OSPF路由协议总结

OSPF（open shortest path Fist0）是IETF组织开发的一个基于链路状态的内部网关协议，具有收敛快、路由无环、可扩展等优点。

一、OSPF基础概念

1.1 协议特点

适用范围：IGP

类型：链路状态型动态路由协议

算法：i-SPF算法-SPF-dijkstra（对SPF算法的改进，使其更适合路由协议）

封装：基于IP封装，协议号为89—跨层封装在IP数据包中

版本：OSPFV2—IPV4、OSPFV3—IPV6

更新方式：组播或单播—224.0.0.5/224.0.0.6

​ 触发更新/周期更新—周期更新时间是30min

区域划分：OSPF需要合理规划IP地址和区域划分

​ —目的：减少lsa数量、减少lsa传播范围、减少对资源的消耗

​ —原因：OSPF需要消耗大量的路由器资源

metric计算：OSPF使用cost计算metric

​ cost=参考带宽/链路实际带宽

​ 每条路由信息的metric值=该条路径上每段链路的cost值的总和

1.2 OSPF概念

【一】Router-id

类似与IP地址形式

作用：

1、标识路由器在OSPF区域内的属性

2、区分不同LSA的始发路由器

优先级：

1、手工指定

2、最大环回接口

3、最大物理IP地址

【二】cost

OSPF中计算路径的参数属性

作用：表示一条路由的路径开销

计算方法：

1、接口cost值=接口参考带宽/接口实际带宽

2、路由cost值=路由经过的所有出向接口的cost值相加

cost常用来干涉选路

【三】Link-State（LSA）

LSA是指接口的状态信息，包括IP地址，子网掩码，网络类型，cost等。OSPF中传递的不是路由信息，而是LSA，各个路由器通过收集各个路由器发出的LSA，计算出网络的拓扑图，从而选择去各个目的网段的最佳路径，LSA在网络中始终是原始信息，不可改变。

常用类型：1、2、3、4、5、7类

【四】OSPF区域

OSPF是基于链路状态的，因此区域的划分是以链路为基础的，即一段链路只能属于一个OSFP区域。

目的：减少lsa数量、减少lsa传播范围、减少对资源的消耗

​ 原因：OSPF需要消耗大量的路由器资源

划分：

1.骨干域：区域0，必须存在并且唯一，作为OSPF的核心区域，所有的域间、域外路由通过区域0转发，常规区域（非骨干域）间不能传递路由。

注：严格意义上，骨干域内必须存在邻居关系，否则会有成环的风险。

2.非骨干域：非0区域，可以存在多个，但必须与骨干域邻接

3.特殊区域：由非骨干区域而来，在非骨干的区域上的减少lsa传递的数量

命名：区域id的命令采用整数数字，或IP地址形式

【五】路由器的角色

OSPF基于链路划分了骨干域和非骨干域，路由在不同的位置担任不同的角色，起着不同的作用。

ABR：区域边界路由器，位于骨干域和非骨干域的交接处，可以产生3类LSA，承担与骨干域的LSA交换及域间流量的进出口

ASBR：自治系统边界路由器，位于OSPF网络与其它网络的交接处，可以产生5类、7类LSA，承担与其它的网络的通信及将其它网络的路由信息引入的作用。

【六】虚电路

作用：

1、解决骨干域断裂的问题

2、解决不规则区域问题

【七】DR/BDR选举

在MA网络中，如果每个接口之间都建立邻接关系，那么将导致重复更新，OSPF是链路状态协议，没有接口的水平分割，所以需要指定一个主路由器，负责和其它设备交换信息

DR：主路由器

BDR：备份路由器

选举规则：

1、比较接口优先级-大优

P2P网络中接口的优先级为0，不参与选举，因此可将DRouter的接口优先级修改为0，DRouther和DR建立邻接关系，DRouther之间建立邻居关系，即Two-way状态

【八】网络类型

判断网络类型，是基于设备接口的二层封装技术来进行的

1、P2P：点到点通信网络，二层封装为ppp或hdlc，没有物理寻址，不需要选举DR/DBR，支持广播（PPP）

2、MA：多路访问 ，在一个网段内的节点数量不限制，支持广播，自动选举DR/BDR（以太网）

3、NBMA：非广播型多路技术，在一个MA网络中没有广播机制，需要手动指定邻居，不支持伪广播

广播：广播是发送一个报文，该报文在广播域内传递给所有设备

伪广播：通过单播的形式给每一个设备发送一个报文

4、MP：分支之间不能直接通信，需要绕行总部

二、OSPF报文及工作方式

2.1 OSPF报文及作用

【1】hello报文

建立和维护邻居关系

【2】数据库描述包-DBD

携带LSA目录，比对LSA信息，通过LSA头部的三个信息可以区别不同的LSA

~LS Type

~Link State ID

~advertising Router

【3】链路状态请求报文-LSR

向路由器请求特定的LSA

【4】链路状态更新报文-LSU

向请求的路由器发送LSA

【5】链路状态确认报文-LSACK

路由器收到LSA恢复确认

注：由于IP是无连接不可靠的协议，因此报文的发送需要确认，OSPF报文中除hello报文外，其它报文都需要确认

​ DBD-序列号隐式确认

LSR-LSU

LSU-LSACK

2.2 OSPF工作方式

Down → Init → Two-way → Exstart → Exchange → Loading → Full

【一】OSPF邻接状态建立

1、Down：启动状态

OSPF进程刚运行时，路由器没有收到任何数据包，路由器开始发送hello包。

hello包以组播的方式发送，组播地址：224.0.0.5，hello time：10s/dead time 40s

在非广播网络中，不能广播发送hello包，需要手工指定邻居，发送单播hello，进入Attempt状态。

2、Init：初始化状态

路由器收到hello包后进入该状态，并将收到hello包的Router-id加入到自己发送hello包的邻居列表中

3、Two-way：双向通信状态

路由器收到的hello包的邻居列表中包含自己的Router-id，则进入该状态，代表邻居关系建立，建立邻居表，将邻居的Router-id加表

P2P网络：进入下一状态

MA：选举DR/BDR，组播地址：224.0.0.6

4、Exstart：预启动状态

双方邻居关系建立完成以后，通过类hello包的DBD对比，选举主从设备-Master—Slave。主路由器定义DBD序列号，通过序列号的隐式确认，保证传输可靠性

注：如果双方MTU不同，则停在该状态

选举规则：

Router-id较大的成为Master

5、Exchange：准交换状态

双方开始发送DBD数据包，对比LSA信息，确定自己需要的LSA信息

6、Loading：加载状态

使用LSR/LSU/LSack来获取未知的LSA信息

lsr–请求列表-针对每一条发送lsu

lsu–重传列表-对方收到lsu后发送ack确认，如果没收到，则重发

7、full：准发状态

LSA发送完毕，链路状态数据库收敛完毕

附加：Attempt状态：出现在NBMA网络中，NBMA网络没有广播，所以需要手动指定邻居

【二】OSPF的三张表

1、邻居表-peer

路由器在各个激活的OSPF的接口上维护的邻居都列在邻居表中，在邻居关系建立后，将邻居的Router-id加入邻居表中

作用：描述与OSPF建立邻居的路由器及其状态

2、链路状态数据库-LSDB

存储LSA的信息，可以将自己产生及邻居通告的LSA存储在LSDB中，用于计算网络拓扑和生成路由条目，是OSPF运行SPF算法的基础数据

作用：收集LSA的信息，用于SPF算法计算

3、OSPF路由表-Routing

SPF算法对LSDB计算，得到最佳路径，并生成OSPF路由表

作用：提供前往目的网段的最佳路径

【三】OSPF邻居关系建立条件

1.router-ID必须不同

2.area-ID必须一致

3.认证类型和认证型数据都一致

4.hello时间、dead时间都一致

5.特殊区域标识必须一致

6.若在MA网络中，network mask必须一致

7.必须同时使用单播或组播

【四】OSPF各状态停止原因

1、卡在down状态：OSPF没有运行

2、卡在init状态：没有收到对方的包

3、卡在2-way状态：MA网络没法选举

4、卡在exstart状态：MTU不匹配

5、卡在exchange状态：包交互有问题，发出DBD后没有收到ACK

6、卡在loading状态：LSA加载不完全、包交互有问题

2.3 OSPF的收敛

【一】快速收敛

1、增量最短路径优先算法I-SPF

第一次计算全部节点，降低了CPU的占用率，提高网络的收敛速度

2、部分路由计算PRC

只对受影响的路由计算

3、智能定时器

对接口翻滚等带来的接口不稳定，进行智能控制，减少LSA洪泛

初次计算SPF的间隔时间由start-interval参数决定，第n>2次计算SPF时间为hold-interval*2（n-1）,当hold到达指定最长时间max-interval时，OSPF计算SPF的时间间隔都是最长时间间隔

【二】按优先级收敛

1、特定路由优先收敛的技术

可以通过前缀列表将指定路由过滤出来，通过不同的路由配置不同的收敛优先级，达到重要路由先收敛，提高网络可靠性

【三】触发更新

1、路由器注意到一个链路状态改变了，他会使用组播地址224.0.0.6向ospf dr和bdr发送LSU包，此包中包含LSA更新信息。

三、OSPF的LSA

3.1 LSA介绍

LSA	类型	作用
Router-LSA	Type-1	每个设备都会产生，描述了设备的链路状态和开销，在所在区域传输
Network-LSA	Type-2	由DR产生，描述网段的链路状态，在所属区域产生，是对1类的补充
Network-summary-LSA	Type-3	由ABR产生，描述区域内的网段 ，为域间路由服务
ASBR-summary-LSA	Type-4	由ABR产生描述到ASBR的路由，通告给非ASBR所在区域，是对5类的补充
AS-external-LSA	Type-5	由ASBR产生，描述AS外部的路由，通告到所有区域
NSSA-LSA	Type-7	由ASBR产生，描述AS外部的路由，只在NSSA区域传播
Opaque LSA	Type-9/Type-10/Type-11	9在网段内传播，10支持TE，11无

3.2 LSA更新

正常1800s更新一次，最大老化时间是3609s

【1】LSA的新旧比较

1、会先比较序列号，序列号越大越优，

2、如果序列号相同，会比较校验值（checksum)越大越优

3、如果校验值也相同，会比较LSA Age时间，是否等于MAX-age时间（3600）

4、如果age时间不等于max-age时间，会比较他们的差值，如果差值大15分钟（900秒），小的优

5、如果age时间不等于max-age时间，会比较他们的差值，如果差值小于15分钟，说明是同一条LSA，忽略其中一条

【2】LSA更新时间

1、周期更新-1800s

2、触发更新

3.3 LSA优化

【1】汇总

1）域间路由汇总—将非骨干区域汇总到骨干区域

将3类LSA汇总，减少更新量

2）域外路由汇总—将外部路由汇总为一条导入到OSPF中

将5类LSA汇总，减少更新量

【2】特殊区域

不能是骨干区域，不能存在虚电路

一、不存在ASBR

1、末梢区域 stub

​ 拒绝4/5类的LSA，生成一条3类的缺省指向骨干区域

2、完全末梢区域 Totally stub area

​ 拒绝3/4/5类lsa，仅保留一条3类的缺省

二、存在ASBR

1、Not-So-Stubby Area 非完全末梢区域

​ 拒绝其他区域的ASBR产生的4/5类LSA，本地区域内ASBR产生的5类LSA，以7类在本区域传播，从本区域进入骨干区域时由ABR（新的ASBR）转换为5类，同时自动产生一条7的缺省指向骨干区域

2、 Totally Not-So-Stubby Area

​ 在NSSA的基础上，进一步拒绝3类LSA，生成一条3类缺省指向骨干区域

【3】缺省路由

普通区域：

ASBR上手动配置产生缺省5类，通告到OSPF自治区域外（特殊区域除外）

STub区域：

ABR自动产生一条缺省3类LSA，通告到整个Stub区域内

Totally Stub区域：

ABR会自动产生一条缺省3类LSA，通告到整个Stub区域内

NSSA区域：

ABR自动产生一条缺省LSA，通告到整个NSSA区域内

ASBR手动配置产生一条缺省7类LSA，通告到整个NSSA区域内

Totally NSSA区域：

ABR自动产生一条缺省3类LSA，通告到整个NSSA区域内

四、OSPF选路及不规则区域

4.1 OSPF选路

1、拓扑优于路由 1/2LSA计算所得路由优于3/4/5/7类计算所得

2、内部优于外部 3类优于4/5/7类

3、AS区域内和区域间描述的是AS内部的结构，AS外部路由则描述的是AS以外的目的地址的路由

OSPF将引入AS外部的路由分为Type1和Type2两类

Type1：

到第一类外部路由的开销=本设备到相应的ASBR的开销+ASBR到目的网络的开销

Type2：

到第二类外部路由的开销=ASBR到目的网络的开销

4.2 不规则区域解决方法

【一】tunnel 隧道

在两台的ABR上建立tunnel，然后将其宣告到OSPF协议中

缺点：

1、周期和触发的信息将对中间的穿越区域造成资源的占用；

2、选路不佳

【二】虚电路

网络中合法的ABR（工作的区域0的ABR），和非法ABR间建立一条虚链路（在OSPF协议中构建，没有新生网段） 由合法ABR授权非法ABR进行区域间路由共享

优点：

没有新生链路，故选路正常

缺点：

设备中依然保留周期的hello包和更新----占用中间区域资源

【三】OSPF多进程双向重发布

OSPF多进程，进程号仅具有本地意义，邻居间建立邻居关系时可以使用不同的进程号；

若在一台设备上同时启动多个进程，那么不同进程存在自己的邻居关系，生成不同的数据库（不共享）；

最终将所有数据库计算所得路由加载于同一张路由表中；

在解决不规则区域时，可以让非法ABR将不同的OSPF区域工作在不同的OSPF进程中，之后使用双向重发布技术来实现路由共享

4.3 OSPF防环

【一】区域内防环

域内会有两种LSA-Router和Network，LSDB通过描述一个有向线段图来描述网络拓扑结构

机制：路由器以自己为根构造最短路径树

1、仅考虑路由器和传输网络之间的传输

2、末节网络作为叶子加入树

总结：构造最短路径树

【二】区域间放环

1. OSPF要求所有的非0区域必须与骨干区域直接相连，区域间路由需经由骨干区域中转。

2）因此当一台ABR在非Area0的区域中收到Type-3 LSA时，虽然它会将其装载进LSDB，但是该 路由器不会使用这些Type-3 LSA进行路由计算，当然它更不会将这些Type-3 LSA再注入回Area0中。

3. ABR不会将描述一个Area内部的路由信息的Type-3 LSA再注入回该区域中。

总结：区域间水平分割

【三】区域外放环

Type-5 LSA将会被泛洪到整个OSPF域，表面上看，它本身并不具有什么防环的能力，但是实际上，它并不需要，因为它可以依赖Type-1 LSA及Type-4 LSA来实现防环。

总结：依赖4类LSA放环

4.4 路由过滤

OSPF可以使用路由策略包括route-policy、filter、filter-policy，filter-lsa-out，access-list，prefix-list

【1】路由引入过滤

在重发布时配置策略

【2】3类LSA学习、发布过滤

Filter inport、filter export在ABR上对进入离开本区域的3类LSA过滤

【3】5类、7类LSA生成过滤

Filter-policy export 对5、7类LSA过滤

【4】接口视图下的lsa过滤

通过OSPF filter-LSA-out，匹配除Grace LSA外的所有LSA、3、5、7类LSA，并匹配ACL规定的路由前缀时

【5】路由计算过滤

通过filter-policy import过滤规则，可以设置OSPF数据库中的域内、域间、域外LSA计算为路由条目时进行过滤

五、OSPF其它特点

5.1 路由类型

AS区域内和区域间描述的是AS内部的结构，AS外部路由则描述的是AS以外的目的地址的路由

OSPF将引入AS外部的路由分为Type1和Type2两类

Type1：

到第一类外部路由的开销=本设备到相应的ASBR的开销+ASBR到目的网络的开销

Type2：

到第二类外部路由的开销=ASBR到目的网络的开销

5.2 OSPF路由优先级

1、域内：10 域外：150 （RIP 100 ISIS 15 静态 60 Eigrp 80 BGP 255）

内部路由优先级要小于其他IGP路由协议

外部路由优先级要大于其他IGP路由协议

外部路由大于内部路由会给路由协议带来水平分割保护机制

5.3 附录E

附录E — link-id相同的问题

若一台ABR将两条3类LSA导入其他区域；同时这两条LSA的link-id会相同；

假设：短掩码网段先进入，link-id正常显示；长掩码进入时link-id加反掩码

20.1.0.0/16–link-id 20.1.0.0

20.1.0.0/24–link-id 20.1.0.255

若长掩码先进入，再短掩码进入时，长掩码的信息被刷新为反掩码；

link-id相同时，短掩码正常显示，长掩码加反掩码

5.4 sham-LINk

背景：在MPLS-BGP网络中，由于ospf网络之间还有备份网络，回导致路由优先选择备份路径，原因是OSPF的选路规则，域间或域内大于域外

原理:通过两个可以在PE的vr中通信的回环地址,让俩个PE建立ospf的邻居关系,从而不再依赖bgp的v4来传递俩个PE之间的ospf路由。shame-link的建立是的俩个站点之间的ospf拓扑由

CE1（OSPF_PE1（OSPF-PE1）-*PE2（BGP）-*PE2（OSPF）-CE2（OSPF）

到1

CE1 (OSPF)——> PE1 (OSPF） > PE2 (OSPF) - > CE2 (OSPF)

5.5. Option字段

Option字段：

DN-用来避免在MPLS-VPN中环路，当PE向CE发送3类、5类、7类LSA时，需要设置DN位，其他PE收到该LSA时，不能用于计算

N/P-对7类LSA的控制，N=1表示，支持接受7类LSA，N=0表示不支持，P位告诉ABR将7类转为5类

E-支持接受外部LSA，可以接受5类LSA时，该位置位

MT-支持多拓扑OSPF

5.5 Database Overflow

通过设置路由器上非缺省外部路由数量的上限，来避免数据库超限，OSPF网络中所有的路由器都必须配置相同的上限值

OSPF Datebase Overflow过程：

1、进入该状态，删除自己产生的非缺省外部路由

2、处于该状态中时，不产生非缺省外部路由，丢弃新收到的外部路由并不回复确认报文，如果超限状态定时器超时（5s），检查外部路由数量是否仍然超限，如果超限则重启定时器，没有则退出

3、退出该状态时，路由器删除定时器，产生非缺省外部路由，接受新收到的非缺省外部路由并回复确认报文

5.6 FA地址

FA地址是5、7类LSA特有的

在OSPF引入外部路由时，若产生的五类LSA的FA地址为0.0.0.0，则其他路由器在计算到达该外部网络时，将考虑如何到达ASBR来计算出外部路由的下一跳地址

在OSPF引入外部路由时，若产生的五类LSA的FA地址不为0.0.0.0，则其他路由器在计算到达该外部网络时，将考虑如何到达该FA地址来计算出外部路由的下一跳地址