stub区域的优化版，过滤的更加彻底，有效的减少路由数量；
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前提条件：
- 位于AS边界并且只有一个ABR；
- 没有ASBR；
- 无虚链路穿越的非骨干区域；
- 特殊区域内的路由器都需要配置(区域内路由器均知道)；
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存在的LSA：将Type3、Type4 LSA和Type5 LSA过滤，并由ABR生成一条Type3 LSA默认路由并通告给本区域内的所有路由器，使得本区域能够通过默认路由访问其他其余的路由器；
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NSSA区域：上述两种区域的升级版，降低了特殊区域所需的前提条件；
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前提条件：
- 可以位于非AS边界区域，允许多个ABR和多个ASBR；
- 无虚链路穿越的非骨干区域；
- 特殊区域内的路由器都需要配置(区域内路由器均知道)；
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存在的LSA：将Type4 LSA和外部Type5 LSA过滤并在ASBR上将本区域的Type5 LSA转化为Type7 LSA，然后在ABR上将本区域Type7 LSA转化为Type 5 LSA发送给其他区域，并由ABR生成一条Type7 LSA默认路由并通告给本区域内的所有路由器，使得本区域能够通过默认路由访问其他区域的AS路由；
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完全NSSA区域(Totally NSSA Area)：NSSA区域的优化版
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前提条件：
- 可以位于非AS边界区域，允许多个ABR和多个ASBR；
- 无虚链路穿越的非骨干区域；
- 特殊区域内的路由器都需要配置(区域内路由器均知道)；
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存在的LSA：将Type3 LSA、Type4 LSA和外部Type5 LSA过滤并在ASBR上将本区域的Type5 LSA转化为Type7 LSA，然后在ABR上将本区域Type7 LSA转化为Type 5 LSA发送给其他区域，并由ABR生成一条Type7 LSA默认路由和一条Type3 LSA默认路由并通告给本区域内的所有路由器，使得本区域能够通过默认路由访问其他区域的AS路由和其他区域的路由器；
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注：OSPF骨干区域也是一种特殊区域，OSPF骨干区域是Area ID为0，不同区域之间的报文交换都必须经过骨干区域，并且其他非骨干区域必须直接或间接与骨干区域相连，因此OSPF网络必须要有骨干区域。
OSPF五种报文分析
OSPF五种报文包括：Hello报文、DD报文、LSR报文、LSU报文和LSAck报文；
五种报文的作用如下：
- Hello报文：建立和维护路由器之间的邻接关系，用于向邻居证明自己的存在；
- DD报文(Database Description，数据库描述)：包含有LSDB(链路状态数据库)信息的LSA摘要，用于比对LSDB(链路状态数据库)是否存在缺少的LSA；
- LSR报文(Link State Request,链路状态请求)：向邻居请求本设备缺少的LSA信息；
- LSU报文(Link State Update，链路状态更新)：按照LSR发送对方缺少的LSA详细信息；
- LSAck报文(Link State Acknowledge,链路状态应答)：表明收到了本设备所缺少的LSA详细信息；
OSPF报文结构
OSPF的五种报文(hello、DD、LSR、LSU和LSAck)采用的都是相同的OSPF报头；
注：OSPF报文解析在没有特殊说明的情况下，默认为广播网络环境=
OSPF报头格式：
| 报文字段 | 说明 |
|---|---|
| Version | 版本字段，指定当前OSPF协议使用的版本号，OSPFv2版本值为2； |
| Packet Type | 报文类型字段，标识报文类型，数值为1-5,分别对应五种报文； |
| Packet Length | 包长度字段，标识整个报文的字节长度(OSPF报头和各报文内容)； |
| Router ID | 路由器ID字段，指定发送者的源路由器ID； |
| Area ID | 区域ID字段，指定发送报文的路由器接口所在的OPSF区域ID |
| Checksum | 校验和字段，对整个报文(不包含验证字段)的校验和，用于对端路由器确定报文的完整性和正确性； |
| Auth Type | 验证类型字段，0为不认证、1为简单认证、2为MD5认证 |
| Authentication | 验证字段，不认证时没有该字段无数据；简单认证时此字段为验证密码；MD5认证时此字段为MD5摘要信息； |
Hello报文结构：
| 报文字段 | 说明 |
|---|---|
| Network Mask | 子网掩码字段，指定发送报文的路由器接口的子网掩码 |
| Hello Interval | Hello发送时间间隔字段，指定路由器发送报文的时间间隔，缺省为10s； |
| Options | 可选项字段，置“0”代表没有相应特性，置“1”代表具有相应特性，特性包括：E 是否允许泛洪AS-external-LSA；MC 是否允许转发IP组播报文；N 是否允许处理Type7 LSA；DC 是否允许处理按需链路； |
| Rtr Pri | 优先级值字段，指定本路由器的DR优先级值，默认为1； |
| Router DeadInterval | Hello死亡时间间隔字段，指定本地路由器失效时间，默认为40s；如果在该时间内没有收到Hello报文，就表明邻居失效； |
| Designated Router | DR路由器IP地址字段，指明本路由器的DR接口的IP地址； |
| Backup Designated Router | BDR路由器IP地址字段，指明本路由器的BDR接口的IP地址； |
| Neighbor | 邻居路由ID字段，指明邻居路由器的RID，可以有多个邻居； |
DD报文结构：
| 报文字段 | 说明 |
|---|---|
| Interface MTU | 接口MTU字段，指明发送报文的接口在不分段的情况下,可发送的最大值 |
| Options | 可选项字段，置“0”代表没有相应特性，置“1”代表具有相应特性，特性包括：E 是否允许泛洪AS-external-LSA；MC 是否允许转发IP组播报文；N 是否允许处理Type7 LSA；DC 是否允许处理按需链路； |
| I | 指定连续发送多个DD报文所处的位置，置“1”代表第一个报文，置“0”代表其他报文； |
| M | 指定连续发送多个DD报文所处的位置，置“0”代表最后一个报文，置“1”代表其他报文； |
| M/S | 主从关系字段，本端为Master设备就置为“1”，为Salve就置为“0”； |
| DD Sequence Number | 序列号字段，指定发送报文使用的序列号，保证报文的正确性和可靠性； |
| LSA Header | 摘要字段，指定报文中包含的LSA头部，可以同时包含多个LSA摘要； |
注：MTU值不一致会导致状态机一直停留在Exstart状态
LSR博文结构：
| 报文字段 | 说明 |
|---|---|
| LSA Type | LSA类型字段，指明请求的LSA类型，取值为1-5，对应相应类型； |
| Link State ID | 指定OSPF所描述的部分区域，该字段根据LSA类型不同而不同，Type1 LSA时，该字段为产生该LSA的路由器ID；Type2 LSA时，该字段为DR；Type3 LSA时，该字段为目的网络地址；Type4 LSA时，该字段为ASBR的RID；Type5 LSA和Type7 LSA时，该字段为目的IP地址； |
| Advertising Router | 通告路由类型，指定发送LSR报文的路由器ID； |
LSU 报文结构：
| 报文字段 | 说明 |
|---|---|
| Number of LSA | 指定报文中LSA的数量 |
| LSAs | 包含完整详细的LSA信息，同一个报文可以有多条详细LSA |
LSAck报文结构：
| 报文字段 | 说明 |
|---|---|
| LSA Age | LSA时间字段，指明LSA产生后经过的时间，单位为秒。LSA在本地LSDB会随时间老化，当泛洪扩散时，路由器会将LSA的老化增加一个Trans-delay时间； |
| Options | 可选项字段，置“0”代表具有相应特性，置“1”代表具有相应特性，特性包括：E 是否允许泛洪AS-external-LSA；MC 是否允许转发IP组播报文；N 是否允许处理Type7 LSA；DC 是否允许处理按需链路； |
| LSA Type | LSA类型字段，指明应答的LSA类型，取值为1-5，对应相应类型； |
| Link State ID | 指定OSPF所描述的部分区域，该字段根据LSA类型不同而不同，Type1 LSA时，该字段为产生该LSA的路由器ID；Type2 LSA时，该字段为DR；Type3 LSA时，该字段为目的网络地址；Type4 LSA时，该字段为ASBR的RID；Type5 LSA和Type7 LSA时，该字段为目的IP地址； |
| Advertising Router | 通告路由字段，指定发送LSAck报文的RID； |
| LSA Sequence Number | LSA序列号字段，指定发送报文使用的序列号，保证报文的正确性和可靠性； |
| LSA Checksum | 校验和字段，对LSAck报文进行校验，确保接收方收到该报文是可靠的，安全的； |
| Length | 长度字段，标识LSAck的字节大小； |
OSPF工作原理
介绍各个状态机的作用以及迁移过程。
OSPF八种状态机
- Down：所有OSPF设备的初始状态，发送包含有自己RID等信息的Hello请求报文；
- Attempt：在NBMA网络中，邻居失效时间超时后，仍没收到hello应答报文，然后不断轮询发送hello报文；
- Init：收到不包含有自己DR的hello报文就跳转到Init；
- 2-way：收到包含有自己DR的hello报文就跳转到2-way；
- Exstart：进行DR/BDR选举，建立邻居关系。发送空的DD报文，用于选举Master/Salve设备，并确定序列号；
- Exchange：发送带有LSA摘要的DD报文并接收邻居发送的DD报文，用于比较本设备LSDB(链路状态数据库)里所缺失的LSA；
- Loading：向其他设备发送LSR报文请求缺少的LSA，其他设备按照LSR报文回复LSU报文；
- Full：两端设备的LSDB同步完成后，相互发送LSAck报文；
注：状态机的切换不一定要依次切换，只要符合某个状态机的工作情况就会切换到该状态；
OSPF原理详细过程
在初始阶段，两端设备都处于Down状态，假定在广播网络且R1首先发送只包含有自己DR的Hello请求报文，R2收到对端发送hello报文时，发现该报文不包含有自己的RID，就从Down切换到Init状态，然后发送包含有自己和邻居RID的hello应答报文；
R1收到对端发送hello应答报文后，发现该报文中包含有自己的RID，就会从Down切换到2-way状态，然后将对端的RID加入到本地的邻居表里，再次发送包含有自己和R2路由器ID的hello应答报文，当R2收到包含有自己RID的hello报文，就会从Init切换到2-way状态；
R1和R2都进入2-way状态后，根据先前交互的Hello报文信息，共同进入Exstart状态。在Exstart状态下，R1和R2会选举出DR/BDR(比较优先级和RID)，DR/BDR选举完成后，就会发送不含有LSA摘要的DD报文，用于选举出主设备和从设备(RID大的为主设备)，并以主设备DD报文的序列号为基础(R1为主设备)，主从确定后，从设备R2以主设备的序列号向主设备R1发送LSA Header字段为空，M/S为0(表明自己为从设备)的DD报文并切换至Exchange状态，主设备R1收到R1发送的空DD报文，也从Exstart切换至Exchange状态；
主设备R1开始不断的向从设备R2发送LSA Header不为空的DD报文(LSDB包含有很多的LSA，因此会拆分发送)，从设备R2依次收到R1发送的DD报文后，都会按照主设备DD报文的序列号进行响应，当R1发送送完所有的不为空的DD报文就会从Exchange切换到Loading状态，当R2发送完LSA Header为空的DD响应报文后，也会从Exchange切换到Loading；
主设备发送完LSA摘要后，从设备R2根据这些LSA摘要信息查看本地LSDB发现有部分主设备的LSA没有包含，就会向R1发送LSR报文请求自己缺少的LSA，主设备R1收到LSR就会按照要求发送LSU报文(包含有LSR请求的LSA详细信息)，R2收到LSU报文后，会将LSU报文包含的LSA详细信息添加进本地LSDB，然后回复LSAck报文，表明自己收到了LSU报文，如果从设备R2发现自己的部分LSA信息主设备R1没有，R2就会变为主设备向R1发送LSA Header不为空的DD报文，R1再发送LSA Header为空的DD应答报文(全部发送完毕)，R1就会向R2发送LSR报文，R2收到LSR报文后发送相应的LSU报文，R1回复LSAck报文，至此R1和R2的LSDB同步完成，就切换进Full状态；
注：两端路由的MTU值不同就会一直处于Exstart状态；由于双发都有可能没有对方的LSA，故在DD报文交互的过程中主从关系不是固定的；
上述过程，如下图：
注：“进行DR/BDR选举”、“交互空的DD报文，确定主从设备关系”和"相互进行LSDB同步直至LSA重传列表为空(建立邻接关系)"均为双向交互的过程