华为HCIP - OSPF协议基础

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◉ 链路状态路由协议OSPF

所谓Link State（链路状态）指的就是路由器的接口状态。

路由信息传递与路由计算分离
OSPF作为链路状态路由协议，不直接传递各路由器的路由表，而传递链路状态信息，各路由器基于链路状态信息独立计算路由。

基于SPF算法
所有路由器各自维护一个链路状态数据库。邻居路由器间先同步链路状态数据库，再各自基于SPF（Shortest Path First）算法计算最优路由，从而提高收敛速度。

以“累计链路开销”作为选路参考值
在度量方式上，OSPF将链路带宽作为选路时的参考依据。“累计带宽”是一种要比“累积跳数”更科学的计算方式。

◉ OSPF的工作过程

OSPF的路由计算过程：

• 路由器之间发现并建立邻居关系。
• 每台路由器产生并向邻居泛洪链路状态信息，同时收集来自其他路由器链路状态信息，完成LSDB（Link State Database）的同步。
• 每台路由器基于LSDB通过SPF算法，计算得到一棵以自己为根的SPT（Shortest Path Tree），再以SPT为基础计算去往各目的网络的最优路由，并形成路由表。

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OSPF基本工作原理

◉ 邻居建立过程

Router ID

用于在自治系统中唯一标识一台运行OSPF的路由器，每台运行OSPF的路由器都有一个Router ID。

Router ID是一个32位的无符号整数，其格式和IP地址的格式是一样的。

OSPF的路由器Router ID重新配置后，可以通过重置OSPF进程来更新Router ID。

Router ID选举规则：

• 手动配置OSPF路由器的Router ID（通常建议手动配置）；
• 如果没有手动配置Router ID，则路由器使用Loopback接口中最大的IP地址作为Router ID；
• 如果没有配置Loopback接口，则路由器使用物理接口中最大的IP地址作为Router ID。

发现并建立邻居 - Hello报文

OSPF路由器之间在交换链路状态信息之前，首先需要彼此建立邻居关系，通过Hello报文实现。

• OSPF协议通过Hello报文可以让互联的路由器间自动发现并建立邻居关系，为后续可达性信息的同步作准备。
• 在形成邻居关系过程中，路由器通过Hello报文完成一些参数的协商。
• 邻居关系建立后，周期性的Hello报文发送还可以实现邻居保持的功能，在一定时间内没有收到邻居的Hello报文，则会中断路由器间的OSPF邻居关系。

Hello报文的作用：

• 邻居发现：自动发现邻居路由器。
• 邻居建立：完成Hello报文中的参数协商，建立邻居关系。
• 邻居保持：通过Keepalive机制，检测邻居运行状态。

OSPF邻居建立过程

状态含义：

• Down：这是邻居的初始状态，表示没有从邻居收到任何信息。
• Init：在此状态下，路由器已经从邻居收到了Hello报文，但是自己的Router ID不在所收到的Hello报文的邻居列表中，表示尚未与邻居建立双向通信关系。
• 2-Way：在此状态下，路由器发现自己的Router ID存在于收到的Hello报文的邻居列表中，已确认可以双向通信。
  

邻居建立过程：

• RTA和RTB的Router ID分别为1.1.1.1和2.2.2.2。当RTA启动OSPF后，RTA会发送第一个Hello报文。此报文中邻居列表为空，此时状态为Down，RTB收到RTA的这个Hello报文，状态置为Init。
• RTB发送Hello报文，此报文中邻居列表为空，RTA收到RTB的Hello报文，状态置为Init。
• RTB向RTA发送邻居列表为1.1.1.1的Hello报文，RTA在收到的Hello报文邻居列表中发现自己的Router ID，状态置为2-way。
• RTA向RTB发送邻居列表为2.2.2.2的Hello报文，RTB在收到的Hello报文邻居列表中发现自己的Router ID，状态置为2-way。

因为邻居都是未知的，所以Hello报文的目的IP地址不是某个特定的单播地址。邻居从无到有，OSPF采用组播的形式发送Hello报文（目的地址224.0.0.5）。

发现并建立邻居 - 手动建立

OSPF支持通过单播方式建立邻居关系。

对于不支持组播的网络可以通过手动配置实现邻居的发现与维护。

当网络规模越来越大或者设备频繁更新，相关联的OSPF路由器都需要更改静态配置，手动更改配置的工作量变大且容易出错。除了特殊场景，一般情况下不适用手动配置的方式。

OSPF路由器之间建立邻居关系是为了同步链路状态信息。

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◉ 链路状态信息

• 链路的类型
• 接口IP地址及掩码
• 链路上所连接的邻居路由器
• 链路的带宽（开销）
  

OSPF路由器同步的是最原始的链路状态信息，而且对于邻居路由器发来的链路状态信息，仅作转发。最终所有路由器都将拥有一份相同且完整的原始链路状态信息。

每台运行OSPF协议的路由器所描述的信息中都应该包括链路的类型、接口IP地址及掩码、链路上的邻居、链路的开销等信息。

路由器只需要知道目的网络号/掩码、下一跳、开销（接口IP地址及掩码、链路上的邻居、链路的开销）即可。

网络类型 - P2P网络

• 仅两台路由互连。
• 支持广播、组播。
  

P2P网络连接了一对路由器，广播、组播数据包都可以转发。

P2P网络的例子：两台通过PPP（Point-to-Point Protocol）链路相连的路由器网络。

网络类型 - 广播型网络

• 两台或两台以上的路由器通过共享介质互连。
• 支持广播、组播。

广播型网络支持两台及两台以上的设备接入同一共享链路且可以支持广播、组播报文的转发，是OSPF最常见的网络类型。

广播型网络的例子：通过以太网链路相连的路由器网络。

同时因为一个广播型网络中存在多台设备，邻居关系建立以及链路信息同步方面，OSPF都有对应的特性来减少同一网络多台设备带来的不利影响。

网络类型 - NBMA网络

• 两台或两台以上路由器通过VC互连。
• 不支持广播、组播。
  

与广播型网络不同的是NBMA网络默认不支持广播与组播报文的转发。在NBMA网络上，OSPF模拟在广播型网络上的操作，但是每个路由器的邻居需要手动配置。

NBMA（non-broadcast multiple access）型网络的例子：通过全互连的帧中继链路相连的路由器网络。

在现在的网络部署中，NBMA网络已经很少了。

网络类型 - P2MP网络

• 多个点到点网络的集合。
• 支持广播、组播。
  

将一个非广播网络看成是一组P2P网络，这样的非广播网络便成为了一个点到多点（P2MP）网络。在P2MP网络上，每个路由器的OSPF邻居可以使用反向地址解析协议（Inverse ARP）来发现。P2MP可以看作是多个P2P的集合，P2MP可以支持广播、组播的转发。

没有一种链路层协议默认属于P2MP类型网络，也就是说必须是由其他的网络类型强制更改为P2MP。常见的做法是将非完全连接的帧中继或ATM改为P2MP的网络。

OSPF的度量方式

OSPF在计算接口的cost时，cost=参考带宽/实际带宽，默认参考带宽为100M。当计算结果有小数位时，只取整数位；结果小于1时，cost取1。

若需要调整接口cost值有两种方式：

• 直接在接口下配置，需要注意的是，配置的cost是此接口最终的cost值，作用范围仅限于本接口。
• 修改OSPF的默认参考带宽值，作用范围是本路由器使能OSPF的接口。建议参考整个网络的带宽情况建立参考基线，所有路由器修改相同的参考带宽值，从而确保选路的一致性。

OSPF以“累计cost”为开销值，也就是流量从源网络到目的网络所经过所有路由器的出接口的cost总和，以RTA访问RTC Loopback 1接口192.168.3.3为例，其cost=G1’s cost+G3’s cost。

OSPF的度量方式不仅考虑“跳数”，而且还考虑了“带宽”，选择最优的转发路径。

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◉ 报文类型及作用

OSPF协议报文头部

OSPF有规定的通信标准，使用IP承载其报文，协议号为89。

在OSPF Packet部分，所有的OSPF报文均使用相同的OSPF报文头部：

• Version：对于当前所使用的OSPFv2，该字段的值为2。
• Type：OSPF报文类型。
• Packet length：表示整个OSPF报文的长度，单位是字节。
• Router ID：表示生成此报文的路由器的Router ID。
• Area ID：表示此报文需要被通告到的区域。
• Checksum：校验字段，其校验的范围是整个OSPF报文，包括OSPF报文头部。
• Auth Type：为0时表示不认证；为1时表示简单的明文密码认证；为2时表示加密（MD5）认证。
• Authentication：认证所需的信息。该字段的内容随AuType的值不同而不同。

OSPF报文类型

Type=1为Hello报文，用来建立和维护邻居关系，邻居关系建立之前，路由器之间需要进行参数协商。

Type=2为数据库描述报文（DD），用来向邻居路由器描述本地链路状态数据库，使得邻居路由器识别出数据库中的LSA是否完整。

Type=3为链路状态请求报文（LSR），路由器根据邻居的DD报文，判断本地数据库是否完整，如不完整，路由器把这些LSA记录进链路状态请求列表中，然后发送一个LSR给邻居路由器。

Type=4为链路状态更新报文（LSU），用于响应邻居路由器发来的LSR，根据LSR中的请求列表，发送对应LSA给邻居路由器，真正实现LSA的泛洪与同步。

Type=5为链路状态确认报文（LSAck），用来对收到的LSA进行确认，保证同步过程的可靠性。

DD、LSR、LSU、LSAck与LSA的关系：

• DD报文中包含LSA头部信息，包括LS Type、LS ID、Advertising Router 、LS Sequence Number、LS Checksum。
• LSR中包含LS Type 、LS ID和Advertising Router 。
• LSU中包含完整的LSA信息。
• LSAck中包含LSA头部信息，包括LS Type、LS ID、Advertising Router、LS Sequence Number、LS Checksum。

OSP报文的功能需求

OSPF路由器之间为了完成LSA的同步，可以直接把本地所有LSA发给邻居路由器，但是邻居路由器直接同步LSA并不是最好的方式。

更快速、更高效的方式是先在邻居路由器之间传送关键信息，路由器基于这些关键信息识别出哪些LSA是没有的、哪些是需要更新的，然后向邻居路由器请求详细的LSA内容。

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◉ LSDB同步过程

OSPF的LSDB同步

状态含义：

• ExStart：邻居状态变成此状态以后，路由器开始向邻居发送DD报文。Master/Slave关系是在此状态下形成的，初始DD序列号也是在此状态下确定的。在此状态下发送的DD报文不包含链路状态描述。
• Exchange：在此状态下，路由器与邻居之间相互发送包含链路状态信息摘要的DD报文。
• Loading：在此状态下，路由器与邻居之间相互发送LSR报文、LSU报文、LSAck报文。
• Full：LSDB同步过程完成，路由器与邻居之间形成了完全的邻接关系。
  

LSDB同步过程：

• RTA和RTB的Router ID分别为1.1.1.1和2.2.2.2并且二者已建立了邻居关系。当RTA的邻居状态变为ExStart后，RTA会发送第一个DD报文。此报文中，DD序列号被随机设置为X，I-bit设置为1，表示这是第一个DD报文，M-bit设置为1，表示后续还有DD报文要发送，MS-bit设置为1，表示RTA宣告自己为Master。
• 当RTB的邻居状态变为ExStart后，RTB会发送第一个DD报文。此报文中，DD序列号被随机设置为Y（I-bit=1，M-bit=1，MS-bit=1，含义同上）。由于RTB的Router ID较大，所以RTB将成为真正的Master。收到此报文后，RTA会产生一个Negotiation-Done事件，并将邻居状态从ExStart变为Exchange。
• 当RTA的邻居状态变为Exchange后，RTA会发送一个新的DD报文，此报文中包含了LSDB的摘要信息，序列号设置为RTB在步骤2中使用的序列号Y，I-bit=0，表示这不是第一个DD报文，M-bit=0，表示这是最后一个包含LSDB摘要信息的DD报文，MS-bit=0，表示RTA宣告自己为Slave。收到此报文后，RTB会产生一个Negotiation-Done事件，并将邻居状态从ExStart变为Exchange。
• 当RTB的邻居状态变为Exchange后，RTB会发送一个新的DD报文，此报文包含了LSDB的摘要信息，DD序列号设置为Y+1, MS-bit=1，表示RTB宣告自己为Master。
• 虽然RTA不需要发送新的包含LSDB摘要信息的DD报文，但是作为Slave，RTA需要对Master发送的每一个DD报文进行确认。所以，RTA向RTB发送一个新的DD报文，序列号为Y+1，该报文内容为空。发送完此报文后，RTA产生一个Exchange-Done事件，将邻居状态变为Loading。RTB收到此报文后，会将邻居状态变为Full（假设RTB的LSDB是最新最全的，不需要向RTA请求更新）。
• RTA开始向RTB发送LSR报文，请求那些在Exchange状态下通过DD报文发现的、并且在本地LSDB中没有的链路状态信息。
• RTB向RTA发送LSU报文，LSU报文中包含了那些被请求的链路状态的详细信息。RTA在完成LSU报文的接收之后，会将邻居状态从Loading变为Full。
• RTA向RTB发送LSAck报文，作为对LSU报文的确认。RTB收到LSAck报文后，双方便建立起了完全的邻接关系。

从建立邻居关系到同步LSDB的过程较为复杂，错误的配置或设备链路故障都会导致无法完成LSDB同步。为了快速排障，最关键的是要理解不同状态之间切换的触发原因。

OSPF邻居状态机

这是形成邻居关系的过程和相关邻居状态的变换过程。

• Down：这是邻居的初始状态，表示没有从邻居收到任何信息。在NBMA网络上，此状态下仍然可以向静态配置的邻居发送Hello报文，发送间隔为PollInterval，通常和Router DeadInterval间隔相同。
• Attempt：此状态只在NBMA网络上存在，表示没有收到邻居的任何信息，但是已经周期性的向邻居发送报文，发送间隔为HelloInterval。如果Router DeadInterval间隔内未收到邻居的Hello报文，则转为Down状态。
• Init：在此状态下，路由器已经从邻居收到了Hello报文，但是自己不在所收到的Hello报文的邻居列表中，表示尚未与邻居建立双向通信关系。在此状态下的邻居要被包含在自己所发送的Hello报文的邻居列表中。
• 2-Way Received：此事件表示路由器发现与邻居的双向通信已经开始（发现自己在邻居发送的Hello报文的邻居列表中）。Init状态下产生此事件之后，如果需要和邻居建立邻接关系则进入ExStart状态，开始数据库同步过程，如果不能与邻居建立邻接关系则进入2-Way。
• 2-Way：在此状态下，双向通信已经建立，但是没有与邻居建立邻接关系。这是建立邻接关系以前的最高级状态。
• 1-Way Received：此事件表示路由器发现自己没有在邻居发送Hello报文的邻居列表中，通常是由于对端邻居重启造成的。
• ExStart：这是形成邻接关系的第一个步骤，邻居状态变成此状态以后，路由器开始向邻居发送DD报文。主从关系是在此状态下形成的；初始DD序列号是在此状态下决定的。在此状态下发送的DD报文不包含链路状态描述。
• Exchange：此状态下路由器相互发送包含链路状态信息摘要的DD报文，描述本地LSDB的内容。
• Loading：相互发送LS Request报文请求LSA，发送LS Update通告LSA。
• Full：两台路由器的LSDB已经同步。

LSA头部

LSA是OSPF链路状态信息的载体

LSA（Link State Advertisement）是路由器之间链路状态信息的载体。LSA是LSDB的最小组成单位，也就是说LSDB由一条条LSA构成的。

所有的LSA都拥有相同的头部，关键字段的含义如下：

• LS age：此字段表示LSA已经生存的时间，单位是秒。
• LS type：此字段标识了LSA的格式和功能。常用的LSA类型有五种。
• Link State ID：此字段是该LSA所描述的那部分链路的标识，例如Router ID等。
• Advertising Router：此字段是产生此LSA的路由器的Router ID。
• LS sequence number：此字段用于检测旧的和重复的LSA。

LS type，Link State ID和Advertising Router的组合共同标识一条LSA。

LSDB中除了自己生成的LSA，另一部分是从邻居路由器接收的。邻居路由器之间相互更新LSA必然需要一个“通道”。

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◉ DR与BDR的选举及作用

DR与BDR作用

• 减少邻接关系
• 降低OSPF协议流量
  

DR（Designated Router）即指定路由器，其负责在MA网络建立和维护邻接关系并负责LSA的同步。

DR与其他所有路由器形成邻接关系并交换链路状态信息，其他路由器之间不直接交换链路状态信息。这样就大大减少了MA网络中的邻接关系数量及交换链路状态信息消耗的资源。

DR一旦出现故障，其与其他路由器之间的邻接关系将全部失效，链路状态数据库也无法同步。此时就需要重新选举DR，再与非DR路由器建立邻接关系，完成LSA的同步。为了规避单点故障风险，通过选举备份指定路由器BDR，在DR失效时快速接管DR的工作。

伪节点是一个虚拟设备节点，其功能需要某台路由器来承载，下面将介绍DR/BDR的选举规则。

DR与BDR选举

选举规则：DR/BDR的选举是基于接口的

• 接口的DR优先级越大越优先

• 接口的DR优先级相等时，Router ID越大越优先

邻居与邻接关系

邻居（Neighbor）关系与邻接（Adjacency）关系是两个不同的概念。OSPF路由器之间建立邻居关系后，进行LSDB同步，最终形成邻接关系。

在P2P网络及P2MP网络上，具有邻居关系的路由器之间会进一步建立邻接关系。

在广播型网络及NBMA网络上，非DR/BDR路由器之间只能建立邻居关系，不能建立邻接关系，非DR/BDR路由器与DR/BDR路由器之间会建立邻接关系，DR与BDR之间也会建立邻接关系。

邻接关系建立完成，意味着LSDB已经完成同步，接下来OSPF路由器将基于LSDB使用SPF算法计算路由。

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