4.4 链路状态路由协议-OSPF

[v_error]开放式最短路径优先OSPF（Open System Path Fist）协议[/v_error]
由IETF定义的一种基于链路状态的内部网关协议。
• OSPF（Open Shortest Path First，开放最短路径优先）是典型的链路状态路由协议，
是目前业内使用最广泛的IGP（内部网关协议Interior Gateway Protocol）之一； 
• 无环路；
• 收敛快；
• 扩展性好，多区域的设计使得OSPF能够支持更大规模的网络。
• 路由器之间交互的是链路状态信息，而不是直接交互路由；
• 每台OSPF路由器都知晓网络拓扑结构，采用SPF算法计算达到目的地的最短路径；
• 支持VLSM，支持手工路由汇总； 

OSPF 从设计上就保证了无路由环路。OSPF 支持区域划分，区域内部的路由器使用SPF 最短路径算法保证了区域内部的无环路。OSPF 还利用区域间的连接规则保证了区域之间无路由环路。
OSPF 支持触发更新，能勾快速检测并通告自治系统内的拓扑变化。
OSPF 可以解决网络扩容带来的问题。当网络上的路由器越来越多，路由信息流量几句增长的时候，OSPF 可以将每个自治系统划分为多个区域，并限制每个区域的范围。这种分区特点，使得OSPF 特别适用于大中型网络。OSPF 还可以同其他协议（比如多协议标记切换协议MPLS）同时运行来支持地理覆盖很广的网络。
OSPF 可以提供认证功能。

[v_error]OSPF 原理[/v_error]

OSPF 要求每台运行OSPF的路由器都了解整个网络的链路状态信息，这样才能计算出到达目的地的最优路径。

OSPF 的收敛过程：

• 由链路状态通告LSA（Link State Advertisement）泛红开始，LAS中包含了路由器一直的接口IP地址、掩码、开销和网络类型等信息；
• 收到LSA 的路由器都可以根据LSA 提供的信息建立自己的链路状态数据库LSDB（Link State Database）；
• 在LSDB 的基础上使用SPF 算法进行运算，建立到达每个网络的最短路径树；
• 最后通过最短路径树得出到达目的网络的最优路由，并将其加入到IP路由表中。

OSPF 报文：

• OSPF 报文封装在IP报文中，协议号为89；
• OSPF 报文类型有5种：

• Hello 报文最常用的一种报文：
      用于发现、维护邻居关系。并在广播和NBMA（None-Broadcast Multi-Access）类型网络中选举指定路由器DR（Designated Router）和备份指定路由器BDR（Backup Designated Router）
• DD（Database Description）报文：
      两台路由器进行LSDB 数据库同步时，用DD报文来描述自己的LSDB。DD报文的内容包括LSDB 中每一条LSA的头部（LSA的头部可以唯一标识一条LSA）。LSA头部只占一条LSA的整个数据量的一小部分，所以这样就可以减少路由器之间的协议报文流量。
• LSR（LSA Request）报文：
      两台路由器相互交换过DD 报文之后，知道对端的路由器有哪些LSA是本地LSDB所缺少的，这时需要发送LSR报文向对方请求缺少的LSA，LSR只包含了所需要的LSA的摘要信息。
• LSU（LSA Update）报文：
      用来向对端路由器发送所需要的LSA。
• LSACK（LSA State Acknowledge）报文：
      用来对接收到的LSU报文进行确认。

Hello报文格式：

Network Mask：发送Hello报文接口的掩码。
Hello Interval：发送Hello报文的间隔，单位为秒，默认10s。
Options：标识发送此报文的OSPF路由器所支持的可选功能。
Router Priority：发送Hello报文接口的Router Priority，用于选举DR和BDR。
Router Dead Interval：失效时间，在此时间内没有收到邻居发来的Hello报文则认为邻居失效，单位为秒，通常为4倍Hello Interval的时间，40s。
Designated Router：发送Hello报文所选举出来DR的IP地址，如果为0.0.0.0则表示还未选举。
Back Designated Router：同上。
Neighbor：邻居的Router-ID列表，表示路由器已经从这些邻居收到了合法的Hello报文。如果路由器发现所接受的合法Hello报文的邻居列表中有自己的RID，则认为已经建立了双向连接邻居关系。

如何验证Hello报文是否合法：

• 如果接收端口类型是广播型，点到多点或NBMA，所接收的Hello报文中Network Mask字段必须跟接收端口的网络掩码一致。如果接受端口为点到点或是虚连接则不检查。
• 所接收的Hello Interval、Router Dead Interval和Options中的E-bit（表示是否接收外部路由信息）的字段必须和接口端口的配置一致。
[v_error]邻居和邻接关系建立的过程[/v_error]
邻居（Neighbor）：
OSPF 启动后，便会通过OSPF 接口向外发送Hello报文用于发现邻居。收到Hello报文的OSPF路由器会检查报文中所定义的一些参数，如果参数一致，会形成邻居关系。
邻接（Adjacency）：
形成邻居关系不一样都能形成邻接关系，根据网络类型而定。只有当双方成功交换DD报文，并能交换LSA之后。

• Down：初始状态，表示没有从邻居收到任何消息。
• Attempt：此状态只在NBMA 网络上存在，表示没有收到任何邻居的任何信息，但是已经周期性的向邻居发送报文，发送间隔为Hello Interval，如果路由器在Router Dead Interval 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，尚未与邻居建立双向通信关系。
• 2-way：在此状态下双向通信已经建立，但是没有与邻居建立双向通信关系
• Exstart：形成邻接关系的第一步，邻居状态变成此状态以后，路由器开始向邻居发送DD报文，主从关系在此状态下形成，初始DD序列号在此状态下决定，此状态下的DD报文不包含链路状态描述。
• Exchange：路由器护发包含链路状态信息摘要的DD报文，描述本地LSDB的内容。
• Loading：互相发送LSR报文请求LSA，发送LSU报文通告LSA。
• Full：路由器的LSDB已经同步。

Router-ID（Router Identifier）：

路由器标示符，用于在一个OSPF域中唯一地标识一台路由器，每台
运行OSPF的路由器具备Router-ID；
Router-ID的设定可以通过手工配置的方式，或使用自动获取的方式。自动选取
的机制是：若路由器存在loopback接口，则选最大的loopback接口IP地址，若无则选
活跃的物理接口中IP地址最大的作为RouterID； 
配置了新的Router-ID后可以通过重置OSPF进程来更新。<R1>reset ospf process
通常建议手动配置Router-ID，防止Router-ID因为接口地址的变化而变化。

数据库同步：

• 路由器使用DD报文进行主从路由器的选举以及数据库摘要信息的交互。
• DD报文包含LSA的头部信息，用来描述LSDB的摘要信息。
在建立完成邻居关系之后，便开始数据库同步，具体过程如下：

发送完最后一个DD报文之后，RTA将邻居关系设置为Loading；RTB收到最后一个DD报文之后讲状态变为Full（假设RTB的LSDB是最新最全，不需要向RTA请求更新）。

建立完全邻接关系：

6、邻居状态变为Loading之后，RTA向RTB发送LSR报文，请求在Exchange下同DD报文发现且在本地LSDB没有的链路状态信息。
7、RTB收到TRA的LSR之后根据其内容回复RTA请求的包含链路信息的LSU报文，RTA收到RTB的LSU之后，邻居关系变为Full。
8、RTA向RTB发送LSACK报文，向对方确认已经接收LSU。
至此，RTA和RTB的邻居状态变为Full，表示完全到达邻接关系。

OSPF邻居关系的建立举例：

[v_error]OSPF支持的网络类型[/v_error] OSPF定义了四种网络类型，分别是：点到点、广播、NBMA和点到多点。
缺省情况下，OSPF认为以太网的网络类型是广播型，PPP、HDLC的网络类型是点到点类型。

广播型：

广播型网络是指支持两台以上的路由器，并且具有广播能力的网络。一个含有三台路由器的以太网就是一个广播型网络的例子。使用组播地址224.0.0.6来接收链路状态更新报文。

点到点型：

只把两台路由器直接相连的网络，一个运行PPP的64k串行网络就是一个点到点网络的例子。

缺省情况下OSPF认为帧中继、ATM的网络类型是NBMA类型。

OSPF可以在不支持广播的多路访问网络上运行，此类型包括在hub-spoke拓扑上运行的帧中继（FR）和异步传输模式（ATM）网络，这些网络的通信依赖于虚电路。
OSPF定义了两种支持多路访问的网络类型：非广播多路访问网络（NBMA）和点到多点网络（Point To Multi-Points）。
1、NBMA：在此网络上，OSPF模拟在广播型网络上的操作，但是每个路由器的邻居需要手动配置，NBMA方式要求网络中的路由器组成全连接。
2、P2MP：讲整个网络看成是一组点到点网络。对于不能组成全连接的网络应当使用点到多点方式，例如只使用PVC的不完全连接的帧中继网络。

DR&BDR：

每一个含有2个路由器的广播型和NBMA网络都有一个DR和BDR，可以减少邻接关系数量，从而减少链路状态信息以及路由信息的交换次数，从而节省带宽，降低对路由器处理能力的压力。

DR&BDR选举：

1、端口优先级：优先级取值范围0~255，值越高越优先，如果为0则不参与选举，
2、Router ID：如果端口优先级一样，则比较RID值，越大越优先。
如果网络中存在DR和BDR，新添加的路由器就算优先级高于现有DR&BDR也不会成为DR&BDR，如果DR故障，则BDR成为DR，然后选举BDR，如果BDR故障则选举BDR。

OSPF区域：

OSPF支持将一组网段组合在一起，这样称之为一个区域。
划分OSPF区域可以缩小路由器的LSDB规模，减少网络流量。

特点：

区域内的详细拓扑信息不向其他区域发送，区域间传递的是抽象的路由信息，而不是详细的描述拓扑结构的链路状态信息。路由器会为每一个自己连到的区域维护一个单独的LSDB。
图中Area 0 为骨干区域，非骨干区域之间不允许直接发布路由信息。每个区域都必须连到骨干区域。
ABR：是指区域边界路由器（Area Boundary Router）运行在区域直接的路由器，它包含所有相连区域的LSDB。
ASBR：自治系统边界路由器（Autonomous System Boundary Router）是指和其他AS中的路由器交换路由信息的路由器，这种路由器会向整个AS通告AS外部路由信息。

OSPF开销：

OSPF基于接口带宽计算开销，公式为：接口开销=带宽参考值/带宽。
带宽参考值默认为100Mbit/s。
所以一个64bit/s串口的开销为1562，一个E1接口（2.048Mbit/s）的开销为48。

在支持10Gbit/s速率的情况下，推荐将带宽参考值提高到10000Mbit/s来分别为10Gbit/s、1Gbit/s和100Mbit/s的链路提供1、10和100的开销。
还可以通过OSPF cost来手动为每一个接口调整开销，范围是1~65535，缺省为1。
[v_error]OSPF配置[/v_error]

第一条命令用于使能OSPF进程并且为路由器配置RID，network 用于指定运行OSPF协议的接口，此处要配置反掩码，“0”表示严格匹配，“1”表示任意。

OSPF认证：

OSPF认证可以配置在接口和区域上，接口优先级大于区域。

[v_blue]点此查看——4.4.1 OSPF 实验 [/v_blue]