OSPF笔记

OSPF协议基础
IETE(互联网工程任务组)提出了基于SPF算法的链路状态路由协议OSPF。
OSPF基本特点：支持无类域间路由(CIDR)、无路由自环（区域内无环、区域间不一定，利用其他防环机制）、收敛速度快、使用IP组播收发协议数据、支持多条等值路由、支持协议报文的认证-明文/密文，在HELLO包中
路由信息传递与路由计算分离
基于SPF算法
以“累计链路开销”作为选路参考值
链路状态算法的路由计算过程
LSA：用来描述每台路由器周边的网络情况和直连邻居的信息
link：接口IP地址、掩码、cost值（带宽）--反比
state：邻居的信息
形成拓扑结构
区域内 LS LSA SPF算法 选路最优、无环 LSDB要一致
区域间 DV 抽象化为路由信息 选路不一定最优、不一定100%无环 LSDB不要求一致
OSPF的工作过程
step1:邻居建立
step2:同步链路状态数据库
step3:计算最优路由
自治系统：
Router ID：
用于在自治系统中唯一标识一台运行OSPF的路由器，每台运行OSPF的路由器都有一个RID（32位的无符号整数，其格式和IP地址的格式一致）。
运行OSPF协议的每台路由器的名字、标识。跟路由完全没任何关系
表现形式：点分十进制，例1.1.1.1 可配任意，排除0.0.0.0
自动选举原则：
(1)逻辑口(取大)
(2)物理号(取大)
RID一旦选举出来，在邻居关系建立起来的情况下就是一个稳定状态
推荐手动配置RID，更加稳定

[R1] router id 1.1.1.1 //指定全部进程的RID为1.1.1.1
[R1]ospf 1 router id 1.1.1.1(优先) //指定ospf进程1的RID为1.1.1.1，更精确

要求：全网唯一，如果直连的两台路由器RID冲突，则无法建立邻居关系；如果不直连的两台路由器RID冲突，则学习不到LSA--路由消息
network宣告
(1)network命令所包含的接口将会周期性的向外发送路由更新或hello包
(2)network命令所包含的接口所属的网络号信息将会被通告给其他路由器
推荐：精确到接口IP来宣告
OSPF中的邻居和邻接关系
邻居(2-way)：交互了hello包，但不会传递LSA或路由
邻接(full)：交互了LSA或路由
ospf邻居关系建立的必要条件
(1)RID不能冲突
(2)两端宣告进同一区域中
(3)网络类型要保持一致
(4)MA网络中接口的掩码长度要一致
(5)认证类型和密码要保持一致
发现并建立邻居--Hello报文
Hello报文的作用：

1. 邻居发现：自动发现邻居路由器，为后续可达性信息的同步做准备
2. 邻居建立：完成Hello报文中的参数协商，建立邻居关系
3. 邻居保持：通过Keepalive机制，检测邻居运行状态--周期性的Hello报文发送可以实现邻居保持的功能
   OSPF邻居建立过程
   
   状态含义：
   Down:邻居的初始状态，表示没有从邻居收到任何信息。
   Init:在此状态下，路由器已经从邻居收到了Hello报文，但是自己的RID不在所收到的Hello报文的邻居列表中，表示尚未与邻居建立双向通信关系。
   2-way：在此状态下，路由器发现自己的RID存在于收到的Hello报文的邻居列表中，已确认可以双向通信。
   注：因为邻居是未知的，OSPF采用组播的形式发送Hello报文（目的地址 224.0.0.5）
   发现并建立邻居--手动建立
   
   对于不支持组播的网络可以通过手动配置实现邻居的发现与维护。
   应用场景不太多
   链路状态信息
   链路信息主要包括：
   1、链路的类型
   2、接口IP地址及掩码
   3、链路上所连接的邻居路由器
   4、链路的带宽（开销）
   区别于RIP路由器之间交互的路由信息，OSPF路由器同步的是最原始的链路状态信息，而且对于邻居路由器发来的链路状态信息，仅作转发。最终所有路由器都将拥有一份相同且完整的原始；链路状态信息。
   每台运行OSPF协议的路由器所描述的信息中都应该包括链路的类型、接口IP地址及掩码、链路上的邻居、链路的开销等信息。
   网络类型
   所谓网络类型是指运行OSPF网段的二层链路类型
   一、P2P网络
   仅两台路由互连
   没有DR和BDR的选举
   直接形成FULL状态的邻接关系
   注：P2P网络是指一段链路上只能连接两台设备的环境，例如PPP链路
   当两台设备通过PPP链路进行连接，设备上采用的接口封装协议就是PPP，当激活OSPF时，OSFP会根据接口的数据链路层封装将它网络类型设置为P2P，采用HDLC封装时，缺省网络类型也为P2P。
   在P2P网络类型中，5种OSPF报文都是通过组播地址224.0.0.5来发送的。在缺省状态下，接口会以10s的周期去发送hello报文。
   二、广播型网络
   以太网网络
   需要进行DR和BDR的选举
   注：BMA是一个支持广播的网络环境，允许多台设备接入，任意两台设备都可以进行二层通信。
   在BMA网络中需要选举DR和BDR
   BMA中以组播的形式发送hello报文，LSU报文，LSAck报文，以单播的形式发送DD报文和LSR报文。
   所有的OSPF路由器都会侦听224.0.0.5这个组播地址，当要发送给所有路由器时，目的地址为224.0.0.5.
   DR和BDR会侦听224.0.0.6这个组播地址，当要发送给DR和BDR时目的地址为224.0.0.6.
   此处的发送指的是OSPF报文。
   缺省情况下，BMA发送hello报文的时间间隔为10s
   三、NBMA网络
   非广播多路访问（完全相连的FR网络）
   不能发送广播和组播报文，所以在帧中继网络中，OSPF没有办法通过发送hello包来建立邻居，只能使用单播方式，命令为peer x.x.x.x
   注：NBMA虽然也允许多台设备接入，但是它并不具备广播功能。为了顺利的进行邻接关系的建立，一般用单播的形式去发送hello报文。在NBMA网络中，也会进行DR和BDR的选举。
   缺省情况下，hello报文会以30s的周期被接口发送。
   四、P2MP网络
   不完全相连的FR网络
   不需要进行DR和BDR的选举
   注：这种网络类型并不是根据接口封装自己设置的，而是需要管理员手动配置。在这种网络种无需选举DR和BDR。
   OSPF在P2MP网络类型的接口上，以组播的形式发送hello报文，以单播的形式发送其他报文。
   缺省状态下hello报文的发送间隔为30s.
   修改网络类型：

   int g 0/0/0
   ospf network-type  broadcast/nbma/p2mp/p2p

   OSPF的度量方式
   某接口cost=参考带宽/实际带宽，默认带宽为100M。当计算结果有小数点时，只取整数位；结果小于1时，cost取1
   更改cost的两种方法：
   1、直接在接口下配置
   2、修改参考带宽（所有路由器都需要修改，确保选路一致性）
   累计cost：流量从源网络到目的网络所经过所有路由器的出接口的cost值累加
   报文类型及作用
   
   1、RIP路由器之间是基于UDP 520的报文进行通信，OSPF使用IP承载其报文，协议号为89。
   2、在OSPF Packet部分，所有OSPF报文均使用相同的OSPF报文头部：
   Version：OSPF版本号，IPv4应当被设置成2,IPv6应当被设置为3
   Type：OSPF报文类型，共有五种报文
   Packet Length：OSPF报文总长度，包括报文头部。单位是字节
   Router ID：生成此报文的路由器的Router ID
   Area ID:此报文需要被通告到的区域
   Checksum：校验字段，其校验范围是整个OSPF报文，包括OSPF报文头部
   Auth Type：0表示不认证；1表示简单的明文密码认证；2表示加密(MD5)认证
   Authentication：认证所需的信息，该字段的内容随Auth Type的值不同而不同（鉴定字段，其数值根据验证类型而定。当验证类型为0时未作定义；类型为1时此字段为密码信息；类型为2时此字段包括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Authenticaiton字段中。）
   OSPF的报文定义了OSPF路由器之间的通信的标准与规则。
   报文类型

Type	报文名称	报文功能
1	Hello	发现和维护邻居关系
2	Database Description	交互链路状态数据库摘要
3	Link State Request	请求特定的链路状态信息
4	Link State Update	发送详细的链路状态信息
5	Link State Ack	发送确认报文

Type=1为Hello报文，用来建立和维护邻居关系，邻居关系建立之前，路由器之间需要进行参数协商,一般默认周期发送10s,超时时间40s。
Type=2为数据库描述报文（DD），用来向邻居路由器描述本地链路状态数据库，使得邻居路由器识别出数据库中的LSA是否完整。
Type=3为链路状态请求报文（LSR）路由器根据邻居的DD报文，判断本地数据库是否完整。如果不完整，路由器把这些LSA记录进链路状态请求列表中，然后发送一个LSR给邻居路由器。
Type=4为链路状态更新报文（LSU），用于响应邻居路由器发来的LSR，根据LSR中的请求列表，发送对应LSA给邻居路由器，真正实现LSA的泛洪与同步。
Type=5为链路状态确认报文（LSAck），用来对收到的LSA进行确认，保证同步过程的可靠性。
DD、LSR、LSU、LSAck与LSA的关系：
DD报文中包含LSA头部信息，包括LS Type、LS ID、Advertising Router、LS Sequence Number、LS Checksum。
LSR中包含LS Type、LS ID和Advertising Router。
LSU中包含完整的LSA信息。
LSAck中包含LSA头部信息，包含LS Type、LS ID、Advertising Router、LS Sequence Number、LS Checksum。
OSPF报文的功能需求

功能	实现分析
发现邻居与保持	Hello机制即可实现
LSA同步	双方互相发送LSA，完成同步；同时同步速度更快，占用资源更少
可靠性	确保LSA同步过程的可靠性

RIP设置了Request和Response两种报文来完成路由信息的同步；
OSPF路由器之间为了完成LSA的同步，可以直接把本地所有LSA发给邻居路由器，但是邻居路由器直接同步LSA并不是最好的方式。
更快速、更高效的方式是先在邻居路由器之间传送关键信息，路由器基于这些关键信息识别哪些LSA是没有的、哪些是需要更新的，然后向邻居路由器请求详细的LSA内容。
LSDB同步过程

状态含义：
ExStart:邻居状态变成此状态以后，路由器开始向邻居发送DD报文。Master/Slave关系是在此状态下形成的，初始DD序列号也是在此状态下确定的。在此状态下发送的DD报文不包含链路状态描述。
Exchange：在此状态下，路由器与邻居之间相互发送包含链路状态信息摘要的DD报文。
Loading:在此状态下，路由器与邻居之间相互发送LSR报文、LSU报文、LSAck报文。
Full:LSDB同步过程完成，路由器与邻居之间形成了完全的邻接关系。

1、RTA开始向RTB发送LSR报文，请求那些在Exchange状态下通过DD报文发现的、并且在本地LSDB中没有的链路状态信息。
2、RTB向RTA发送LSU报文，LSU报文中包含了那些被请求的链路状态的详细信息。RTA在完成LSU报文的接收之后，会将邻居状态从Loading变为Full。
3、RTA向RTB发送LSAck报文，作为对LSU报文的确认。RTB收到LSAck报文后，双方便建立起了完全的邻接关系。
OSPF邻居状态机

这是形成邻居关系的过程和相关邻居状态的变换过程
Down：
Attempt：
Init：
2-Way Received：
2-Way：
1-Way Received：
ExStart：
Exchange：
Loading：
Full：
LSA头部
LSA是OSPF链路状态信息的载体。LSA是LSDB的最小组成单位，也就是说LSDB由一条条LSA构成的。

所有的LSA都拥有相同的头部，关键字段的含义如下：
LS age：
LS type：
Link State ID：
Advertising Router:
LS sequence number：
LS type、Link State ID和Advertising Router的组合共同标识一条LSA。
LSDB中除了自己生成的LSA，另一部分是从邻居路由器接收到的。邻居路由器之间相互更新LSA必然需要一个“通道”。
DR与BDR的选举及作用
什么情况下会选举DR、BDR：
MA（多路访问型）网络
(1)BMA(支持广播的多路访问型网络)：以太网
(2)NBMA(不支持广播的多路访问型网络)：帧中继
串行接口：不选举DR、BDR，直接能形成FULL状态邻接关系
MA网络中的问题
在一个有n个路由器的网络，会形成(n×(n-1))/2个邻接关系。
邻居间LSA的泛洪扩散混乱，相同的LSA会被复制多份。
选举DR的目的：
减少MA网络中的邻接关系的数量
降低OSPF协议流量
MA网络中路由器接口的角色：
DR：即指定路由器，负责在MA网络建立和维护邻接关系并负责LSA的同步
注：DR与其他所有路由器形成邻接关系并交换链路状态信息，其他路由器之间不直接交换链路状态信息。
DR一旦出现故障，其与其他路由器之间的邻接关系将全部失效，链路状态信息库也无法同步。需要重新选举DR
伪节点是一个虚拟设备节点，其功能需要某台路由器来承载。
BDR：即备份指定路由器，规避单点故障风险，通过选举备份指定路由器BDR，在DR失效时快速接管DR的工作。
DRother(既不是DR又不是BDR)
DR选举规则：
DR/BDR的选举是基于接口的；
接口的DR优先级越大越优先；
接口的DR优先级相等时，Router ID越大越优先。
修改接口优先级：

int  g 0/0
ospf dr-priority 0-255

注：接口优先级设置为0，则不参与DR/BDR的选举，只能成为DRother
DR非抢占的特点：
Router Priority最大的路由器不一定是DR/BDR
wait：40s
新加入的路由器不会抢占现有的DR，只有当DR或BDR故障时，才能重新选举；
如果DR故障，BDR立刻成为新的DR，剩下的所有路由器会选举出一个BDR；
如果BDR故障，DR位置不动，剩下的所有路由器会选举出一个BDR；
总结：这种选举机制的目的是为了保持邻接关系的稳定，减小拓扑结构的改变对邻接关系的影响。
邻居(Neighbor)和邻接(Adjacency)
OSPF路由器之间建立邻居关系后，进行LSDB同步，最终形成邻接关系。

网络类型	是否和邻居建立邻接关系
P2P	是
Broadcast	DR与BDR、DRother建立邻接关系；BDR与DR、DRother建立邻接关系；DRother之间只建立邻居关系
NBMA	DR与BDR、DRother建立邻接关系；BDR与DR、DRother建立邻接关系；DRother之间只建立邻居关系
P2MP	是

来源：51CTO

作者：wx59f044b59e5c3

链接：https://blog.51cto.com/13429235/2456258