OSPF报文类型、五类数据包详解

OSPF

目录

OSPF

1. OSPF简介

1.1 OSPF邻接状态

1.1.1 OSPF Down 状态

1.1.2 OSPF Attempt 状态

1.1.3 OSPF Init状态

1.1.4 OSPF 2-way状态

1.1.5 OSPF Exstart状态

1.1.6 OSPF Exchange状态

1.1.7 OSPF Loading状态

1.1.8 OSPF Full状态

1.1.9 建立邻接关系的过程

1.2 OSPF 数据包

1.2.1 Hello 数据包

1.2.2 DBD数据包

1.2.3 LSR数据包

1.2.4 LSU数据包

1.2.5 LSack 数据包

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1. OSPF简介

 

OSPF是一种适用于大型复杂网络的链路状态型内部网关路由协议。作为IETF的标准，OSPF广泛部署于许多大型网络。

OSPF直接运行于IP层之上，其协议号为89，在运行层次上于TCP相同，TCP也是直接运行于IP层之上，只是协议号为6。OSPF不使用任何传输层协议（例如TCP）来保证其可靠性。OSPF自身内置有可靠性传输机制。

OSPF支持：

• 属于无类路由协议
• 支持VLSM
• 组播地址：

224.0.0.5 所有OSPF路由器地址

224.0.0.6 指定路由器DR地址和备份指定路由器BDR地址

• Authentication：

明文认证

MD5认证

• 管理距离：110

 

 

OSPF区域：

• 分为骨干区域和非骨干区域
• 每个网络拓扑里面只允许存在一个骨干区域，所有的非骨干区域必须与骨干区域相连。

 

OSPF网络类型：

 

网络类型	Hello时间	Dead时间	邻居与邻接关系
broadcast	10s	40s	自动建立邻居，选举DR/BDR
P2P	10s	40s	自动建立邻居，无需选举DR/BDR
P2MP	30s	120s	手动指定邻居，无需选举DR/BDR
NBMA	30s	120s	手动指定邻居，选举DR/BDR

 

OSPF报文类型：

类型	描述	用途
1	Hello	用来发现邻居、选举DR/BDR，维护OSPF邻居关系
2	DBD（数据库描述）	用在数据库交换过程中，确立主/从关系，交换LSA包头，以及确定首个序列号
3	LSR（链路状态请求）	用在DBD交换过程中，请求本路由器已知的特定LSA
4	LSU（链路状态更新）	用来向已发出LSR数据包，以请求特定LSA的邻居，发送完整的LSA
5	LSack（链路状态确认）	用来确认本路由器已收到的LSU数据包

在OSPF路由计算过程中采用的是Dijkstra算法。OSPF路由器会利用此算法来计算出最短路径树（SPT）。每台OSPF路由器都会发送一种易于解读都报文——链路状态通告（LSA），向邻居路由器描述本机以及本机所连接的链路。

 

1.1 OSPF邻接状态

 

OSPF邻居路由器之间之所以建立邻接关系，是为了相互交换路由信息。OSPF邻居路由器之间会通过Hello协议（互发Hello数据包），来建立和维持临接关系。

 

OSPF路由器可与邻居路由器维系多种邻居状态，如下所列：

• Down状态
• Attempt状态（只在NBMA环境中）
• Init状态
• two-way状态
• Exstart 状态
• Exchange 状态
• Loading 状态
• Full状态

1.1.1 OSPF Down 状态

 

如图1-1所示，R1和R2都运行OSPF。邻居状态显示为Down状态，表明OSPF路由器尚未从邻居路由器收到任何OSPF协议数据包。

 

图1-1 OSPF Down状态

 

1.1.2 OSPF Attempt 状态

 

只有在NBMA网络环境中，才会出现Attempt状态。若一台OSPF路由器将其邻居路由器显示为Attempt状态，则表示未从邻居路由器收到任何OSPF协议数据包。此OSPF路由器会定期（按Hello数据包中Hello interval字段所指明的时间值）连续发出Hello数据包，来“联络”邻居路由器。如图1-2所示，R1发出Hello数据包，表明自己即未发现其他路由器，也不知DR何在。

 图1-2 OSPF attempt状态

 

1.1.3 OSPF Init状态

 

Init状态表示有一方收到了Hello数据包。如图1-3所示，R1发出Hello数据包。收到此Hello数据包之后，由于R2在其所含邻居路由器字段中未发现自己的Router-ID，因此邻居双方会步入单向（接收）状态。

图1-3 OSPF Init状态

 

1.1.4 OSPF 2-way状态

 

当OSPF邻居双方都收到了对方发出的Hello数据包之后，就会建立起2-way状态。在2-way状态的建立过程中，会选举出了DR和BDR。如图1-4所示，R2所发Hello数据包的邻居路由器字段中包含了R1的Router-ID，收到此数据包之后，R1就知道R2已经收到了自己先前发出的Hello数据包。由于R2的Router-ID更高，因此会在此Hello数据包的指定路由器字段中填入自己的Router-ID，表明自己是DR。

图1-4 OSPF 2-way状态

 

1.1.5 OSPF Exstart状态

 

在Exstart状态下，OSPF邻居双方会发起数据库同步过程。此外，还会选举出 主/从路由器。因为DBD交换所用的第一个序列号也会在Exstart状态下确定。如图1-5所示，R1和R2都会发出自己的第一个DBD数据包。Router-ID最高的路由器被选举为主路由器。本案例，R2的Router-ID最高，因此R2称为主路由器。

数据包中的I，M，MS状态：

• I位：此位置1时，表示邻居双方发出的首个DBD数据包。
• M位：此位置1时，表示DBD数据包尚未发送完毕。
• MS位：主、从（Master and Slave）位。此位置1时，表示在DBD交换过程中，发包路由器为“主”路由器，此位置0时，则为“从”路由器。
• DBD序列号：此字段包含由“主”路由器设置的唯一值（序列号），在数据库交换过程中使用。只有“主”路由器才能增加此字段的值（序列号的值）。

图1-5 OSPF Exstart 状态

 

1.1.6 OSPF Exchange状态

 

在Exchange状态下，OSPF邻居双方会互发描述本路由器所持完整链路状态数据库的DBD数据包。每个DBD数据包都必须得到确认。只允许存在一个未经确认（在途）DBD数据包。在此状态下，OSPF路由器还会发出LSR数据包，来请求新的LSA实例。图1-6所示，OSPF邻居双方在Exchange状态下的交互。由图1-6可知，R1和R2正交换各自的链路状态数据库信息。此外，还可获知R2将其发出的最后一个DBD数据包中的M位置0，表明“主”路由器已无更多DBD数据包要发。R1（“从”路由器）会发送其余的DD数据包，发完之后，也会顺带在最后一个DD数据包中将M位置0。此时便标志着OSPF邻居双方已经交换完描述各自链路状态数据库的完整信息了。

图1-6 OSPF Exchange状态

 

1.1.7 OSPF Loading状态

 

在loading状态下，OSPF邻居双方会互发LSR数据包，以请求在Exchange状态下（由对方通过DBD数据包通告）未曾接收到的LSA的最新实例。由图1-7可知，R1正处于loading状态，且已发出LSR数据包，要求R2向其发出某条LSA的最新实例。

图1-7 OSPF Loading状态

 

1.1.8 OSPF Full状态

 

此状态表示OSPF邻居双方已经交换了完整的信息。如图1-8所示，R1和R2已经交换完了各自的链路状态数据库信息，且同处于Full状态。

图1-8 OSPF Full状态

 

1.1.9 建立邻接关系的过程

OSPF路由器建立邻接关系的过程详细描述：

1. OSPF路由器接口UP，发送Hello数据包。如果在NBMA网络环境中将进入Attempt状态。
2. OSPF路由器接口收到Hello数据包，进入Init状态。并将该Hello数据包的发送者的Router-ID，添加到Hello数据包（自己将要从该接口发送出去的Hello数据包）的邻居列表中。
3. OSPF路由器接口收到邻居列表中含有自己Router ID的Hello数据包，进入2-way状态，形成OSPF邻居关系，并把该路由器的Router ID添加到自己的OSPF邻居表中。
4. 在进入2-way状态后，广播、非广播网络类型的链路，在DR选举等待时间内进行DR选举。点对点没有这个过程。
5. 在DR选举完成或跳过DR选举后，建立OSPF邻接关系，进入Exstart(准启动)状态；并选举DBD交换主从路由器，以及由路由器定义DBD序列号，Router ID大的为主路由器。目前是为了解决DBD自身的可靠性。
6. 主从路由器选举完成后，进入Exchange(交换)状态，交换DBD信息。
7. DBD交换完成后，进入Loading状态，对链路状态数据库和收到的DBD的LSA头部进行比较，发现自己数据库中没有的LSA就发送LSR，向邻居请求该LSA；邻居收到LSR后，回应LSU；收到邻居发来的LSU，存储这些LSA到自己的链路状态数据库，并发送LSack确认。
8. LSA交换完成后，进入Full状态，所有形成邻居的OSPF路由器都拥有相同链路状态数据库。
9. 定期发送Hello数据包，维护邻居关系。

 

1.2 OSPF 数据包

 

OSPF报文类型：

 

图1-9 OSPF 数据包格式

类型	描述	用途
1	Hello	用来发现邻居、选举DR/BDR，维护OSPF邻居关系
2	DBD（数据库描述）	用在数据库交换过程中，确立主/从关系，交换LSA包头，以及确定首个序列号
3	LSR（链路状态请求）	用在DBD交换过程中，请求本路由器已知的特定LSA
4	LSU（链路状态更新）	用来向已发出LSR数据包，以请求特定LSA的邻居，发送完整的LSA
5	LSack（链路状态确认）	用来确认本路由器已收到的LSU数据包

表1-1 各类 OSPF 数据包

 

图1-10 OSPF 数据包报文

 

OSPF数据包首部共有24个字节：

• Version:OSPF的版本号,IPV4为OSPFV2,IPV6为OSPFV3
• Type:OSPF数据包类型(Hello,DBD,LSR,LSU,LSack)
• Packet Lenth:OSPF数据包长度
• Router ID:发出OSPF数据包的路由器的Router-ID，一般都是OSPF路由器（接口）的IP地址。
• Router-ID用在自治系统（OSPF路由进程域）内标识OSPF路由器的唯一性。若在路由器上创建了loopback接口，则取自IP最高的lookback接口。
• Area ID:发出OSPF数据包的路由器接口所在的区域。OSPF区域ID的写法有两种：区域1或者区域0.0.0.1。
• Checksum:校验和
• AuType:OSPF的认证类型(0-无认证,1-明文认证,2-密文认证)
• Authentication:OSPF的认证,当Type为0时不检查该字段,当Type为1时包含最长为64bit的口令,当Type为2时包含KEY-ID消息摘要和不减小的加密序列号
• Packet Data:数据包中的数据

 

1.2.1 Hello 数据包

 

Hello数据包是OSPF 1 类数据包。Hello数据包的作用是：让两台OSPF路由器建立起邻居关系。在MA/NBMA网络环境中，Hello数据包选举OSPF路由器的DR/BDR。通过广播介质发送时，Hello数据包的目的IP地址为224.0.0.5；通过非广播介质发送，其目的IP地址为单播IP地址。如图1-11所示。

图1-11 OSPF Hello数据包

 

• Network Mask：表示发送Hello数据包（参与OSPF进程）的路由器接口的网络掩码。仅只有广播介质（MA网络环境中）才会检查此字段值。
• Hello Interval：表示每隔多长时间发送一次Hello数据包，单位为秒。对于两台尝试建立OSPF邻接关系的路由器来说，Hello 和 Dead 时间必须一致。其中Broadcast和P2P，此字段值为10s；其他网络环境中，此字段值为30s。
• Options：表示（发送Hello数据包的）路由器所支持的能力。Options字段的格式如下所列：

 

DN

O

DC

EA

N/P

MC

E

T

• DN位，为MPLS/VPN所用。
• O位用于不透明LSA（opaque LSA）详见RFC2370。
• DC位表示路由器支持按需电路特性。参考网上博文 OSPF DC按需链路技术 剖析
• EA位表示路由器支持（接收及转发）外部属性LSA。
• N/P位表示路由器支持非完全端区域（not-so-stubby area,NSSA）。
• MC位表示路由器具备组播OSPF能力。
• E位，E位置位时，表示路由器具备接收外部LSA的能力。
• T位 表示路由器支持ToS（通常为0）。

• Router Prionrity ：默认情况下，此字段值被设置为1。在选举DR/BDR时起着重要作用；OSPF路由器发送Hello数据包中路由器优先级字段值越高，越有可能成为DR。此字段值为0，则不参与DR选举。
• Dead Intervar：默认情况下，此字段值是Hello Interval字段值的4倍。表示一段以秒为单位的时间。
• Designated Router：表示DR路由器的IP地址。若DR不存在或尚未发现，此字段值为0.0.0.0。DR通过Hello协议选举而出。具有最高优先级的路由器（所发Hello数据包中路由器优先级字段值最高的路由器）将成为发包接口所处网络内的DR。在路由器优先级字段值相等的情况下，Router-ID值最高的路由器（所发Hello数据包中指定路由器字段值最高的路由器）将成为（发包接口所处网络内的）DR。 可以说OSPF是接口敏感型的协议。
• Backup Designated Router：标识BDR，指明BDR的接口IP地址。若无BDR，此字段值为0.0.0.0。BDR通过Hello协议选举而出。
• Neighbor：包含通过Hello数据包获知的邻居路由器的Router-ID。

通过抓包进行分析OSPF报文，查看Hello数据包信息：如图1-12所示。

图1-12 OSPF Hello数据包报文

图1-13 OSPF LLS Data Block报文

 

1.2.2 DBD数据包

 

DBD数据包是OSPF数据包的第2种类型，常用在（OSPF邻居路由器之间的）数据库交换期间。如图1-14所示为DBD数据包的格式。

DBD数据包的作用：

• 首个DBD数据包用来建立主/从（Master and Slave）路由器。
• 选举“主”路由器亦会用此数据包来设置（确定）初始化序列号。
• Router-ID值最高的路由器会成为“主”路由器，并发起数据库同步。

图1-14 OSPF DBD数据包

 

DBD数据包中各字段的解释：

• Interface MTU :此字段值指明发包接口（发送DBD数据包的路由器接口）所能发出的数据包的最大长度，单位为字节。由OSPF虚链路发出的DBD数据包的接口MTU字段值必须设置为0。
• Options：与Hello数据包所含字段相同。
• I位：此位置1时，则表示邻居双方发出的首个DBD数据包。
• M位：此位置1时，则表示DBD数据包尚未发送完毕。
• MS位：主/从位。此位置1时，表示在DBD交换过程中，发包路由器为“主”路由器，此位置0时，则为“从”路由器。
• DBD Sequence Number：此字段包含由“主”路由器设置的唯一值（序列号），在数据库交换过程中使用。只有“主”路由器才能增加此字段的值（序列号的值）。
• LSA Headers：此字段包含若干链路状态数据库包头。

 

图1-15 OSPF DBD报文

图1-15 OSPF DBD报文（带有LSA包头）

 

1.2.3 LSR数据包

 

链路状态请求数据包时OSPF数据包的第3种类型，在部分路由数据库信息“遗失”或“过时”的情况下发送。LSR数据包用来重新取回“遗失”的路由数据库中的精确信息。DBD交换过程完毕后，邻居双方（主/从路由器）还会互发LSR数据包，请求对方发送DBD交换过程中通告过的LSA。如图1-16所示LSR数据包的格式。

图1-16 OSPF LSR 数据包

 

对链路状态请求数据包中各字段的解释：

• LS Type：标识所请求的LSA类型。
• LS-ID：表示特定LSA的链路状态ID。
• Advertising Router：包含生成LSA的路由器的Router-ID。

图1-17 LSR 报文

 

1.2.4 LSU数据包

 

链路状态更新数据包是OSPF数据包第4种类型，OSPF路由器会发此类数据包来实施LSA的泛洪。单个LSU数据包内会包含多条LSA。OSPF路由器也会发送LSU数据包，来回应（邻居路由器发出的）LSU数据包。以泛洪方式发出的LSA由LSA确认数据包进行确认。只要有一条未经确认的LSA，（OSPF路由器就会）每隔重传间隔时间重传一次。如图1-18所示LSU 数据包。

图1-18 OSPF LSU 数据包

图1-19 OSPF LSU数据包

 

1.2.5 LSack 数据包

 

链路状态确认数据包是OSPF数据包的第5种类型，用来对每条LSA进行确认。OSPF路由器也会发送LSack数据包，来应答LSU数据包。可用单个LSack数据包一次性确认收到的多条LSA。LSack数据包负责LSU数据包的可靠传输。如图1-20 OSPF LSack数据包所示。

链路状态确认数据包以组播的方式发送。若（发送LSack数据包的）路由器为DR/BDR，则IP包头的组播目的IP地址为224.0.0.5（所有SPF路由器地址）。否则，LSack数据包IP包头的组播目的IP地址为226.0.0.6（DR/BDR地址）。

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24字节OSPF公共包头

LSA包头

图1-20 OSPF LSack 报文