路由协议系列之二：OSPF的工作原理

一、OSPF概述

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* W0 a8 q* I  Z2、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。

3、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。

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。

. Y6 Y/ P! `) n- K5、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。

6、OSPF支持VLSM（Variable Length Subnet Mask，可变长子网掩码），支持手工路由汇总。
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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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& n( U* y5 {- x& u) O二、基本概念  
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4 D+ K  @' N+ L, z9 P1、OSPF区域  
6 a6 k/ D5 U0 ~+ c  I) p# i& }& Q
9 O; J! x9 D6 z4 v$ _% g1 P( @) y①OSPF Area用于标识一个OSPF的区域。
  t" ~- B: i' |* `- Q7 n
4 q# E) Y( H; f  I! j②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。
3 Z+ ?  l* D) H2 J  D) \  ~
2、Router-ID  
: o4 \+ y2 ^$ \: r
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。
1 p, X& X# p. o" y' Z4 `
2 m) V3 n* P; ^1 s9 R" G2 c, y3 C②Router-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。
/ |( H; R2 ?! |% H
③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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3、OSPF区域  
! A+ ~, ^0 L. z* f0 M  e
①OSPF Area用于标识一个OSPF的区域。

3 U1 h( b/ V* W②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。

& f; B% W# Y! D③OSPF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。

1 V$ ]0 [/ m7 M4 Y0 i3 y+ m! P4、cost值  

3 Z. O2 A2 F; z, l+ c8 R) k0 ~7 T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。

OSPF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。

; @9 g$ o7 B- [. K; }5、五种类型的协议报文  

. L- ^: P0 _- q: t% o' _* p1 d6 L

路由协议系列之二：OSPF的工作原理

, ^: w1 S8 o) N: @- B' `4 v6 f0 ~6、三大表项  
0 Z  P4 ^% A; b( J
5 Q& m8 k/ |* j: a4 ^OSPF有三张重要的表项，OSPF邻居表、LSDB表和OSPF路由表。

4 N' \/ M# e" U3 l①OSPF的邻居表：
OSPF在传递链路状态信息之前，需先建立OSPF邻居关系。
, d$ a. C. G/ Q6 T" U, M9 OOSPF的邻居关系通过交互Hello报文建立。
OSPF邻居表显示了OSPF路由器之间的邻居状态，使用display ospf peer查看。
- h8 K  a, M; b* P/ K
8 t1 Q) p0 h4 z8 L; \3 [& c1 d9 g②OSPF的LSDB表：
! b" S& Z* X8 q( MLSDB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。
; w0 U4 d# L% p5 v# ^; ^% x
Type标识LSA的类型，AdvRouter标识发送LSA的路由器。
使用命令行display ospf lsdb查看LSDB表。
# c) ?; w  o+ \* A) [3 b
. C; @7 _: J* r, S: X2 u1 G③OSPF的路由表：
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。

/ {8 @: H& G6 S$ M4 X, F8 e& x$ v) AOSPF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。
4 J1 _; z# L" P" Z- ~8 g: B- x. F  r
+ p1 ]$ Y1 L" s. S; r, b7、DR/BDR
3 D+ B* H+ p; W
/ [% B; y* x, G: F- D①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。
" w( i$ `  `. r/ o4 N$ i
②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。
6 o& e5 f: X5 g* S' o
③BDR会监控DR的状态，并在当前DR发生故障时接替其角色。
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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。

9 l# d/ E* c% c* E6 ^  x8、OSPF网络类型  
0 w# l, m) c+ R* f

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7 m- j1 h. C) b. [4 k0 \& i9、OSPF邻居状态机

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路由协议系列之二：OSPF的工作原理

, ~- R( ^" O. V* j
8 \+ C# ~' x. q, U) p2 N/ m) y
Down：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。
( Q9 q" d" u0 m. ?
: f3 i8 }' z, pAttempt：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。
! I+ B! O: ?$ U4 J
7 ^6 d- P% K4 X0 XInit：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。
" N7 W  X! E+ n: D: n1 r
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。

0 D# P2 E8 B# |8 E: p2 r" g2-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。

, O6 K2 |1 P7 d: }4 \; i4 G, d1-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。

ExStart：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。

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。

+ y; c3 |  q( I* p7 Z7 xLoading：相互发送LS Request报文请求LSA，发送LS Update通告LSA。
% n9 M! z9 o+ z! S7 v5 z3 N) b7 fFull：两台路由器的LSDB已经同步。
; v9 M. J- W! y7 K
10、LSA  
& H! I6 X# J( I: F5 O$ v; tLSA是OSPF进行路由计算的关键依据。常见的LSA类型有：

7 a, H- g: u/ \  l3 L

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9 |: R0 P* V& [) M$ W( ~三、OSPF工作过程
/ f0 e( ?; Y" k) L' _
2 ?2 N2 u1 v- E9 F& ?( VOSPF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。


# w5 o7 ^$ @- Z2 ^- m+ D+ e: H
9 g- q0 ?# j6 V$ e0 U0 A1 i' m  T

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3 T3 P7 {6 S  g( y7 ~9 [# ~

1、邻居发现  
$ e; U# U7 y* c% T8 Y% ]
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。

6 o. D4 k, V4 d3 B# ]9 K1 |! M6 VHello报文用来发现和维持OSPF邻居关系。
Hello报文的作用：
% R; v$ Y# ^/ k2 L- r/ m3 \邻居发现：自动发现邻居路由器。
邻居建立：完成Hello报文中的参数协商，建立邻居关系。
邻居保持：通过Keepalive机制，检测邻居运行状态。
, S: ~2 v) T5 W8 k

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( d" Z; s+ H4 M$ }
8 ]- `( h, @" _+ E, F* R0 I# J
) A" M" A* ]1 R/ _邻居建立过程如下：

①RTA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。
3 a; {; B3 G. y" H: [
4 ?7 d; z3 X) l# p5 p8 C②RTB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。

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。

7 G( z2 o0 J, S# `9 @* w! _④RTA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。
6 I8 N" J) ^0 c4 V) ?
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）。

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。
! F3 [9 |! p' u
2、建立邻接关系、同步LSDB  

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。
3 ~; @/ K0 O, V8 H
+ C0 A' X6 e/ F8 ?  p" o) H8 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。

3 e' I( d% J5 g* ]( k% |0 |* x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。
0 D% w% I) l& W- h1 n4 m$ C
. l0 A+ Q9 w( A* X% h$ c
$ X- b# @) b& ?: g

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LSDB同步过程如下：
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3 Y6 U$ n9 S  \! C2 t5 y8 ?" X①RTA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。

8 S" k! R$ n" b2 }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。
( F9 q) K4 D+ P  y7 _
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。
9 R, e6 X! S/ H% _" S) T" q
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。

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）。
2 L5 A* n& B) z
⑥RTA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。
. w. ?; ~( B9 \- k& G! ?1 J
* F: f/ P7 S/ J7 Y$ M⑦RTB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。

1 W5 ~; E/ N+ E! Y7 ?8 H% x  {1 v! K' 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。

& z% Y& X5 r: y, @! U3、优选路径计算与OSPF路由计算  

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。
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OSPF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。

①区域内OSPF路由计算

5 R8 B7 a% l6 I8 r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。
# p% _9 m, \' [3 u: M! |9 v" g
& N5 B; }* m" k' J2 S# j5 a每台路由器都会产生Router-LSA，描述了路由器的直连接口信息。
+ H$ p+ |7 ~$ R
; \& [+ R- @5 W- Y0 M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。

: t9 G: B5 I+ J/ _) c; j# d2 K
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# b$ u% U( d% X4 N! G9 }

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

# b3 t$ ~4 v/ _3 W  [: \

: J6 |# Q! o( l  S②区域间OSPF路由计算
/ A) T6 w/ H/ ^# ]9 v/ I
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。

以192.168.1.0/24路由信息为例：
/ o  k5 U! L4 i5 a4 w
: b/ C+ X' C1 c5 Q2 \5 QR2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。
# _! B# L; p9 c6 _% L. u
* i- o8 @) H7 q2 N* jR3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。

: |: L7 M) n* R! \
! D" u7 k, c) O% `! W" _. y

路由协议系列之二：OSPF的工作原理

; O$ @) }2 ?( cOSPF使用3类LSA来描述区域间的路由信息。
" q! e" [5 {3 f) `6 g/ |# y
为了避免出现区域间路由环路，OSPF设计了多个规则。

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。

4 O" l! q! J, o# |0 i, Y③外部路由的计算
/ z& j# ?# G  N8 ~! o
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。
* O3 L( a- K" ~/ k( d' Q
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。
3 L2 _/ D. Y) _4 \6 n
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。
2 B. O2 T$ Z$ @3 z# p2 Q
+ V6 r2 R: Y  r7 Q3 u9 P, F3 i

路由协议系列之二：OSPF的工作原理

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）。
4 e$ A$ P1 m' y
2 P7 ?6 t: T! jASBR-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。

OSPF外部路由的2种度量值类型：


; R4 f( S) ~& v: i, M0 ?& }+ c

路由协议系列之二：OSPF的工作原理

, B; H% g; T; _+ z$ L9 [
2 M; X. c2 `% Q6 |  [. L4 l' X
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。

4 b# K& b4 M) M: q( ?OSPF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。
( |( t* Q" m5 P5 ?+ b

$ H; V; D0 E9 H7 C

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