OSPF一些总结

Posted 2022-02-23

OSPF

OSPF（Open Shortest Path First，开放最短路径优先）是IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组）组织开发的一个基于链路状态的内部网关协议。目前针对IPv4协议使用的是OSPF Version 2。
OSPF的特点
OSPF具有如下特点：
适应范围广：支持各种规模的网络，最多可支持几百台路由器。
快速收敛：在网络的拓扑结构发生变化后立即发送更新报文，使这一变化在自治系统中同步。
无自环：由于OSPF根据收集到的链路状态用最短路径树算法计算路由，从算法本身保证了不会生成自环路由。
区域划分：允许自治系统的网络被划分成区域来管理。路由器链路状态数据库的减小降低了内存的消耗和CPU的负担；区域间传送路由信息的减少降低了网络带宽的占用。
等价路由：支持到同一目的地址的多条等价路由。
路由分级：使用4类不同的路由，按优先顺序来说分别是：区域内路由、区域间路由、第一类外部路由、第二类外部路由。
支持验证：支持基于接口的报文验证，以保证报文交互和路由计算的安全性。
组播发送：在某些类型的链路上以组播地址发送协议报文，减少对其他设备的干扰。
OSPF的基本概念

1. 自治系统（Autonomous System）
   一组使用相同路由协议交换路由信息的路由器，缩写为AS。
2. OSPF路由的计算过程
   OSPF协议路由的计算过程可简单描述如下：
   每台OSPF路由器根据自己周围的网络拓扑结构生成LSA（Link State Advertisement，链路状态通告），并通过更新报文将LSA发送给网络中的其它OSPF路由器。
   每台OSPF路由器都会收集其它路由器通告的LSA，所有的LSA放在一起便组成了LSDB（Link State Database，链路状态数据库）。LSA是对路由器周围网络拓扑结构的描述，LSDB则是对整个自治系统的网络拓扑结构的描述。
   OSPF路由器将LSDB转换成一张带权的有向图，这张图便是对整个网络拓扑结构的真实反映。各个路由器得到的有向图是完全相同的。
   每台路由器根据有向图，使用SPF算法计算出一棵以自己为根的最短路径树，这棵树给出了到自治系统中各节点的路由。
3. 路由器ID号
   一台路由器如果要运行OSPF协议，则必须存在RID（Router ID，路由器ID）。RID是一个32比特无符号整数，可以在一个自治系统中唯一的标识一台路由器。
   RID可以手工配置，也可以自动生成；如果没有通过命令指定RID，将按照如下顺序自动生成一个RID：
   如果当前设备配置了Loopback接口，将选取所有Loopback接口上数值最大的IP地址作为RID；
   如果当前设备没有配置Loopback接口，将选取它所有已经配置IP地址且链路有效的接口上数值最大的IP地址作为RID。
4. OSPF的协议报文
   OSPF有五种类型的协议报文：
   Hello报文：周期性发送，用来发现和维持OSPF邻居关系。内容包括一些定时器的数值、DR（Designated Router，指定路由器）、BDR（Backup Designated Router，备份指定路由器）以及自己已知的邻居。
   DD（Database Description，数据库描述）报文：描述了本地LSDB中每一条LSA的摘要信息，用于两台路由器进行数据库同步。
   LSR（Link State Request，链路状态请求）报文：向对方请求所需的LSA。两台路由器互相交换DD报文之后，得知对端的路由器有哪些LSA是本地的LSDB所缺少的，这时需要发送LSR报文向对方请求所需的LSA。内容包括所需要的LSA的摘要。
   LSU（Link State Update，链路状态更新）报文：向对方发送其所需要的LSA。
   LSAck（Link State Acknowledgment，链路状态确认）报文：用来对收到的LSA进行确认。内容是需要确认的LSA的Header（一个报文可对多个LSA进行确认）。
5. LSA的类型
   OSPF中对链路状态信息的描述都是封装在LSA中发布出去，常用的LSA有以下几种类型：
   Router LSA（Type1）：由每个路由器产生，描述路由器的链路状态和开销，在其始发的区域内传播。
   Network LSA（Type2）：由DR产生，描述本网段所有路由器的链路状态，在其始发的区域内传播。
   Network Summary LSA（Type3）：由ABR（Area Border Router，区域边界路由器）产生，描述区域内某个网段的路由，并通告给其他区域。
   ASBR Summary LSA（Type4）：由ABR产生，描述到ASBR（Autonomous System Boundary Router，自治系统边界路由器）的路由，通告给相关区域。
   AS External LSA（Type5）：由ASBR产生，描述到AS（Autonomous System，自治系统）外部的路由，通告到所有的区域（除了Stub区域和NSSA区域）。
   NSSA External LSA（Type7）：由NSSA（Not-So-Stubby Area）区域内的ASBR产生，描述到AS外部的路由，仅在NSSA区域内传播。
   Opaque LSA：是一个被提议的LSA类别，由标准的LSA头部后面跟随特殊应用的信息组成，可以直接由OSPF协议使用，或者由其它应用分发信息到整个OSPF域间接使用。Opaque LSA分为Type 9、Type10、Type11三种类型，泛洪区域不同；其中，Type 9的Opaque LSA仅在本地链路范围进行泛洪，Type 10的Opaque LSA仅在本地区域范围进行泛洪，Type 11的LSA可以在一个自治系统范围进行泛洪。
6. 邻居和邻接
   在OSPF中，邻居（Neighbor）和邻接（Adjacency）是两个不同的概念。
   OSPF路由器启动后，便会通过OSPF接口向外发送Hello报文。收到Hello报文的OSPF路由器会检查报文中所定义的参数，如果双方一致就会形成邻居关系。
   形成邻居关系的双方不一定都能形成邻接关系，这要根据网络类型而定。只有当双方成功交换DD报文，交换LSA并达到LSDB的同步之后，才形成真正意义上的邻接关系。

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OSPF的4种网络类型
OSPF根据链路层协议类型将网络分为下列四种类型：
Broadcast：当链路层协议是Ethernet、FDDI时，OSPF缺省认为网络类型是Broadcast。在该类型的网络中，通常以组播形式（224.0.0.5和224.0.0.6）发送协议报文。
NBMA（Non-Broadcast Multi-Access，非广播多路访问）：当链路层协议是帧中继、ATM或X.25时，OSPF缺省认为网络类型是NBMA。在该类型的网络中，以单播形式发送协议报文。
P2MP（Point-to-MultiPoint，点到多点）：没有一种链路层协议会被缺省的认为是P2MP类型。点到多点必须是由其他的网络类型强制更改的。常用做法是将NBMA改为点到多点的网络。在该类型的网络中，以组播形式（224.0.0.5）发送协议报文。
P2P（Point-to-Point，点到点）：当链路层协议是PPP、HDLC时，OSPF缺省认为网络类型是P2P。在该类型的网络中，以组播形式（224.0.0.5）发送协议报文。
NBMA网络的配置原则
NBMA网络是指非广播、多点可达的网络，比较典型的有ATM和帧中继网络。
对于接口的网络类型为NBMA的网络需要进行一些特殊的配置。由于无法通过广播Hello报文的形式发现相邻路由器，必须手工为该接口指定相邻路由器的IP地址，以及该相邻路由器是否有DR选举权等。
NBMA网络必须是全连通的，即网络中任意两台路由器之间都必须有一条虚电路直接可达。如果部分路由器之间没有直接可达的链路时，应将接口配置成P2MP类型。如果路由器在NBMA网络中只有一个对端，也可将接口类型配置为P2P类型。
NBMA与P2MP网络之间的区别如下：
NBMA网络是指那些全连通的、非广播、多点可达网络。而P2MP网络，则并不需要一定是全连通的。
在NBMA网络中需要选举DR与BDR，而在P2MP网络中没有DR与BDR。
NBMA是一种缺省的网络类型，而P2MP网络必须是由其它的网络强制更改的。最常见的做法是将NBMA网络改为P2MP网络。
NBMA网络采用单播发送报文，需要手工配置邻居。P2MP网络采用组播方式发送报文。

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DR/BDR

1. DR/BDR简介
在广播网和NBMA网络中，任意两台路由器之间都要交换路由信息。如果网络中有n台路由器，则需要建立n(n-1)/2个邻接关系。这使得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。为解决这一问题，OSPF协议定义了指定路由器DR（Designated Router），所有路由器都只将信息发送给DR，由DR将网络链路状态发送出去。
如果DR由于某种故障而失效，则网络中的路由器必须重新选举DR，再与新的DR同步。这需要较长的时间，在这段时间内，路由的计算是不正确的。为了能够缩短这个过程，OSPF提出了BDR（Backup Designated Router，备份指定路由器）的概念。
BDR实际上是对DR的一个备份，在选举DR的同时也选举出BDR，BDR也和本网段内的所有路由器建立邻接关系并交换路由信息。当DR失效后，BDR会立即成为DR。由于不需要重新选举，并且邻接关系事先已建立，所以这个过程是非常短暂的。当然这时还需要再重新选举出一个新的BDR，虽然一样需要较长的时间，但并不会影响路由的计算。
DR和BDR之外的路由器（称为DR Other）之间将不再建立邻接关系，也不再交换任何路由信息。这样就减少了广播网和NBMA网络上各路由器之间邻接关系的数量。

2. DR/BDR选举过程
DR和BDR是由同一网段中所有的路由器根据路由器优先级、Router ID通过HELLO报文选举出来的，只有优先级大于0的路由器才具有选取资格。
进行DR/BDR选举时每台路由器将自己选出的DR写入Hello报文中，发给网段上的每台运行OSPF协议的路由器。当处于同一网段的两台路由器同时宣布自己是DR时，路由器优先级高者胜出。如果优先级相等，则Router ID大者胜出。如果一台路由器的优先级为0，则它不会被选举为DR或BDR。
需要注意的是：
只有在广播或NBMA类型接口才会选举DR，在点到点或点到多点类型的接口上不需要选举DR。
DR是某个网段中的概念，是针对路由器的接口而言的。某台路由器在一个接口上可能是DR，在另一个接口上有可能是BDR，或者是DR Other。
路由器的优先级可以影响一个选取过程，但是当DR/BDR已经选取完毕，就算一台具有更高优先级的路由器变为有效，也不会替换该网段中已经选取的DR/BDR成为新的DR/BDR。
DR并不一定就是路由器优先级最高的路由器接口；同理，BDR也并不一定就是路由器优先级次高的路由器接口。