OSPF协议分析与配置

本文简要分析OSPF协议的原理和应用，利用Cisco Packet Tracer仿真器搭建环境，对OSPF协议进行实验配置，供学习记录。

按照作用于AS的范围，常见路由协议可划分为两类：

• 内部网关协议 (Interior Gateway Protocols, IGP)：具体包括RIP、OSPF、IS-IS、EIGRP等，一般由单个ISP运营于一个AS内，有统一的自治系统号，目前大型企业内部多使用OSPF、IS-IS，小型企业内部使用RIP或静态路由
• 外部网关协议 (Exterior Gateway Protocols, EGP)：BGP是目前唯一使用的一种EGP协议，它是AS间的路由协议，一般用于不同ISP之间交换路由信息，以及大型企业、政府等具有较大规模的私有网络

下面对内部网关协议中的OSPF进行介绍：

一、基本原理

OSPF(Open Shortest Path First) 是一种链路状态路由协议，它克服了距离矢量路由协议依赖邻居进行路由决策的缺点，报文基于IP，多部署于中大型园区、企业或城域网中。

OSPF提出了“区域”的概念，将AS划分成多个逻辑区域，每个区域中所有路由器通过组播的方式 (224.0.0.5 或 225.0.0.6) 宣告链路状态建立并维护着一个相同的链路状态数据库 (Link State DataBase, LSDB)，其中存放着接口的相关信息 (IP地址、带宽以及所连接的邻居等)，OSPF路由器通过各自的LSDB，利用最短路径优先算法 (Shortest Path First, SPF, 也称为Dijkstra算法) 生成最短路径树并构造路由表，其路径开销 (Cost) 计算基于接口的带宽，每个区域的OSPF路由器负责各自区域的链路状态通告 (Link State Adervertisement, LSA) 传递及路由计算。

(一) 区域类型

划分多区域的优势在于收敛快、易于维护管理、方便扩展，区域的划分基于网段 (路由器接口)，区域类型分为两类：

• 骨干区域 (传输区域)：Area 0，1个AS中一般只存在1个Area 0区域
• 非骨干区域 (常规区域)：Area x，1个AS中可以有多个Area x区域，根据能够学习的路由信息种类进而细分为四类：
  标准区域 (Standard Area)：正常传输数据的区域
  末节区域 (Stub Area)：禁用外部AS的信息
  完全末节区域 (Totally Stub Area)：禁用外部AS和区域间信息
  非纯末节区域 (NSSA)：禁用非直连的外部AS信息

常规区域只能和骨干区域交换LSA，常规区域相互之间无法交换LSA，因此所有的常规区域应该直接和骨干区域相连，骨干区域的功能类似中转站，将常规区域间的LSA信息进行转发和交换。

(二) 路由器类型

根据路由器接口所在区域的类型，相应地路由器分为四类：

• 内部路由器 (Internal Router, IR)：所有接口都在同一个区域内，只维护本区域的LSDB
• 区域边界路由器 (Area Border Routers, ABR)：同时属于两个以上的区域，其中必须包括骨干区域 (物理连接或通过虚链路连接)，用于连接骨干区域和非骨干区域
• 骨干路由器 (BackBone Router, BR)：所有ABR和位于骨干区域内的路由器都属于骨干路由器，只维护骨干区域的LSDB，
• 自治系统边界路由器 (AS Boundary Routers, ASBR)：与其他AS交换路由信息的路由器，可以使用多种路由协议，可以是ABR，也可以是内部路由器

基本区域划分和路由器类型如下图所示：

(三) Router-ID

Router-ID是OSPF路由器的唯一身份标识，Router-ID格式与IP一致，可以手动进行配置，如果不配置系统则会自动将路由器环回接口 (Loopback Interface) 中最大的IP作为Router-ID，只要路由器在线，环回接口就处于活动状态，如果没有环回接口，则选择活动的物理接口中最大的IP作为Router-ID。

(四) DR / BDR / DROTHER

在一个OSPF区域中，当路由器之间建立邻居关系后，为避免LSA信息重复发送，选举一个路由器作为指定路由器 (Designated Router, DR)，再选举一个路由器作为备份指定路由器 (Backup Designated Router, BDR)，其他的路由器为非指定路由器 (DROTHER)。在LSA信息更新时，此区域内发生更新的路由器将LSA发送到DR，再由DR发送到其他区域内的路由器，一个区域内邻居路由器只和DR交换LSA信息，这样节省了网络流量。在DR出现故障时，BDR起着备份的作用，确保网络的可靠性。

DR和BDR的选举首先通过是通过时间，最先启动的OSPF路由器会启动一个定时器 (CISCO 40s)，定时器结束前如果没有其他的OSPF启动，则这唯一的OSPF路由器当选为DR；当有多个OSFP路由器时则先比较优先级，优先级高的选为DR，次高的为BDR；如果优先级相同则通过比较Router-ID大小，Router-ID大的选为DR，次高的为BDR；其他的OSPF路由器为DROTHER。

(五) 网络类型

基于链路层网络协议，OSPF支持四种网络类型：
(注意网络类型不同于物理拓扑，其划分主要基于网络在链路层运行的协议)

• 点到点网络 (Point to Point, P2P)：链路层协议如PPP和HDLC，此类网络不用进行DR和BDR的选举，直接形成邻接关系
• 广播多路访问网络 (Broadcast Multi-Access, BMA)：链路层协议如以太网 (IEEE 802.3)，可以 (泛洪) 发送广播和组播报文，需要进行DR和BDR的选举
• 非广播多路访问网络 (None Broadcast Multi-Access, NBMA)：链路层协议帧中继、X.25，不能 (泛洪) 发送广播和组播报文，只能发送单播数据包
• 点到多点网络 (Point to Multi-Point, P2MP)：需要将其他的网络类型强制更改为P2MP类型，常见如NBMA网络改为P2MP，可以 (泛洪) 发送广播和组播报文，无需选举DR和BDR

(六) 路由器状态

OSPF路由器在同步LSDB过程中，分为七种状态：

• Down：接口没有启用OSPF的状态，邻居失效后变为该状态
• Init：初始化状态，发送完HELLO包，状态就从Down变为Init
• 2-way：接收到了对方的HELLO包之后，从Initial变为2-way邻居状态，开启40秒定时器，相互间周期发送HELLO报文(10秒发一次)，给足够的时间深度发现其他路由器发送的HELLO包，等待40秒定时器超时
• Exstart：定时器40秒超时后，状态变为Exstart，但是在变为Exstart状态前，会完成DR和BDR的选举，进入Exstart状态后立即选举主从路由器，引导接下来报文的发送
• Exchange：主从关系确认后，开始交换DBD报文 (本地LSA摘要信息)，告知对端本地所有的LSA摘要信息
• Loading：发送完LSA摘要信息后，再通过发送LSR、LSU、LSACK报文更新LSA，学习对端路由器的LSA详细信息
• Full：LSA详细信息学习完毕后，状态变为Full邻接状态，LSDB完成同步，此时在单个域内所有路由器的LSDB相同

(七) 虚链路

非骨干区域和骨干区域之间通过ABR中转LSA，其他路由器需要向ABR建立一条虚链路 (虚链路只能跨一个区域)，否则无法同步LSDB信息。如下所示，RT2与RT3建立虚链接后，使得Area2与Area0之间形成逻辑连接，否则LSDB信息无法同步。

骨干区域必须是一个整体，虚链路也可以将隔开的两个骨干区域相连接，如下所示，RT2与RT3建立虚链接后，Area0在逻辑上成为一个整体。

(八) 常见LSA类型

LSA类型	名称	作用	路由表符号及类型
Type1	Router LSA	所有路由器都会产生，只在本区域内泛洪，用于通告路由器所有接口状态及开销	O: 区域内路由
Type2	Network LSA	由一个多路访问网络中的DR产生，只在本区域内泛洪，用于向区域内的其它路由器通告网络信息以及接入此网络的路由器	O: 区域内路由
Type3	Network Summary LSA	由ABR产生，用于通告与ABR相连的区域内所有路由器的路由信息，区域间路由指向通告LSA的ABR	IA: 区域间路由
Type4	ASBR Summary LSA	由ABR产生，用于通告ASBR的地址 (Router-ID)，在整个AS的标准区域内泛洪	IA: 区域间路由
Type5	AS External LSA	由ASBR产生，用于通告与ASBR相连的其他AS的路由信息，在整个AS的标准区域内泛洪	E1/E2: 1/2类外部路由
Type7	NSSA External LSA	由连接到NSSA的ASBR产生，通告内容和Type5 LSA基本相同，区别在于只在产生此LSA的NSSA区域内部泛洪，可以通过ABR转换为Type5 LSA	N1/N2: 1/2类NSSA外部路由

(九) 工作过程

以常见的BMA类型网络为例，OSPF基本工作过程如下：

① 建立邻居关系：OSPF路由器初始化时，在同一区域的相邻路由器之间通过HELLO报文发现并建立邻居关系，路由器状态为2-way；

② 同步LSDB (建立邻接关系)：互为邻居关系的路由器首先选举出DR/BDR，然后DROTHER和DR/BDR之间相互发送数据库描述报文 (Database Description, DD)，如果发现DD描述信息和自身的LSDB信息不一致，则返回数据库状态请求报文 (Link State Request, LSR)，收到LSR的路由器会发送数据库状态更新报文 (Link State Update, LSU)，LSU内含完整的LSA信息，其中包括接口地址、带宽、邻居等链路状态信息，收到LSA的路由器会返回LSAck，并将信息保存在自身LSDB中，从而完成LSDB的同步，以上报文全部基于组播发送。邻接关系就是邻居路由器之间为完成LSDB同步而发生的LSA交互过程 (DROTHER只和DR/BDR之间建立邻接关系，DROTHER之间不会建立邻接关系)，同步后单个区域内所有的路由器都会形成相同的LSDB，路由器状态为Full；

③ 构建路由表：路由器结合自身LSDB信息，使用SPF算法生成最短路径树，构建出各自的区域内路由表；区域间路由则依靠ABR完成，ABR会查找其相邻区域内的路由表，如果存在其他区域的路由信息，则每一条表项生成一条Type3类型的LSA，然后将Type3 LSA泛洪到其他相邻区域 (此类型LSA只有路由信息，不包含链路状态信息，不参与SPF计算)，在泛洪区域的路由器会根据Type3 LSA生成区域间路由信息，路由的下一跳指向发布LSA的ABR，路由信息直接加入路由表项；

④ 路由信息维护：一方面，邻居之间根据配置固定时间交换HELLO数据包作为心跳消息，并且每隔30分钟DR会定期重发一次DD包进行LSDB的同步；另一方面，当网络拓扑中节点状态发生了变化，比如有节点故障或者新增节点，那么发生变化的节点将立刻向DR发送LSU更新LSA信息，再由DR向DROTHER发送LSU更新其他路由器的LSA信息，完成LSDB同步，最后会重新计算生成新的路由表项。

(十) 优缺点分析

优点：

• 收敛速度快，能够在最短的时间内将路由变化传递到整个自治系统
• 没有跳数限制，支持大量网络节点，适用于大规模网络
• 采用路径开销 (Cost) 作为度量标准，路径开销计算基于接口的带宽
• 划分区域进行管理，减少大规模网络中协议运行的流量和开销

缺点：

• 配置复杂，需要区分不同的网络区域和路由器类型
• 路由负载均衡性较差，通常只路由最佳路径，而不能均衡不同路径间的流量

二、实验配置

(一) 实验拓扑

以BMA型网络为例，拓扑如下：

(二) 配置命令

(VLAN、DHCP、NAT等基础配置略过，只记录路由配置部分)

# R0配置
R0(config)# ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 1.1.1.1   // 边界路由器设置静态路由指向ISP的路由器       

# R1配置
R1(config)# interface loopback 0               // 配置环回接口，接口地址用于配置Router-ID，范围 0-2147483647
R1(config-if)# ip address 10.10.10.1 255.255.255.255
R1(config-if)# exit
R1(config)# router ospf 1                      // 启动OSPF进程，范围 1-65535       
R1(config-router)# router-id 10.10.10.1        // 配置Router-ID
R1(config-router)# network 1.1.1.0 0.0.0.255 area 2  // 宣告直连网段和所属区域，用反向掩码表示子网掩码
R1(config-router)# network 2.2.2.0 0.0.0.255 area 2  
R1(config-router)# network 10.10.10.1 0.0.0.0 area 2
R1(config-router)# exit

# R2配置
R2(config)# interface loopback 0              
R2(config-if)# ip address 10.10.10.2 255.255.255.255
R2(config-if)# exit
R2(config)# router ospf 1                           
R2(config-router)# router-id 10.10.10.2       
R2(config-router)# area 1 virtual-link 10.10.10.3   // 建立虚连接，指向跨越区域ABR的Router-ID
R2(config-router)# network 2.2.2.0 0.0.0.255 area 2   
R2(config-router)# network 3.3.3.0 0.0.0.255 area 1
R2(config-router)# network 10.10.10.2 0.0.0.0 area 1
R2(config-router)# exit

# R3配置
R3(config)# interface loopback 0               
R3(config-if)# ip address 10.10.10.3 255.255.255.255
R3(config-if)# exit
R3(config)# router ospf 1                      
R3(config-router)# router-id 10.10.10.3   
R3(config-router)# area 1 virtual-link 10.10.10.2  
R3(config-router)# network 3.3.3.0 0.0.0.255 area 1  
R3(config-router)# network 4.4.4.0 0.0.0.255 area 0
R3(config-router)# network 10.10.10.3 0.0.0.0 area 1
R3(config-router)# exit

# R4配置
R4(config)# interface loopback 0           
R4(config-if)# ip address 10.10.10.4 255.255.255.255
R4(config-if)# exit
R4(config)# router ospf 1                        
R4(config-router)# router-id 10.10.10.4       
R4(config-router)# network 4.4.4.0 0.0.0.255 area 0 
R4(config-router)# network 5.5.5.0 0.0.0.255 area 0
R4(config-router)# network 10.10.10.4 0.0.0.0 area 0
R4(config-router)# exit

# R5配置
R5(config)# ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 5.5.5.2            

配置后可用命令查看路由信息：

# 查看OSPF配置信息
Router# show ip ospf ?

# 查看所有路由表项
Router# show ip route

# 查看OSPF路由表项
Router# show ip route ospf

# 查看IP路由协议配置参数和运行情况
Router# show ip protocols

如果一次性需要配置多个路由器，可以先将命令逐行写出，然后复制粘贴就可以一次性完成配置，如下所示：