一， OSPF基础

1. 技术背景（RIP中存在的问题）

• RIP中存在最大跳数为15的限制，不能适应大规模组网
• 周期性发送全部路由信息，占用大量的宽带资源
• 路由收敛速度慢
• 以跳数最为度量值
• 存在路由环路可能性
• 每隔30秒更新

OSPF协议特点

• 没有跳数限制
• 使用组播更新变化的路由和网络信息
• 路由收敛快
• 以cost作为度量值
• 采用SPF算法有效避免环路
• 每隔30分钟更新
• 在互联网上大量使用，是运用最广泛的路由协议

OSPF传递的是拓扑信息和路由信息，RIP传递的是路由表

OSPF三张表

• 邻居表：记录邻居状态和关系
• 拓扑表：链路状态数据库（LSDB）
• OSPF路由表：记录由SPF算法计算的路由，存放在OSPF路由表中

OSPF数据表

OSPF报文直接封装在IP报文中，协议号为89

头部数据包内容：

• 版本（version）：对于OSPFv2，该字段值恒为2
• 类型（type）：该OSPF报文的类型，该字段的值与报文类型的对应关系为：1-hello；2-DD；3-LSR；4-LSU；5-LSAck；
• 报文长度（packet length）：整个OSPF报文的长度（字节数）
• 路由器ID（router identication）：路由器的OSPF router-id
• 区域ID（area identication）：该报文所属的区域ID，这是一个32bit的数值
• 校验和（checksum）：用于校验报文有效性的字段
• 认证类型（authentication type）：指示该报文使用的认证类型
• 认证数据（authentication data）：用于报文认证的内容

hello

hello包携带自己的router id、被发现的邻居标识，用来周期保活的，发现，建立邻居关系

• 网络掩码（network mask）：一旦路由器的某个接口激活了ospf，该接口立即开始发送hello报文，该字段填充的是该接口的网络掩码。两台ospf路由器如果通过以太网接口直连，那么双方的直连接口必须配置相同的网络掩码，否则影响邻居关系建立
• hello间隔（hello interval）：接口周期性发送hello报文的时间间隔（单位为s），两台直连路由器要建立ospf邻居关系，需要确保接口的hello interval相同，否则邻居关系无法正常建立。
• 可选项（options）：该字段一共8bit，每个比特位都用于指示该路由器的某个特定的ospf特性。options字段中某些比特位会被检查，这有可能会影响到ospf邻接关系建立（特殊区域标记）
• 路由器失效时间（router dead interval）：在邻居路由器无效前，需要等待收到对方hello报文的时间（单位为s）。两台直连路由器要建立ospf邻居关系，需要确保双方直连接口的router dead interval相同，否则邻居关系无法正常建立，缺省情况下，ospf路由器接口的router dead interval为该接口的hello interval的4倍。
• 指定路由器（designated router）：网络中DR的接口IP地址，如果该字段为0.0.0.0，则表示没有DR，或者DR尚未选举出来。
• 备份指定路由器（designated router）：网络中BDR的接口IP地址，如果该字段为0.0.0.0，则表示网络中没有BDR，或者BDR尚未选举出来。
• 邻居（neighbor）：在直连链路上发现的有效邻居，在此处填充的是邻居的router id，如果发现多个邻居，则包含多个邻居字段。

DBD（数据库描述报文）

仅包含LSA摘要

• 接口最大传输单元（interface maximum transmission unit）：接口的MTU。
• 可选项（options）：路由器支持的ospf可选项。
• DBD报文置位符：
  I：init位，I=1，这是发给对方的第一个DBD报文，是空报文
  M：more位。M=1表示后续还有DBD报文
  MS：master位，MS=1，表示本端为主
• DBD序列号（DD sequence number）：DBD报文的序列号，在DD报文交互的过程中，DD序列号被逐次加1，用于确保DD报文传输的有序和可靠性，值得注意的是，DD序列号必须由master路由器来决定，而slave路由器只能使用master路由器发送的DD序列号来发送自己的DD报文，主从角色根据RID大小决定，大为主。
  
• LSA头部（LSA header）：当路由器使用DD报文来描述自己的LSDB时，LSA的头部信息被包含在此处，一个DD报文可能包含一条或多条LSA的头部。

LSR

请求自己没有的或自己更新的链路状态详情信息

链路状态类型，链路状态id，通告路由器——LSA三元组——通过这三个参数可以唯一的标识出一条LSA

LSU

链路状态更新信息

一个LSU报文可以包含多个LSA
当路由器感知到网络发生变化时，也可以触发LSU报文的洪泛，以便将该变化通知给网络中的其他ospf路由器。
在MA网络中，非DR,BDR路由器向224.0.0.6这个组播地址发送LSU报文，而DR及BDR会侦听这个组播地址，DR在接收LSU报文后向224.0.0.5发送LSU报文，从而将更新信息洪泛到整个ospf区域，所有的ospf路由器都会侦听224.0.0.5这个组播地址。
总结：
224.0.0.5所有运行ospf的接口会监听
224.0.0.6所有DR/BDR的接口会监听

LSack

对LSU的确认

报文中包含着路由器所确认的LSA的头部（每个LSA头部的长度为20byte）

OSPF工作过程

邻居：通过hello相互认识——2-way
邻接：邻居关系建立好后，进行一系列报文交互，最终形成完全邻接关系——full

1. 确认可达性，建立邻居

• router id：标明的是路由器身份
• 手工配置：ipv4地址格式
• 自动选举：
  有环回口选环回口：IP地址大的优先
  无环回口选物理口：IP地址大的优先

2-way前，确认DR/BDR

• 选举原因：广播网络中使用路由信息交换更加高速有序，可以降低需要维护的邻接关系数量
  
• 选举范围：每个网段都要选出一个DR和BDR（0-255）
• 选举规则：

1. 优先级大的优先，默认优先级是1
2. router-id大的优先

注：DR/BDR的选举没有抢占性

• 关系状态：
  DRother与DR建立邻接关系
  DRother与BDR建立邻接关系
  DR/BDR建立邻接关系
  DRother之间保持邻居关系

2. 摘要同步，开始建立邻接关系

1. 向邻居发送DBD报文，此时报文中包含了LSA的摘要信息；
2. 收到DBD后，与本地LSDB对比，向对方发送LSR，请求对方将自己没有的或者更新的LSA的完整信息发送过来；
3. 对方需要的LSA的完整信息打包成一条LSU，发送给对方；
4. 对方收到LSU后，回复LSack报文，确认自己已经收到LSU

邻居建立过程：

3. 完整信息同步，完全邻接关系的建立

完全邻接关系建立，LSDB表与OSPF路由表的形成

OSPF状态机

• down：关闭状态（稳定状态），这种情况处于手动指定邻居的情况下，发送hello包后进入下一个状态
• init：初始化状态，收到对方的hello报文（第二个hello），但没有收到对方的hello确认报文（第三个hello包)
• attempt：一般不会出现，只出现在NBMA网络中，发出hello。但收不到对方的hello包
• 2-way（稳定状态）：双方互相发现，邻居状态稳定，并确认了DR/BDR的角色：当选举完毕后，就算出现一台优先级更高的路由器，也不会替换成新的DR/BDR；需要原DR/BDR失效，或者重置OSPF进程才会成为新的DR/BDR；
• exstart：交换开始状态；发送第一个DD报文，但不发送LSA摘要，仅用于确定LSDB协商主从，router-id大的成为master
• exchange：交换状态；发送后续DD报文，用于通告LSDB摘要
• loading：读取状态，进行LSA的请求，加入和确认
• full：邻接状态（稳定状态），两端同步LSDB；

2-way的前提：

• router-id无冲突，修改router-id需要重置ospf进程使生效
• 掩码长度一致（MA网络中）
• 区域id一致
• 验证密码一致；
• hello-time一致
• dead-time一致
• 特殊区域类型一致；

full前提：

• 两端MTU一致，否则可能卡在exstart/exchange状态

能够计算路由的前提：

• 两端网络类型一致，否则邻居状态full，但无法学习路由

LSDB的更新

二， OSPF的区域划分

区域产生背景

• OSPF路由器在同一区域中洪泛LSA，为了确保每台路由器都拥有对网络拓扑的一致认知，LSDB需要在区域内进行同步。
• 如果OSPF域仅有一个区域，随着网络规模越来越大，OSPF路由器的数量越来越多，这将导致诸多问题

分区好处

• 减少LSA洪泛范围
• 减小路由表规模
• 提高网络扩展性，有利于组建大规模的网络；

区域类型

后边还有特殊区域，…
邻居关系过多缺点：

• 大量产生hello包，消耗CPU性能
• 产生重复路由通告，消耗CPU性能
• 产生任何一台路由器的路由变化都会导致多次传递，浪费带宽资源

多区互连原则：

• 非骨干区域与非骨干区域不能直接相连；
• 所有非骨干区域必须与骨干区域相连；
• 此设计是为了防止区域间环路

OSPF的路由器类型

• 区域内路由器（IR）：所有接口在同一区域
• 边界路由器（BR）：连接多个区域的路由器
• 区域边界路由器（ABR）：连接骨干区域和非骨干区域
• 自治系统边界路由器（ASBR）：连接外部自治系统并引入外部路由

三， LSA

LSA是OSPF的一个核心内容，如果没有LSA，OSPF是无法描述网络的拓扑结构及网段信息的，也无法传递路由信息，更无法正常工作。

LSA头部

在OSPFV2中，需要我们掌握的主要有6种：

LSA头部一共20byte，每个字段的含义如下：

• 链路状态老化时间（link-state age）：指示该条LSA的老化时间，即它存在了多长时间，单位为秒；
  1800s周期归0，触发当下归0
  max age——3600s——当一条LSA的老化时间达到最大老化时间时，将被认定失效，将从本地的LSDB中删掉
• 可选项（options）：每一个比特位都对应了OSPF所支持的某种特性，和hello包一样，包含特殊区域标记
• 链路状态类型（link-state type）：指示本条LSA的类型，每种LSA用于描述OSPF网络的某个部分，所有LSA类型都定义了相应的类型编号
• 链路状态id（link-state id）：LSA的标识。不同的LSA类型，对该字段的定义是不同的
• 通告路由器（advertising router）：始发路由器，产生该LSA的路由器的router-id
• 链路状态序列号（link-state sequence number）：该LSA的序列号，该字段用于判断LSA的新旧或是否存在重复
• 链路状态校验和（link-state checksum）：校验和会参与LSA的新旧比较。当两条LSA三元组相同，并且序列号也相同时，则可以使用校验和比较，和大的认定为新
• 长度（length）：一条LSA的总长度

6种类型的LSA

1. type1-LSA

• 定义：router LSA
  描述区域内部与路由器直连的链路信息（链路类型、开销至等）
  仅在区域内部传输
  每台路由器都会产生type1 LSA

命令：[R1]dis ospf lsdb router 查看Type1 LSA的具体信息

• LS ID：发出该LSA的路由器的router-id
• Adv Rtr：始发路由器,产生该LSA的路由器的router-id
• 链路ID：不同的链路类型，对链路id值的定义是不同的
• 链路数据（link data）：不同的链路类型对链路数据的定义是不同的
• link-type：链路类型，描述该接口的二层类型
• VEB标志位

link-type

transnet：

• 类型：广播网络或者NBMA
• link-id：本网络的DR的IP地址
• data：本路由器在该网段的IP地址

P2P：

• 类型：ppp
• link-id：该网段对端路由器的router-id
• data：本路由器在该网段的与对端路由器相连的接口的IP地址

stubnet（末梢网络）

• 类型：p2p/环回口
• link-id：该网段的网络地址
• data：该网段的子网掩码

virtual（虚链路）

• 类型：虚链路
• link-id：虚链路邻居的router id
• data：去往该虚连接邻居的本地接口的IP地址

VEB标志位

• V位（Virtual Link Endpoint Bit）：如果该比特位被设置为1，则表示该路由器位Virtual Link的端点
• E位（External Bit）：如果E比特位被设置为1，则表示该路由器为ASBR。在stub区域中，不允许出现E比特位被设置为1的type-1 LSA，因此stub区域内不允许出现ASBR
• B位（Border Bit）：如果B比特位被设置为1，则表示该路由器为两个区域的边界路由器，字母B意为边界

2. type2-LSA

• 定义：
  network LSA
  描述区域内部的MA网络（广播网络，NBMA网络）链路的路由及掩码信息
  仅在区域内部传输
  只有DR才会产生type2-LSA

• 命令：
  [R1]dis ospf lsdb network 查看Type2 LSA的具体信息

• 内容：
  LS ID：该网段的DR的IP地址
  adv rtr：该网段DR的router id
  network mask：该网段DR的IP地址的子网掩码的信息

3. type3-LSA

• 定义：
  summary LSA（聚合LSA）
  在整个OSPF域内，描述其他区域的链路信息
  以子网形式传播，类似直接传递路由
  只有ABR会产生type3-LSA

• 命令：
  [R1]dis ospf lsdb summary 查看Type3 LSA的具体信息

• 内容：
  LS ID：其他区域某个网段的网络地址
  adv rtv：通告该LSA的ABR的router-id
  net mask：该网段的子网掩码

• 注：3类LSA的传递范围在ABR相邻的单区域中进行，跨区域传递时，需要进行通告者的转换，通告者变了，则将不是同一条LSA

type4-LSA

• 定义：
  ASBR-summary LSA
  描述ASBR的信息
  只有ABR才会产生type4 LSA

• 命令：
  [R1]dis ospf lsdb asbr 查看Type4 LSA的具体信息

• 内容：
  LS ID：ASBR的router-id
  adv rtv：通告描述该ASBR的ABR的router id

• 注：在ASBR本区域的内部路由器，不会产生到达该ASBR的4类LSA

type5-LSA

-定义：
AS extantl LSA：传递域外路由信息
描述AS外部引入的路由信息，会传递到所有区域（特殊区域除外）
只有ASBR才会产生type5 LSA

• 命令：
  [R1]dis ospf lsdb ase 查看Type5 LSA的具体信息

• 内容：
  LS ID：外部路由的目的网络地址
  adv rtv：引入该网络路由的ASBR的ABR的router-id
  net mask：引入的该目标网段的子网掩码

6. type7-LSA

• 定义：
  NSSA LSA
  描述在NSSA区域引入的AS外部路由信息
  只会出现在NSSA和totolly NSSA区域，不能进入area 0
  7类LSA生成路由信息的标记位O_NSSA，优先级150

• 内容：
  LS ID：外部某个网段的网络地址
  adv rtv：引入该网络路由的ASBR的ABR的router-id

三， OSPF的网络类型

定义：

• 对于不同的二层链路类型的网段，OSPF会生成不同的网络类型
• 不同的网络类型，DR/BDR选举，LSA细节，协议报文发送形式会有所不同

类型：

1. NBMA（非广播对点可达网络）

• 非广播多点可达网络，帧中继默认网络类型
• 单播发送协议报文（天生不支持广播和组播），需要手动指定邻居（邻居变动需要重新配置）
  命令：[r2-ospf-1]peer 192.168.1.1 (邻居IP地址)
• 需要选举DR/BDR，为了减少LSA的洪泛，减少网络负担
• hello time是30秒，dead time是120秒

2. P2MP（点到多点网络）

• 点到多点网络，由其他网络型手动更改
• 模拟组播发送协议报文（帧中继建立子接口模拟组播发送报文），需要手动指定邻居；
• 不选举DR./BDR，因为设备少，所以不选举
• hello time 30s，dead time 120s

3. broadcast（广播网络）

• 广播网络，以太网默认的网络类型
• 组播发送协议报文
• 需要选举DR/BDR，224.0.0.5是所有运行OSPF的接口会监听的，224.0.0.6是所有DR/BDR的接口会监听的
• hello-time 10s，dead-time 40s

4. P2P（点到点网络）

• 点到点网络，ppp默认网络
• 组播协议发送报文
• 不选举DR/BDR，直接形成邻接关系
• hello-time 10s，dead-time 40s