OSPF基础（1）

一、OSPF基础

1、技术背景（RIP中存在的问题）

RIP中存在最大跳数为15的限制，不能适应大规模组网

周期性发送全部路由信息，占用大量的带宽资源

以路由收敛速度慢

存在路由环路可能性

每隔30秒更新

2、OSPF协议特点

没有跳数限制，适合大规模组网

使用组播更新变化的路由和网络信息

路由收敛快

以COST作为度量值

采用SPF算法有效避免环路

每隔30分钟更新

在互联网上大量使用，是运用最广泛的路由协议

注意：OSPF传递的是拓扑信息和路由信息，RIP传递的是路由表

3、OSPF三张表

邻居表：记录邻居状态和关系

拓扑表：链路状态数据库（LSDB）

路由表：记录由SPF算法计算的路由，存放在OSPF路由表中

4、OSPF数据包(可抓包)

OSPF报文直接封装在IP报文中，协议号89

头部数据包内容：

版本(Version):对于OSPFv2，该字段值恒为2(使用在IPV4中。对于OSPFv3，该字段值恒为3：使用在IPV6中)

类型(Type):该OSPF报文的类型。该字段的值与报文类型的对应关系是:1-Hello;2-DD;3-LSR;4-LSU;5-LSAck。

报文长度（Packet Length):整个OSPF 报文的长度（字节数)。

路由器ID (Router Identification):路由器的OSPF Router-ID。

区域ID (Area Identification):该报文所属的区域ID，这是一个32bit 的数值。

校验和(Checksum):用于校验报文有效性的字段。

认证类型(Authentication Type):指示该报文使用的认证类型。

认证数据（Authentication Data):用于报文认证的内容。

(1)hello：hello包携带自己的router ID、被发现的邻居标识，用来周期保活的，发现，建立邻居关系。

网络掩码(Network Mask):一旦路由器的某个接口激活了OSPF，该接口即开始发送Hello报文，该字段填充的是该接口的网络掩码。两台OSPF 路由器如果通过以太网接口直连，那么双方的直连接口必须配置相同的网络掩码，否则影响邻居关系建立。
Hello间隔(Hello Interval):接口周期性发送报文的时间间隔(单位为s)。两台直连路由器要建立OSPF邻居关系，需确保接口的Hello Interval相同，否则邻居关系无法正常建立。
可选项（Options):该字段一共8bit，每个比特位都用于指示该路由器的某个特定的OSPF 特性。Options字段中的某些比特位会被检查，这有可能会直接影响到OSPF邻接关系的建立。（特殊区域的标记）。
路由器优先级(Router Priority):路由器优先级，范围：0-255，默认是1，数字越大，代表路由优先级越高，也叫DR优先级，该字段用于DR、BDR 的选举。
路由器失效时间（Router Dead Interval):在邻居路由器被视为无效前，需等待收到对方Hello报文的时间（单位为s)。两台直连路由器要建立OSPF 邻居关系，需确保双方直连接口的Router Dead Interval相同，否则邻居关系无法正常建立。缺省情况下，OSPF路由器接口的Router Dead Interval为该接口的Hello Interval的4倍。
指定路由器(Designated Router):网络中DR的接口IP地址。如果该字段值为0.0.0.0，则表示没有DR，或者DR尚未选举出来。
备份指定路由器（Backup Designated Router):网络中 BDR的接口IP地址。如果该字段值为0.0.0.0，则表示网络中没有BDR，或者BDR尚未选举出来。
邻居(Neighbor)。在直连链路上发现的有效邻居，此处填充的是邻居的Router-iD，如果发现了多个邻居，则包含多个邻居字段。

(2)DBD（数据库描述报文）：仅包含LSA摘要

接口最大传输单元(Interface Maximum Transmission Unit):接口的MTU。

可选项(Options):路由器支持的OSPF可选项。

DD报文置位符：

I：init位，I=1，这是第一个DD报文

M:more位，M=1表示后续还有DD报文

MS:master位，MS=1,表示本端为主

DD序列号( Sequence Number): DD报文的序列号，在报文交互的过程中，DD序列号被逐次加1，用于确保DD报文传输的有序和可靠性。值得注意的是，DD序列号必须是由Master路由器来决定的，而Slave路由器只能使用Master路由器发送的DD序列号来发送自己的DD报文。（route id大的设备会成为master）

LSA头部( Header):当路由器使用DD报文来描述自己的LSDB时，的头部信息被包含在此处。一个DD报文可能包含一条或多条LSA的头部。

(3)LSR：请求自己没有的或则比自己更新的链路状态详细信息

链路状态类型，链路状态ID，通告路由器 ---- “LSA三元组” --- 通过着三个参数可以唯一的标识出一条LSA

(4)LSU：链路状态更新信息

一个LSU报文可以包含多个LSA

当路由器感知到网络发生变化时，也可以触发LSU报文的泛洪，以便将该变化通知给网络中的其他OSPF 路由器。

在MA网络中，非 DR、BDR路由器向224.0.0.6这个组播地址发送LSU报文，而DR及 BDR会侦听这个组播地址，DR在接收LSU报文后向224.0.0.5发送LSU报文，从而将更新信息泛洪到整个OSPF区域，所有的OSPF 路由器都会侦听224.0.0.5这个组播地址。

总结：

224.0.0.5所有运行OSPF的接口会监听

224.0.0.6所有DR\BDR的接口会监听

(5)LSAck:对LSU的确认

报文中包含着路由器所确认的LSA的头部（每个LSA头部的长度为20byte)

5、OSPF工作过程

邻居：双方通过hello报文，相互认识

邻接：邻居关系建立好后，进行一系列报文交互，当两台路由器LSDB同步完成，开始独立计算路由时，这两台路由器形成了邻接关系

（1）确认可达性，建立邻居

router ID :标明的是路由器身份

手工配置：IPV4地址格式

自动选举：

环回口:IP地址大的优先

物理口：IP地址大的优先

2-way前，确认DR/BDR

选举原因：广播网络中使路由信息交换更加高速有序，可以降低需要维护的邻接关系数量

选举范围：每个网段都需要选出一个DR和BDR（0-255）

选举规则：1.优先级大的优先，默认优先级是1；2.router-id大的优先

DR/BDR的选举没有抢占性

关系状态：DRother与DR建立邻接关系；

                  DRother与BDR建立邻接关系；

                  DR /BDR建立邻接关系；

                  DRother之间保持邻居关系

（2）摘要同步，开始建立邻接关系

1.向邻接路由器发送DBD报文，通告地LSDB中所有LSA的摘要信息

2.收到DBD报文后，与本地LSDB对比，向对方发送LSR报文，请求发送本地所需要的LSA的完整信息

3.收到LSR后,把对方所需的LSA的完整信息打包为一条LSU报文，发送至对方

4.收到LSU后，向对方回复LSAck报文，进行确认

邻接建立过程：

（3）完整信息同步，完全邻接关系建立

完全邻接关系建立，LSDB表与路由表形成

6、OSPF的状态机

(1)down：关闭状态（稳定状态），这种情况处于手动指定邻居的情况下，发送hello包之后进入下一个状态

(2)INIT：初始化状态，收到对方的hello报文，但没有收到对方的hello确认报文

(3)Attempt：一般不会出现，只出现在NBMA网络中，发出hello，但收不到对方的hello包

(4)2-way（稳定状态）：双方互相发现，邻居状态稳定，并确认了DR/BDR的角色；

当选举完毕后，就算出现一台优先级更高的路由器，也不会替换成新的DR\BDR；

需要原DR\BDR失效，或重置OSPF进程才会成为新的DR\BDR；

<R1>reset ospf process

2-way的前提：

      Router-id无冲突，修改router-id需要重置ospf进程使生效；
      掩码长度一致（MA网络中）；
      区域ID一致；
      验证密码一致；
      hello-time一致；
      dead-time一致；
      特殊区域类型一致；

(5)Exstart：交换开始状态；发送第一个DD报文，但不发送LSA摘要，仅用于确定LSDB协商的主从，ROUTER-ID大的成为master

(6)Exchange：交换状态；发送后续DD报文，用于通告LSDB摘要

(7)Loading：读取状态，进行LSA的请求（LSR）、加入(LSU)和确认(LSACK)

(8)Full：邻接状态（稳定状态），两端同步LSDB；

FULL的前提：两端MTU一致，否则可能卡在EXSTART\Exchange状态

能够计算路由的前提：两端网络类型一致，否则邻居状态full,但无法学习路由

7、LSDB的更新（了解）

注：广播网络中的更新：只由DR发起

二、OSPF的区域划分

1、区域产生背景

路由器在同一个区域中泛洪LSA。为了确保每台路由器都拥有对网络拓扑的一致认知，LSDB需要在区域内进行同步。

OSPF域仅有一个区域，随着网络规模越来越大，OSPF路由器的数量越来越多，这将导致诸多问题。

2、分区好处

减少LSA泛洪范围；
提高网络扩展性，有利于组建大规模的网络

3、区域类型

骨干区域：area 0

非骨干区域：area 1

特殊区域：减少邻居关系

邻居关系过多缺点：

（1）大量产生hello包，消耗CPU性能

（2）产生重复路由通告，消耗CPU性能

（3）任何一台路由器的路由变化都会导致多次传递,浪费了带宽资源

多区互连原则：

非骨干区域与非骨干区域不能直接相连

所有非骨干区域必须与骨干区域相连

此设计是为防止区域间环路

4、OSPF的路由器类型

区域内路由器（IR）：所有接口在同一区域

骨干路由器（BR）：所有接口都在骨干区域

区域边界路由器（ABR）：连接骨干区域和非骨干区域

自治系统边界路由器（ASBR）：连接外部自治系统并引入外部路由