OSPF协议基础（OSPF工作过程）

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。

• 企业网中的设备少则几台多则几十台甚至几百台，每台路由器都需要有一个唯一的ID用于标识自己。
• 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，Router ID选举规则如下：
  • 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。
• 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。

发现并建立邻居 - Hello报文

• 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。

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。
• 邻居建立过程如下：
  • 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）。对于不支持组播的网络，OSPF路由器如何发现邻居呢？

链路状态信息

链路信息主要包括：

1. 链路的类型；
2. 接口IP地址及掩码；
3. 链路上所连接的邻居路由器；
4. 链路的带宽（开销）。

- 区别于RIP路由器之间交互的路由信息，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，为什么要有链路的类型呢？

丰富的数据链路层支持能力

• 数据链路层协议类型多种多样，工作机制也各不相同。
• 为适配多种数据链路层协议，必须考虑各类链路层协议在组网时的应用场景。

网络类型 - P2P网络

• OSPF划分了四种网络类型并以此来组成拓扑信息的一部分。
• 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。

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。

网络类型 - P2MP网络

• 多个点到点网络的集合。
• 支持广播、组播。

OSPF的度量方式

• 某接口cost=参考带宽/实际带宽。
• 更改cost的两种方式：
  • 直接在接口下配置；
  • 修改参考带宽（所有路由器都需要修改，确保选路一致性）。

• 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。
• 相比于RIP，OSPF的度量方式不仅考虑“跳数”，而且还考虑了“带宽”，比RIP更可靠的选择最优的转发路径。
• 那么OSPF路由器怎么表达链路状态信息并完成同步呢？

报文类型及作用

OSPF协议报文头部

- RIP路由器之间是基于UDP 520的报文进行通信，OSPF也有其规定的通信标准。OSPF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

OSPF报文的功能需求

LSDB同步过程

• 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同步过程如下：
  • 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（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”。

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。

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。