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OSPF路由协议（单区域）

news 2025/7/26 23:08:18

1. RIP的不足

（1）路径选择不优：仅以跳数评估路由，易选非最优路径（如带宽窄但跳数少的链路）。
（2）网络规模受限：最大跳数 16，网络直径超 16 跳则不可达，限制网络尺度。
（3）收敛速度慢：依赖 30 秒更新、180 秒失效、240 秒清除计时器，拓扑变化后需久才能稳定。
（4）资源浪费严重：定期发送全路由表更新，路由多（如千条）时，占用大量带宽（如单方向 160Kb ）。

2. OSPF简介

SPF— —最短路径优先

3. OSFP基本概念

3.1 Router ID（RID，路由器ID）

3.2 LS（链路状态）

3.3 LSA（链路状态通告）

3.4 LSDB（链路状态数据库）

3.5 SPF（最短路径优先）

3.6 OSPF网络类型

MA（Multi-Access）多路访问网络有两种类型：广播型多路访问网络（BMA）及非广播型多路访问网络（NBMA）。以太网（Ethernet）是一种典型的广播型多路访问网络。

3.6.1 维持邻居关系（点到点）

3.6.2 DR（指定路由器）/ BDR（备份指定路由器）的选举（广播多路访问）

DR/BDR的选举原则：

在上图拓扑图中，有4个广播域，在选举DR、BDR的时候要在广播域里面选举，并且有几个广播域，就有几个DR和BDR。

问题1：点到点（广域网）与广播多路访问（局域网）有什么区别？

A：是否有第三方参与。

问题2：点到点网络中，Hello报文的发送周期是多久？超时时间是多久？

A：发送周期是10s，超时时间是4个周期=40s。

问题3：广播多路访问中，Hello报文的发送周期是多久？超时时间是多久？

A：发生周期是10s，超时时间是4个周期=40s。

注意：网络类型可以手动修改，但是一条链路上的网络类型要一致。

3.7 OSPF报文类型与封装（5个报文）

3.8 邻居状态变换（Down、Init、2-Way、ExStart、Exchange、Full、Loading）

1、 Down（没有发现任何的 OSPF 邻居）：开启了 OSPF 协议，但是没有收到邻居发送的 Hello 报文。
2、 Init（代表自身发现了邻居的存在，但是邻居并没有发现自身的存在）：收到了邻居的 Hello 报文，但是没有在 Hello 报文中看到自身的Router ID。
3、 Two-Way：收到了邻居的 Hello 报文，同时在 Hello 报文看到自身的 Router ID。
4、 Exstart（预开始）：邻居之间发送 DD 报文（不携带任何 LSA 的摘要信息），进行主从协商，确定序列号，为了保证后续可靠的交互DD 报文做准备 • 主从协商的规则：比较路由器的 Router ID，大为主，小的为从。
5、 Exchange（更改）：从向主发送一个带有 LSA 摘要信息的 DD 报文，主设备收到从的 DD 报文之后回复一个 DD 报文（里面携带了LSA 的摘要信息）同时序列号+1 告诉从你的 DD 报文我收到。
6、 Loading（加载）：收到M=0的DD报文，会进入loading状态，继续向对方发送 LSR 报文进行请求本地 LSDB 缺失的LSA，对方收到 LSR 报文之后，回复一个 LSU 报文里面携带LSA的详细信息，本端收到 LSU 报文之后回复 LSAcK，针对LSU 里面的 LSA 进行确认。
7、Full：本地 LSDB 没有任何 LSA 的缺失，邻接关系建立。

OSPF完成邻接关系的建立有四个步骤，建立邻居关系、协商主/从、交互LSDB信息，同步LSDB。

第一阶段（Down、Init、2-way）：建立邻居关系
解释：
首先，路由器（RTA、RTB）刚启动 OSPF，或接口未激活、链路断开时，处于 DOWN 状态，无邻居信息。
RTA 发送 Hello 报文（携带自身 Router ID：1.1.1.1，及 “Neighbors seen = 0” ），RTB 收到后，在邻居表标记 RTA 状态为 Init（仅单向发现邻居）。
Hello 报文作用：周期性发送（默认 10 秒），用于发现邻居、维持邻接，还包含网络掩码、Hello 时间、DR/BDR 信息。
由于，RTB收到RTA发送的Hello报文后，知道了RTA的RID和地址，因此可以比较RID得出谁是DR（谁大谁DR，RTB大，RTB为DR）。
RTB 回复 Hello 报文（携带 Router ID：2.2.2.2，及 “Neighbors seen = RTA” ），RTA 收到后，添加邻居表，并且邻居表中 RTB 状态变为 Two - way（双向确认邻居）。
RTA 回复 Hello 报文（携带 Router ID：1.1.1.1，及 “Neighbors seen = RTB” ），RTB收到后，将邻居表中RTA状态变为 Two - way（双向确认邻居）。

第二阶段（Exstart、Exchange）：协商主/从、交互LSDB信息
解释：
1. ExStart阶段（步骤① - ②：主从协商）
目标：协商 主从关系（Master/Slave），确定 DD 报文序列号（Seq）的同步规则。
步骤 ①（RTA → RTB）：
RTA 进入 ExStart 状态，发送 DD 报文：
Seq=552A：初始序列号（随机值，仅本地意义）。
I（Initialize）：标记为初始化报文，用于启动主从协商。
M（More）：表示后续还有更多 DD 报文。
MS（Master/Slave）：声明自己尝试成为 Master（需协商确认）。
步骤 ②（RTB → RTA）：
RTB 收到后，比较 Router ID（RTB:2.2.2.2 > RTA:1.1.1.1），成为 Master，回复 DD 报文：
Seq=5528：Master 确定的起始序列号（Slave 需按此同步）。
I, M, MS：同样标记初始化、更多报文，且声明 Master 身份。
RTA 接受主从关系，进入 ExStart→Exchange 过渡状态；RTB 仍为 ExStart 状态。
2. Exchange阶段（步骤③ - ⑤：LSDB摘要同步）
目标：交换 链路状态数据库（LSDB）摘要（仅传 LSA 头部，不包含完整内容），快速对比双方 LSDB 差异。
步骤 ③（RTA → RTB）：
RTA 进入 Exchange 状态，发送 DD 报文：
Seq=5528：严格跟随 Master（RTB）的序列号，确认同步。
无 I, MS：已完成主从协商，无需重复声明；M 仍为 1（还有内容要发）。
RTB 收到后，进入 ExStart→Exchange 过渡状态。
步骤 ④（RTB → RTA）：
RTB 发送 DD 报文：
Seq=5529：Master 递增序列号（确保有序传输）。
MS：重申 Master 身份；M=1（还有更多摘要）。
RTA 收到后，确认序列号同步，保持 Exchange 状态。
步骤 ⑤（RTA → RTB）：
RTA 回复 DD 报文：
Seq=5529：跟随 Master 序列号，确认接收。
M=0：表示本批次摘要已发完（后续无更多 DD 报文）。
RTB 收到后，M 标记根据自身情况判断：若还有更多摘要，M=1；此处因已同步，M 最终会置 0。
RTA 进入 Exchange→Loading 过渡状态（准备请求缺失 LSA）；RTB 进入 Exchange→Full 状态（摘要同步完成）。

第三阶段（Loading、Full）：同步LSDB
解释：
1. Loading 状态（步骤 ① ：请求缺失 LSA）
触发条件：Exchange 阶段交换完 LSDB 摘要后，RTA 发现自身 LSDB 缺少 RTB 有的 LSA（通过对比摘要发现差异）。
动作：RTA 进入 Loading 状态，向 RTB 发送 LS Request 报文，明确请求缺失的 LSA（仅列 LSA 头部，如类型、ID、通告者）。
2. LS Update 响应（步骤 ② ：发送完整 LSA）
RTB 状态：RTB 已完成 LSDB 摘要同步，处于 Full 状态（无需再交换摘要）。
动作：RTB 收到 LS Request 后，用 LS Update 报文回复，包含 RTA 请求的完整 LSA 内容（如网络掩码、度量值等）。
3. LS Ack 确认（步骤 ③ ：确认接收完成）
RTA 状态：RTA 收到 LS Update 后，验证 LSA 完整性，进入 Loading→Full 过渡状态。动作：RTA 发送 LS Ack 报文，确认已接收并同步 LSA；RTB 收到 Ack 后，维持 Full 状态。
4. Full 状态（邻接关系稳定）
当双方 LSDB 完全一致，RTA 和 RTB 均进入 Full 状态，表示：
链路状态数据库同步完成。
邻接关系稳定，可基于 LSDB 运行 SPF 算法计算路由。

邻居关系无法建立原因总结

4. OSPF的基本工作原理（4张表+5个报文+6类LSA+7个状态）

OSPF的四张表

邻居表：
定义：记录了与本地路由器建立了邻接关系的邻居路由器信息。
内容：包含邻居路由器的 Router ID、接口 IP 地址、邻居状态（如 Full、Init 等）、Hello 间隔、Dead 间隔等。
作用：用于维护邻居关系，确保与相邻路由器之间的通信正常。通过定期发送和接收 Hello 报文来发现和维护邻居关系，当邻居状态变为 Full 时，表示双方已经成功建立邻接关系，可以进行链路状态信息的交换。
生成过程：本地路由器启动 OSPF 协议后，会通过启用 OSPF 的接口向外发送 Hello 报文，收到相邻路由器回应的 Hello 报文且满足条件（如区域 ID 匹配、认证匹配等）后，就会将邻居信息添加到邻居表中。

LSDB（链路状态数据库）：
定义：存储了本区域内所有路由器的链路状态信息，是对整个区域网络拓扑的完整描述。
内容：包含各种类型的链路状态通告（LSA，Link State Advertisement），如 Router LSA（描述路由器自身接口信息）、Network LSA（描述广播型网络信息）等。每条 LSA 都包含了链路的状态、开销、连接的邻居等详细信息。
作用：为 SPF（最短路径优先）算法提供计算依据。路由器根据 LSDB 中的信息，以自身为根节点，通过 SPF 算法计算出到其他所有节点的最短路径树，进而生成 OSPF 路由表。
生成过程：在邻居关系建立后，路由器通过链路状态更新报文（LSU，Link State Update）向邻居发送自己的 LSA，同时接收邻居发送的 LSA，将这些 LSA 存储到 LSDB 中，并通过链路状态确认报文（LSAck，Link State Acknowledgment）进行确认，最终确保所有路由器的 LSDB 保持一致。

OSPF路由表：
定义：是根据 LSDB 通过 SPF 算法计算得出的，包含了通过 OSPF 协议学习到的路由信息。
内容：目标网络地址、子网掩码、下一跳地址、出接口、度量值（Cost）等。
作用：指导路由器转发目的地址属于 OSPF 路由表中目标网络的数据包。路由器根据 OSPF 路由表中的信息，选择最优的路径将数据包转发出去。
生成过程：路由器在 LSDB 构建完成后，运行 SPF 算法，计算出到各个目标网络的最短路径，将这些路径信息添加到 OSPF 路由表中。

全局路由表：
定义：也叫主路由表，是路由器中用于指导数据包转发的最终路由表，包含了路由器通过各种路由协议（如 OSPF、RIP、BGP 等）以及静态路由配置学习到的所有路由信息。
内容：目标网络地址、子网掩码、下一跳地址、出接口、管理距离（Administrative Distance，用于比较不同路由协议的优先级）、度量值等。
作用：当数据包到达路由器时，路由器会根据全局路由表中的信息，选择最佳的路径将数据包转发到目的网络。如果有多条路由协议学习到相同的目标网络，路由器会根据管理距离和度量值来选择最优的路由。
生成过程：路由器将通过不同路由协议（如 OSPF 计算出的 OSPF 路由表、RIP 计算出的 RIP 路由表等）和静态配置获取的路由信息进行整合，根据管理距离和度量值进行优选后，将最优的路由信息添加到全局路由表中。

邻居表用于维护邻居关系，LSDB 用于存储网络拓扑信息，OSPF 路由表是基于 LSDB 计算出的 OSPF 路由信息，全局路由表则是综合了所有路由来源的最终转发依据，四张表在 OSPF 协议运行和数据包转发过程中各自承担着不同的重要角色。

5. LSA报文头部

1. LS age（链路状态年龄，2 字节）
作用：记录 LSA 从产生到当前的时间（秒），范围 0 - 3600（1 小时）。
机制：初始为 0（新生成 LSA ），每经过 1 秒加 1；若 LSA 老化到 3600 秒，会被标记为 “过期” 并删除，触发网络重新同步。
2. Options（选项，1 字节）
作用：标记 LSA 支持的 OSPF 功能（如是否支持 NSSA、IPv6 等）。
常见标记： E（External）：表示是否传播外部路由（ASBR 相关）； N/P（NSSA）：与非完全 Stub 区域（NSSA）功能相关。
3. LS type（链路状态类型，1 字节）
作用：区分 LSA 的类型，决定其内容和传播范围，常见类型：
Type 1（路由器 LSA）：由路由器生成，描述自身直连链路；
Type 2（网络 LSA）：由 DR 生成，描述广播型网络（如以太网）的链路；
Type 3（网络汇总 LSA）：由 ABR 生成，描述区域间路由；
Type 4（ASBR汇总 LSA）：由 ABR 生成，告知其他区域如何到达 ASBR，辅助跨区域找外部路由引入点。
Type 5（外部 LSA）：由 ASBR 生成，描述 AS 外部路由（如引入静态路由）。
Type 7 (NSSA外部 LSA）：由 NSSA（非完全末梢区域）区域内的 ASBR 产生，描述本区域引入的外部路由，ABR 会转成 Type 5 向外传播。
4. Link State ID（链路状态 ID，4 字节）
作用：唯一标识 LSA 的 “主题”，含义随 LS type 变化。
5. Advertising Router（通告路由器，4 字节）
作用：记录生成并发布该 LSA 的路由器的 Router ID（标识 LSA 来源）。
意义：用于判断 LSA 可靠性（如防环、优先选择高优先级通告者）。
6. LS sequence number（链路状态序列号，4 字节）
作用：保证 LSA 更新的有序性和唯一性，范围 0x80000001 - 0x7FFFFFFF（避免 0x80000000，因代表 “空” ）。
机制：新 LSA 序列号比旧的大（如从 0x80000001 递增到 0x80000002 ）；若收到同序列号 LSA，忽略；若收到更小序列号，拒绝并回复最新 LSA。
7. LS checksum（链路状态校验和，2 字节）
作用：对 LSA 内容做 CRC 校验，检测传输过程中的数据损坏。
机制：每更新一次 LSA（内容或序列号变化），校验和重新计算。
8. Length（长度，2 字节）
作用：记录 LSA 头部 + 数据部分的总字节数（方便接收方解析）。

6. 泛洪新LSA

当有新的LSA生成或收到时，这条新的LSA应当被泛洪。

泛洪新的LSA时，只需要使用LS Update报文和LS Ack报文。

1. 当RTA有新的LSA要泛洪时，RTA向RTB发送一个LS Update报文，在这个报文里包含这条LSA。
2. 收到新的LSA以后，RTB向RTA泛洪一个LS Ack报文进行确认。

当在两个处于完全邻接状态（邻居状态为Full）的路由器之间泛洪新的LSA时，邻居状态不受影响。

7. 广播网络中LSDB更新

在广播和NBMA网络中，链路状态发生变化时，主要是通过DR路由器发送更新报文。

8. OSPF LSA 洪泛与老化

9. OSPF 协议分区域管理及路由器角色（骨干区域[区域0]和其他区域）

其他非骨干区域只能接骨干区域（区域0）。

路由信息的传递只能在骨干区域和其他区域内传递。

运行了同一个路由协议的路由信息和，就叫一个自治系统。

1、区域内部路由器：所有接口属于同一个区域。
2、骨干路由器：至少有一个接口接到了区域0。
3、区域边界路由器ABR：至少一个接口接在了骨干区域，同时又有其他接口接了其他区域。
4、自治系统边界路由器ASBR：至少一个接口接在当前OSPF的任意区域，另外至少有一个接口接在了其他的自治系统。