一、OSPF概述
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1、OSPF是典型的链路状态路由协议,是目前业内使用非常广泛的IGP协议之一。; b! C2 N) W: G6 a6 w0 q$ B5 }' M
; P0 Q! n7 P& E2 ^- r' T7 a$ l2、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)。如无特殊说明本章后续所指的OSPF均为OSPF Version 2。; W5 B+ q5 Y0 d# Z% I% J" @
* K7 x. d/ R! J# L; W0 M3、运行OSPF路由器之间交互的是LS(Link State,链路状态)信息,而不是直接交互路由。LS信息是OSPF能够正常进行拓扑及路由计算的关键信息。
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4、OSPF路由器将网络中的LS信息收集起来,存储在LSDB中。路由器都清楚区域内的网络拓扑结构,这有助于路由器计算无环路径。
& b, s! H2 ~8 i' y
# ?: | A; ?* U7 w) b' Y2 C5、每台OSPF路由器都采用SPF算法计算达到目的地的最短路径。路由器依据这些路径形成路由加载到路由表中。8 `8 n, ~+ f/ e4 h
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6、OSPF支持VLSM(Variable Length Subnet Mask,可变长子网掩码),支持手工路由汇总。
* H L \8 j( l) l: C- J5 m9 f7 b: ~$ O" c3 ]( y- h6 S4 D6 M8 K
7、多区域的设计使得OSPF能够支持更大规模的网络。
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- t# P7 x% Z( J& `4 ?/ b二、基本概念 ! E O4 C( k8 o' K2 V) I& V
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1、OSPF区域 / J0 A8 q/ V5 W) |& k8 ]
0 i. o5 U, t. ~
①OSPF Area用于标识一个OSPF的区域。
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②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。
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2、Router-ID
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①Router-ID(Router Identifier,路由器标识符),用于在一个OSPF域中唯一地标识一台路由器。9 X$ w5 a9 r' {
# ]. L, O- s# z, K
②Router-ID的设定可以通过手工配置的方式,或使用系统自动配置的方式。- m, d8 e# a& t4 ^( ?1 L+ l( C* N
. i; Y* G& {/ s③在实际项目中,通常会通过手工配置方式为设备指定OSPF Router-ID。请注意必须保证在OSPF域中任意两台设备的Router-ID都不相同。通常的做法是将Router-ID配置为与该设备某个接口(通常为Loopback接口)的IP地址一致。
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, e! F" U& w$ r3 v$ A* l1 s3、OSPF区域 r0 d' w, E7 _1 a2 S4 Q: X* ?
, Y" I d/ W9 l# z
①OSPF Area用于标识一个OSPF的区域。- R; c( C; Z, w7 @! T
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②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。
" e! ]) _9 O! L1 C! }
, f3 V1 C- z5 t3 T$ z③OSPF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,我们也会采用十进制的形式来表示。
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: O* ?: L) }% [- n0 P4 Y# `% S4、cost值 2 T. g9 S( n, d) [& Y. ]% p
4 k1 Y, z" p6 s( \# x( P& K& U: [一条OSPF路由的Cost值可以理解为是从目的网段到本路由器沿途所有入接口的Cost值累加。; |+ d8 p+ x% K; Z: l- b3 ?) ^
9 Y( F6 g5 z0 A( LOSPF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,缺省时接口Cost值=。其中100 为OSPF指定的缺省参考值,该参考值值是可配置的。也可以通过手工命令的方式配置接口的COST值,手工配置接口COST值由于系统自动计算的值。# A5 ^+ g, e4 v7 c7 \
3 V t7 q: D$ B5、五种类型的协议报文 : s* n! F* h: Y& ^' t8 I
, T9 v5 f7 ?. _6 ]
路由协议系列之二:OSPF的工作原理
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6、三大表项 / S+ `( P; I' o/ Z" M8 ] {
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OSPF有三张重要的表项,OSPF邻居表、LSDB表和OSPF路由表。/ F" [: B, v7 Q) m1 \( T M7 p
; D+ d( {1 m, f. H①OSPF的邻居表:# u1 d3 \* z% z' j( a4 R* r
OSPF在传递链路状态信息之前,需先建立OSPF邻居关系。0 t$ b. X q& p0 w6 h0 p5 \! ?
OSPF的邻居关系通过交互Hello报文建立。
1 c0 a8 b6 h. w/ Z& B4 DOSPF邻居表显示了OSPF路由器之间的邻居状态,使用display ospf peer查看。+ _# f8 L# T9 m* R. O/ q
" g9 M/ v( l. G* {# g! _
②OSPF的LSDB表:' M( F/ m. x* y; F. g9 O5 Y
LSDB会保存自己产生的及从邻居收到的LSA信息,本例中R1的LSDB包含了三条LSA。4 ?* ]* o7 u6 Q; a0 U! w$ w" J) a0 K
! Y; Y x M% I) n2 D$ EType标识LSA的类型,AdvRouter标识发送LSA的路由器。
/ X, \0 C3 Y% \+ Q$ E) k使用命令行display ospf lsdb查看LSDB表。0 J$ l5 |) p( V& p
6 {3 c' J X; C! s1 K' T2 e9 I6 t. h③OSPF的路由表:) m) x1 T3 t9 }5 b. w% W) g' X
OSPF路由表和路由器路由表是两张不同的表项。本例中OSPF路由表有三条路由。
3 X: [! I+ E) g, q0 e, ^6 j! D
' Z; C" Y' z. u+ s1 COSPF路由表包含Destination、cost和NextHop等指导转发的信息。使用命令display ospf routing查看OSPF路由表。5 ~" P0 h* q; g" q
" D1 d0 o6 `* F* _- V' ?7 B0 h7、DR/BDR
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①为优化MA网络中OSPF邻接关系,OSPF指定了三种OSPF路由器身份,DR(Designated Router,指定路由器)、BDR(Backup Designated Router,备用指定路由器)和DRother路由器。! f3 g/ x- R8 S7 V; O
. b. ?' o7 `2 U②只允许DR、BDR与其他OSPF路由器建立邻接关系。DRother之间建立邻居关系,双方停滞在2-way状态。5 p) F* |& V$ X. [3 \# R3 a
6 B6 ?5 ^* l2 x+ R, j$ [$ K! D. I
③BDR会监控DR的状态,并在当前DR发生故障时接替其角色。
' l8 L4 B# w& g1 D% H. _* I, U2 h8 n( g0 f
④选举规则:OSPF DR优先级更高的接口成为该MA的DR,如果优先级相等(默认为1),则具有更高的OSPF Router-ID的路由器(的接口)被选举成DR,并且DR具有非抢占性。
: ~) W: L" h) n+ z4 W0 S6 W
( S4 V! y& h# q9 A2 L8、OSPF网络类型 5 C: L# h5 G. ]) c+ d
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路由协议系列之二:OSPF的工作原理
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9、OSPF邻居状态机
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路由协议系列之二:OSPF的工作原理
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4 Q# g& V7 c3 F# u* Y" yDown:这是邻居的初始状态,表示没有从邻居收到任何信息。在NBMA网络上,此状态下仍然可以向静态配置的邻居发送Hello报文,发送间隔为PollInterval,通常和Router DeadInterval间隔相同。5 g5 T3 |- Y) F
4 s+ W1 h% o! CAttempt:此状态只在NBMA网络上存在,表示没有收到邻居的任何信息,但是已经周期性的向邻居发送报文,发送间隔为HelloInterval。如果Router DeadInterval间隔内未收到邻居的Hello报文,则转为Down状态。* G. p, z- y" w; G @ e/ x# ]
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Init:在此状态下,路由器已经从邻居收到了Hello报文,但是自己不在所收到的Hello报文的邻居列表中,表示尚未与邻居建立双向通信关系。在此状态下的邻居要被包含在自己所发送的Hello报文的邻居列表中。
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2-Way Received:此事件表示路由器发现与邻居的双向通信已经开始(发现自己在邻居发送的Hello报文的邻居列表中)。Init状态下产生此事件之后,如果需要和邻居建立邻接关系则进入ExStart状态,开始数据库同步过程,如果不能与邻居建立邻接关系则进入2-Way。6 ?0 G+ ~3 _) W
! `9 u" F) G; `7 i6 W
2-Way:在此状态下,双向通信已经建立,但是没有与邻居建立邻接关系。这是建立邻接关系以前的最高级状态。; |+ j8 a2 k) K1 p; }/ l* J
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1-Way Received:此事件表示路由器发现自己没有在邻居发送Hello报文的邻居列表中,通常是由于对端邻居重启造成的。" `, {, |. X9 Q$ _4 h' m0 e' X' @
- [4 s- U+ c9 wExStart:这是形成邻接关系的第一个步骤,邻居状态变成此状态以后,路由器开始向邻居发送DD报文。主从关系是在此状态下形成的;初始DD序列号是在此状态下决定的。在此状态下发送的DD报文不包含链路状态描述。. ~# A) \1 E! }- Z
5 @1 v l: z% Y8 a; D4 s
Exchange:此状态下路由器相互发送包含链路状态信息摘要的DD报文,描述本地LSDB的内容。: ?% c5 C/ _6 O2 Y
- g1 L }/ \* }1 F
Loading:相互发送LS Request报文请求LSA,发送LS Update通告LSA。
7 @0 R3 U, _/ E: ?Full:两台路由器的LSDB已经同步。) `, Y% k' n' {3 k* d% H8 t6 q9 M
, U: [1 O; l3 o) ]0 B6 f, r! w" C
10、LSA
# U1 u8 \) H- ~7 `LSA是OSPF进行路由计算的关键依据。常见的LSA类型有:, K8 e# f$ R0 @2 e. ^
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3 h3 k" p9 K! d! D/ @+ @
路由协议系列之二:OSPF的工作原理
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d* s9 p; K h* O- v& B
. `0 U- {' z' p+ a+ F三、OSPF工作过程
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OSPF工作过程主要分为三步:邻居发现,建立邻接关系、同步LSDB,优选路径计算、OSPF路由计算。3 E+ p+ n+ d' q# l2 ?0 x
* R8 Q# C+ e0 l" _% N$ n- O- \$ K
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: O# o" ^9 i! X" o6 X! F5 O1、邻居发现 M$ u. A" G% i" t& Y" U% l
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OSPF路由器启动后,便会通过OSPF接口向外发送Hello报文用于发现邻居。收到Hello报文的OSPF路由器会检查报文中所定义的一些参数,如果双方的参数一致,就会彼此形成邻居关系,状态到达2-way 即可称为建立了邻居关系。
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. |6 b. R/ D& ]Hello报文用来发现和维持OSPF邻居关系。
2 z: C# K3 g) o: D l; h& e0 SHello报文的作用:
8 M0 A6 |' V5 x$ @4 o7 F7 p/ O: o2 z邻居发现:自动发现邻居路由器。, A) g: \' t# M1 H7 w$ W( [
邻居建立:完成Hello报文中的参数协商,建立邻居关系。& P, D# |8 ^) s
邻居保持:通过Keepalive机制,检测邻居运行状态。0 ?0 E+ t$ }, ~
' D2 H7 C6 v" d# n6 m- K- w
) W/ W; \: C6 N6 w6 X' I
路由协议系列之二:OSPF的工作原理
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; ?0 L8 c: O( U
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邻居建立过程如下:
5 F7 u+ r6 f5 L7 O5 {9 {, W1 s
: b# L+ A4 o: i+ H s①RTA和RTB的Router ID分别为1.1.1.1和2.2.2.2。当RTA启动OSPF后,RTA会发送第一个Hello报文。此报文中邻居列表为空,此时状态为Down,RTB收到RTA的这个Hello报文,状态置为Init。
& {7 a8 }4 }3 V' Q$ ~/ K9 O: w/ ]
②RTB发送Hello报文,此报文中邻居列表为空,RTA收到RTB的Hello报文,状态置为Init。
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③RTB向RTA发送邻居列表为1.1.1.1的Hello报文,RTA在收到的Hello报文邻居列表中发现自己的Router ID,状态置为2-way。
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: r0 T' }+ e0 I# _- _3 O④RTA向RTB发送邻居列表为2.2.2.2的Hello报文,RTB在收到的Hello报文邻居列表中发现自己的Router ID,状态置为2-way。
( H$ ~9 H; a r
3 t6 z5 a7 j9 E因为邻居都是未知的,所以Hello报文的目的IP地址不是某个特定的单播地址。邻居从无到有,OSPF采用组播的形式发送Hello报文(目的地址224.0.0.5)。9 w* f5 A) g& w+ I* g$ R
4 u/ D& ]+ ^7 b3 b) r
对于不支持组播的网络可以通过手动配置实现邻居的发现与维护。
3 s |' K, r& ?( M' W* e5 z5 T0 F$ v$ T9 a* o" Z- `
2、建立邻接关系、同步LSDB ; K; y" K9 o4 s3 ]6 s4 G S% ^: a
/ [: f4 E# Q: M, H/ @6 O2 z3 ]( \; _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。
; ~1 `; C* S9 A* K" N: g% H d" s M
: M7 ^. O# M: j, j如果两台邻居路由器之间的网络类型是P2P网络或P2MP网络,则这两台邻居路由器直接进入LSDB同步的过程;如果两台邻居路由器之间的网络类型是broadcast网络或NBMA网络,则选举DR与BDR,然后DR与BDR之间、DRothers与DR之间、DRothers与BDR之间的LSDB同步的过程。
) O# A: h i3 ?8 ^% |/ G" T- q1 t B0 r: T! l3 w
当双方成功交换DD报文,并同步LSDB后,才形成真正意义上的邻接关系。
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路由协议系列之二:OSPF的工作原理
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LSDB同步过程如下:5 W2 y5 q; o$ Y, ~$ C
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①RTA和RTB的Router ID分别为1.1.1.1和2.2.2.2并且二者已建立了邻居关系。当RTA的邻居状态变为ExStart后,RTA会发送第一个DD报文。此报文中,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,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RTA宣告自己为Master。. X' Q8 \- `1 F' j& ?& x' g
, r: p' K u w7 I0 H7 y# Q
②当RTB的邻居状态变为ExStart后,RTB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RTB的Router ID较大,所以RTB将成为真正的Master。收到此报文后,RTA会产生一个Negotiation-Done事件,并将邻居状态从ExStart变为Exchange。" z( l6 ]1 z/ y# S. x$ w1 [
1 G! y, J( S& z5 D
③当RTA的邻居状态变为Exchange后,RTA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RTB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RTA宣告自己为Slave。收到此报文后,RTB会产生一个Negotiation-Done事件,并将邻居状态从ExStart变为Exchange。
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④当RTB的邻居状态变为Exchange后,RTB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RTB宣告自己为Master。
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⑤虽然RTA不需要发送新的包含LSDB摘要信息的DD报文,但是作为Slave,RTA需要对Master发送的每一个DD报文进行确认。所以,RTA向RTB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。RTB收到此报文后,会将邻居状态变为Full(假设RTB的LSDB是最新最全的,不需要向RTA请求更新)。
" [' P0 @4 D3 V5 P
9 V S( i1 |4 r/ \( Q⑥RTA开始向RTB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。 o+ |2 V/ p9 q: p
; J3 A3 a- \2 C5 F, g⑦RTB向RTA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。RTA在完成LSU报文的接收之后,会将邻居状态从Loading变为Full。8 S+ S* i) q w7 B6 v( a
" v/ \5 [4 n1 I4 j5 b4 r⑧RTA向RTB发送LSAck报文,作为对LSU报文的确认。RTB收到LSAck报文后,双方便建立起了完全的邻接关系。
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3、优选路径计算与OSPF路由计算
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同一区域内的OSPF路由器拥有完全一致的LSDB,在区域内部,OSPF采用SPF算法完成路由计算。
' s) a |2 q, n9 S" S& o
7 z6 l M* g' O3 HOSPF路由计算包括区域内部路由、区域间路由及外部路由的计算过程。2 T' Z" K! V( Y+ L3 X8 {# x
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①区域内OSPF路由计算
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同一区域的OSPF路由器拥有完全一致的LSDB。在只有一个区域的情况下,区域内部主要存在两种类型的LSA,即Router-LSA和Network-LSA。& y2 J& e3 l" _& L4 @
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每台路由器都会产生Router-LSA,描述了路由器的直连接口信息。# x; i: I0 m& t
9 K# ]+ j( q! G# Z, z
在MA网络中,DR会产生Network-LSA来描述接入该MA网络的所有路由器的Router-ID(其中包括DR自身),以及这个网络的掩码。7 E. s. P* R7 N1 K B2 ^
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路由协议系列之二:OSPF的工作原理
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路由协议系列之二:OSPF的工作原理
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2 H" b9 y7 y" o②区域间OSPF路由计算
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OSPF区域间路由信息传递是通过ABR产生的Network Summary LSA(3类LSA)实现的。
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以192.168.1.0/24路由信息为例:: c" C' k3 O2 M3 m6 A' z% N
; M p9 b/ W+ \
R2依据Area 1内所泛洪的Router LSA及Network LSA计算得出192.168.1.0/24路由(区域内路由),并将该路由通过Network Summary LSA通告到Area 0。R3根据该LSA可计算出到达192.168.1.0/24的区域间路由。
* @. S! d/ F( z+ {9 @+ c" k9 R
6 ]3 m+ r$ m; ?$ dR3重新生成一份Network Summary LSA通告到Area 2中,至此所有OSPF区域都能学习到去往192.168.1.0/24的路由。
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路由协议系列之二:OSPF的工作原理
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5 \6 P, m% ^$ p3 b- h0 `, U8 E9 L+ k: ~- G5 U$ U( v; v: S5 B
OSPF使用3类LSA来描述区域间的路由信息。" N$ L) k" n% Z. k( T$ c
3 Y1 r, |" h6 V. y" j
为了避免出现区域间路由环路,OSPF设计了多个规则。
5 p' Y2 _% {2 T" Z" R, c; X$ ^$ g. ^6 B3 Q2 D. O# D9 w A
OSPF Virtual Link是一种虚拟的、逻辑的链路,被部署在两台OSPF路由器之间,它穿越某个非骨干区域,用于实现另一个非骨干区域与Area0的连接。Virtual Link应该始终作为一种临时的技术手段来解决非骨干区域没有与Area0直接相连的情况。
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3 c4 n+ o) [0 Y s; p③外部路由的计算0 \ {( [% f( o7 h
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在一个大规模网络中,可能存在多种不同的路由协议,OSPF支持将AS外部路由引入本AS,使得AS内的路由器能够获知到达AS外部的路由。
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ASBR将外部路由引入OSPF后,使用5类LSA描述它们,与ASBR同属一个区域的路由器能够根据5类LSA以及区域内的1类、2类LSA完成外部路由计算;与ASBR不在同一个区域的路由器还需借助4类LSA才能完成外部路由计算。/ g8 F; O& m/ d8 @3 R
, B, _5 H, ?6 [0 V' i2 O4 i6 I9 [OSPF将外部路由引入OSPF后,可以设置路由的度量值类型:Metric-Type-1或Metric-Type-2,不同度量值类型的外部路由,其开销的计算方式不同,其路由的优先级也不相同,Metric-Type-1路由的优先级高于Metric-Type-2路由。
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* u; u C8 X+ v3 V! |$ J* s. o! p8 c% m6 m: ]
路由协议系列之二:OSPF的工作原理
Q* }! C" _: y
4 L4 R3 d" a$ m0 T6 w4 m3 l
+ L: u& D2 d% U* B3 d0 P- u# _AS-external LSA(5类LSA):由ASBR产生,描述到达AS外部的路由,该LSA会被通告到所有的区域(除了Stub区域和NSSA区域)。$ `+ ` _% _0 B: i& f
" p; X: R. Z0 u2 ^ASBR-Summary LSA(4类LSA):由ABR产生,描述到ASBR的路由,通告给除ASBR所在区域的其他相关区域。
0 u1 u# P0 `0 G1 p( R
0 c0 h! T& v7 p3 nOSPF外部路由的2种度量值类型:8 ~8 o) Q7 b/ l3 J: D. g0 M# ?9 \3 }) D
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路由协议系列之二:OSPF的工作原理
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本文给大家介绍了关于OSPF的一些基本概念以及工作原理,从中我们可以了解到OSPF协议的设计理念、掌握其路由计算过程。这些知识可以为以后深入学习OSPF知识打下良好的基础。
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4 W$ g$ w% q7 v" p7 a" F B, z" nOSPF协议应用广泛,也是从业者经常遇到的“老朋友”,在不断的学习进取中,我们对OSPF的认知会越来越深。# w" g5 Z# D2 p1 H* _" _/ R
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