OSPF协议全面学习笔记

作者：BSXY_19计科_陈永跃 BSXY_信息学院 注：未经允许禁止转发任何内容

1、OSPF基础

RIP是基于距离矢量算法的路由协议，应用在大型网络中存在收敛速度慢、度量值
不科学、可扩展性差等问题。
IETF提出了基于SPF算法的链路状态路由协议OSPF (Open Shortest Path First).
通过在大型网络中部署OSPF协议，弥补了RIP协议的诸多不足。那么OSPF协议是
如何实现的呢?面对网络扩展的需求，又该如何应对呢?

• IGP（内部网关协议）分为距离矢量和链路状态两种。
• RIP是基于距离矢量算法的路由协议，应用下大型网络中存在收敛速度慢，度量值不科学，扩展性差等问题。最多15跳，16跳为不可达，cost基于跳数。
• IETF提出了基于SPF（最短路径优先）算法的链路状态路由协议OSPF，弥补了距离矢量路由的诸多不足。

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技术背景：

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大型网络下的需求:

• 网络规模扩大
• 网络可靠性要求提高（设备可靠性和链路可靠性）（OSPF可以在复杂的链路中进行最优选路）
• 网络异构化趋势加剧（设备可能不一致）（尽可能使用开放性技术）

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链路状态对应距离矢量的改进:

如何解决RIP的问题？

RIP的问题	优化或解决的方式
收敛慢，故障恢复时间长	“收到更新>计算路由>发送更新"改为"收到更新>发送更新>计算路由”
缺少对全局网络的了解	路由器基于拓扑信息，独立计算路由
最多有效跳数为15	不限制跳数
存在选择次优路由的风险	将路由带宽作为选路参考值

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OSPF工作流程： 建立邻居-同步链路状态-SPF-放置路由表。通过lsdb掌握全网的拓扑结构

• 总结来说就是建立邻居，互相交互lsa，建立lsdb数据库，这样子每个设备都能拿到完整路由拓扑，最后以自己为中心，计算到各个路由之间的最佳路径，置于路由表。(存在路由器的路由即最优 )
  
• 邻居交互完成后，了解了拓扑结构（lsa交互完成），拿到了lsa也就构建了lsdb数据库（同一个区域里的路由lsdb就应该一致）。最后使用SPF算法计算最优路由(生成带权有向图 )
• 带权有向图：(有向代表双向，也就是设备与设备之间是互相知道的)
  
• 流程图
  

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OSPF的基本工作原理：
OSPF Rrouter-id：用于自治系统中唯一标识一台运行OSPF的设备，每台运行OSPF的设备只有一个Router-id

建立邻居:OSPF设备之间在交换链路状态信息之前，首先需要彼此建立邻居关系，通过Hello报文实现邻居交互

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链路状态信息：

• 链路的类型：多路访问，非多路访问，点到点，帧中继

• 接口IP地址及掩码

• 链路上所连接的邻居路由器

• 链路的带宽（开销）…

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LSDB同步：

• Exstart 状态会根据DD数据报文选举主仆关系Master和Slave（只根据Router ID 大的为主），选举完成后，Slave接下来会听Master的指挥

• DD数据报文包含了lsa的摘要信息（全部）

• Lsr请求的是某个lsa头部信息，lsu回复包含了完整的lsa信息

• lsack就是对lsu的确认（如果没有确认，lsu会周期性重传，多次没有回应会down）
  

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状态机制：

• Full，down，2-way，属于稳定状态 。剩下是过渡状态，不可能永久停留，停留表示有问题
  

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OSPF数据作用类型：

数据类型	作用
Hello	建立邻居和后期维护邻居关系,hello包间隔时间，10秒钟发送一个hello包，如果40秒内收不到邻居路由hello，会判定邻居路由挂掉，会清除目标邻居路由的全部信息
Data base description (DBD)	LSDB的摘要（仅包含LSA头部）简略的链路数据库列表，用于对比。邻居建立过程才有DBD数据包，建立完成后则没有了。
通过第二阶段数据包来进行比较，各自设备有哪些路由，然后在进行信息交互（LSA泛洪）
DBD的数据包有两个阶段，开头设备各自发一个，不包含实际内容。DBD第二个阶段,包含了一个LSA-type，这个LSA的数据并不完整，只包含（类型，id ，宣告者）
Link state Request (LSR)	请求LSR（某个lsa头部信息），邻居建立完成后就没有LSR数据包，触发有机制触发
Link state update (LSU)	发送LSA，（根据邻居路由请求LSA给予回复）
触发式更新：有增删改会发送更新。
注：LSU数据包里面就包含了LSA。
Link state acknowledgment (LSAck)	对LSU进行确认。(通过目标设备发送的序列号，再次发送回去进行确认)
给邻居路由发送一个请求，需要邻居路由给予回应，否则会进行重传， 重传到一定次数，还没有回应，会进行down

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OSPF参考度量值：

• 接口开销=参考带宽/实际带宽。参考带宽默认=100Mbps

• 更改开销的两种方式：在接口直接配置； 修改参考带宽值（所有设备需要一致，否则选路不一致）

• 从源到目标所有的出站接口的Cost值累加（数据方向）（一般都是数据方向，也就是看出口计算）

• 从源到本路由器沿途所有入站接口的Cost值累加（路由方向）

• 注：从邻居学到一条路由。路由分为数据方向和路由方向

路由方向：当邻居路由发送一条路由给我时，会累计接收时端口的开销。

数据方向：当学到邻居的路由时，我要去往这条路由时，会计算我发出时的接口开销。

• 注：不管是数据方向还是路由方向，他其实说的就是我们去往邻居路由时的一个计算方式。而不是说要去计算我们本身存在的路由

• 总结：邻居发一条路由给你时，你接收时端口的开销是多少，那么去这台路由时发出的端口开销就是多少
  
  

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网络类型：

MA网络中问题：

2、DR与BDR

减少领接关系
降低OSPF协议流量
具有非抢占性。（除非设备挂了或者重启）
DR出现故障BDR顶替，再重新选举新的BDR。（只有先成为BDR才有机会成为DR）
OSPF的DR，BDR选举制度是无法改变的，是为了稳定性。

• 邻接状态，一定是邻居。但是邻居状态不一定是邻接
• DR和BDR，Drouter 之间都保持领接关系（full）
• Drouter 之间保持邻居关系（2-way）

3、OSPF多区域

随着网络规模的不断扩大，结构也越来越复杂，路由器完成路由计算所消耗的资源也就越多。

而且，网络发生故障的可能性也随之增加，（区域内网络越复杂，越容易出问题）。如果区域内某处发生故障，整个区域内的路由都要重新计算，这也会大大增加路由器的负载，降低网络运行的稳定性。

OSPF单区域过大可能带来的问题：

解决方案：

区域划分: 将一个大网络划分为多个相互连接的小网络。每个区域内的设备只需要同步所在区域内的sdb,一定程度上降低路由器内存及CPU资源的消耗。

• 一个接口（网络地址）只能在一个区域内进行宣告，不能冲突

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域间路由防环: (区域内依靠SPF算法，不会有环路,而区域间可能会存在环路)

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三类LSA传递规则

4、虚链路Vlink

由于网络设计，规划，升级，合并，改造，或者不可抗拒等因素,造成不规范区域架构，最终导致路由学习不完整:

解决的办法是虚连接：

• 通过虚连接，虚连接配置后，两个ABR之间会建立一个单播的邻居，两台ABR路由器之间直接传递OSPF报文信息（不会传递到区域内）,两者之间的OSPF设备只是起到一个转发报文的作用

虚链路配置：

• 虚连接的另外一个作用是提供冗余的备份链路。当骨干区域因链路故障将被分隔时，通过虚连接仍然可以保证骨干区域在逻辑上的连通性。
• 虚连接可以看成扩展的骨干区域，在逻辑上生效。

5、OSPF报文

OSPF报文结构：

OSPF报文类型：

Hello保定时器：

网络类型	Hello间隔	Dead时间
Broadcast	10	40
P2P（点到点）	10	40
NBMA(非广播多路泛洪)	30	120
P2MP(点到多点)	30	120
Virtual link (基于实际接口)	基于实际接口	基于实际接口

6、LSA结构

OSPF内部路由指的就是所有的一个OSPF进程下的网络，那么也就是说，不管有多少区域，都在这个进程下讨论，不管是区域内还是区域间，都算内部，这个内部单独指OSPF进程的内部，不同进程的叫做外部。不同路由协议也算外部

LSA结构：

1、一类/二类LSA（Router-LSA/Network-LSA）

每种不同类型的LSA包含的内容都是不同的

type	名称	描述
1	Router-LSA	每一个路由器都会生成。描述某区域内路由器端口链路状态的集合。只在所描述的区域内泛洪。
2	Nework-LSA	由DR生成。描述多路访问网络上所连接路由器的列表。只在该网络所属的区域内泛洪。

Router-LSA

Network-LSA

更新完善中…