OSPF路由协议

一、什么是OSPF

• OSPF（Open Shortest Path First，开放最短路径优先）是IETF 开发的基于链路状态的自治系统内部路由协议
• OSPF仅传播对端设备不具备的路由信息，网络收敛迅速，并有效避免了网络资源浪费
• OSPF直接工作于IP层之上，IP协议号为89
• OSPF以组播地址发送协议包

二、与RIP的区别

RIP：运行距离矢量路由协议，周期性的泛洪自己的路由表，通过路由的交互，每台路由器都从相邻（直连）的路由器学习到路由，并且加载进自己的路由表中，而对于这个网络中的所有路由器而言，他们并不清楚网络的拓扑，他们只是简单的知道要去往某个目的应该从哪里走，距离有多远。

OSPF：运行链路状态路由协议，路由器之间交互的是LSA（Link State Advertisement链路状态通告：用来描述网络链路状况如邻居、开销等），而非路由信息。路由器将网络中泛洪的LSA 搜集到自己的LSDB（Link State DataBase链路状态数据库）中，这有助于OSPF 理解整张网络拓扑，并在此基础上通过SPF 最短路径算法计算出以自己为根的、到达网络各个角落的、无环的树，最终，路由器将计算出来的路由装载进路由表中。

泛洪（Flooding）是交换机和网桥使用的一种数据流传递技术，将从某个接口收到的数据流向除该接口之外的所有接口发送出去。

三、OSPF特性

• OSPF 链路状态协议（开放式最短路径优先），无类路由协议，支持VLSM（可变长子网掩码），CIDR（无类别域间路由），支持安全认证
• 采用SPF 算法（Dijkstra迪杰斯特拉算法）计算最佳路径，快速响应网络变化网络变化时触发更新
• 以较低频率（每隔30 分钟）发送定期更新，被称为链路状态刷新
• 与距离矢量相比，链路状态协议掌握更多的网络信息

四、OSPF三张表

1.邻居表（Neighbor table）：列出了所有和本路由器直接相连的OSPF邻居，经历了一系列的消息交互、关系状态最终建立。

2. 拓扑表（Topology table）：含有链路状态数据库（LSDB），列举了所有自己产生及邻居那得到的LSA（Flooding/泛洪），在同一个OSPF区域中的路由器，都有完全一致的OSPF Database，即OSPF数据库。一个OSPF区域，就对应着一个OSPF Database。

3. 路由表（Routing table）：在OSPF的数据库中，通过SPF算法，计算得到了最优路由，也称为Forwarding Database。

五、OSPF Packets （OSPF 五种报文）

因为是基于IP 开发的，所以协议号为89，同时也是意味着其也是不可靠的。

根据OSPF数据包type 字段数值的不同，OSPF 数据包类型分为5 种，不同的type，其后面的内容也不同。

路由表的形成与这5 种数据包的交互息息相关。

• type=1：Hello 数据包
• type=2：数据库描述包--DD 或者DBD（只出现在Exstart/Exchange 阶段）
• type=3：链路状态请求包---LSR （只出现在Loading 阶段）
• type=4：链路状态更新包---LSU
• type=5：链路状态确认包---LSAck

 六、OSPF 七种状态

1.Down（停止）：各路由器未与任何邻居交换信息，开始从运行OSPF 的接口以组播地址224.0.0.5发送Hello 包。

2. Init（初始）：各路由器收到第一个Hello 数据包后，把该路由器添加到自己的邻居Neighbor 列表中。

3. Two-Way （双向状态属于邻居关系）：收到的Hello 包中有自己的Router ID，将该路由器加入自己邻居列表中，进入2-Way 状态。在这个过程中同时选举出DR 和BDR。若不形成邻接关系则一直停留在该状态。

4. Exstart（准启动）：DROther与DR/BDR 发送DBD 包确定Master/Slave 关系，RID 大的的成为Master（不一定是DR）。

5. Exchange（交换）：Master 与Slave 之间相互单播发送一个或多个DBD 数据库描述数据包（Slave沿用Master 的序列号先发送），进行DBD 的同步。DBD 有序号，由Master 决定DBD的序号。相互收到DBD 后，通过序列号进行隐式确认已收到DBD。Exchange 状态结束的最后一个DBD 包是Slave 发送的。

6. Loading （加载）：将收到的信息同LSDB 中的信息进行比较。如果DBD 中有更新的链路状态条目，则向对方发送一个LSR，用于请求新的LSA，对方回复相应的LSU，当所有LSR都得到LSU 答复后向对方回应LSAck进行显示确认。

7. Full （完全状态，属于邻接关系）：相邻的路由器在Loading 完成同步后进入Full 状态，开始正常转发数据。此时区域内的每个链路应该都有相同的数据链路状态数据库。后续只有Hello包、LSU 包、LSAck包。

 七、OSPF协议工作过程概述

OSPF协议工作过程主要有四个阶段：

寻找邻居----建立邻接关系----链路状态信息传递----计算路由

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1）寻找邻居（OSPF协议工作过程第1步）

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2）建立邻接关系-基于广播型网络(OSPF协议工作过程第2步)

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3）传递信息（OSPF协议工作过程第3步）

• 以上是RTB获得RTA LSA的过程，RTA也通过相同的过程获得RTB的LSA
• 在RTB与RTA的LSA信息同步后，RTA在RTB邻居表内的状态变迁为Full状态

 

• OSPF协议包具备超时重传机制
• OSPF协议包具备序列号，对重复包不做处理
• LSA更新携带掩码，支持VLSM（变长子网掩码）

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4）路由计算（OSPF协议工作过程第4步）

路由计算步骤：

1. 评估一台路由器到另一台路由器所需要的开销（cost），cost值与接口带宽密切相关。

   开销=100/带宽（Mps），取整，默认最小是1

2. 同步到ospf区域的每台路由器的LSDB
3. 使用SPF计算出路由

八、LSA的洪泛

建立邻接关系后，当网络中出现了网络变化，其他路由器只发送更新报文LSU给指定路由器和备用路由器，再由指定路由器发给洪泛全网。

九、Router-ID

• Router-ID 用于在OSPF 区域中唯一地表示一台OSPF 路由器，全OSPF 域内禁止出现两台路由器拥有相同的Router-ID。
• Router-ID 的设定可以通过手工配置，也可通过协议自动选取。实际网络部署中考虑到协议的稳定，建议手工配置。一般以loopback0作为routerID
• 在路由器运行了OSPF 并由系统自动选定Router-ID 之后，如果该Router-ID 对应的接口down 掉，或出现一个更大的IP，OSPF 仍然保持原Router-ID（即Router-ID 值是非抢占的，稳定第一），即使此时reset ospf process 重启OSPF 进程，Router-ID 也不会发生改变；除非重新手工配置Router-ID（命令router-id xxx），并且重启OSPF 进程方可。
• 如果该Router-ID 对应的接口IP 地址消失，例如undo ip address，则reset ospf process （重启OSPF进程）后，RouterID 也会发生改变。

十、DR和BDR选举

指定路由器(DR) 、备用指定路由器(BDR)

• Hello包携带路由器优先级，优先级为0的路由器不具备选举资格
• 优先级相同（默认1），则比较Router ID的优先
• 先选举BDR，再选举DR
• DR和BDR一旦选定，即使OSPF区域内新增优先级更高的路由器，DR和BDR也不重新选举，只有当DR和BDR都失效后，才参与选举

十一、DR 选举规则

DR 和BDR 是由同一网段中所有的路由器根据路由器优先级、Router ID 通过Hello 报文选举出来的，只有优先级大于0 的路由器才具有选取资格，优先级为0 不参与选举。

进行DR/BDR 选举时每台路由器将自己选出的DR 写入Hello 报文中，发给网段上的每台运行OSPF 协议的路由器。当处于同一网段的多台路由器同时宣布自己是DR 时，接口优先级最高者胜出；如果优先级相等（默认为1），Router-ID 最高者胜出。

DR 具有非抢占性，也就是说如果该MA 网络（多路访问网络，MA的网络一般分为两种：广播式多路访问网络和非广播式多路访问网络。）中，已经选举完成、并且选举出了一个DR，那么后续即使有新的、更高优先级的设备加入，也不会影响DR 的选举，除非DR 挂掉。

十二、OSPF报文类型