OSPF理论介绍

标签：跟踪   命名规则   desc   esc   router   hub   出现   改进   配置   

先大致描述一下：OSPF是链路状态协议，能知道全网的信息。是IGP。OSPF里封装的IP协议号是89。组播地址是224.0.0.5 / 224.0.0.6。定时30分钟更新LSA（注意不是更新路由表），支持触发更新。AD值是110。度量是带宽，计算公式：10^8/接口带宽，单位bps。EIGRP度量里带宽是取最小带宽来计算，而OSPF度量是沿途每一段带宽计算值之和。天然无环路。支持VLSM和CIDR。支持等价负载均衡。支持认证。

术语解释

区域Area：

RIP和EIGRP没区域概念，它们只知道自己的邻居。但OSPF如果路由器数量多，全网络的LSA条目将非常多耗内存，且任何一个路由器的LSA发生变化，整个网络的LSDB都要更新，而且因为路由器收到的是全网LSA再根据SPF算法算路径，因此路由表是无法汇总的，导致路由表太大。因此OSPF要想用于大规模网络需要分区域。分为骨干区域Area 0和普通区域。为了防止区域环路，要求所有普通区域都要连接到骨干区域，像鱼骨图一样。所有普通区域间的路由必须经由骨干区域来学习

ABR：（Area Border Router）

连接骨干区域Area 0和普通区域的路由器称为区域边界路由器ABR，因为连接两个区域因此它有两张LSDB，分别包含两个区域内的LSA。

ASBR：（Autonomous System Boundary Rotuer）

如果路由器还连接外部区域（即非OSPF协议）称为自治域系统边界路由器ASBR

LSA：（Link State Advertisement）

LSA即链路状态通告，里面包含网络拓扑信息和路由信息，比较复杂，下面会祥述。OSPF靠传递LSA使每台路由器都能掌握整个网络的拓扑结构和路由信息。LSA头部信息包括：LSA的类型，LinkID就是该条LSA的名字，ADV Router是通告路由器的RouterID，更新时间Age，序号Seq等。

LSDB：（Link State Database ）

LSDB即链路状态数据库，用于存放LSA。同一区域内的路由器有相同的LSDB。每个LSA在LSDB中都有一个序号，编号方案是0x80000001到0x7FFFFFFF（为何是从大到小呢？其实0x80000001是-0x7FFFFFFF，从负数循环到正数）。每30分钟LSA进行一次泛洪以保证LSDB同步，每次泛洪后序号+1。路由器收到LSA后，如果LSDB里没有，就马上将该条LSA加入LSDB里，回ACK并继续泛洪该条LSA。如果LSDB里已经有了，看序号，序号高就更新，序号低就反过来将自己序号高的LSA告诉对方，序号一样就忽略，但仍旧会回复ACK。如何判断本地LSDB里有没有该条LSA呢？先看类型（LSA有1-11种类型），再看LinkID，最后看通告路由器的RouterID。3个都一样说明本地有，3个任意一个不一样就认为本地没有。例如R1->R2->R3，R1会通告和R2间的链路，R2也会通告和R1间的链路，这时R3收到两条LSA，因为是同一链路，所以类型一样，LinkID一样，但通告路由器RouterID不同，R3会认为是两条不同的LSA。

另外如果网络比较大，为防止其他路由器产生过度的LSA，LSDB的有超载防护功能，可以限制非本地产生的LSA的数目。超载就down邻居，问题是不能选择down哪个邻居而是全down掉，因此以下情况下才有实际意义：R1连外网跑OSPF，R1在内网里跑EIGRP，那超载后R1只会down掉和外网的邻居关系，内网的邻居关系不会被down掉。或与外网跑OSPF进程1，和内网跑OSPF进程2，那内网也不会被down掉。

SPF：

算法由Dijkstra发明，有时也被称为Dijkstra算法。将每台路由器放置在树的根节点，根据LSDB里的LSA里包含的路由信息，计算出到达目的地的累计开销，将最佳路径放入路由表。

RouterID：

每个运行OSPF的路由器都有一个RouterID，必须是全网唯一，在LSDB中使用RouterID来识别路由器。可以用router-id命令手动配置路由器ID，如果没手动指定，环回口的IP地址将自动成为RouterID。如果有多个环回口那么最高IP地址将成RouterID。如果无环回口，路由器上活动的接口中最高IP地址将成为RouterID。

DR：（Designated Router）

一个区域内，如果路由器间两两传LSA会有的很多重复。因此区域内先选举一个路由器为DR，其他路由器将自己LSA通告给DR，这样DR的LSDB里就有了整个区域的LSA，再将自己的LSDB发给其他路由器，这样效率高多了。DR用Hello包选，选举期40秒，选举期内Hello包里优先级高的就是DR，次高的为BDR。优先级相同RouterID高的就是DR，次高的就是BDR。一个路由不是DR就是BDR就是DRother。选举期内不存在抢占，即选举期内你将某一路由器优先级改高也没用。

BDR：（Backup Designate Router）

就是Backup的DR，参照上面。DR一旦失效，BDR自动成为DR，区域内重新选举BDR。选举结束后，所有路由器会组播Hello包到224.0.0.5以便它们能跟踪其他邻居的信息。DRother只将LSU组播到224.0.0.6，该地址只能到达DR/BDR，DRother在二层就将224.0.0.6就丢弃。DR将自己的LSA从224.0.0.5组播发出来，该地址所有路由器都在监听。BDR既能收到DR从224.0.0.5发的LSA组播，又能收到DRother从224.0.0.6发的LSU组播

OSPF报文

OSPF报文有5种：Hello，DBD（Database Description），LSR（Link-State Request），LSU（Link-State Update），LSAck（Link-State Acknowledgment）

Hello：

OSPF和EIGRP都用Hello包发现邻居。EIGRP的Hello包里会检查AS号，K值，认证来确认是否真是邻居。OSPF的Hello里会检查RouterId（两边必须不一致），区域一致，认证，特殊区域字段（如Stub）一致，Hello/Dead时间两边一致。

DBD（Database Description）：

例如A->B->C，ABC都有全网路由，假设都有1000条路由。这时加一条A->C的路由，A和C成为邻居，如果是EIGRP，那A会将1001（加上这条新路由）条路由告诉C。显然没必要。OSPF改进了，A和C成为邻居后，A会将自己的DBD（好比仓库将自己库存单给对方）给C看，C看后发现只有这条A->C的新的路由本地没有，就发LSR给A要求这条新路由，A再发LSU将这条路由告诉C，C收到后回LSAck。

LSR（Link-State Request），LSU（Link-State Update），LSAck（Link-State Acknowledgment）：

参照上面DBD。

OSPF的8种接口状态：

Down：是初始化状态，等待进入Init。只有手动指定邻居才能看到，自动指定邻居是看不到该状态的
Init：收到不带自己信息的Hello包后进入该状态

2way：收到带自己信息的Hello包后进入该状态。2way后开始选举DR/BDR，选举时间是以最晚no shutdown的路由器的时间开始计算40s

Exstart：邻居起来后准备交互DBD，需要确定一下两者间的主从关系。选DR/BDR先看优先级再看RouterID，而此处主从关系只看RouterID，高的为主低的为从。其实两台路由器间所谓的主从并无所谓，只不过是为了交互DBD方便

Exchange：两台路由器确定主从关系后，开始交互DBD

Loading：收到并比较DBD后，向对方发送LSR请求新的LSA时，进入该状态

Full：对方LSDB内的LSA全有了，就建立了adjacency邻接关系。根据是否交互LSA可以判断路由器间是邻居还是邻接关系。交互LSA的是邻接，不交互LSA的是邻居。因此Full表示邻接，2way表示邻居。DR/BDR选举完后，DRother只和DR/BDR形成邻接关系，DRother间是邻居。

Attempt：仅存在NBMA环境中。邻居关系未建立时拉长Hello时间（其实是用poll时间120秒代替Hello时间），拉长DR/BDR选举时间（也延长至120秒），以减少带宽占用。邻居关系起来后恢复30秒Hello时间

OSPF的5种网络类型：

5种网络类型：点到点P-to-P，Broadcast，NBMA，点到多点P-to-M，点到多点非广播P-to-M-NB。它们与 二层概念的3种接口网络类型无关，别搞混了。二层概念的3种接口类型：点到点P-to-P（HDLC，PPP，FR点到点子接口），Broadcast（Ethernet，Token Ring，FDDI），NBMA （FR主接口和多点接口，x.25，ATM）。它们间仅有默认的对应关系，即OSPF的点到点P-to-P，broadcast，NBMA默认对应二层的同名的接口类型，但仅仅是默认的对应关系，你可以手动随意改。OSPF的点到多点P-to-M，点到多点非广播P-to-M-NB无二层的对应的接口类型。

P-to-P：（点到点）

默认对应二层链路的P-to-P（HDLC，PPP，FR点到点子接口）。不选DR/BDR。所有OSPF报文都从224.0.0.5组播出去。Hello/Dead时间为10/40s。自动建立邻居。不产生32位主机路由。特殊类型字段是Stub。P-to-P网络全是邻接Full关系。

Broadcast：（广播的多路访问网络）

默认对应二层链路的Broadcast（Ethernet，Token Ring，FDDI）。选DR/BDR。去往DR/BDR的报文用组播地址224.0.0.6，从DR去往BDR/DRother的报文用组播地址。224.0.0.5，支持单播。Hello/Dead时间为10/40s。自动建立邻居。不产生32位主机路由。特殊类型字段是Transit。

NBMA：（非广播的多路访问网络）

默认对应二层链路的 （FR主接口和多点接口，x.25，ATM）。选DR/BDR。所有OSPF报文都用单播。Hello/Dead时间为30/120s。手动建立邻居。不产生32位主机路由。特殊类型字段是Transit。

P-to-M：（点到多点）

无默认对应二层链路类型。不选DR/BDR。仅Hello用224.0.0.5组播，其他报文都单播。Hello/Dead时间为30/120s。自动建立邻居。产生32位主机路由。特殊类型字段是Stub。

P-to-M-NB：（点到多点非广播）

无默认对应二层链路类型。不选DR/BDR。所有OSPF报文都用单播。Hello/Dead时间为30/120s。手动建立邻居。产生32位主机路由。特殊类型字段是Stub。

总结：上面看起来挺复杂的，其实只要理解背后的原理不用死记硬背：P-to-P点到点网络最简单，一共就两台路由器，因此不用选举DR/BDR。P-to-M / P-to-M-NB是P-to-P的集合，因此同样不用选举DR/BDR。不选DR/BDR的是Stub，选DR/BDR的是Transit。NBMA和P-to-M-NB不支持广播，因此只能单播，且因为不支持广播因此无法自动发现邻居，要手动建立邻居。

什么时候改OSPF的网络类型？

OSPF应该根据不同的需求改变网络类型。那什么时候修改网络类型呢？P-to-P一般不改。Broadcast看情况，如果就两个路由器可以改成P-to-P，以避免选举DR/BDR。NBMA基本一定会改，不改的话路由器用OSPF宣告后是学不到路由的，因为NBMA不自动建立邻居，要手动建立邻居。建完邻居后仍旧可能学不到路由，因为要选举DR/BDR，必须保证hub点被选为DR。DR/BDR都OK后，仍旧可能学不到路由，必须还要保证二层有PVC链路。总之一整套配置非常烦琐。因此常改成点到多点P-to-M（自动建邻居，不选举DR/BDR，二层PVC自动就有了）。另一种经验是NBMA要根据实际网络类型来改，如果FR网络是Full-Mesh全互联的（因费用较高不太常见），常改成Broadcast。如果是Star星型结构，常改成P-to-M。单独的两个节点间可以改成P-to-P。中间广域网不让通过组播报文的话可以改成P-to-M-NB（注意此时需要手动单播建邻居）。

邻居的建立和OSPF的网络类型有何关系？

上面介绍Hello时介绍过建立邻居时检查的字段，并没有要求检查网络类型（况且Hello包里根本就没有网络类型这个字段），因此网络类型和建立邻居无关。但网络类型决定了Hello时间的默认值，时间不一致不能建立邻居，这个意义上讲网络类型和建立邻居有关。但Hello时间可以手动修改，因此又无关。比如一端是P-to-P，另一端是Broadcast，Hello时间都是10可以建立邻居，如另一端是P-to-M，就不能建立邻居，除非修改Hello时间一致后，可以建立邻居。但最好不要这样，比如一端是P-to-P，另一端是Broadcast，Hello时间相同可以建立邻居，但建立邻居后仍旧学不到路由。因为P-to-P是Stub，Broadcast是Transit，类型不同，因此该段就无法互相学习路由。（具体原因是：P-to-P端发出的1类LSA里有point-to-point，Broadcast端是Transit需要选举DR/BDR，选举结果自然是自己成为DR，而DR是无法识别point-to-point的LSA的。反之P-to-P端收到的LSA里有Transit Network也是无法识别的。所以就算能起邻居，能交互LSA，能同步LSDB，但由于LSA无法识别无法通过SPF算法计算最优路径，无法学习到路由）

OSPF的11种LSA类型：

OSPF传递的是LSA而非路由表，因此理解LSA是理解OSPF的关键。共分11种类型：

1类：路由器LSA（Router Link States）

只在本区域内泛洪，不穿越ABR。每个运行OSPF的路由器都会生成一个1类的LSA。LinkID为路由器的RouterId。内容包括路由信息和拓扑信息。如果是Stub网络，路由信息里有前缀掩码和去往这条路由的开销。如果是Transit Network网络（即Broadcast和NBMA）有DR的IP地址和自己的IP地址，但没有BDR和DRother的信息，也没有自己IP的掩码，因此要结合2类LSA一起分析。拓扑信息里有对方的RouterID和自己的IP地址。

2类：网络LSA（Network Link States）

由DR产生，即只在选举DR/BDR的Broadcast和NBMA网络中才有。只在本区域泛洪，不穿越ABR。LinkID为DR接口的IP。内容需联合1类的LSA共同描述出网络的拓扑与路由。（只有1类和2类LSA里除路由信息外，还包含网络拓扑信息）

3类：汇总LSA（Summary Net Link States）

泛洪整个自治系统。负责将一个区域的信息给另一个区域，即将区域内的1/2类LSA变成3类LSA通过ABR告诉给别的区域。每经过一个ABR通告路由器会发生变化。LinkID就是这条路由的前缀。内容就是路由信息。 默认不自动汇总，且3类LSA通告每一个子网，因此通常会手动汇总，否则不便管理。区域内的1类2类LSA不传给其他区域，区域间将1类2类LSA汇总成3类LSA像距离矢量协议那样通告，这样全网信息都知道了。

4类：ABR汇总LSA（Summary ASB Link States）

4类是为5类服务的，通过ABR将ASBR的位置泛洪整个自治系统。LinkID为ASBR的RouterID。和3类一样，每经过一个ABR通告路由器会发生变化。内容就是ASBR的位置。

（每条LSA的LinkID命名规则还不太一样，其实就是为了保证唯一性，防止产生二意。1类的LinkID就是路由器的RouterId，不必解释。2类的LinkID是DR接口的IP，因为一个路由器可能会被多个区域选为DR，只有用接口的IP才不会重复。3类的LinkID是路由的前缀。4类的目的是通告ASBR，因此LinkID就是ASBR的RouterID。）

5类：自治系统外部LSA（Type-5 AS External Link States）

由ASBR产生，通过ASBR将外部的信息泛洪整个自治系统。通告路由器是不变的（3/4类中会变）。LinkID就是这条路由的前缀。如果和ASBR在同一区域，那路由器通过1/2类LSA就能知道ASBR。如果和ASBR不在同一区域，路由器需要结合4类LSA才能找到ASBR。内容是外部网络。默认不自动汇总，通常会手动汇总，否则不便管理。

7类：NSSA外部LSA

只存在于NSSA区域中，由连接NSSA区域的ASBR产生的关于NSSA的信息，在NSSA区域内泛洪，并且可以被ABR转换为5类LSA。LinkID为路由的前缀。

6类：组播LSA

表示OSPF组播中的成员，但基本不用

8类：外部属性LSA for BGP

（未被实现）

9类：非透明LSA（本地链路范围）

10类：非透明LSA（本地区域范围）

11类：非透明LSA（自治系统范围）

9/10/11类在MPLS流量工程中用

OSPF的4种路由类型：

OSPF区域内交互LSA后，区域内同步LSDB。之后通过ABR/ASBR跨区域交互LSA后，再同步LSDB。这样每台路由器均有了整个网络的拓扑信息和路由了。但并不是所有路由都会被加入路由表。RIP和EIGRP先比较AD值再比较开销来决定哪条路由可以被加入路由表。OSPF多了步比较类型，即先比较AD值，再比类型（O>OiA>OE1>OE2），最后比开销，都一样就负载均衡。4种路由类型如下，优先级从高到低：

O：同一区域内的路由，即1/2类LSA

O IA：同一自治系统中不同区域内的路由，即3类LSA

O E1：外部路由，加上沿途开销

O E2：外部路由，不加上沿途开销（通常如果不必考虑内部网络带宽的话用OE2方便，需要考虑内外带宽的话用OE1。如果用OE2，内部多条路径开销相同时不会负载均衡，而是选距离ASBR近的路径）

OSPF的4种区域类型：

OSPF普通区域（非骨干区域Area0）可指定为4种特殊类型：Stub，Totally Stub，NSSA，Totally NSSA。区域指定特殊分类型的目的是拒绝掉一部分LSA以便简化网络，但要保证被拒绝掉的LSA内包含的路由可达。

Stub Area：

不接受自治系统外部的LSA，即拒绝5类（这样也拒绝了4类），ABR自动产生3类的默认路由去往被拒绝掉的外部路由。Stub Area内的路由器都要被配置成stub，否则路由器的Hello包里的特殊区域字段不一致的话，会导致区域内建立不了邻居。

Totally Stub Area：

在Stub Area的基础上再进一步拒绝掉自治系统内部其他区域的LSA。等于不接受任何非本区域的LSA，即拒绝5类（这样也拒绝了4类）和3类。同样ABR自动产生3类的默认路由去往被拒绝掉的外部路由。区域内的路由器都要被配置成stub，ABR上配置成Totally Stub。是Cisco特有的类型。

NSSA：（Not So Stubby Areas）

在Stub Area基础上，允许接收以7类LSA发送的外部路由信。因此允许区域内存在ASBR。ASBR向NSSA区域发送7类LSA来描述外部路由。ABR将区域内收到的7类LSA转换成5类LSA向别的区域做通告。因为可以将外部网络的路由重发布进OSPF进程，所以ABR不会自动产生默认路由，要手动配置

Totally NSSA：

在NSSA基础上进一步拒绝掉自治系统内部其他区域的LSA，即拒绝5类（这样也拒绝了4类）和3类。由于没有去往其它区域的路由，ABR自动产生3类的默认路由去往被拒绝掉的外部路由。

总结：如果外部的明细比较多，而本区域路由器性能又比较低，且只有一个ABR或一个ASBR，那特别适合配置成Stub或Tolly Stub。Stub和Totally Stub区域内不能存在ASBR，虚链路是不能穿越Stub 区域的。Stub和Totally Stub区域内至少要有一个ABR，最好只有一个ABR，如有多个ABR时，可能会选择次优路径。非Totally区域的ABR会过滤掉5类LSA，Totally区域的ABR还会进一步将3类LSA过滤掉。

OSPF的内部和外部汇总：

在普通区域上设置特殊类型可以拒绝掉3/5类路由，缩小路由表。还可以用汇总将掩码变短来实现缩小路由表的目的。OSPF分内部汇总和外部汇总，命令稍有不同。

内部汇总：

在ABR上做，将区域间的路由汇总。命令：R1(config-router)#area 1 range 前缀 掩码

外部汇总：

在ASBR上做，将自治系统外部的路由汇总。命令：R1(config-router)#summary-address range 前缀 掩码

虚链路：

虚链路即在两个区域间建立一条虚拟的链路，目的是为了解决区域分隔和骨干区域分割的问题。这里只介绍一下概念，具体实现虚链路放在实验部分。

区域分隔：OSPF规定普通区域必须和骨干区域相连，经由骨干区域来交换区域间路由信息，但由于网络规划不妥或历史原因，有些普通区域没有与骨干区域相连，导致学不到其他区域的路由，这就是区域分隔问题。通过虚链路可以将普通区域和骨干区域连接起来

骨干区域分割：OSPF规定只能有一个骨干区域。但由于网络规划不妥或历史原因，一个自治系统内出现了多个骨干区域，导致路由学习出现问题。通过虚链路可以将多个骨干区域连接起来成为一个骨干区域

虚链路应该作为一种不得已而为之的解决问题的方案，最好应该是规划好网络避免出现这种问题。

OSPF理论介绍

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