2017/3/24 morning

OSPF(Open Shortest Path First开放式最短路径优先）是一个内部网关协议(Interior Gateway Protocol，简称IGP），用于在单一自治系统（autonomous system,AS）内决策路由。是对链路状态路由协议的一种实现，隶属内部网关协议（IGP），故运作于自治系统内部。著名的迪克斯加算法(Dijkstra)被用来计算最短路径树。OSPF分为OSPFv2和OSPFv3两个版本,其中OSPFv2用在IPv4网络，OSPFv3用在IPv6网络。OSPFv2是由RFC 2328定义的，OSPFv3是由RFC 5340定义的。与RIP相比，OSPF是链路状态协议，而RIP是距离矢量协议。

OSPF术语

Router-ID

假设这个世界上的人名字是没有重复的，每个人的名字都不相同，当有一天，遇上个陌生人告诉你，有任何麻烦可以找他，他一定能够帮你解决；等到你有麻烦的时候，你想找那个人帮忙，可是如果你连那个人的名字都不知道，那么也就不可能找到那个人帮忙了。OSPF就类似于上述情况，网络中每台OSPF路由器都相当于一个人，OSPF路由器之间相互通告链路状态，就等于是告诉别人可以帮别人的忙，如此一来，如果路由器之间分不清谁是谁，没有办法确定各自的身份，那么通告的链路状态就是毫无意义的，所以必须给每一个OSPF路由器定义一个身份，就相当于人的名字，这就是Router-ID，并且Router-ID在网络中绝对不可以有重名，否则路由器收到的链路状态，就无法确定发起者的身份，也就无法通过链路状态信息确定网络位置，OSPF路由器发出的链路状态都会写上自己的Router-ID，可以理解为该链路状态的签名，不同路由器产生的链路状态，签名绝不会相同。

每一台OSPF路由器只有一个Router-ID，Router-ID使用IP地址的形式来表示，确定Router-ID的方法为：

★1 .手工指定Router-ID。

★2 .路由器上活动Loopback接口中IP地址最大的，也就是数字最大的，如C类地址优先于B类地址，一个非活动的接口的IP地址是不能被选为Router-ID的。

★3 .如果没有活动的Loopback接口，则选择活动物理接口IP地址最大的。

注：如果一台路由器收到一条链路状态，无法到达该Router-ID的位置，就无法到达链路状态中的目标网络。

Router-ID只在OSPF启动时计算，或者重置OSPF进程后计算。

COST

OSPF使用接口的带宽来计算Metric，例如一个10 Mbit/s的接口，计算Cost的方法为：

将10 Mbit换算成bit，为10 000 000 bit，然后用10000 0000除以该带宽，结果为 10000 0000/10 000 000 bit = 10，所以一个10 Mbit/s的接口，OSPF认为该接口的Metric值为10，需要注意的是，计算中，带宽的单位取bit/s，而不是Kbit/s，例如一个100 Mbit/s的接口，Cost 值为 10000 0000 /100 000 000=1，因为Cost值必须为整数，所以即使是一个1000 Mbit/s（1GBbit/s）的接口，Cost值和100Mbit/s一样，为1。如果路由器要经过两个接口才能到达目标网络，那么很显然，两个接口的Cost值要累加起来，才算是到达目标网络的Metric值，所以OSPF路由器计算到达目标网络的Metric值，必须将沿途中所有接口的Cost值累加起来，在累加时，同EIGRP一样，只计算出接口，不计算进接口。

OSPF会自动计算接口上的Cost值，但也可以通过手工指定该接口的Cost值，手工指定的优先于自动计算的值。

OSPF计算的Cost，同样是和接口带宽成反比，带宽越高，Cost值越小。到达目标相同Cost值的路径，可以执行负载均衡，最多6条链路同时执行负载均衡。

链路（Link）

就是路由器上的接口，在这里，应该指运行在OSPF进程下的接口。

链路状态（Link-State）

链路状态（LSA）就是OSPF接口上的描述信息，例如接口上的IP地址，子网掩码，网络类型，Cost值等等，OSPF路由器之间交换的并不是路由表，而是链路状态（LSA），OSPF通过获得网络中所有的链路状态信息，从而计算出到达每个目标精确的网络路径。OSPF路由器会将自己所有的链路状态毫不保留地全部发给邻居，邻居将收到的链路状态全部放入链路状态数据库（Link-State Database），邻居再发给自己的所有邻居，并且在传递过程中，绝对不会有任何更改。通过这样的过程，最终，网络中所有的OSPF路由器都拥有网络中所有的链路状态，并且所有路由器的链路状态应该能描绘出相同的网络拓朴。比如如今要计算一条地铁线路图，如上海地铁二号线某段的图，如果不直接将该图给别人看，图好比是路由表，如今只是报给别人各个站的信息，该信息好比是链路状态，通过告诉别人各个站左边一站是什么，右边一站是什么，别人也能通过该信息（链路状态），画出完整的线路图（路由表），如得到如下各站信息（链路状态）：

★南京东路-站 （左边一站是人民广场，右边一站是陆家嘴）

★南京西路-站 （左边一站是静安寺，右边一站是人民广场）

★静安寺-站 （右边一站是南京西路）

★人民广场-站 （左边一站是南京西路，右边一站是南京东路）

★陆家嘴-站 （左边一站是南京东路）

还原线路图（路由表）如下：

根据分析以下两站信息（两条链路状态）：

★南京西路-站 （左边一站是静安寺，右边一站是人民广场）

★静安寺-站 （右边一站是南京西路）

计算 因为静安寺右边是南京西路，而南京西路左边是静安寺，所以静安寺和南京西路是相邻的，为 静安寺 — 南京西路，并且由于南京西路右边是人民广场，所以通过这两条信息，得出线路为 静安寺 — 南京西路 — 人民广场，继续往下

再根据如下两站信息（链路状态）：

★人民广场-站 （左边一站是南京西路，右边一站是南京东路）

★南京东路-站 （左边一站是人民广场，右边一站是陆家嘴）

计算 因为之前南京西路右边是人民广场，人民广场左边是南京西路，所以南京西路和人民广场是相邻的两站，并且人民广场右边是南京东路，得出线路为 南京西路 — 人民广场 — 南京东路，并且因为南京东路右边是陆家嘴，所以 这部分线路得知为南京西路 — 人民广场 — 南京东路 — 陆家嘴，继续往下

再根据如下一站信息（链路状态）：

★陆家嘴-站 （左边一站是南京东路）

计算 因为南京东路右边是陆家嘴，而陆家嘴左边是南京东路，所以两站相邻，得出为 南京东路 — 陆家嘴，

通过以上各部分的线路：

静安寺 — 南京西路 — 人民广场

南京西路 — 人民广场 — 南京东路 — 陆家嘴

南京东路 — 陆家嘴

所以很轻松的就画出该段地铁线路图为：

静安寺 — 南京西路 — 人民广场 —南京东路 — 陆家嘴

从以上计算过程可以知道，因为得到各站的信息，就能画出整条线路图，而OSPF也同样根据路由器各接口的信息（链路状态），计算出网络拓朴图，OSPF之间交换链路状态，就像上面交换各站信息，而不像RIP和EIGRP直接交换路由表，交换路由表，就等于直接给人看线路图，可见OSPF的智能算法，比距离矢量协议对网络有更精确的认知。

OSPF区域

因为OSPF路由器之间会将所有的链路状态（LSA）相互交换，毫不保留，当网络规模达到一定程度时，LSA将形成一个庞大的数据库，势必会给OSPF计算带来巨大的压力；为了能够降低OSPF计算的复杂程度，缓存计算压力，OSPF采用分区域计算，将网络中所有OSPF路由器划分成不同的区域，每个区域负责各自区域精确的LSA传递与路由计算，然后再将一个区域的LSA简化和汇总之后转发到另外一个区域，这样一来，在区域内部，拥有网络精确的LSA，而在不同区域，则传递简化的LSA。区域的划分为了能够尽量设计成无环网络，所以采用了Hub-Spoke的拓朴架构，也就是采用核心与分支的拓朴，如下图：

 

区域的命名可以采用整数数字，如1、2、3、4，也可以采用IP地址的形式，0.0.0.1、0.0.0.2，因为采用了Hub-Spoke的架构，所以必须定义出一个核心，然后其它部分都与核心相连，OSPF的区域0就是所有区域的核心，称为BackBone 区域（骨干区域），而其它区域称为Normal 区域（常规区域），在理论上，所有的常规区域应该直接和骨干区域相连，常规区域只能和骨干区域交换LSA，常规区域与常规区域之间即使直连也无法互换LSA，如上图中Area 1、Area 2、Area 3、Area 4只能和Area 0互换LSA，然后再由Area 0转发，Area 0就像是一个中转站，两个常规区域需要交换LSA，只能先交给Area 0，再由Area 0转发，而常规区域之间无法互相转发。

OSPF区域是基于路由器的接口划分的，而不是基于整台路由器划分的，一台路由器可以属于单个区域，也可以属于多个区域，如下图：

 

如果一台OSPF路由器属于单个区域，即该路由器所有接口都属于同一个区域，那么这台路由器称为Internal Router（IR），如上图中的R2，R3和R4；如果一台OSPF路由器属于多个区域，即该路由器的接口不都属于一个区域，那么这台路由器称为Area Border Router （ABR），如上图中的R1，ABR可以将一个区域的LSA汇总后转发至另一个区域；如果一台OSPF路由器将外部路由协议重分布进OSPF，那么这台路由器称为Autonomous System Boundary Router （ASBR），如上图中，R5将EIGRP重分布进OSPF，那么R5就是ASBR，但是如果只是将OSPF重分布进其它路由协议，则不能称为ASBR。

可以配置任何OSPF路由器成为ABR或ASBR。

由于OSPF有着多种区域，所以OSPF的路由在路由表中也以多种形式存在，共分以下几种：

如果是同区域的路由，叫做Intra-Area Route，在路由表中使用O来表示；

如果是不同区域的路由，叫做Inter-Area Route或Summary Route，在路由表中使用O IA来表示；

如果并非OSPF的路由，或者是不同OSPF进程的路由，只是被重分布到OSPF的，叫做External Route，在路由表中使用O E2或OE 1来表示。

当存在多种路由可以到达同一目的地时，OSPF将根据先后顺序来选择要使用的路由，所有路由的先后顺序为：

Intra-Area — Inter-Area — External E1 — External E2，即 O — O IA — O E1 — O E2。

注：

★一台路由器可以运行多个OSPF进程，不同进程的OSPF，可视为没有任何关系，如需要获得相互的路由信息，需要重分布。

★每个OSPF进程可以有多个区域，而路由器的链路状态数据库是分进程和分区域存放的。

邻居（Neighbor）

OSPF只有邻接状态才会交换LSA，路由器会将链路状态数据库中所有的内容毫不保留地发给所有邻居，要想在OSPF路由器之间交换LSA，必须先形成OSPF邻居，OSPF邻居靠发送Hello包来建立和维护，Hello包会在启动了OSPF的接口上周期性发送，在不同的网络中，发送Hello包的间隔也会不同，当超过4倍的Hello时间，也就是Dead时间过后还没有收到邻居的Hello包，邻居关系将被断开。

两台OSPF路由器必须满足4个条件，才能形成OSPF邻居，4个必备条件如下： 　　

Area-id（区域号码）

即路由器之间必须配置在相同的OSPF区域，否则无法形成邻居。

Hello and Dead Interval（Hello时间与Dead时间）

即路由器之间的Hello时间和Dead时间必须一致，否则无法形成邻居。

Authentication（认证）

路由器之间必须配置相同的认证密码，如果密码不同，则无法形成邻居。

Stub Area Flag（末节标签）

路由器之间的末节标签必须一致，即处在相同的末节区域内，否则无法形成邻居。

注：

★OSPF只能使用接口的Primary地址建立邻居，不能使用Secondary建立邻居。

★路由器双方接口要么都为手工配置地址（Numbered），要么都为借用地址（Unnumbered），否则无法建立邻居。

邻接（Adjacency）

两台OSPF路由器能够形成邻居，但并不一定能相互交换LSA，只要能交换LSA，关系则称为邻接（Adjacency）。邻居之间只交换Hello包，而邻接（Adjacency）之间不仅交换Hello包，还要交换LSA。

DR/BDR

当多台OSPF路由器连到同一个多路访问网段时，如果每两台路由器之间都相互交换LSA，那么该网段将充满着众多LSA条目，为了能够尽量减少LSA的传播数量，通过在多路访问网段中选择出一个核心路由器，称为DR（Designated Router），网段中所有的OSPF路由器都和DR互换LSA，这样一来，DR就会拥有所有的LSA，并且将所有的LSA转发给每一台路由器；DR就像是该网段的LSA中转站，所有的路由器都与该中转站互换LSA，如果DR失效后，那么就会造成LSA的丢失与不完整，所以在多路访问网络中除了选举出DR之外，还会选举出一台路由器作为DR的备份，称为BDR（Backup Designated Router），BDR在DR不可用时，代替DR的工作，而既不是DR，也不是BDR的路由器称为Drother，事实上，Dother除了和DR互换LSA之外，同时还会和BDR互换LSA。

其实不难看出，DR与BDR并没有任何本质与功能的区别，只有在多路访问的网络环境，才需要DR和BDR，DR与BDR的选举是在一个二层网段内选举的，即在多个路由器互连的接口范围内，与OSPF区域没有任何关系，一个区域可能有多个多路访问网段，那么就会存在多个DR和BDR，但一个多路访问网段，只能有一个DR和BDR；选举DR和BDR的规则为：

★比较接口优先级

选举优先级最高的成为DR，优先级数字越大，表示优先级越高，被选为DR的几率就越大，次优先级的为BDR，优先级范围是0-255，默认为1，优先级为0表示没有资格选举DR和BDR。

★Route-Id大小

如果在优先级都相同的情况下，Route-Id 最大的成为DR，其次是BDR，数字越大，被选为DR的几率就越大。

因为所有路由器都能与DR和BDR互换LSA，所以所有路由器都与DR和BDR是邻接（Adjacency）关系，而Drother与Drother之间无法互换LSA，所以Drother与Drother之间只是邻居关系。

在一个多路访问网络中，选举DR和BDR是有时间限制的，该时间为Wait时间，默认为4倍的Hello时间，即与Dead时间相同，如果OSPF路由器在超过Wait时间后也没有其它路由器与自己竞争DR与BDR的选举，那么就选自己为DR；当一个多路访问网络中选举出DR与BDR之后，在DR与BDR没有失效的情况下，不会进行重新选举，也就是在选举出DR与BDR之后，即使有更高优先级的路由器加入网络，也不会影响DR与BDR的角色，在越出选举时间（Wait时间）后，只有DR与BDR失效后，才会重新选举。DR失效后，会同时重新选举DR与BDR，而在BDR失效后，只会重新选举BDR。

DR和BDR与Drother的数据包处理会有所不同，

所有OSPF路由器，包括DR与BDR，都能够接收和传递目标地址为224.0.0.5的数据包。

只有DR和BDR才能接收和传递目标地址为224.0.0.6的数据包。

由此可见，Drother路由器将数据包发向目标地址224.0.0.6，只能被DR和BDR接收，其它Drother不能接收；而DR和BDR将数据包发向目标地址224.0.0.5，可以被所有路由器接收。

协议

一、Hello协议的目的：

用于发现邻居

在成为邻居之前，必须对Hello包里的一些参数进行协商

Hello包在邻居之间扮演着keepalive的角色

允许邻居之间的双向通信

用于在NBMA(Nonbroadcast Multi-access）、广播网络(以太网)中选举DR和BDR

二、Hello Packet包含以下信息：

源路由器的RID

源路由器的Area ID

源路由器接口的掩码

源路由器接口的认证类型和认证信息

源路由器接口的Hello包发送的时间间隔

源路由器接口的无效时间间隔

优先级

DR/BDR接口IP地址

五个标记位（flag bit)

源路由器的所有邻居的RID

网络类型

OSPF定义的5种网络类型：

1. 点到点网络(point-to-point），由cisco提出的网络类型，自动发现邻居，不选举DR/BDR，hello时间10s。

1.1点到点网络,比如T1线路，是连接单独的一对路由器的网络，点到点网络上的有效邻居总是可以形成邻接关系的，在这种网络上，OSPF包的目标地址使用的是224.0.0.5，这个组播地址称为AllSPFRouters.

2.广播型网络(broadcast），由cisco提出的网络类型，自动发现邻居，选举DR/BDR，hello时间10s。

2.1广播型网络，比如以太网，Token Ring和FDDI，这样的网络上会选举一个DR和BDR,DR/BDR的发送的OSPF包的目标地址为224.0.0.5，运载这些OSPF包的帧的目标MAC地址为0100.5E00.0005；而除了DR/BDR以外发送的OSPF包的目标地址为224.0.0.6，这个地址叫AllDRouters.

3.非广播型（NBMA）网络 (non-broadcast），由RFC提出的网络类型，手工配置邻居，选举DR/BDR，hello时间30s。

3.1.NBMA网络，比如X.25,Frame Relay，和ATM，不具备广播的能力，因此邻居要人工来指定，在这样的网络上要选举DR和BDR,OSPF包采用unicast的方式

4.点到多点网络 (point-to-multipoint），由RFC提出，自动发现邻居，不选举DR/BDR，hello时间30s。

4.1点到多点网络 是NBMA网络的一个特殊配置，可以看成是点到点链路的集合. 在这样的网络上不选举DR和BDR.

5.点到多点非广播，由cisco提出的网络类型，手动配置邻居，不选举DR/BDR，hello时间30s。

6.虚链接： OSPF包是以unicast的方式发送

所有的网络也可以归纳成2种网络类型：

1. 传输网络（Transit Network)
2. 末梢网络（Stub Network )

OSPF模式

OSPF模式	NBMA 推荐拓扑	子网接口	Hello时间	链接关系	RFC/Cisco
Broadcast	Full or partial mesh	Same	10 sec	Automatic, DR/BDR elected	Cisco
Nonbroadcast (NBMA)	Full or partial mesh	Same	30 sec	Manual configuration, DR/BDR elected	RFC
Point-to-multipoint	Partial-mesh or star	Same	30 Sec	Automatic, no DR/BDR	RFC
Point-to-multipoint nonbroadcast	partial-mesh or star	Same	30 sec	Manual configuration, no/DR/BDR	Cisco
Point-to-point	Partial-mesh or star, using subinterface	Different for Each Subinterface	10 sec	Automatic, no DR/BDR	Cisco

DR、BDR

在DR和BDR出现之前，每一台路由器和他的所有邻居成为完全网状的OSPF邻接关系，这样5台路由器之间将需要形成10个邻接关系，同时将产生20条LSA.而且在多址网络中，还存在自己发出的LSA 从邻居的邻居发回来，导致网络上产生很多LSA的拷贝，所以基于这种考虑，产生了DR和BDR.

DR将完成如下工作

1. 描述这个多址网络和该网络上剩下的其他相关路由器.
2. 管理这个多址网络上的flooding过程.
3. 同时为了冗余性，还会选取一个BDR，作为双备份之用.

DR BDR选取规则：DR BDR选取是以接口状态机的方式触发的.

1. 路由器的每个多路访问（multi-access）接口都有个路由器优先级（Router Priority),8位长的一个整数，范围是0到255,Cisco路由器默认的优先级是1优先级为0的话将不能选举为DR/BDR.优先级可以通过命令ip ospf priority进行修改.
2. Hello包里包含了优先级的字段，还包括了可能成为DR/BDR的相关接口的IP地址.
3. 当接口在多路访问网络上初次启动的时候，它把DR/BDR地址设置为0.0.0.0，同时设置等待计时器（wait timer）的值等于路由器无效间隔（Router Dead Interval).

DR BDR选取过程：

1. 路由器X在和邻居建立双向（2-Way）通信之后，检查邻居的Hello包中Priority,DR和BDR字段，列出所有可以参与DR/BDR选举的邻居（priority不为0).
2. 如果有一台或多台这样的路由器宣告自己为BDR（也就是说，在其Hello包中将自己列为BDR，而不是DR），选择其中拥有最高路由器优先级的成为BDR；如果相同，选择拥有最大路由器标识的。如果没有路由器宣告自己为BDR，选择列表中路由器拥有最高优先级的成为BDR，（同样排除宣告自己为DR的路由器），如果相同，再根据路由器标识。
3. 按如下计算网络上的DR。如果有一台或多台路由器宣告自己为DR（也就是说，在其Hello包中将自己列为DR），选择其中拥有最高路由器优先级的成为DR；如果相同，选择拥有最大路由器标识的。如果没有路由器宣告自己为DR，将新选举出的BDR设定为DR。
4. 如果路由器X新近成为DR或BDR，或者不再成为DR或BDR，重复步骤2和3，然后结束选举。这样做是为了确保路由器不会同时宣告自己为DR和BDR。
5. 要注意的是，当网络中已经选举了DR/BDR后，又出现了1台新的优先级更高的路由器，DR/BDR是不会重新选举的。
6. DR/BDR选举完成后，DRother只和DR/BDR形成邻接关系.所有的路由器将组播Hello包到AllSPFRouters地址224.0.0.5以便它们能跟踪其他邻居的信息，即DR将泛洪update packet到224.0.0.5;DRother只组播update packet到AllDRouter地址224.0.0.6,只有DR/BDR监听这个地址.

简洁的说：DR的筛选过程

1. 优先级为0的不参与选举；
2. 优先级高的路由器为DR；
3. 优先级相同时，以router ID 大为DR；

router-ID选举规则

首先会在该路由器上的所有 环回接口里选一个IP地址最大的，如果没有环回接口就选活动的物理接口IP地址最大的。

（只有在IPV4 的环境下可以自动选举route-ID 如果是纯IPV6环境必须手工指定）

邻居关系

邻接关系建立的4个阶段：

1. 邻居发现阶段。
2. 双向通信阶段：Hello报文都列出了对方的RID，则BC完成。
3. 数据库同步阶段：主从协商；DD交换；LSA请求；LSA传播；LSA应答。
4. 完全邻接阶段： full adjacency。

邻居关系的建立和维持都是靠Hello包完成的，在一般的网络类型中，Hello包周期性的以HelloInterval秒发送，有1个例外：在NBMA网络中，路由器每经过一个PollInterval周期发送Hello包给状态为down的邻居（其他类型的网络是不会把Hello包发送给状态为down的路由器的）.Cisco路由器上PollInterval默认120s Hello Packet以组播的方式发送给224.0.0.5，在NBMA类型，点到多点和虚链路类型网络，以单播发送给邻居路由器。邻居可以通过手工配置或者Inverse-ARP发现。

OSPF路由器在完全邻接之前，所经过的几个状态:

1. Down：此状态还没有与其他路由器交换信息。首先从其ospf接口向外发送hello分组，还并不知道DR（若为广播网络）和任何其他路由器。发送hello分组使用组播地址224.0.0.5。
2. Attempt: 只适于NBMA网络，在NBMA网络中邻居是手动指定的，在该状态下，路由器将使用HelloInterval取代PollInterval来发送Hello包。
3. Init: 表明在DeadInterval里收到了Hello包，但是2-Way通信仍然没有建立起来。
4. two-way: 双向会话建立，而RID彼此出现在对方的邻居列表中。（若为广播网络：例如：以太网。在这个时候应该选举DR,BDR。）
5. ExStart: 信息交换初始状态，在这个状态下，本地路由器和邻居将建立Master/Slave关系，并确定DD Sequence Number，路由器ID大的的成为Master。
6. Exchange: 信息交换状态，本地路由器和邻居交换一个或多个DBD分组（也叫DDP），DBD包含有关LSDB中LSA条目的摘要信息。
7. Loading: 信息加载状态：收到DBD后，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。
8. Full: 完全邻接状态，邻接间的链路状态数据库同步完成，通过邻居链路状态请求列表为空且邻居状态为Loading判断。

 

无法形成邻接关系的常见原因

1. Hello间隔和Dead间隔必须相同才能建立邻接关系。
2. 区域号码不一致。
3. 特殊区域（如stub和nssa等）区域类型不匹配。
4. 认证类型和密码不一致。
5. 路由器ID相同。
6. Hello包被ACLdeny。
7. 链路上的MTU不匹配。
8. 接口下OSPF网络类型不匹配。