OSPF协议原理简析

1.OSPF简介

• OSPF（Open Shortest Path First，开放式最短路径优先）是一种链路状态路由协议，属于内部网关协议（IGP），是目前现网中使用最广泛的IGP路由协议，采用迪克斯彻（Dijkstra）算法用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。

• OSPF协议的报文封装于IP，协议号89。

• OSPF使用的组播地址：224.0.0.5（所有OSPF路由器），224.0.0.6（DR/BDR）

2.链路状态路由协议

2.1 简介

链路状态路由协议是层次式的，网络中的路由器并不向邻居传递“路由项”，而是通告给邻居一些链路状态LSA（Link State Adver-tisement，例如接口设置的IP、掩码、开销值），OSPF路由器将自己的链路状态全部转发给邻居，通过LSA的泛洪，全网中所有路由器都知道整个网络的链路状态，因为所有路由器得到的链路状态信息都是一致的，就构建了统一且一致的链路状态数据库LSDB（Link-State Database），通过运行SPF算法，以自己为根，计算到达各目的地址的最短路径，从而形成路由表。

2.2 对比距离矢量路由协议

• 距离矢量协议直接传送各自的路由表信息。网络中的路由器从自己的邻居路由器得到路由信息，并将这些路由信息连同自己的本地路由信息发送给其他邻居，这样一级级的传递下去以达到全网同步。每个路由器都不了解整个网络拓扑，它们只知道与自己直接相连的网络情况，并根据从邻居得到的路由信息更新自己的路由。这是一种依照传闻进行选路的路由协议，自己并不考虑对错，且扩展性较差，路由通告报文会越来越大，效率低。

• 链路状态路由协议传输的是链路状态，然后根据状态信息生成网络拓扑结构，每一个路由器再根据拓扑结构，以自己为根计算出路由。

3.OSPF术语

3.1 Router-ID

Router-ID相当于每个人的身份证号，每一台运行OSPF进程的路由器，在OSPF区域内唯一的一个标识符。因为Router-ID要求唯一性和稳定性，如果没有配置OSPF的Router-ID，系统会根据接口选举设备的Router-ID。
选举规则如下：

1. 如果手工配置了routerid,手工配置的routerid最优。

2. 如果路由器配置了loopback接口,以loopback接口地址的ip地址为routerid,越大越优。

1. 如果没有配置loopback接口,以物理接口的ip地址为routerid,越大越优。

3.2 DR和BDR

• DR:Designated Router指定路由器。

• BDR:Backup Designated Router备份指定路由器。

• DR与BDR只存在于MA（多路访问）网络，以太网就是MA型网络。选择DR和BDR是为减少邻接关系带来的低效率和LSA泛洪问题，MA网络中所有OSPF路由器均与DR、BDR建立邻接关系，DROther之间是2way关系。

DR选举比较顺序：

1. 比较接口优先级,越大越优，范围0-255，默认为1。(注意优先级为0是不能与参与DR的选举)

2. 如果优先级相同,比较Router-ID,越大越优。

1. 在DR与BDR的选举期（40秒）结束后，如果再加入优先级更高的路由器，也无法抢占DR,BDR角色，稳定第一。

2. DR的选举基于接口/链路,不可以说某个路由器是DR，这是错误的。如果一台OSPF路由器有多个接口，很可能在每个接口上担任的OSPF角色各不相同。

4.OSPF网络类型

4.1 广播多路访问MA（Broadcast Multiple Access ）

现如今使用频率最多的OSPF网络类型，通常出现在以太网，当链路层协议是Ethernet时，OSPF缺省认为网络类型是广播型。此类型网络需要进行OSPF的DR、BDR选举。在该类型的网络中，OSPF通常以组播方式（224.0.0.5和224.0.0.6）发送协议报文。

4.2 非广播多路访问NBMA（Non-Broadcast Multiple Access）

虽然从一个接口可以到达多个目的节点，但是网络本身不支持广播功能，当链路层协议是帧中继、ATM或X.25时，OSPF缺省认为网络类型是NBMA。此时OSPF的邻居需要管理员手工指定。在该类型的网络中，以单播方式发送协议报文。

4.3 点到点P2P（Point-To-Point）

是指该接口通过点到点的方式与一台路由器相连。串行链路的二层协议代表为PPP,HDLC，则OSPF网络类型为P2P，此类型网络不需要进行OSPF的DR、BDR选举。

4.4 点到多点P2MP（Point-to-multipoint）

是指该接口通过点到多点的网络与多台路由器相连。
P2MP型网络比较特殊，没有一种链路层协议会被缺省地认为是点到多点类型。点到多点必须是由其他网络类型强制更改而来。常用做法是将NBMA改为点到多点的网络。在该类型的网络中，缺省情况下以组播方式（224.0.0.5）发送协议报文，也可以根据用户需要，以单播形式发送协议报文。

5.OSPF报文

• Hello报文：周期性发送，用来发现和维护OSPF邻居关系。

• DBD报文（数据库描述）：邻居建立之后，并不会立刻就将自己链路状态数据库中所有的LSA全部发给邻居，而是将LSA的基本描述信息发给邻居，使得路由器之间可以对比数据库是否同步，这就是Database Description Packets （DBD）。是LSA的目录信息，相当于书的目录，邻居在看完DBD之后，就能知道哪些LSA是需要邻居发送给自己的。

• LSR报文（链路状态请求）：LSR数据包在数据库同步过程中使用。路由器会发送LSR，请求其OSPF邻居发送缺失LSA的最新版本。

• LSU报文（链路状态更新）：链路状态更新，LSU数据包包括几种类型的LSA。LSU负责泛洪LSA，以及发送对LSR包的响应。LSA信息是封装在LSU包中。

• LSAck报文（链路状态确认）：LSAck负责进行可靠的LSA泛洪。

6.OSPF邻居建立过程（状态机）

6.1 关系变化过程

Down->Init->2way->Exstart->Exchange->Loading->Full

• Down:表示还没有建立起邻接关系，没有检测到活动邻居。

• Init：表示从对端收到的HELLO包中，没有自己的路由器ID信息。

• 2-way：双向阶段。表示从对端收到的HELLO包中，已经有自己的路由器ID信息了，已建立邻居关系可以共享链路状态数据。在MA网络中会选举DR、BDR，但OSPF邻居之间并不一定就会交换LSA，如果不需要交换LSA，则永远停留在此状态，如果需要形成邻接并互相交换LSA，则状态继续往下进行。（比如Drother与Drother之间将永远停留在Two-way状态，因为Drother与Drother之间不需要交换LSA。）

• Exstart：在Exstart状态，就是确定邻居之间的主从关系（Master/Slave），Router-ID数字大的为主路由器，另一端为从路由器，由主路由器先向从路由器发送信息。

• Exchange：交换阶段。在主的带领下开始交换DBD中LSA的摘要信息。

• Loading：加载状态。请求更详细的信息，路由器会发送LSR来请求一个或者多个LSA的信息，对端会发送回LSU来告诉路由器他想要的信息。

• Full：已建立完全邻接关系，其LSDB数据库与邻居完全相同。

6.2 过程详细描述

6.2.1邻居发现

6.2.1.1 Down状态

运行OSPF路由器的初始状态，表示没有从邻居收到OSPF Hello报文，但是自己仍然可以向外发送OSPF的Hello报文。

6.2.1.2 Init状态

1、R1给R2发送Hello包
（以组播的方式发送，目的地址为224.0.0.5），在报文中Router-ID为172.16.1.1，R2收到此Hello报文后，进入Init状
态。
2、R2同样也会发送Hello包，R1收到R2发送的报文后，状态为Init。
3、当收到了邻居的hello报文中存在邻居的RID就进入Init状态。

6.2.1.3 2-way状态

1、R2向R1发送 的Hello报文中Active Neighbor字段携带R1的RID，R1在收到R2发来的报文邻居列表中发现自己的Router ID，状态为2-way，也称为邻居状态。
2、同样的道理，R1发送的报文中携带R2的Router-ID,R2收到后。从Init转变为2-way，进入邻居状态。
3、两端同时进入2-way标志着OSPF邻居关系(neighbor)的正常建立,里程碑式的阶段。
4、同时由于双方互相知道了邻居的ROUTERID，在2-WAY阶段,进入40秒的wait timer等待定时器，MA网络中的DR与BDR选举在此时选举期内完成选举。

6.2.2 路由发现

6.2.2.1 Exstart状态

1、2-WAY中DR-BDR选举完成后,DBD中I位初始化位=1，此阶段关键是选择DBD中的主从。

2、2-WAY阶段结束后，两边进入Exstart阶段，相互发送DBD报文（第一个DBD报文不包含具体LSA信息），First DBD只用作主从选举（Master/Slave），通过比较Router ID ,RID大的将成为主路由器(Master)。

6.2.2.2 Exchange状态

1、主从选举（Master/Slave）完成后，进入Exchange阶段，
I位初始化=0,DBD主从选举完毕之后，此阶段交换DBD的LSA。

2、路由器会将收到的DBD中的信息，而自己LSDB中不存在的LSA头部加入到链路请求列表中，进入LOADING状态后会根据这个列表来发送请求信息。

6.2.2.3 Loading状态

1、在DBD中M位初始化=0,DBD中没有更多的LSA摘要信息了，M=0（后续不再有更多的DBD报文了），是进入Loading状态的标志。

2、这时路由器就有了邻居的LSA索引列表，路由器都将进入LOADING状态，来请求自己LSDB中还没有的LSA的信息。路由器会发送LSR来请求一个或者多个LSA的信息，对端会发送回LSU来告诉路由器他想要的信息。

6.2.2.4 Full状态

1.假如R1有10条请求LSA重传列表，当10条LSA都被LSR请求，并且LSU更新过后，LSA重传列表为空，R1与R2进入FULL状态，标示OSPF邻接彻底完成。
2、FULL建立完毕后，R1与R2互相按照HELLO间隔来发送HELLO保活OSPF。

7.LSA类型

7.1 什么是LSA

LSA：Link State Advertisement 链路状态通告，LSA头部和LSA数据封装在LSU报文中,LSU报文封装在OSPF报文中,OSPF报文封装在IP报文中,LSA数据才是真实的链路状态通告信息。链路指的是设备的接口，状态是指IP、掩码、COST，OSPF传递的不是路由信息，而是链路状态，LSA不是报文，而是封装到LSU中所存储的信息。LSA有很多种类型，最常见的是以下6类：

7.2 1类LSA-路由器LSA

1.描述： 路由器LSA由每个路由器生成，描述了路由器的链路状态和花费，传递到整个区域。路由器在区域内的接口和接口所连接的邻居（包含链路的开销）路由器链路状态。
2.传播范围： 只在该接口所属的区域内传递，不会穿越该区域的ABR。
3.产生： 所有运行了OSPF的路由器。
4.网络连接类型：（在不同的链路类型中LSA描述的信息不同）
4.1 P2P：描述的是邻居路由器ID。
4.2 中转网络：描述的是DR接口的IP地址。
4.3 末节网络：描述的是IP网络的子网。
4.4 虚链路：描述的是邻居路由器RID。

R1#show ip ospf database router 

            OSPF Router with ID (172.16.1.1) (Process ID 110)

                Router Link States (Area 0)

  LS age: 42
  Options: (No TOS-capability, DC)
  LS Type: Router Links
  Link State ID: 172.16.1.1
  Advertising Router: 172.16.1.1
  LS Seq Number: 80000002
  Checksum: 0xEF3D
  Length: 36
  Number of Links: 1

    Link connected to: a Transit Network
     (Link ID) Designated Router address: 172.16.1.2
     (Link Data) Router Interface address: 172.16.1.1
      Number of MTID metrics: 0
       TOS 0 Metrics: 10


  LS age: 43
  Options: (No TOS-capability, DC)
  LS Type: Router Links
  Link State ID: 172.16.1.2
  Advertising Router: 172.16.1.2
  LS Seq Number: 80000002
  Checksum: 0xED3C
  Length: 36
  Number of Links: 1

    Link connected to: a Transit Network
     (Link ID) Designated Router address: 172.16.1.2
     (Link Data) Router Interface address: 172.16.1.2
      Number of MTID metrics: 0
       TOS 0 Metrics: 10

7.3 2类LSA-网络LSA

1.描述： 由DR生成，描述了本网段的链路状态，传递到整个区域。用来描述MA网络中所有路由器的RID和掩码信息。
2.传播范围： 只有在存在DR和BDR的网络中才会存在，传播范围无法跨区域。
3.产生： 由DR产生。

R1#show ip ospf database network

            OSPF Router with ID (172.16.1.1) (Process ID 110)

                Net Link States (Area 0)

  Routing Bit Set on this LSA in topology Base with MTID 0
  LS age: 15
  Options: (No TOS-capability, DC)
  LS Type: Network Links
  Link State ID: 172.16.1.2 (address of Designated Router)
  Advertising Router: 172.16.1.2
  LS Seq Number: 80000001
  Checksum: 0xF249
  Length: 32
  Network Mask: /24
        Attached Router: 172.16.1.2
        Attached Router: 172.16.1.1

7.4 3类LSA-网络汇总LSA

1.描述： 1类和2类LSA可以了解到本区域的所有道路，互通已经没有问题，如果要去往其他区域，就需要3类LSA。3类LSA由ABR产生，用于OSPF区域间路由计算。
2.传播范围： 除了本区域，由一个区域通告到另一个区域。
3.产生： ABR

R1#show ip ospf database 

        

                Summary Net Link States (Area 0)

Link ID         ADV Router      Age         Seq#       Checksum
192.168.1.0     3.3.3.3         665         0x80000001 0x00D6E5