OSPF协议详解1：从基础概念到区域划分与报文类型解析

本文详细介绍了开放式最短路径优先（OSPF）协议，一个用于自治系统内部的动态链路状态路由协议。文章首先对比了静态与动态路由协议、距离矢量与链路状态路由协议的特点，明确了OSPF的定位。接着，深入探讨了OSPF的区域概念，包括骨干区域与非骨干区域的结构、区域划分的优势、路由器角色（如ABR、ASBR）以及特殊区域类型（Stub、Totally Stub、NSSA等）。最后，文章详细解析了OSPF的五种报文类型：Hello、DBD、LSR、LSU和LSAck，逐一阐述了它们的用途、报文结构中的关键字段，并辅以Wireshark抓包示例，帮助读者全面理解OSPF协议的运作机制。

1. OSPF协议介绍

OSPF（Open Shortest Path First，开放式最短路径优先）协议是一个动态路由协议。它是开源、非厂商私有的，用于在一个自治系统（AS）内部，动态发现网络拓扑，计算最优路由，快速收敛。

1.1 静态 VS 动态路由协议

静态路由协议需要手动去配置路由。在网络发生变化的时候，需要手动更新静态路由。它配置简单，但是不够灵活，适合设备数量不多的小型网络。

动态路由协议可以自动计算出路由表。在有网络变动时，会自动更新路由表，整网的收敛速度快。它可以用于更复杂的大型网络。配置复杂，但提供了更好的拓展性，性能和适应性。

1.2 距离矢量 VS 链路状态

距离矢量型路由协议 基于距离度量来计算到目标的最优路径，譬如从邻居学到的到目标的跳数。

• 设备只知道它直连的邻居以及到每个目标的距离度量。
• 周期性更新，跟邻居周期性地交换整张路由表。
• 使用 Bellman-Ford 算法，度量值比较简单，为跳数或是其他度量的加权（EIGRP）。
• 收敛速度通常比链路状态型路由协议慢一些，适合不太复杂的网络。

链路状态路由协议 通过交换设备的链路及状态来计算出整网的拓扑。

• 设备有整网的拓扑信息。
• 设备间交换SLAs（Link-State Advertisements）来取得链路及其状态信息。每台设备的数据路都存有整网的链路及状态信息。
• 使用 Dijkstra 算法，独立计算到每个目标的最短路径。
• 收敛速度快，适合复杂的大型网络。

2. OSPF的区域

2.1 分区的基本特点

网络结构
OSPF要求网络分为两个层次的区域，区域0也叫做骨干区域和非0区域。非0区域必须和骨干区域相连，通常是物理相连，部分情况可以是逻辑接口相连。总得来说，OSPF是类似一种向日葵形状的网络结构。

区域标识
单个数字，譬如Area 0，Area 10。或是类似于IP地址的点分十进制，区域0为 0.0.0.0，其他区域为0.0.0.21。

分区的好处
LSA泛洪只在一个区域内进行。当网络发生变化时，SPF的重新计算被限制在本区域。此外，区域内路由器的路由表也会尽量小一些。

保持分区的规模
一个OSPF区域内推荐不超过50台路由器。对于边界路由器，推荐不超过连接超过3个区域。这样是平衡路由器的硬件资源和性能。对于现在的网络设备，CPU和内存基本不存在瓶颈。但是过大的区域会导致网络的不稳定，过于频繁的网络变化导致频繁的SPF计算。推荐阅读 ISR 4331 / Number of supported OSPF areas。

非连续区域
在特殊情况下，譬如地理的分割，导致非0区域无法可以直连骨干区域，而需要借道另一个非0区域来连接到骨干区域。
这时会在两个ABR R1和R2上建立跨Area 5的虚连接。

2.2 路由器的角色

• 骨干区域路由器：譬如R1，它在Area 0内部。
• 区域边界路由器 ASR：譬如R3和R4，他们一部分在Area 0里，一部分在其他其余区域里，是连接骨干区域和其他区域的桥梁。
• 自治区域边界路由器 ASBR：譬如R2，它是可以是连接到Internet的路由器，确切地说它是连接OSPF进程和其他路由协议的连接点。譬如，OSPF和BGP，则在此处会有相互的路由重分发，用于和外部交换路由。
• 路由器可以即是区域边界路由器，也是自治系统边界路由器。

2.3 特殊区域

为了节约路由表，有下列四种特殊区域。区别如下图，在介绍SLA的类型时会再讨论。

• Stub Area 末节区域
• Totally Stub Area 完全末节区域
• NSSA 次末节区域
• Totally 完全次末节区域

3. OSPF包类型

OSPF有如下5种类型的包。

3.1 OSPF包报头格式

• Version版本：8比特长度，2为OSPFv2，3为OSPFv3。
• Type类型：8比特长度，1-5，表示如上的5种类型。
• Packet Length包长度：16比特长度，包括报头在内的OSPF包的长度，单位为字节。
• Router ID路由器标识：32比特长度，发送此包的路由器的标识。
• Area ID区域标识：32比特长度，发送此包的路由器所属的区域标识。
• Checksum校验值：16比特长度，不包括认证字段在内的OSPF包的校验值。
• Authentication Type认证类型：16比特长度，0为不认证，1为明文认证，2为密文认证。
• Authentication认证信息：64比特长度，根据认证类型，包括的信息也不同。明文认证则为密码信息。密文认证包括加密密钥ID，MD5认证数据长度和序列号（用于防止重放攻击），消息摘要不包含在报头中。

3.2 Hello包

• 用于建立和维持邻居关系。
• 包括路由器标识，hello和dead间隔时间，多路访问网络的指定路由器DR和备份指定路由器BDR的地址，以及路由器的邻居列表。
• 如果路由器没有dead间隔时间内没有收到邻居的hello包，则会认为邻居down了。
• Network Mask网络掩码：指明发送这条Hello消息的接口的网络掩码。
• Hello间隔在广播和P2P网络下默认是10秒，在NBMA网络下默认是30秒。而Dead间隔则通常为4倍的Hello间隔。
• Router Priority路由器优先级：用于多路访问网络选举DR和BDR。默认值是1，取值区间为0-255，优先级最高的路由器成为DR。

WireShark抓包如下：

3.3 DBD包

DBD是Database Description Packet的缩写。

• 用于总结链路状态数据库的内容，包括路由器SLA（链路状态通告）的描述及其报头。
• 在两台路由器第一次交换链路状态信息的时候，双方会将各自数据库的内容描述给对方，双方根据现有数据库的内容来请求其缺失的或是需要更新的SLA。
• Interface MTU：在不分片的情况下，接口可以发送DBD包的最大长度。
• I & M标识：在多个连续的DBD包的情况下，如果是第一个DBD包，I设为1；如果是最后一个，M设为0。
• M/S 主从标识：两台路由器在交换DBD包的时候，它们会协商成主从关系。如果设置为1，主路由器发送DBD包。
• DBD Sequence Number：DBD包的序列号。主从使用需要序列号来确保传输的DBD包是正确的。
• LSA Headers： 包含在DBD包里的SLA报头。

WireShark抓包如下：

3.4 LSR包

LSR是Link-State Request的缩写。

• 用于从邻居处请求特定的LSA，包括请求的LSA的类型和ID。
• 接收到DD包之后，路由器会确定缺失的或是过时的SLA，并从邻居处请求相应的SLA。
• 一个包可以请求多条SLA。

WireShark抓包如下：

3.5 LSU包

LSU是Link-State Update的缩写。

• 用于将SLA发送给邻居，包括一条或多条的SLA。
• 它既可以是回应邻居的请求，也可以是将新的或是更新的LSA传播到网络中，确保所有的路由器都有最新和最准的网络拓扑。

WireShark抓包如下：

3.6 LSAck包

LSAck是Link-State Acknowledgement的缩写。

• 用于确认从LSU包收到的SLA，防止不必要的重传。
• 使用LSA的报头来进行确认。

WireShark抓包如下：

📚 延伸阅读

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