OSPF基础，浅显易懂

OSPF

思维导图

·OSPF基本概念
·OSPF的工作过程
·OSPF报文
·OSPF邻居建立过程
·DR，BDR的选举
·LSA的解析
·OSPF区域类型
·OSPF的网络类型
·OSPF的路径选择
·OSPF特殊特性及实例分析

一.OSPF的基本概念

OSPF（Open shortest path first，开放式最短路径优先），是一种链路状态型协议，基于SPF算法。OSPF是一种层次式的协议，他不向邻居通告路由项，向邻居通告的是链路状态信息，由各路由器根据链路状态数据库自行计算生成路由表

二.OSPF的工作过程

1.了解直连网络：正确配置接口的IP地址和子网掩码并激活接口，并将接口包含在一条network语句中
2.发送HELLO包：建立OSPF邻居关系：邻居是指同样在链路对应接口上启用了OSPF功能的路由器
3.建立链路状态数据包：其中包含与该路由器直接相连链路的各种状态，包括邻居ID，链路类型和带宽等。一旦建立了临界关系，即可创建LSP
4.将链路状态数据包泛洪至邻居：每台路由器将自身库中的LSP都泛洪给邻居路由器，直至区域内所有OSPF路由器都具有相同的LSDB（链路状态数据库）
5.建立自身的路由表：路由器根据链路状态数据库，使用SPF算法，各自建立自己的路由表

三.OSPF报文

1.OSPF报文

2.OSPF数据包
OSPF中公有五种数据包，在整个OSFP运行的过程中起着重要的作用
·HELLO包
·DBD包
·LSR包
·LSU包
·LSACK包
（1）HELLO包
作用：建立邻居关系，根据包中的内容来协商邻居关系
建立邻居关系需要匹配的字段：HELLO和失效时间间隔，区域号相同，区域末节标识
出现阶段：邻居建立阶段

（2）DBD包（Datebase Description）
作用：在OSPF邻居关系建立之后，DBD包负责描述本地的LSDB，接收到路由器通过和自己的LSDB做对比，进而同步区域中的LSDB
特殊字段：
1字段，置1表示这是第一个要发送的数据包
M字段，置1表示之后还有DD包要发送
MS字段，用来表示谁是主（Master）谁是从（Slave）
DD Sequence Number：利用序列号来确保传输的完整性和可靠性
LSA Headers：LSA头部摘要信息

（3）LSR包（Link-State Update）
作用：用来向邻居路由器请求某些缺失的路由，或者哪些LSA是已经缺失了的
特殊字段：
LS Type，指定所请求的LSA类型，一共7类
Link State ID：用来表示LSA，根据LSA种类不同，有不同的含义
Advertising Router：用来表示产生此LSA路由器ID

（4）LSU（Link-State Update）
作用：对LSR进行回应，或者定时发送LSU来更新区域中的LSDB，发送的是真正需要的LSA的内容
特殊字段功能：
Number of LSA，指定此报文中共发送的LSA数量
LSAs:一条条具体的LSA完整的信息，可以有多个LSA的信息

（5）ACK包
作用：用来在收到对端的LSU之后返回的确认报文，内容是需要确认的LSA头部
特殊字段：
1.LSA Headres：LAS头部信息

四.OSPF邻居建立过程

首先对邻居关系和邻接关系要区分开，两台路由器相互之间的状态是2-way时则表明邻居关系建立，当邻居关系位FULL时则表明邻接关系建立
1.邻居关系变化过程
down->init->2-way->exstart->exchange->loading->full
down：表示还没有建立起来的邻居关系，没有检测到邻居的存在
init：收到了HELLO包，但是包中的邻居信息中没有自己的路由器ID
2-way：收到了HELLO包，包中的邻居信息包含自己的路由器ID
exstart：表示正在协商主从关系，即谁先发送DBD
exchange：在主路由器的带领下，开始交换DBD
loading：请求更详细的信息，即交换LSU
full：表示已完全建立邻接关系，数据库已与邻居完全一致

2.邻居建立过程详解
（1）邻居建立过程（down->init->2-way）
多路访问链路中，OSPF首先确定DR和BDR，这能优化广播网络中的信息交换过程，在2-way之后即进行DR和BDR的选举

（2）交换LSDB过程（exstart->exchange）
路由器在交换LSDB之前，会选举出一台主路由器来主导整个交换阶段，决定主路由器的阶段是exstart阶段
exstart：首先一条链路上的路由器初始都认为自己是主路由器，发送空的DBD包（不含LSA的索引，含有RID，MS位，M位，1位都会置1）.收到对端的空的DBD后，会比较RID，大的一端将成为主路由器，从路由器还需要发送一个DBD包对主路由器进行响应。至此进入exchange阶段
exchange：在主路由器的带领下开始交换LSDB。主路由器发送的DBD包，从路由器总要作出回应。从路由器发送的DBD包全部是对主路由器发送的DBD包作出的回应，如果主路由器没有要通过的信息了，从路由器还有，那么从路由器就会将M置1，这样主路由器就知道从路由器还有信息要发送，会继续向从路由器发送DBD包，从路由器得以发送有关信息

（3）同步链路状态数据库过程（Loading->Full）
DBD交换完毕之后，路由器就有了邻居的LSA的索引列表，路由器进入Loading状态，开始请求自己没有的LSA，路由器会发送一个LSR来请求多个LSA，对端回复LSU包来告诉路由器他想要的信息，可以通过LSACK来确认对端已经收到了LSU，等到两端均不再发送LSU和LSR则LSDB同步完成，进入FULLL状态

五.DR和BDR的选举

1.DR和BDR存在的意义
DR和BDR是存在于多路访问中，作用是减少区域内的同步次数，降低路由器内存消耗，减少路由流量更新，确保同一区域内拥有相同的DR和BDR

2.选举过程
DR和BDR的选举过程是非抢占的
先比较优先级优先级较大的将被选举为DR和BDR，若优先级相同，再看RID，RID大者胜出，若优先级为0，则意味着不进行DR和BDR的选举
非DR和BDR，发送给DR和BDR时所使用的组播为224.0.0.6，DR和BDR发送给非DR和BDR使用的是组播224.0.0.5

六.LSA

1.LSA基本概念
LSA是路由器建立的用来描述链路状态信息的一种数据结构，保存在LSDB中，承载在LSU中发出，描述的是链路或接口的状态及每条链路的成本

2.最新LSA的判定规则
·更高的序列号
·校验和，越大越新
·老化时间
·更小的LS年龄

3.LSA类型
类型1：路由器LSA（Router Link States）
Link-state ID：源路由器ID
通告路由器：OSPF路由器
通告范围：只在特定区域内泛洪
通告内容：
·路由器在区域内的接口和接口所连接的邻居（链路的开销等），路由器直连链路状态
·网络连接类型
·是否为ABR


类型2：网络LSA（NET Link-State）
链路状态ID：DR的IP接口地址
通告路由器：DR和BDR
通告范围：在特定的区域内泛洪，只有存在在DR和BDR的网络中才会出现
通告内容：通告的是一个传输子网，列出了构成中转网络的所有路由器，包括链路的子网掩码，链路状态等信息（即与DR和BDR由关联的所有路由器）


类型3：汇总LSA （Summary Net Link State）
链路状态ID：目的网络的地址
通告路由器：ABR
通告范围：区域间通告，由一个区域通告给另一个区域，
通告内容：将本区域内的1类和2类LSA进行汇总发送给其他区域（非骨干–》骨干）。通告了源区域中的子网，掩码，以及ABR到目的的开销，即某个区域到到另一个区域中某台路由器的开销就是本地到ABR的开销，加上3类LSA中通告的开销（LSA只能由发出的路由器更新和删除，其他路由器只负责转发）
类型LSA的生成和传播规则：
·ABR只会将来自骨干区域中的3类LSA进行SPF算法，得出路由表，再将创建的LSA发送进非骨干区域，而不会对于来自非骨干区域中的LSA进行操作（一个区域中有两个ABR的问题），但这些LSA会存在于非骨干区域的LSDB中，并且在非骨干区域中泛洪
·LSA的泛洪，从非骨干区域到骨干区域，只会考虑区域内路由
·LSA的泛洪，从骨干区域到非骨干区域，会考虑区域内路由，也会考虑区域间路由

类型4：ASBR汇总LSA
链路状态ID：ASBR的路由器ID
通告路由器：最原始的是有外部路由引入的区域的ABR，之后再由各个区域的ABR修改度量值后再传入各自区域
通告范围：除了末节区域的整个OSFP域
通告内容：如何到达ASBR
4类LSA的泛洪：最原始ABR将该LSA注入到骨干区域（携带的度量值为ABR到ASBR的距离），骨干区域中的ABR收到后，修改度量值（为原始开销加上ABR到原始通告ABR的距离）后通告进非骨干区域（非骨干区域路由器中到ASBR的度量值为收到的4类LSA加上到ABR的距离）

类型5：自治系统LSA
链路状态ID：通告进自治系统的外部网络号
通告路由器：ASBR的RID，ABR只转发不修改
通告范围：除了末节区域的整个OSPF自治系统

类型7：NSSA外部LSA
链路状态：引入的外部网络号
通告范围：只存在于NSSA区域，在ABR处被当作5类LSA泛洪出去。转换为5类LSA之后，将保留一个地址（Forward Address），为ASBR的接口地址，其他区域到外部的路径实际上是去到保留地址的路径

4.有关LSA的特性及操作
（1）接口失效后，LSA的运作情况
发送新的类型1LSA告诉邻居，没有了链路的信息
（2）产生LSA的路由器身份
区域内路由器产生：1类和2类LSA
ABR产生：3类和4类LSA
ASBR产生5类和7类LSA

七.OSPF区域类型和结构

1.区域类型
（1）骨干区域：所有区域必须连接骨干区域
（2）标准区域：接收所有内部和外部的路由信息
（3）末节区域：不接受自治系统外部的路由信息（不接受4类和5类LSA）
（4）完全末节区域：只接收区域内部路由信息 思科专用，通过默认路由和别的区域相连（不接受3，4，5类LSA，通过默认路由与外部网络通信）
（5）NSSA：接收区域路由和有限的外部路由信息 限制自治系统外信息，NSSA区域中可以有ASBR
（6）完全NSSA：只接收区域内的路由信息和有限的外部路由信息

2.OSPF末节区域的默认路由
（1）末节区域，完全末节区域，完全NSSA区域会自动生成一条区域间的默认路由，NSSA区域不会自动生成，需要手动配置一下

八.OSPF网络类型

1.点到点连接
将一对路由器连接起来的网网络，使用的是PPP HDLC协议
使用组播224.0.0.5来发送各种数据包

2. 广播
多路访问网络，如以太网，需要DR和BDR的选举
通常以组播发送HELLO报文，LSU报文，和LSACK报文，以单播形式发送DD和LSR报文
DR和BDR给非指定路由器发送消息使用的是组播224.0.0.5
非指定路由器给DR和BDR发送消息使用的是组播224.0.0.6

3.非广播多路访问（NBMA， Non-Broadcast Multiple Access）
连接的路由器超过两台但是没有广播功能，帧中继网络和ATM网络
所有数据包均单播发送，指定邻居

4.点到多点
Hello包以组播形式发送，其他类型数据包由单播发送

九.OSFP路径选择

1.OSPF路由类型
·O，区域内路由
·OIA，区域间路由
·OE2，外部路由，开销值在区域内传播时不改变
·OE1，外部路由，开销值在区域内传播时改变
·ON2，在NSSA区域中存在，类似OE2
·ON1，在NSSA区域中存在，类似OE1
·OIA，区域间默认路由
·ON2，NSSA区域中默认路由

2.选路规则
以下按优先级排列，先出现的优先级最高
·区域内路由
·区域间路由
·E1/N1路由，这两类路由被看作是平等的
·E2/N2路由

十.OSPF几个进阶分析题

1.5类LSA中的转发地址问题
（1）OSPF在引入外部路由时，若产生的类LSA的转发地址为0.0.0.0，则其他路由器在计算到达该外部网络时，将考虑如何到达ASBR，即产生5类LSA的路由器来计算处去往外部路由的下一跳地址
（2）在OSPF引入外部路由时，若产生的5类LSA的转发地址不为0.0.0.0，则其他路由器在计算到达该外部网络时，将考虑如何到达转发地址来计算出外部路由的下一跳地址
当同时满足以下三种情况时，OSPF产生的5类LSA的转发地址不为0.0.0.0
·引入的这条外部路由，其对应的出接口启用了OSPF
·引入的这条外部路由，其对应的接口未设置为passive-interface
·引入的这条外部路由，其对应的出接口的OSPF类型为broadcast
这种情况下，产生的5类LSA，其FA地址等于该引入的外部路由的下一跳地址

2.7类LSA中的转发地址
若在NSSA区域中引入外部路由，则产生的Type 7LSA中其转发地址均不为0，具体转发地址为该ASBR上启用OSPF的接口的IP地址
（1）若路由器上loopback接口开启了OSPF，则转发地址等于启用OSPF的loopback地址，若存在多个的话，则转发地址等于最后启用OSPF的Loopback接口的IP地址
（2）若该路由器上没有loopback接口开启了OSPF，那么FA地址等于启用了OSPF的物理接口地址，若存在多个，则转发地址为最后启用OSPF的物理接口的IP地址

3.去往外部的路由生成
（1）收到5类LSA，检查LSA中的转发地址，若为0.0.0.0则生成的路由本质上是到ASBR的路由，此时查找4类LSA，根据4类LSA中的度量值来计算去往外部的路由（考虑OE1和OE2，OE1加自治系统内部的开销，OE2不加自治系统内部的开销）
（2）若转发地址不为0.0.0.0，则去往外部的路径，即为去往转发地址的路径

4.虚链路问题

图中底下两台路由器在区域0中，左边两台为区域14，右边两台为区域23，上边两台为区域12，问最少需要几条虚链路，才能保证正常运行，几条虚链路才能最可靠
解析：
最少要一条即可，即路由器1和4或者2和3
原本区域0，14，23就在域内，只是缺少区域12，那在1和4之间建立虚链路就可以满足最基本要求
最可靠的话，3条