OSPF协议
OSPF协议
参考文献
1 OSPF协议概述
主要介绍了OSPF一些静态的基础知识。
OSPF原理
每一台路由器将其周边的链路状态描述出来，发送给网络中相邻的路由器。经过一段时间的链路状态信息交互，每台路由器都保存了一个链路状态数据库，该数据库是整个网络完整的链路状态描述。然后应用最短路优先算法计算路由。主要是Djskra算法。
OSPF组播的方式在所有开启OSPF的接口发送Hello包，用来确定是否有OSPF邻居，若发现了，则建立OSPF邻居关系，形成邻居表，之后互相发送LSA（链路状态通告）相互通告路由，形成LSDB（链路状态数据库）。再通过SPF算法，计算最佳路径（cost最小）后放入路由表。
OSPF特点
- OSPF是一种无类别域间路由协议，支持VLSM可变长子网掩码。支持IPV4和IPV6.
- 组播地址：224.0.0.5 224.0.0.6。
- OSPF度量：从源到目的所有出接口的度量值，和接口带宽反比（10^8/带宽）。
- 收敛速度极快，但大型网络配置很复杂。
- IP封装，协议号89
OSPF优点
- 适应范围广
- 快速收敛
- 无自环
- 支持验证、组播发送、路由分级、等值路由。
自制系统和OSPF区域
自治系统（Autonomy System，AS）由统一机构管理的，使用同一组选路策略的路由器集合。OSPF是自治系统内部的路由选择协议。
区域（Area）是指一个路由器的集合，相同的区域有着相同的拓扑结构数据库。OSPF用区域把一个AS分成多个链路状态。分为骨干区域和非骨干区域。
- 骨干区域（区域0）：骨干区域必须连接所有的非骨干区域，而且骨干区域不可分割，有且只有一个，一般情况下，骨干区域内没有终端用户。
- 非骨干区域（非0区域）：非骨干区域一般根据实际情况而划分，必须连接到骨干区域（不规则区域也需通过tunnel或virtual-link连接到骨干区域）。一般情况下，费骨干区域主要连接终端用户和资源。
OSPF路由器逻辑角色
- DR（Designated Router）：指定路由器，OSPF协议启动后开始选举而来
- BDR（Back-up Designated Router）：备份指定路由器，同样是由OSPF启动后选举而来
- DRothers：其他路由器，非DR非BDR的路由器都是DRothers。
OSPF路由器逻辑位置
区域内路由器(IAR internal area router)：所有端口在同一区域的路由器，维护一个链路状态数据库。
区域边界路由器(ABR area border router)：具有连接多区域端口的路由器，一般作为一个区域的出口。ABR为每一个所连接的区域建立链路状态数据库，负责将所连接区域的路由摘要信息发送到主干区域，而主干区域上的ABR则负责将这些信息发送到各个区域。
骨干路由器(BBR backbone router)：具有连接主干区域端口的路由器。 至少有一个接口属于骨干区域（area = 0）
自治域系统边界路由器(ASBR as boundary router)：至少拥有一个连接外部自治域网络（如非OSPF的网络）端口的路由器，负责将非OSPF网络信息传入OSPF网络。
邻居和邻接
邻居不一定是邻接，邻接一定是邻居，只有交互了LSA的OSPF邻居才成为OSPF的邻接，只交互Hello包的支撑位邻居。
在点对点网络中，所有邻居都能成为邻接。
MA（广播多路访问网络，比如以太网）网络类型中，DR，BDR，DRothers三者关系为：DR、BDR与所有的邻居形成邻接，DRothers之间只是邻居而不交换LSA。
- OSPF发送hello报文（只有一跳）收到报文进行协商建立邻居关系。是一种物理上直接相连的关系，但不一定是逻辑上的邻接关系。
- 当双方成功交换链路状态通告信息后才会成为邻接关系。建立了逻辑上的邻接关系。
OSPF更新
OSPF是一种触发更新的机制。一旦拓扑发生变化便会更新。
OSPF也有周期性更新（30分钟一次）
当收到一条LSA之后：
首先查看是否在LSDB中，若没有则假如LSDB，回复LSACK。继续泛洪出去，并且通过SPF算法计算最佳路径并加入路由表。若存在，则比较谁的更“新”（看序号），序号大者新，若本地不如收到的信更新本地LSDB并泛洪，且通过SPF算法计算最佳路径并加入路由表，若比收到的新，则将本地的泛洪出去。
OSPF中的表
- 邻居表：记录了建立邻居关系的路由器
dis ospf peer - LSDB（链路状态数据库）：包含了本路由器上的区域的所有的链路状态信息，并实时同步。
dis ospf lsdb - 路由转发表：由LSDB和SPF算法计算得到。
dis ospf routing
2 OSPF协议报文交互过程
主要介绍了OSPF报文和动态交互过程。面向的对象OSPF协议本身。建立可靠数据连接的过程。
OSPF报文总体结构
IP 封装了OSPF报文，LSU（链路状态更新类型的报文）类型的OSPF报文封装了LSA（链路状态通告）报文，LSA报文封装了多个LSA数据。
更具体的封装格式：
IPHeader—-OSPFHeader—-particularHeader—-LSAHeader—-LSAData
OSPF报文头
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| Version | 1字节 | 版本，OSPF的版本号。对于OSPFv2来说，其值为2。 |
| Type | 1字节 | 类型，OSPF报文的类型，有下面几种类型：1：Hello报文；2：DD报文；3：LSR报文；4：LSU报文；5：LSAck报文。 |
| Packet length | 2字节 | OSPF报文的总长度，包括报文头在内，单位为字节。 |
| Router ID | 4字节 | 发送该报文的路由器标识。 |
| Area ID | 4字节 | 发送该报文的所属区域。 |
| Checksum | 2字节 | 校验和，包含除了认证字段的整个报文的校验和。 |
| AuType | 2字节 | 验证类型，值有如下几种表示， 0：不验证；1：简单认证；2：MD5认证。 |
| Authentication | 8字节 | 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。 |
5种OSPF报文类型-Hello报文
Hello：周期性地发送给本路由器的邻居，使用的组播地址224.0.0.5。DR和BDR发送报文使用的组播地址是224.0.0.6。其作用为建立和维护邻接关系，周期性的在使能了OSPF的接口上发送。报文内容包括一些定时器的数值、DR、BDR以及自己已知的邻居。
OSPF-hello报文格式
OSPF-hello字段说明
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| Network Mask | 32比特 | 发送Hello报文的接口所在网络的掩码。 |
| HelloInterval | 16比特 | 发送Hello报文的时间间隔。 |
| Options | 8比特 | 可选项：E：允许Flood AS-External-LSAs MC：转发IP组播报文 N/P：处理Type-7 LSAs DC：处理按需链路 |
| Rtr Pri | 8比特 | DR优先级。默认为1。如果设置为0，则路由器不能参与DR或BDR的选举。 |
| RouterDeadInterval | 32比特 | 失效时间。如果在此时间内未收到邻居发来的Hello报文，则认为邻居失效。 |
| Designated Router | 32比特 | DR的接口地址。 |
| Backup Designated Router | 32比特 | BDR的接口地址。 |
| Neighbor | 32比特 | 邻居，以Router ID标识。 |
- OSPF-hello报文实例
5中OSPF报文类型-DD报文
DD：Database Description 本地数据库摘要，供路由器核对数据库是否同步。只交换摘要，减少带宽占用。包括空DD报文和带有摘要信息的DD报文。空DD报文用来确定Master/Slave关系，由Master规定起始序列号，每发送一个DD报文序列号加1，Slave方使用Master的序列号作为确认。
- OSPF-DD报文格式
- OSPF-DD报文字段说明
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| Interface MTU | 16比特 | 在不分片的情况下，此接口最大可发 |
| Options | 8比特 | 可选项：E：允许Flood AS-External-LSAs |
| I | 1比特 | 当发送连续多个DD报文时，如果这是第一个DD报文 |
| M (More) | 1比特 | 当发送连续多个DD报文时，如果这是最后 |
| M/S (Master/Slave) | 1比特 | 当两台OSPF路由器交换DD报文时，首先需要确定双方的主从关系，Router ID大的一方会成为Master。当值为1时表示发送方为Master。 |
| DD sequence number | 32比特 | DD报文序列号。主从双方利 |
| LSA Headers | 可变 | 该DD报文中所包含的LSA的头部信息。 |
- OSPF-DD报文实例
5种OSPF报文类型-LSR报文
LSR：Link-State Request 请求链路状态，在数据库同步过程中使用，请求其他角色发送自己失去的LSA最新版本。内容包括所需要的LSA的摘要。
- OSPF-LSR报文格式
- OSPF-LSR报文字段说明
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| LS type | 32比特 | LSA的类型号。 |
| Link State ID | 32比特 | 根据LSA中的LS Type和LSA description在路由域中描述一个LSA。 |
| Advertising Router | 32比特 | 产生此LSA的路由器的Router ID。 |
- OSPF-LSR报文实例
5种OSPF报文类型-LSU报文
LSU：Link-State Update 链路状态更新，用来向对端Router发送其所需要的LSA或者泛洪自己更新的LSA，内容是多条LSA（全部内容）的集合。LSU包括几种类型的LSA，LSU负责泛洪LSA，和响应LSR。LSA只会发送给之前以LSR请求的LSA的直连邻居，进行泛洪的时候，邻居路由负责把收到的LSA信息重新封装在新的LSU中。
- OSPF-LSU报文格式
- OSPF-LSU报文字段说明
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| Number of LSAs | 32比特 | LSA的数量。 |
- OSPF-LSU报文实例
5种OSPF报文类型-LSACK报文
LSACK：链路状态确认，路由器必须对每个收到的LSA进行LSACK确认，但可以用一个LSACK确认多个LSA。
- OSPF-LSACK报文格式
- OSPF-LSACK报文字段说明
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| LSAs Headers | 可变 | 通过LSA的头部信息确认收到该LSA。 |
- OSPF-LSACK报文实例
OSPF可靠传输机制
采用了确认重传机制，确保OSPF路由信息的可靠传输。
OSPF邻居状态机
邻居状态机的状态说明
Down
邻居状态机的初始状态，是指在过去的Dead-Interval时间内没有收到对方的Hello报文Init
本状态表示已经收到了邻居的HELLO报文，但是该报文中列出的邻居中没有包含本Router ID（对方并没有收到我发的HELLOAttempt
只适用于NBMA类型的接口，处于本状态时，定期向那些手工配置的邻居发送HELLO报文2-Way
本状态表示双方互相收到了对端发送的HELLO报文，建立了邻居关系。在广播和NBMA类型的网络中，两个接口状态是DROther的路由器之间将停留在此状态。其他情况状态机将继续转入高级状态。ExStart
在此状态下，路由器和它的邻居之间通过互相交换DD报文（该报文并不包含实际的内容，只包含一些标志位）来决定发送时的主/从关系。建立主/从关系主要是为了保证在后续的DD报文交换中能够有序的发送。Exchange
路由器将本地的LSDB用DD报文来描述，并发给邻居Loading
路由器发送LSR报文向邻居请求对方的LSU报文Full
在此状态下，邻居路由器的LSDB中所有的LSA本路由器全都有了。本路由器和邻居建立了邻接状态
OSPF报文交互过程
具体步骤
- 通过HELLO报文的邻居发现
- DD报文的主从关系协商
- DD报文交换摘要信息
- LSA的请求
- LSA的更新
- LSA 的确认
3 OSPF协议链路状态通告
主要介绍了LSA链路状态通告和与LSA有关的逻辑关系。这一部分主要讲解了OSPF如何来描述整个网路，即如何生成LSDB。下一部分主要讲解通过LSDB，OSPF计算得到ospf routing table的过程。
常用的LSA共有5种，分别为：Router-LSA、Network-LSA、Network-summary-LSA、ASBR-summary-LSA和AS-External-LSA。
LSA 相同的Header
- 字段说明
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| LS age | 16比特 | LSA产生后所经过的时间，以秒为单位。无论LSA是在链路上传送，还是保存在LSDB中，其值都会在不停的增长。 |
| Options | 8比特 | 可选项：E：允许泛洪AS-External-LSA；MC：转发IP组播报文；N/P：处理Type-7 LSA；DC：处理按需链路。 |
| LS type | 8比特 | LSA的类型：Type1：Router-LSA Type2：Network-LSA Type3：Network-summary-LSA Type4：ASBR-summary-LSA Type5：AS-External-LSA Type7：NSSA-LSA |
| Link State ID | 32比特 | 与LSA中的LS Type和LSA description一起在路由域中描述一个LSA。 |
| Advertising Router | 32比特 | 产生此LSA的路由器的Router ID。 |
| LS sequence number | 32比特 | LSA的序列号。其他路由器根据这个值可以判断哪个LSA是最新的。 |
| LS checksum | 16比特 | 除了LS age外其它各域的校验和。 |
| length | 16比特 | LSA的总长度，包括LSA Header，以字节为单位。 |
五种链路状态通告类型
Router-LSA（1类）
Router-LSA（Type1）：每个路由器都会产生，描述了路由器的链路状态和花费，在所属的区域内传播。
- Router-LSA通告格式
- Router-LSA通告字段说明
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| Link State ID | 32比特 | 生成LSA的Router ID。 |
| V (Virtual Link) | 1比特 | 如果产生此LSA的路由器是虚连接的端点，则置为1。 |
| E (External) | 1比特 | 如果产生此LSA的路由器是ASBR，则置为1。 |
| B (Border) | 1比特 | 如果产生此LSA的路由器是ABR，则置为1。 |
| # links | 16比特 | LSA中所描述的链路信息的数量，包括路由器上处于某区域中的所有链路和接口。 |
| Link ID | 32比特 | 路由器所接入的目标，其值取决于连接的类型：1：Router ID；2：DR的接口IP地址；3：网段／子网号；4：虚连接中对端的Router ID。 |
| Link Data | 32比特 | 连接数据，其值取决于连接的类型：unnumbered P2P：接口的索引值；stub网络：子网掩码；其它连接：路由器接口的IP地址。 |
| Type | 8比特 | 路由器连接的基本描述：1：点到点连接到另一台路由器；2：连接到传输网络；3：连接到stub网络；4：虚拟链路。 |
| # TOS | 8比特 | 连接不同的TOS数量。 |
| metric | 16比特 | 链路的开销值。 |
| TOS | 8比特 | 服务类型。 |
| TOS metric | 16比特 | 和指定TOS值相关联的度量。 |
Network- LSA(2类)
Network-LSA（Type2）：由广播网或NBMA网络中的DR产生,Network-LSA中记录了这一网络上所有路由器的Router
ID，描述本网段的链路状态，在所属的区域内传播。
- Network-LSA通告格式
- Network-LSA通告字段说明
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| Link State ID | 32比特 | DR的接口IP地址。 |
| Network Mask | 32比特 | 该广播网或NBMA网络地址的掩码。 |
| Attached Router | 32比特 | 连接在同一个网络上的所有路由器的Router ID，也包括DR的Router ID。 |
Network Summary-LSA（3类）
Network-summary-LSA（Type3）：描述区域内所有网段的路由，并通告给其他相关区域。ASBR-summary-LSA（Type4）：描述到ASBR的路由，通告给除ASBR所在区域的其他相关区域。Type3和Type4的LSA有相同的格式，它们都是由ABR产生。
- Network Summary-LSA&ASBR Summary-LSA通告格式
- Network Summary-LSA&ASBR Summary-LSA通告字段说明
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| Link State ID | 32比特 | 通告的网络地址。如果是ASBR Summary LSA，此字段表示ASBR的Router ID。 |
| Network Mask | 32比特 | 该广播网或NBMA网络地址的掩码。如果是ASBR Summary LSA，此字段无意义，设置为0.0.0.0。 |
| metric | 24比特 | 到目的地址的路由开销。 |
| TOS | 8比特 | 服务类型。 |
| TOS metric | 24比特 | 和指定TOS值相关联的度量。 |
ASBR Summary-LSA(4类)
ASBR-Summary-LSA（Type4）：描述到ASBR的路由，通告给除ASBR所在区域的其他相关区域。Type3和Type4的LSA有相同的格式，它们都是由ABR产生。
AS External-LSA（5类）
AS-External-LSA（Type5）：由ASBR产生，描述到AS外部的路由，这是五种LSA中，唯一一种通告到所有区域（除了Stub区域和NSSA区域）的LSA。
AS External-LSA通告格式
AS External-LSA通告字段说明
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| Link State ID | 32比特 | 通告的网络地址。 |
| Network Mask | 32比特 | 通告的目的地址的掩码。 |
| E | 1比特 | 外部度量值类型：0：第一类外部路由；1：第二类外部路由。 |
| metric | 24比特 | 到目的地址的路由开销。 |
| Forwarding Address | 32比特 | 到所通告的目的地址的报文将被转发到这个地址。 |
| External Route Tag | 32比特 | 添加到外部路由上的标记。OSPF本身并不使用这个字段，它可以用来对外部路由进行管理。 |
| TOS | 8比特 | 服务类型。 |
| TOS metric | 24比特 | TOS附加距离信息。 |
4 OPSF协议链路状态描述
OSPF协议的4种网络类型
- Broadcast类型。广播网络。选举指定路由器DR与备份指定路由器BDR。广播型全连接网络拓扑结构。
- NBMA类型。非广播多点可达。选举DR与BDR。单播型全连接网络拓扑结构。
- PRMP类型。点到多点网络。不要求DR和BDR。使用组播24.0.0.5发送协议。非全连接拓扑结构。
- PTP类型。点到点网络。无序选择DR和BDR。使用组播224.0.0.5发送协议。点对点拓扑结构。
OSPF周围4种网络拓扑结构
- Stub net：末端网络拓扑结构，路由器直连其他PC，网段中没有其他运行OSPF协议的网络设备。
- PPP网络描述：点到点拓扑结构，链路连接另一个OSPF的路由器。
- 点到多点：非全连接拓扑结构。
- 全连接网络：全连接拓扑结构。信息冗余。选取DR与BDR。
链路状态描述信息
链路状态描述信息+链路状态通告头组成了链路状态通告信息。链路状态描述信息描述了一条记录的具体含义，反映了路由器周边的网络拓扑结构。不同的网络结构使用不同的链路状态描述信息。链路状态描述是链路状态通告的主体部分。
| 类型值 | 链路类型 | LinkID | LinkData |
|---|---|---|---|
| 1-router | Point-to-Point链路 | 邻居路由器的RouterID | 始发路由器在该网段时的接口IP地址 |
| 2-transit | 连接Transit网络链路 | DR接口的IP地址 | 始发路由器在该网段是的接口IP地址 |
| 3-stubnet | 连接Stub网络链路 | Stub网络的IP地址 | Stub网络的子网掩码 |
| 4-virtual | Virtual Link | 邻居路由器的RouterID | 始发路由器接口的MIB-IIifINDEX值 |
链路状态描述信息与链路状态通告信息关系
重要：关系理解
链路状态信息组成了链路状态通告信息。链路状态描述信息通过接口链路类型区别。链路状态通告类型，通同路由器逻辑作用区别。
当使用以太网连接路由器的一个端口的时候，这个时候默认为广播类型，默认网络结构为全连接网络，默认生成第二类LSA。
第一类链路状态通告信息LSARouter中链路状态描述信息：
- Stub类型的网络Serial
- 使用StubNet链路状态描述信息，描述链路的网段信息
- PPP网络Serial
- 使用StubNet链路状态描述信息，描述相连的网段信息
- 使用p2p链路状态描述信息，描述相连的路由器信息
- 点到多点Serial
- 使用StubNet链路状态描述信息，描述相连的网段信息
- 使用p2p链路状态描述信息，描述相连的路由器。
- 以太网连接Ethernet
- 使用TransNet链路状态描述信息，描述网段信息。
第二类链路状态通告信息LSANetwork中的链路状态描述：
- 全连接网络（或者说，以太网连接网络）
- 直接描述同一个网段的全连接路由器。
第三类链路状态通告信息LSASumNet
第四类链路状态通告信息LSASumASB
DR与BDR的选举
- 登记本网段内运行OSPF的路由器；
- 登记具有DR候选资格的路由器，即本网段内的Priority>0的OSPF路由器（Priority可以手工配置，缺省值是1）；
- 所有的Priority>0的OSPF路由器都认为自己是DR；
- Priority值最大，若Priority值相等则Router ID最大的路由器将成为DR。第二为BDR。
- 每台路由器通过互相发送Hello报文，同时将自己选出的DR写入Hello报文中，本网段中所有路由器共同选举出DR和BDR。
选举的原则
- 选举制
DR是各路由器选出来的，而非人工指定的，虽然管理员可以通过配置Priority干预选举过程。 - 终身制
DR一旦当选，除非路由器故障，否则不会更换，即使后来的路由器Priority更高。 - 世袭制
DR选出的同时也选出BDR来，DR故障后，由BDR接替DR成为新的DR。 - 稳定压倒一切
如果DR频繁的更迭，则每次都要重新引起本网段内的所有路由器与新的DR建立邻接关系。 - BDR快速响应
BDR与DR同时被选举出来。BDR也与本网段内的所有路由器建立邻接关系并交换路由信息。DR失效后，BDR立即成为DR。
5 区域划分及LSA种类
原理
路由器数量增多，LSDB庞大，占用存储空间，增加运行SPF算法的复杂度，同时两台路由器之间进行LSDB同步的时间变长。
减少LSA的数量，缩小网络变化的搏击范围。
OSPF协议通过将自治系统划分成不同的区域解决问题。区域内使用第一类和第二类LSA链路通告类型。第三类LSA主要对区域内的路由（网段）信息进行描述，大大减少了路由信息描述的数量。
路由聚合功能。
路由器类型
在第一章讲过
与自治系统外部通信
ASBR可以在系统中的任何位置。将其他路由协议（包括静态路由和接口直连路由）导入到OSPF路由器中。
使用第五类LSA描述包括该路由的目的地之、掩码和花费等信息。将外部信息导入到自制系统内部传播。
骨干区域与虚连接
6 OSPF协议路由的计算
SPF算法和COST值
SPF算法-Dijkstra算法。
根据链路状态数据库，还原网络区域的拓扑结构图。SPF算法根据甲醛有向图，以该路由器为根，计算最小生成树，获得到每一个目的网段的路由。
Cost值
链路花费。值越小，链路带宽越高。OSPF中的COST值一般为$10^8/链路宽带$。
区域内OSPF路由计算过程
LSA描述路由器本地状态–报文交互–>生成LSDB–SPF算法–>LS Routing
- 每台路由器根据自己周围的网络拓扑结构生成一条LSA（静态）。通过相互之间发送协议报文将LSA发送给网络中相邻的路由器（动态交互）。网络中所有的路由器具有所有的相同的LSA构成的LSDB。
- LSDB是对整个网络拓扑结构的描述。使用LSDB生成带权有向图。
- 每台路由器运行SPF算法计算最短路径树。
区域间OSPF路由计算过程
- 同一个区域内的路由器之间会保持LSDB的同步。网络拓扑结构的变化首先在区域内更新。
- 区域之间通过ABR来完成。生成Type3的LSA
- 另一个区域根据Type3的LSA，生成路由，下一跳都指向ABR
区域外OSPF路由的计算过程
- 第一类外部路由接受的IGP路由。第一类外部路由开销=本路由器到ASBR开销+ASBR到目的地址开销。
- 第二类外部路由接受的EGP路由。第二类外部路由开销=ASBR到目的地之的开销。
路由的类型和优选顺序
- 优选区域内路由
- 优选区域间路由
- 优选自治系统Tpye1类外部路由
- 优选自制系统Type2类外部路由
- 若都相等，添加等值路由。
一个SPF算法运行的实例分析（来自课本）
- 每个路由器生成了第一类LSA
