動态路由協定OSPF介紹

文章目錄

• OSPF知識點彙總
• • OSPF特性以及相關術語
  • • RID生成方式以及DR/BDR選舉規則
  • OSPF四種網絡類型
  • OSPF六種LSA類型介紹
  • OSPF特殊區域
  • OSPF五種封包分析
  • • OSPF封包結構
  • OSPF工作原理
  • • OSPF八種狀态機
    • OSPF原理詳細過程

OSPF知識點彙總

主要内容包括：OSPF相關術語、OSPF網絡類型、常見LSA介紹、OSPF特殊區域、OSPF封包介紹和封包結構、OSPF狀态機以及狀态機遷移、OSPF工作原理。

OSPF特性以及相關術語

OSPF(Open Shorts Path Frist，開放式最短路徑優先)：是一種内部動态路由協定，用于解決RIP不能是用于大型網絡，存在環路的問題；

OSPF的特性：

• 使用SPF算法、支援彙總和認證、支援CIDR和VLSM、是無類路由協定；
• 協定号89、管理距離(華為10，思科110)、觸發更新、增量更新、周期更新群組播更新，絕對無環路；

OSPF常見術語：

• IR(Internal Routers，區域内路由器)：裝置所有接口都在同一個區内；
• ABR(Area Border Routers，邊界區域路由器)：裝置的接口屬于兩個或兩個以上的區域，其中必有骨幹區域。ABR用于連接配接普通區域和骨幹區域，與骨幹區域的連接配接，可以是實體上的連接配接，也可以是邏輯上的連接配接(虛鍊路)；

• ASBR(AS Boundary Routers，自制系統邊界路由器)：裝置接口至少一個接收了其他AS系統的路由資訊。ASBR通常是在AS系統邊界，但也可以在區域間，隻要引進了外部路由(直連路由、靜态路由、RIP路由、BGP路由等)就是ASBR；

  注：ABR和ASBR與實體位址無關，隻要能實作相關功能就是ABR或ASBR；

• BR(Backbone Routers，骨幹路由器)：裝置接口至少有一個連接配接骨幹區域。ABR和骨幹區域内的路由器均是BR；
• 第一類外部路由(Type1 External)：經過ASBR引進的内部路由，計算方式為：開銷=本裝置到達ASBR的開銷+ASBR到達目的路由的開銷(OSPF區域内部的路由器到ASBR的開銷+ASBR達到其他AS系統目的路由的開銷)；
• 第二類外部路由(Type2 External)：經過ASBR引進的内部路由，計算方式為：開銷=ASBR到達目的路由的開銷(隻計算其他AS區域内路由的開銷，不計算OSPF區域内到達ASBR的開銷)；

RID生成方式以及DR/BDR選舉規則

RID(Router ID，路由ID)：用于唯一辨別OSPF内的路由器；

RID的生成方式(生成方式按照優先級依次往下)：

• 手動配置；
• 如果沒有手動配置，就使用路由器環回口的最大IP位址；
• 如果沒有配置環回口，就使用路由器實體接口的最大IP位址；

DR/BDR(Designated Router/Back-up Designated Router，指定路由器/指定備份路由器)：在廣播網絡和NBMA網絡環境中的角色，用于減少封包在環境中的傳輸，收集網絡環境中的拓撲情況，發送給非DR/BDR，進行路由條目同步；

DR/BDR的選舉：

• 比較路由器的接口優先級，優先級最高的為DR，次之為BDR，預設優先級為1；
• 如果優先級相同，就比較RID，最大的為DR，次之為BDR；

注：在廣播網絡和NBMA網絡中，每個網段都會選舉出DR/BDR；優先級為0表示不參與選舉；DR與BDR為鄰接關系，DR/BDR與Dother為鄰接關系，Dother與Dother為鄰居關系；
           

OSPF四種網絡類型

OSPF協定定義了四種網絡環境：廣播網絡、NBMA(非廣播網絡)、P2P(點到點網絡)和P2MP(點到多點網絡)；

• 廣播網絡：選舉DR/BDR，接口優先級預設為1，hello時間10s，自動發現鄰居；多點傳播發送hello、LSU和LSAck封包，單點傳播發送DD和LSR封包；
• NBMA：選舉DR/BDR，接口優先級預設為1，hello時間30s，手動設定鄰居；單點傳播發送Hello、DD、LSR、LSU和LSAck封包；
• P2P：不選舉DR/BDR，接口優先級預設為1，hello時間10s，自動發現鄰居；多點傳播發送Hello、DD、LSR、LSU和LSAck封包；
• P2MP：不選舉DR/BDR，幾口優先級預設為1，hello時間30s，自動發現鄰居，多點傳播發送Hello封包，單點傳播發送DD、LSR、LSU和LSAck封包；

注：預設下，Dead Time(Hello死亡時間)是Hello時間的四倍；在鄰接關系建立過程中兩端的Hello時間不一緻會造成鄰居關系建立不成功；
           

OSPF六種LSA類型介紹

**LSA(Link State Advertisement，鍊路狀态通告)**用于交換和儲存整個網絡的鍊路狀态資訊，進而掌握整個網絡的拓撲結構，獨立計算路由。

LSA常見的類型有6類：1類、2類、3類、5類、4類和7類；

• Type1 LSA(Router LSA，路由LSA)：
  • 描述對應裝置的實體接口所連接配接的鍊路或接口(宣告裝置存在)，指明本裝置接口資訊(IP、子網路遮罩、MTU等資訊)；向鄰居發送本裝置的鍊路狀态資訊；
  • 傳播範圍：本地OSPf區域，不穿透ABR；
  • 發送者：所有路由器；

    

• Type2 LSA(Network LSA，網絡LSA)：
  • 描述DR/BDR所在的網絡拓撲結構；
  • 傳播範圍：本地OSPf區域，不穿透ABR；
  • 發送者：DR/BDR路由器；

    

• Type3 LSA(Network Summary LSA，網絡彙聚LSA)：
  • 描述所連接配接區域的整個區域拓撲結構，用于告知同AS内其他OSPf區域，本區域的拓撲結構和鍊路資訊；
  • 傳播範圍：所有OSPF區域(Totally stub和Totally NSSA區域除外)；
  • 發送者：ABR；

    

• Type5 LSA(AS External LSA，自治系統外部LSA)：
  • 描述AS外部路由進入OSPF區域的路由(即向所有OSPF區域描述到達非OSPF區域内裝置的狀态資訊)；
  • 傳播範圍：所有OSPF區域(NSSA/Totally NSSA特殊區域除外)；
  • 發送者：ASBR；

    

• Type4 LSA(ASBR Summary LSA，ASBR聚合LSA)：
  • 描述其他OSPF區域到達該ASBR的路徑，由于第五類LSA在OSPF區域傳播時不會修改下一跳，是以需要第四類LSA指明到達ASBR的路徑；
  • 傳播範圍：所有OSPF區域(NSSA/Totally NSSA特殊區域除外)；
  • 發送者：ABR；

    

    注：ASBR所在的區域内路由器都知道通往ASBR所在的外部路由器，是以該區域不會存在去往本ASBR的第四類LSA，會存在去往其他區域ASBR的第四類LSA；
• Type7 LSA(NSSA External LSA，NSSA外部LSA)：
  • NSSA/Totally NSSA特殊區域記憶體在的路由，内容與第5類LSA基本相同；
  • 傳播範圍：NSSA區域；
  • 發送者：ASBR；

OSPF特殊區域

OSPF為了使某些性能較低的路由器也能夠劃入OSPF并減小這些路由的負擔，劃分了四種特殊區域：stub、Totally stub、NSSA和Totally NSSA區域；

• 末節區域(Stub Area)：為某些性能較低并處于AS邊界的路由器設定的優化政策；
  • 前提條件：
    • 位于AS邊界并且隻有一個ABR；
    • 沒有ASBR；
    • 無虛鍊路穿越的非骨幹區域；
    • 特殊區域内的路由器都需要配置(區域内路由器均知道)；
  • 存在的LSA：将Type4 LSA和Type5 LSA過濾，并由ABR生成一條Type3 LSA預設路由并通告給本區域内的所有路由器，使得本區域能夠通過預設路由通路其他其餘的路由器；
• 完全末節區域(Totally Stub Area)：stub區域的優化版，過濾的更加徹底，有效的減少路由數量；
  • 前提條件：
    • 位于AS邊界并且隻有一個ABR；
    • 沒有ASBR；
    • 無虛鍊路穿越的非骨幹區域；
    • 特殊區域内的路由器都需要配置(區域内路由器均知道)；
  • 存在的LSA：将Type3、Type4 LSA和Type5 LSA過濾，并由ABR生成一條Type3 LSA預設路由并通告給本區域内的所有路由器，使得本區域能夠通過預設路由通路其他其餘的路由器；

• NSSA區域：上述兩種區域的更新版，降低了特殊區域所需的前提條件；
  • 前提條件：
    • 可以位于非AS邊界區域，允許多個ABR和多個ASBR；
    • 無虛鍊路穿越的非骨幹區域；
    • 特殊區域内的路由器都需要配置(區域内路由器均知道)；
  • 存在的LSA：将Type4 LSA和外部Type5 LSA過濾并在ASBR上将本區域的Type5 LSA轉化為Type7 LSA，然後在ABR上将本區域Type7 LSA轉化為Type 5 LSA發送給其他區域，并由ABR生成一條Type7 LSA預設路由并通告給本區域内的所有路由器，使得本區域能夠通過預設路由通路其他區域的AS路由；
• 完全NSSA區域(Totally NSSA Area)：NSSA區域的優化版
  • 前提條件：
    • 可以位于非AS邊界區域，允許多個ABR和多個ASBR；
    • 無虛鍊路穿越的非骨幹區域；
    • 特殊區域内的路由器都需要配置(區域内路由器均知道)；
  • 存在的LSA：将Type3 LSA、Type4 LSA和外部Type5 LSA過濾并在ASBR上将本區域的Type5 LSA轉化為Type7 LSA，然後在ABR上将本區域Type7 LSA轉化為Type 5 LSA發送給其他區域，并由ABR生成一條Type7 LSA預設路由和一條Type3 LSA預設路由并通告給本區域内的所有路由器，使得本區域能夠通過預設路由通路其他區域的AS路由和其他區域的路由器；

注：OSPF骨幹區域也是一種特殊區域，OSPF骨幹區域是Area ID為0，不同區域之間的封包交換都必須經過骨幹區域，并且其他非骨幹區域必須直接或間接與骨幹區域相連，是以OSPF網絡必須要有骨幹區域。
           

OSPF五種封包分析

OSPF五種封包包括：Hello封包、DD封包、LSR封包、LSU封包和LSAck封包；

五種封包的作用如下：

• Hello封包：建立和維護路由器之間的鄰接關系，用于向鄰居證明自己的存在；
• DD封包(Database Description，資料庫描述)：包含有LSDB(鍊路狀态資料庫)資訊的LSA摘要，用于比對LSDB(鍊路狀态資料庫)是否存在缺少的LSA；
• LSR封包(Link State Request,鍊路狀态請求)：向鄰居請求本裝置缺少的LSA資訊；
• LSU封包(Link State Update，鍊路狀态更新)：按照LSR發送對方缺少的LSA詳細資訊；
• LSAck封包(Link State Acknowledge,鍊路狀态應答)：表明收到了本裝置所缺少的LSA詳細資訊；

OSPF封包結構

OSPF的五種封包(hello、DD、LSR、LSU和LSAck)采用的都是相同的OSPF報頭；

注：OSPF封包解析在沒有特殊說明的情況下，預設為廣播網絡環境=

OSPF報頭格式：

封包字段	說明
Version	版本字段，指定目前OSPF協定使用的版本号，OSPFv2版本值為2；
Packet Type	封包類型字段，辨別封包類型，數值為1-5,分别對應五種封包；
Packet Length	包長度字段，辨別整個封包的位元組長度(OSPF報頭和各封包内容)；
Router ID	路由器ID字段，指定發送者的源路由器ID；
Area ID	區域ID字段，指定發送封包的路由器接口所在的OPSF區域ID
Checksum	校驗和字段，對整個封包(不包含驗證字段)的校驗和，用于對端路由器确定封包的完整性和正确性；
Auth Type	驗證類型字段，0為不認證、1為簡單認證、2為MD5認證
Authentication	驗證字段，不認證時沒有該字段無資料；簡單認證時此字段為驗證密碼；MD5認證時此字段為MD5摘要資訊；

Hello封包結構：

封包字段	說明
Network Mask	子網路遮罩字段，指定發送封包的路由器接口的子網路遮罩
Hello Interval	Hello發送時間間隔字段，指定路由器發送封包的時間間隔，預設為10s；
Options	可選項字段，置“0”代表沒有相應特性，置“1”代表具有相應特性，特性包括：E 是否允許泛洪AS-external-LSA；MC 是否允許轉發IP多點傳播封包；N 是否允許處理Type7 LSA；DC 是否允許處理按需鍊路；
Rtr Pri	優先級值字段，指定本路由器的DR優先級值，預設為1；
Router DeadInterval	Hello死亡時間間隔字段，指定本地路由器失效時間，預設為40s；如果在該時間内沒有收到Hello封包，就表明鄰居失效；
Designated Router	DR路由器IP位址字段，指明本路由器的DR接口的IP位址；
Backup Designated Router	BDR路由器IP位址字段，指明本路由器的BDR接口的IP位址；
Neighbor	鄰居路由ID字段，指明鄰居路由器的RID，可以有多個鄰居；

DD封包結構：

封包字段	說明
Interface MTU	接口MTU字段，指明發送封包的接口在不分段的情況下,可發送的最大值
Options	可選項字段，置“0”代表沒有相應特性，置“1”代表具有相應特性，特性包括：E 是否允許泛洪AS-external-LSA；MC 是否允許轉發IP多點傳播封包；N 是否允許處理Type7 LSA；DC 是否允許處理按需鍊路；
I	指定連續發送多個DD封包所處的位置，置“1”代表第一個封包，置“0”代表其他封包；
M	指定連續發送多個DD封包所處的位置，置“0”代表最後一個封包，置“1”代表其他封包；
M/S	主從關系字段，本端為Master裝置就置為“1”，為Salve就置為“0”；
DD Sequence Number	序列号字段，指定發送封包使用的序列号，保證封包的正确性和可靠性；
LSA Header	摘要字段，指定封包中包含的LSA頭部，可以同時包含多個LSA摘要；

注：MTU值不一緻會導緻狀态機一直停留在Exstart狀态

LSR博文結構：

封包字段	說明
LSA Type	LSA類型字段，指明請求的LSA類型，取值為1-5，對應相應類型；
Link State ID	指定OSPF所描述的部分區域，該字段根據LSA類型不同而不同，Type1 LSA時，該字段為産生該LSA的路由器ID；Type2 LSA時，該字段為DR；Type3 LSA時，該字段為目的網絡位址；Type4 LSA時，該字段為ASBR的RID；Type5 LSA和Type7 LSA時，該字段為目的IP位址；
Advertising Router	通告路由類型，指定發送LSR封包的路由器ID；

LSU 封包結構：

封包字段	說明
Number of LSA	指定封包中LSA的數量
LSAs	包含完整詳細的LSA資訊，同一個封包可以有多條詳細LSA

LSAck封包結構：

封包字段	說明
LSA Age	LSA時間字段，指明LSA産生後經過的時間，機關為秒。LSA在本地LSDB會随時間老化，當泛洪擴散時，路由器會将LSA的老化增加一個Trans-delay時間；
Options	可選項字段，置“0”代表具有相應特性，置“1”代表具有相應特性，特性包括：E 是否允許泛洪AS-external-LSA；MC 是否允許轉發IP多點傳播封包；N 是否允許處理Type7 LSA；DC 是否允許處理按需鍊路；
LSA Type	LSA類型字段，指明應答的LSA類型，取值為1-5，對應相應類型；
Link State ID	指定OSPF所描述的部分區域，該字段根據LSA類型不同而不同，Type1 LSA時，該字段為産生該LSA的路由器ID；Type2 LSA時，該字段為DR；Type3 LSA時，該字段為目的網絡位址；Type4 LSA時，該字段為ASBR的RID；Type5 LSA和Type7 LSA時，該字段為目的IP位址；
Advertising Router	通告路由字段，指定發送LSAck封包的RID；
LSA Sequence Number	LSA序列号字段，指定發送封包使用的序列号，保證封包的正确性和可靠性；
LSA Checksum	校驗和字段，對LSAck封包進行校驗，確定接收方收到該封包是可靠的，安全的；
Length	長度字段，辨別LSAck的位元組大小；

OSPF工作原理

介紹各個狀态機的作用以及遷移過程。

OSPF八種狀态機

• Down：所有OSPF裝置的初始狀态，發送包含有自己RID等資訊的Hello請求封包；
• Attempt：在NBMA網絡中，鄰居失效時間逾時後，仍沒收到hello應答封包，然後不斷輪詢發送hello封包；
• Init：收到不包含有自己DR的hello封包就跳轉到Init；
• 2-way：收到包含有自己DR的hello封包就跳轉到2-way；
• Exstart：進行DR/BDR選舉，建立鄰居關系。發送空的DD封包，用于選舉Master/Salve裝置，并确定序列号；
• Exchange：發送帶有LSA摘要的DD封包并接收鄰居發送的DD封包，用于比較本裝置LSDB(鍊路狀态資料庫)裡所缺失的LSA；
• Loading：向其他裝置發送LSR封包請求缺少的LSA，其他裝置按照LSR封包回複LSU封包；
• Full：兩端裝置的LSDB同步完成後，互相發送LSAck封包；

注：狀态機的切換不一定要依次切換，隻要符合某個狀态機的工作情況就會切換到該狀态；
           

OSPF原理詳細過程

在初始階段，兩端裝置都處于Down狀态，假定在廣播網絡且R1首先發送隻包含有自己DR的Hello請求封包，R2收到對端發送hello封包時，發現該封包不包含有自己的RID，就從Down切換到Init狀态，然後發送包含有自己和鄰居RID的hello應答封包；

R1收到對端發送hello應答封包後，發現該封包中包含有自己的RID，就會從Down切換到2-way狀态，然後将對端的RID加入到本地的鄰居表裡，再次發送包含有自己和R2路由器ID的hello應答封包，當R2收到包含有自己RID的hello封包，就會從Init切換到2-way狀态；

R1和R2都進入2-way狀态後，根據先前互動的Hello封包資訊，共同進入Exstart狀态。在Exstart狀态下，R1和R2會選舉出DR/BDR(比較優先級和RID)，DR/BDR選舉完成後，就會發送不含有LSA摘要的DD封包，用于選舉出主裝置和從裝置(RID大的為主裝置)，并以主裝置DD封包的序列号為基礎(R1為主裝置)，主從确定後，從裝置R2以主裝置的序列号向主裝置R1發送LSA Header字段為空，M/S為0(表明自己為從裝置)的DD封包并切換至Exchange狀态，主裝置R1收到R1發送的空DD封包，也從Exstart切換至Exchange狀态；

主裝置R1開始不斷的向從裝置R2發送LSA Header不為空的DD封包(LSDB包含有很多的LSA，是以會拆分發送)，從裝置R2依次收到R1發送的DD封包後，都會按照主裝置DD封包的序列号進行響應，當R1發送送完所有的不為空的DD封包就會從Exchange切換到Loading狀态，當R2發送完LSA Header為空的DD響應封包後，也會從Exchange切換到Loading；

主裝置發送完LSA摘要後，從裝置R2根據這些LSA摘要資訊檢視本地LSDB發現有部分主裝置的LSA沒有包含，就會向R1發送LSR封包請求自己缺少的LSA，主裝置R1收到LSR就會按照要求發送LSU封包(包含有LSR請求的LSA詳細資訊)，R2收到LSU封包後，會将LSU封包包含的LSA詳細資訊添加進本地LSDB，然後回複LSAck封包，表明自己收到了LSU封包，如果從裝置R2發現自己的部分LSA資訊主裝置R1沒有，R2就會變為主裝置向R1發送LSA Header不為空的DD封包，R1再發送LSA Header為空的DD應答封包(全部發送完畢)，R1就會向R2發送LSR封包，R2收到LSR封包後發送相應的LSU封包，R1回複LSAck封包，至此R1和R2的LSDB同步完成，就切換進Full狀态；

注：兩端路由的MTU值不同就會一直處于Exstart狀态；由于雙發都有可能沒有對方的LSA，故在DD封包互動的過程中主從關系不是固定的；
           

上述過程，如下圖：

注：“進行DR/BDR選舉”、“互動空的DD封包，确定主從裝置關系”和"互相進行LSDB同步直至LSA重傳清單為空(建立鄰接關系)"均為雙向互動的過程