开放路径最短优先协议OSPF基础

对比RIP

对比距离矢量路由协议(RIP)，OSPF协议交换的不是路由条目，而是链路信息，并通过SPF算法计算出最佳路由，链路状态信息内含有路由接口、IP地址、掩码、cost值等，进而形成了链路状态通告（LSA）。

基本术语

邻居表：也成为邻接数据库，通过Hello包建立邻居关系，包含自己所承认的邻居名单。
链路状态数据库（LSDB）：OSPF学来的LSA存放处，同一个区域的LSDB一样
路由表：使用SPF算法，算出以自己为根，到达目的地最短、最佳无环路径，形成路由表。通常称为转发数据库，达到目的的最佳路径列表。
区域边界路由器（ABR）：位于不同区域边界上的路由器
自治系统边界路由器（ASBR）：它连接一个OSPF域与其他路由协议域（比如BGP），简单来说就是沟通OSPF与其他协议的桥梁

OSPF区域

OSPF虽然不受路由器数量限制，但是网络中路由器太多，相互交换的LSA也会增加，随之而来的网络负担也会变大，因此需要给OSPF路由器划分区域。

区域主要分为两种：

骨干区域，又叫传输区域
常规区域

常规区域主要限制了这一个区域之间的通信，多个常规区域之间一般是相互隔绝的，如果它们之间进行通信需要经过骨干区域转发。因此常规区域一定与骨干区域相连。

OSPF寻路

OSPF寻找最佳路径采用Dijkstra算法，也叫**最短路径优先(SPF)**算法：

在同一个区域每个路由器都有一个相同额链路状态数据库
每台路由器建立由本身为根到目的的树（即然是树，则无环）
到特定目的总成本最低的链接放入路由表

一段链路的成本或者说度量的计算如下（默认情况）：
$\frac{10^8 bps}{Bandwith}$
到达目的的链路总成本为每段链路成本之和：
$\sum_{i=1}^{n} Cost_i$
此处带宽的单位为bps(比特每秒)，其中参考带宽在默认情况下为1E8 bps

这里需要注意，在使用默认值的情况下，我们无法比较百兆带宽和千兆带宽哪个好（本文对于带宽的单位都以比特每秒为基础，例如百兆为100Mbps）。

当带宽为100Mbps的时候，代入公式成本为1；当带宽为1000Mbps的时候成本为0.1，按1算。

可以通过修改参考带宽来区分百兆和前兆网络，在思科路由器上可以采用一下命令：

Router(config)#router ospf 100
Router(config-router)#auto-cost reference-bandwith ref-bw

其中ref-bw为你需要设置的参考带宽的值，范围在1-4294967M/s

还有一种方式是直接设置成本（假设入方向接口为g0/0）

Router(config)#interface g0/0
Router(config-if)#ip ospf cost int-cost

其中int-cost替换为你所需要设置的值，范围在1-65535之间。

关于该算法具体流程请参考数据结构与算法。

OSPF报文格式

OSPF报文头

OSPF报文头如上图所示，包含如下字段：

Version: OSPF版本，占用1字节，OSPFv2此处为2，OSPFv3此处为3
Message Type: 报文类型，占1字节。1表示Hello报文，2表示DD报文，3表示LSR报文，4表示LSU报文，5表示LSAck报文。
Packet Length: OSPF报文总长度（包含头部和主体），占用2字节。
Router ID: 发送方路由器ID，与IP地址长度一致，占用4字节。
Area ID: 发送报文路由器接口的所属区域ID，占用4字节。
Checksum: 除了认证信息以外的报文的校验和，占用4字节。
AuType: 校验方法，0表示不验证，1表示简单验证，2表示MD5验证，占用2字节。
Authentication: 认证信息，占用8字节。验证类型为0时未定义，验证类型为1时该字段是密码信息，类型为2时该字段包括Key ID、MD5验证数据长度和序列号的信息。MD5验证数据添加在OSPF报文后面，不包含在Authentication字段中，占用8字节

我们来看下报文内容，以下图片要拼接上上图的报文头才是一段完整的OSPF报文。

Hello报文

Hello报文内容部分（不包括报文头）如上图所示：

Network Mask：Hello报文发送的路由接口对应的子网掩码，占4字节。
HelloInterval：表示Hello报文的时间间隔，单位为sec，占用2字节。
Options：表示可选项，占用1字节。E表示允许泛洪AS-External LSA（5类），MC表示转发IP组播报文，N/P表示处理Type-7 LSA（7类LSA），DC表示处理按需链路，占用1字节。
Rtr Pri：表示DR优先级，默认为1，如果为0表示不参与DR/BDR选举，占用1字节。
Router Dead Interval：表示失效时间，在此时间内未收到邻居发来的HELLO报文，则认为邻居失效，占用4字节。
Designated Router：表示本网段DR的接口地址，占用4字节。
Backup Designated Router：表示本网段BDR的接口地址，占用4字节。
Neighbor：表示邻居类表，以router ID的方式呈现，占用4字节。

DD报文（DBD）

Interface MTU：表示发包接口所能发出的数据包的最大长度，单位为字节，在部分片的情况下，此接口最大可发出的IP报文长度，由OSPF虚链路发出的DD数据包接口的MTU字段必须设置为0，占用2字节。
Options：可选项，E表示允许泛洪AS-External LSA（5类），MC表示转发IP组播报文，N/P表示处理Type-7 LSA（7类LSA），DC表示处理按需链路，占用1字节。
I位：表示邻居双方发出的首个DD数据包，当发送多个DD报文的时候，如果这是第一个DD报文，则置为1，否则置为0，占用1位。
M位：表示DD数据包未发送完毕，当多个DD报文发送时，如果这是最后一个DD报文，则置为0，如果不是则置为1，表示后面还有其他DD报文，占用1位。
MS位：表示主从，当两台OSPF设备交互DD报文时，需要确定双方主从关系，router-ID大的一方成为主路由器，置为1时表示DD交互过程中，发包路由器为主路由器，置为0时则为从路由器。
DD sequence number：表示由主路由器设置的唯一序列号，在数据库交换过程中使用，只有主路由器才能增加此字段的值，主从双方利用序列号保证DD报文传输的可靠性和完整性（隐式确认），占用4字节。
LSA Headers：用于描述本端运行OSPF设备的LSDB信息，在协商主从关系时，发送的DD报文是不包含LSA Headers。

LSR报文

LS Type：表示指定所需的LSA类型，常见的有6类type-1：Router LSA，type-2：Network LSA，type-3：Network Summary LSA，type-4：ASBR Summary LSA，type-5：AS External LSA，type-7：NSSA LSA，占用4字节。
Link State ID：LSA标识，用于与LS Type一起描述路由域中唯一一个LSA，占用4字节。
Advertising Router：表示产生该LSR路由器的Router-ID，占用4字节。

LSU报文

Number of LSAs：LSA的数量，占用4字节。
LSAs：回复LSR报文请求的完整LSA信息。

LSAck报文

通过LSA的头部信息确认收到该LSA

OSPF基本原理

LSA

每个LSA在LSDB中都有一个序号。此序号的大小为4个字节，则编号有2的32次方个，数字范围从0x80000001到0x7FFFFFF。

此处我们先来看看0x80000000的二进制位为1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000，最高位为符号位，后面的31位为序号位，并不是值位，也就是说1后面的31位为000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000表示为1，其含义为负数中从小到大的第一个数，即int32类型的最小值-2147483648。

而对于0x7fffffff来说，符号为为0，是一个正数，而后面的31个序号位都为1，表示2的31次方，也就是2147483647。

换句话说，LSA编号的范围与int32类型的范围一致。

我们回到LSA上来，对于LSA有如下情况：

每个30分钟路由的LSA进行一次泛洪，以保证LSDB同步，每次序号+1
最终一个LSA会从0x7FFFFFFF循环回0x80000001，如果发生这种情况，这个LSA会被路由器将老化时间设置为60分钟，并从LSBD清除。
当路由接收到两个一样的LSA，序号最高的就是最新的。

当路由器接收到一条LSU报文的时候，判断LSA在本地是否存在，判断要素有三个：

LSA类型
Link ID
ADV-router（通告路由器）

上述三要素如果存在任何一个不同，那么这条LSA在本地不存在。

如果这条LSA是首次更新，之前不存在，就直接放到数据库表内，回应LSAck报文。如果这路由器外还连接着其他路由，则继续泛洪给其他路由，5秒后，运行SPF算法，更新本地路由表。

如果之前存在，判断是否是最新的，通过序号大小决定是否最新：

如果序号不同，序号比现在大则添加到数据库，序号小则不采纳。
如果序号相同，则会忽略掉这条LSA，仍然回应LSAck到邻居。

（Tips：判断序号是否相同，不光可以比较序号，还可以看生存时间和校验和）

Hello包

通过发送Hello包，建立邻居关系形成邻居表。Hello发送时间间隔根据网络类型而定：

10秒：以太链路、P2P链路（PPP、HDLC、帧中继点对点字接口）
30秒：NBMA（非广播-多路访问网络 Non-Broadcast Multiple Access）—— 帧中继字接口或帧中继多点子接口等、点到多点、点到多点非广播
Dead Time是Hello时间等4倍

多路访问网络（MA网络），是指一条物理信息可以发送给同一个网络上的其他路由器，其类型有两种：

BMA广播型多路访问网络（如一台二层交换机上连着多个路由器）
NBMA非广播型多路访问网络

影响邻居建立要素如下：

Router ID必须不一致
Hello与dead时间必须一致
区域ID一致
认证一致
MTU一致
特殊区域字段一致
MA接口掩码一致
两边都放弃选举

两台互联的OSPF路由器不会上来直接交换整个LSA，而是先交换LSA目录，然后根据目录缺少的条目，再向邻居请求。

当路由收到具体的请求内容消息的时候，回应请求的更新，这里面有真正的LSA。当请求方接收到LSA后，要回应确认包，确认包只针对Update包确认，区别于EIGRP。

综上，大致分为5步：

A-B先通过Hello建立邻居
交换LSA目录
针对没有的进行具体请求
回应邻居的请求，包含具体LSA
请求方收到LSA后进行更新并回复确认包

Router ID

每一个路由器都有一个唯一的Router-ID来区分不同路由器，形式类似于IP地址（点分四段十进制数，32位字符串，但不是IP地址）。

Router ID配置有如下优先情况：

在OSPF配置模式下，使用Router ID配置一个路由器ID
如果回环接口（loopback interface）配置了IP地址，那么该地址为Router-ID。如果有多个回环口，则使用这些接口里最高的IP地址。
无回还接口，则ID是路由器上活动接口中最高的IP地址。

我们使用Cisco路由器为例，来进行演示

6Router(config)#interface loopback 0
Router(config-if)#ip address 172.16.17.5 255.255.255.0
Router(config-if)#no shut
Router(config-if)#exit
Router(config)#do show ip ospf

注意如果OSPF进程如果已经运行，要想使配置生效，必须在特权模式下执行clear ip ospf process重新启动OSPF进程才行。

通过show ip ospf命令，我们可以看到当前Router ID与我们配置的loopback 0接口的IP是一致的。

我们再来使用router-id命令来手动设置ID试一试。

顺带一提，Cisco路由器OSPF默认进程号为100，也就是说要进入进程号为100的OSPF进程配置模式下修改！

进入OSPF进程配置命令如下，这个命令后如果跟别的数字则会激活别的OSPF进程。

Router(config)#router ospf 100
Router(config-router)#router-id 1.1.1.1
Router(config-router)#exit
Router(config)#do clear ip ospf process
Reset ALL OSPF processes? [no]: yes
Router(config)#do show ip ospf

我们可以看到Router-ID已经变成了刚才指定的1.1.1.1

OSPF五种网络类型

数据链路层

我们先来看下数据链路层的一些东西，OSPF网络类型与数据链路层的这些对应。

Point-to-Point点到点子接口(HDLC，PPP，Frame Relay)
Multiaccess多访问网络：分为，Broadcast广播的多路访问网络（Ethernet，以太网）和Nonbroadcast multiaccess非广播型多路访问(NBMA)

OSPF网络类型

前三种与数据链路层对应

P2P点到点
广播型多路访问
非广播型多路访问

后面两种要想用，只能修改接口连接类型

点到多点、点对点的集合
点到多点的非广播

其实还有一种特殊的网络类型（五种网络类型有六个不是很正常吗，雾OWO）

Loopback

我们考虑OSPF网络类型主要是因为以下几种问题：

是否需要DR/BDR选举
是否自动建立邻居
分别使用的目标更新地址
五种网络类型的Hello时间间隔
32位主机路由的特殊类型

DR/BDR选举

DR/BDR选举可谓OSPF非常重要的一个环节。

为什么需要选择DR和BDR

多接入网络对OSPF的LSA泛洪提出了两项挑战：

建立多边邻接关系：以太网可能会在普通链路上出现许多OSPF路由器，不需要也最好不要与每台路由器都建立邻接关系。如果邻接关系过多，则会导致网络内路由器间交换大量LSA。
LSA大量泛洪：OSPF初始化或者拓扑发生变化时，链路状态路由器就会泛洪自己的LSA，该过程的量和时常可能会非常大，导致网络拥塞。

选举过程

解决上述提到的问题的方案就是选出DR（指定路由器），在存在DR的情况下，如上图右侧，ABCE路由器所有更新信息都会发送给DR，DR将拥有最完整的数据库信息，之后借由DR告知ABCE对应的邻居路由器更新条目。

DR的选举依靠Hello包的优先级和Router-ID：

优先级最高的为DR，次高为BDR
优先级相同，Router-ID高的为DR，次高为BDR
不是DR和BDR的路由器被称为DRother

总之，DR和BDR选举都是通过优先级——RouterID的顺序来进行的。

这里需要注意，在OSPF协议中数值大的就越高，在其他一些协议中有些是数值越小越高。

在Cisco路由器中可以这样来设置优先级：

Router(config-if)# ip ospf priority [number]

命令中的number范围为0-255（包括0和255）。默认情况下优先级为1，不同的接口可能有不同的值，优先级为0的将永远不参与竞选DR和BDR。

当BDR失效后，重新选举BDR。当DR失效，但BDR没有失效，则原来的BDR变成DR，再重新选举BDR。

选举期一般为40秒，在选举期外不存在抢占。

DR与BDR选举完成后，DRother只和DR/BDR存在邻接关系，所有路由器将组播Hello包到地址224.0.0.5，以便它们能跟踪消息。

对于LSU，DRother只组播到224.0.0.6，只有DR和BDR会监听这个地址。

维护路由信息

我们来看上图，当A下面的网络变化时，A向224.0.0.6发送LSU，告知DR，DR向224.0.0.5发送LSU告知DRother。在这个过程中BDR也是在监听DR与DRother的消息的。

如果BDR不这样做，当DR失效，但是没有来得及通知BDR，导致原BDR称为DR时仍认为A下的网络是有效的。

邻居状态机

介绍

OSPF接口可以处于以下8种状态：

停止Down：OSPF没有与任何路由器交换信息
尝试Attempt：仅存在NMBR环境中
初始Init：路由器接收到一个Hello分组后进入该状态
双向Two-way：在邻居报文中看到自己的ID后进入该状态
准启动Exstart：通过第一次DBD报文来确定邻居间的主从关系
交换Exchange：通过DBD交换LSA的头部信息
加载Loading：发送LSR和LSU
完全邻接Full adjacency：完成了邻接关系的完整建立

OSPF状态过渡流程如下图所示

Down状态

本地一旦发出Hello包就立即跳出Down状态，进入下一状态。因此Down状态即为没有启用OSPF状态，邻居失效后也是该状态。

当启用OSPFv2的时候，已经启用的Gigabit Ethernet 0/0从Down状态变为Init状态。R1开始通过所有启用OSPF协议的接口发送Hello数据包，发现要建立临接关系的OSPF邻居（此时为自动发现邻居模式，此状态看不到；当手动指定邻居的时候可以看到邻居表里有Down状态）。

这里有一个问题，当R1发送Hello包的时候应当是处于哪种状态？其实很简单，R1的G0/0接口在宣告OSPF进程的时候，就会发送Hello包，但是对端没有邻居，所以看不到Down状态（Down是与邻居关系的状态，没邻居看不到此状态）。

第一个Hello包含内容大致如下：

自己的Router-ID（不能一致）
Hello时间（必须一致）
Dead时间（必须一致）
区域（必须一致）
特殊区域字段（必须一致）
认证（必须一致）

注意对于此Hello包是进行组播到224.0.0.5，但是对于回包是单播。

Init状态

R2从R1接收Hello数据包，并将R1的Router-ID添加到R2的邻居列表。随后R2向R1发送Hello数据包（单播），数据包在同一接口的邻居列表中包含R2的Router-ID与R1的Router-ID。（在R1收到这个包之前，R1都是Init）

上图中Router-ID为3.3.3.3的代表R3，4.4.4.4的为R4，其余同理。

我们来看上方图中R3和R4各自的邻居关系。我们手动指定R4将R3点包过滤掉，但是R3可以接受R4的包。令R3发送Hello包给R4，R4将包丢弃，因此在上图的R4邻居表中是没有R3的信息的。然而R4发送给R3一个Hello包，但是R3能接收到，所以R3的表中有R4的信息，且R4的状态显示为Init状态。

简单来讲，收到一个不包含自己信息的Hello包进入Init状态。

因此对于最上方图中的R1和R2，当R2接受到来自R1的Hello包的时候，R1并不知道R2的表中是否已经包含了R1的Router-ID，所以R1此时状态为Init，直到R1收到我们上方所说的R2的包的时候。

可以看出Init状态是一个很短暂的状态，如果长期处于该状态一般是不正常的。

Two-way状态

R1接收到了来自R2的Hello包后，把R2的Router-ID添加到本地的OSPF邻居表中。另外，R1还看到了R2的邻居表中包含R1的Router-ID，说明双方都知道了各自的Router-ID，此时R1就可以放心地进入Two-way状态了。

总结来讲就是，收到一个包含自己信息的Hello包即进入Two-way状态。

Two-way状态后接下来会怎么做取决于邻居之间的链路：

如果它们之间的链路为点对点(P2P)的话，会立刻从Two-way进入ExStart状态
如果它们之间通过通用的以太网（严格来讲应该是多访问链路）相互连接，则开始选举DR和BDR，此时Two-way状态会停留40s，也就是我们在前文中提到的40s选举期

这里说明下，之所以进入选举，是因为接下来的状态DBD需要自己确认自己就必须选出Master来主持。

ExStart状态

当Hello数据包用于建立邻接关系的时，在交换和同步LSDB的过程中，使用其它四种类型的OSPF数据包。

在ExStart状态下，这两个路由器确定是哪个路由器首先发送DBD数据包。当处于ExStart状态时，都认为自己是主的，告诉别人自己的Router-ID，并说明准备发送DBD了，在相互传递完信息后，了解到谁的Router-ID大，谁发送DBD。

ExChange状态

使用LSAck数据包确认收到DBD。

R1收到来自主路由R2的DBD后，将收到的信息与其LSDB中的信息进行比较，如果DBD数据包有较新的链路状态条目，路由器将转换为Loading状态。然后，R1将DBD数据包发送到R2，R2确认R1。

在ExChange状态下，两个路由器交换一个或者多个DBD数据包。DBD数据包包括路由器LSDB中显示的LSA条目报文头的相关信息。条目可与链路有关，也可与网络有关。每个LSA条目报头包括关于链路状态类型、通告路由器的地址、链路开销以及序列号信息。

路由器使用序列号来确定接收到的链路状态信息的更新程度。

Loading状态

该状态下使用LSR和LSU用于获取更多的路由信息。路由使用SPF算法进行处理。

当如图所示，R1向R2发送与网络172.16.6.0有关的完整信息，同样，R1接收到LSU时，它会发送LSAck。R1岁后将新的链路状态添加到其LSDB。

Full状态

当所有LSR满足特定路由要求时，邻接路由器被视为已同步并处于Full状态。OSPF路由器只会在以下情况发送LSU更新：

发现更改时（增量更新）
每30分钟

Full状态表示路由器已经收敛。

关于DBD

DBD实际上是自己确认自己。

第一步：当Init状态的时候交互DBD，此时DBD内容是空的。

第二部：交互DBD时期，此时含有真正内容的DBD报文，此步骤后进入ExChange状态

再谈LSA

LSA类型

type 1 LSA - Router LSA

type 1 LSA有如下特点：

只在本区域洪泛，不会穿越ABR
每一个运行OSPF的路由器都会生成一个路由器LSA
内容包括路由信息（前缀、掩码）和拓扑信息（另一个路由的Router-ID和自己的IP）
Link-ID为路由器的Router-ID

type 2 LSA - Network LSA

type 2 LSA有如下特点

只在本区域洪泛，不穿越ABR
由MA（广播型和NBMA，选DR/BDR的网络）网络的DR产生
内容需要联合type 1 LSA一共描述出网络的拓扑与路由
Link-ID为DR接口的IP地址

type 3 LSA - Network Summary LSA

洪泛于整个自治区域
起源于ABR，每经过一个ABR通告路由器会发生改变（简单来讲，就是ABR1发送type 3 LSA被ABR2接收到，ABR2替换该LSA中的某些字段为ABR2的信息，这样ABR2区域下的路由就不知道ABR1存在，只知道ABR2）
type 3 LSA用于通告一个区域的信息给其他区域，包含一条路由信息（这里的意思是，Area1中有几个路由信息就产生几条LSA）
描述链路的网络号和掩码
Link-ID为这条路由信息的前缀

默认情况下，没有路由的自动汇总，type 3 LSA通告每个子网。由于扩散范围广，所以需要手动汇总。一个良好的网络规划，每个区域应该利于做OSPF手动汇总。