网络学习笔记（1）-OSPF介绍

OSPF 知识点概要

OSPF 基本配置，查看OSPF 的 3 张表，OSPF 5 种报文 ，7种邻居状态，4 种网络类型，4 种特殊区域，7类LSA，4 种 link type，标识一条LSA的 3 个要素，OSPF 邻居与邻接关系，单区域、多区域、OSPF 认证（keychain）,DR 的选举，OSPF 被动接口，OSPF 域间聚合，外部聚合，不规则区域的解决办法（虚链路），OSPF 开销值、协议优先级及计时器的修改，OSPF 外部路由引入，下放默认路由，OSPF 在FR 中的应用，OSPF 协议中 Forwarding Address 的理解。

路由协议分类

按工作区域分OSPF、RIP、IS-IS属于IGP（内部网关协议），BGP属于EGP外部网关协议。如果按工作机机制及算法分类OSPF、IS-IS属于链路状态路由协议，RIP属于距离矢量路由协议。

==名词解析==

• BGP使用一种基于距离矢量算法修改后的算法，该算法被称为路径矢量（Path Vector）算法。因此在某些场合下，BGP也被称为路径矢量路由协议。
• IGP（内部网关协议）在同一个自治系统内交换路由信息，IGP的主要目的是发现和计算自治域内的路由信息。
• EGP（外部网关协议）主要用于AS（自治系统）之间的互联。

距离矢量路由协议

运行距离矢量路由协议的路由器周期性地泛洪自己的路由表。通过路由的交互，每台路由器都从相邻的路由器学习到路由，并且加载进自己的路由表中，然后再通告给其他相邻路由器。对于网络中的所有路由器而言，路由器并不清楚网络的拓扑，只是简单的知道要去往某个目的网段方向在哪里，开销有多大。

链路状态路由协议

链路状态路由协议通告的的是链路状态而不是路由信息。

LSA泛洪

运行链路状态路由协议的路由器之间首先会建立邻居关系，然后彼此之间开始交互LSA（Link State Advertisement，链路状态通告）。

LSDB维护

每台路由器都会产生LSA，路由器将接收到的LSA放入自己的LSDB（Link State DataBase，链路状态数据库）。路由器通过对LSDB中所存储的LSA进行解析，进而了解全网拓扑。

SPF计算

每台路由器基于LSDB，使用SPF（Shortest Path First，最短路径优先）算法进行计算。每台路由器都计算出一棵以自己为根的、无环的、拥有最短路径的“树”。有了这棵“树”，路由器就已经知道了到达所有网段的优选路径。

路由表生成

路由器将计算出来的优选路径，加载进自己的路由表（Routing Table）。

++链路状态路由协议有四个步骤++：

• 第一步是建立相邻路由器之间的邻居关系。
• 第二步是邻居之间交互链路状态信息和同步LSDB。
• 第三步是进行优选路径计算。
• 第四步是根据最短路径树生成路由表项加载到路由表。

OSPF概述

OSPF是IETF定义的一种基于链路状态的内部网关路由协议。目前针对IPv4协议使用的是OSPF Version 2（RFC2328）；针对IPv6协议使用OSPF Version 3（RFC2740）。

OSPF有以下优点：

• 基于SPF算法，以“累计链路开销”作为选路参考值
• 采用组播形式收发部分协议报文
• 支持区域划分
• 支持对等价路由进行负载分担
• 支持报文认证

OSPF基本术语

Router ID

Router ID用于在自治系统中唯一标识一台运行OSPF的路由器，它是一个32位的无符号整数。

Router ID选举规则如下：

• 手动配置OSPF路由器的Router ID（建议手动配置）
• 如果没有手动配置Router ID，则路由器使用Loopback接口中最大的IP地址作为Router ID
• 如果没有配置Loopback接口，则路由器使用物理接口中最大的IP地址作为Router ID

==Router ID一旦选定，之后如果要更改的话就需要重启OSPF进程。==

在实际工程中，推荐手工指定OSPF路由设备的Router ID。首先规划出一个私有网段用于OSPF的Router ID选择，例如：192.168.1.0/24。在启用OSPF进程前在每个OSPF路由器上建立一个Loopback接口，使用一个32位掩码的私有地址作为其IP地址，这个32位的私有地址即作为该路由设备的Router ID。如果没有特殊要求，这个Loopback接口地址可以不发布在OSPF网络中。

区域

OSPF Area用于标识一个OSPF的区域。

区域是从逻辑上将设备划分为不同的组，每个组用区域号（Area ID）来标识。

OSPF的区域ID是一个32bit的非负整数，按点分十进制的形式（与IPv4地址的格式一样）呈现，例如Area0.0.0.1。为了简便起见也会采用十进制的形式来表示。

几个例子：Area0.0.0.1等同于Area1，Area0.0.0.255等同于Area255，Area0.0.1.0等同于Area256。许多网络厂商的设备同时支持这两种区域ID配置及表示方式。

度量值

OSPF使用Cost（开销）作为路由的度量值。每一个激活了OSPF的接口都会维护一个接口Cost值，缺省的接口Cost = 100 Mbit/s / 接口带宽 。其中100 Mbit/s为OSPF指定的缺省参考值，该值是可配置的。

OSPF以“累计cost”为开销值，也就是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总和。

在实际应用中，推荐根据接口带宽大小手动配置Cost值，而不是修改OSPF参考带宽。

OSPF三大表项

1. 邻居表：使用display ospf peer查看
2. LSDB：使用命令行display ospf lsdb查看LSDB表
3. OSPF路由表：使用命令display ospf routing查看OSPF路由表

OSPF报文

OSPF一共定义了5种类型的报文，不同类型的OSPF报文有相同的头部格式。
OSPF报文直接采用IP封装，在报文的IP头部中，协议号为89。

重要字段解释

• Version ：对于当前所使用的OSPFv2，该字段的值为2。
• Router ID：表示生成此报文的路由器的Router ID。
• Area ID：表示此报文需要被通告到的区域。
• Type：类型字段。
• Packet length：表示整个OSPF报文的长度，单位是字节。
• Checksum：校验字段，其校验的范围是整个OSPF报文，包括OSPF报文头部。
• Auth Type：为0时表示不认证；为1时表示简单的明文密码认证；为2时表示加密（MD5）认证。
• Authentication：认证所需的信息。该字段的内容随AuType的值不同而不同。

OSPF工作过程

邻居关系建立

• R1和R2路由器相互发送Hello报文，第一个Hello报文包含的邻居列表为空。
• R2收到R1发送的Hello报文后，如果各项参数匹配，再次发送Hello报文时，将R1加入自己的邻居列表。
• 在以太网链路上，通常以组播形式发送Hello报文：
  • 224.0.0.5的组播地址为OSPF设备的预留IP组播地址。
  • 224.0.0.6的组播地址为OSPF DR/BDR的预留IP组播地址。
• 对于不支持组播的链路，OSPF支持采用单播的方式发送Hello报文。

==Hello报文的作用：==

1. 邻居发现：自动发现邻居路由器。
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：通过周期性发送和接收，检测邻居运行状态。

邻接关系建立

• R1和R2的Router ID分别为10.0.1.1和10.0.2.2并且二者已建立了邻居关系。当R1的邻居状态变为ExStart后，R1会发送第一个DD报文。此报文中，M-bit设置为1，表示后续还有DD报文要发送，MS-bit设置为1，表示R1宣告自己为Master。DD序列号被随机设置为X，I-bit设置为1，表示这是第一个DD报文。
• 同样当R2的邻居状态变为ExStart后，R2也会发送第一个DD报文。此报文中，DD序列号被随机设置为Y（I-bit=1，M-bit=1，MS-bit=1，含义同上）。由于R2的Router ID较大，所以R2将成为真正的Master。收到此报文后，R1会产生一个Negotiation-Done事件，并将邻居状态从ExStart变为Exchange。
• 当R1的邻居状态变为Exchange后，R1会发送一个新的DD报文，此报文中包含了LSDB的摘要信息，序列号设置为R2在步骤2中使用的序列号Y，I-bit=0，表示这不是第一个DD报文，M-bit=0，表示这是最后一个包含LSDB摘要信息的DD报文，MS-bit=0，表示R1宣告自己为Slave。收到此报文后，R2将邻居状态从ExStart变为Exchange。
• 当R2的邻居状态变为Exchange后，R2会发送一个新的DD报文，此报文包含了LSDB的摘要信息。DD序列号设置为Y+1, MS-bit=1，表示R2宣告自己为Master。
• 虽然R1不需要发送新的包含LSDB摘要信息的DD报文，但是作为Slave，R1需要对Master发送的每一个DD报文进行确认。所以，R1向R2发送一个新的DD报文，序列号为Y+1，该报文内容为空。发送完此报文后，RTA产生一个Exchange-Done事件，将邻居状态变为Loading。R2收到此报文后，会将邻居状态变为Full（假设R2的LSDB是最新最全的，不需要向R1请求更新）。

• R1开始向R2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。
• R2向R1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。R1在完成LSU报文的接收之后，且没有其他待请求的LSA后，会将邻居状态从Loading变为Full。
• R1向R2发送LSAck报文，作为对LSU报文的确认。

DR与BDR的作用

简化邻接关系，减少重复的LSA泛洪，避免计算资源浪费。

在MA网络中选举DR：

• DR（Designated Router，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。
• 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。
• 为了规避单点故障风险，通过选举BDR（Backup Designated Router，备份指定路由器） ，在DR失效时快速接管DR的工作。

==MA==（ Multiple Access，多路访问 ）分为BMA（ Broadcast Multi-Access，广播多路访问）和NBMA（Non-Broadcast Multiple Access，非广播多路访问）。以太网链路组成的网络是典型的BMA网络。帧中继链路通过逻辑上的划分组成典型的NBMA网络（注：帧中继相关知识不再介绍）。

DRother：既不是DR也不是BDR的路由器就是DRother路由器。

DR与BDR的选举规则

• DR/BDR的选举是非抢占式的。
• 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。
• 现有网络中已经存在一个DR和一个BDR，这时新加入网络中的路由器，不论它的Router ID或者DR优先级有多大，都会承认现网中已有的DR和BDR。
• 当DR因为故障Down掉之后，BDR会继承DR的位置，剩下的优先级大于0的路由器会竞争成为新的BDR。
• 只有当不同Router ID，或者配置不同DR优先级的路由器同时起来，在同一时刻进行DR选举才会应用DR选举规则产生DR。

不同网络类型中DR与BDR的选举操作

P2MP：point-to-multipoint，点到多点。

一些命令

display ospf interface all可查看当前设备所有激活OSPF的接口信息：

• 时间参数，例如Hello报文发送间隔，死亡时间。
• 接口的链路类型、接口的MTU。
• 对于以太网链路，可查看DR的接口地址，DR的优先级。

[R2]display ospf interface all  
     OSPF Process 1 with Router ID 10.0.2.2
 Area: 0.0.0.0
 Interface: 10.0.12.2 (GigabitEthernet0/0/0)
 Cost: 1       State: DR      Type: Broadcast    MTU: 1500  Priority: 1
 Designated Router: 10.0.12.2
 Backup Designated Router: 10.0.12.1
 Timers: HELLO 10 , Dead 40 , Poll  120 , Retransmit 5 , Transmit Delay 1 

 Interface: 10.0.235.2 (GigabitEthernet0/0/1)
 Cost: 1      State: DROther Type: Broadcast  MTU: 1500  Priority: 1
 Designated Router: 10.0.235.5
 Backup Designated Router: 10.0.235.3
 Timers: HELLO 10 , Dead 40 , Poll  120 , Retransmit 5 , Transmit Delay 1 

 Interface: 10.0.24.2 (Serial1/0/1) --> 10.0.24.4
 Cost: 48      State: P-2-P     Type: P2P       MTU: 1500  
 Timers: HELLO 10 , Dead 40 , Poll  120 , Retransmit 5 , Transmit Delay 1 

display ospf peer可查看当前设备的邻居状态：

• 邻居路由器的Router ID。
• 邻居状态，例如FULL，TWO-WAY，DOWN等。

<R2>display ospf peer
     OSPF Process 1 with Router ID 10.0.2.2
 Area 0.0.0.0 interface 10.0.12.2(GigabitEthernet0/0/0)'s neighbors
 Router ID: 10.0.1.1          Address: 10.0.12.1       
   State: Full  Mode:Nbr is  Slave  Priority: 1
   DR: 10.0.12.2  BDR: 10.0.12.1  MTU: 0    
   Dead timer due in 28  sec 
   Retrans timer interval: 5 
   Neighbor is up for 00:01:31     
   Authentication Sequence: [ 0 ] 

 Area 0.0.0.0 interface 10.0.235.2(GigabitEthernet0/0/1)'s neighbors
 Router ID: 10.0.3.3          Address: 10.0.235.3      
   State: Full  Mode:Nbr is  Master  Priority: 1
   DR: 10.0.235.5  BDR: 10.0.235.3  MTU: 0    
   Dead timer due in 30  sec 
   Retrans timer interval: 5 
   Neighbor is up for 00:01:31     
   Authentication Sequence: [ 0 ] 

display ospf lsdb可查看当前设备的LSDB：

• LSDB由多种类型的LSA构成，所有的LSA都有相同的报文头部格式，其中关键字段如Type、LinkState ID、AdvRouter等。下节课程将重点介绍LSA的详细信息。

display ospf routing可查看当前设备的OSPF路由表：

• 从R2的OSPF路由表可看出，它已经通过OSPF获知到达全网的路由。

总结图