OSPF协议详解3：网络类型、SPF算法、路由选择与特殊区域
本文深入探讨OSPF协议核心概念。详细介绍了点到点、广播、NBMA、点到多点及环回等OSPF网络类型，涵盖邻居发现、DR/BDR选举、Hello/Dead间隔及其默认值。阐述了OSPF最短路径优先（SPF）算法，包括基于带宽的度量计算和管理距离。分析了OSPF路由类型（域内、域间、外部）及其优先级偏好与防环机制。最后，重点介绍了Stub、Totally Stubby、NSSA、Totally NSSA等特殊区域，阐明其限制LSA传播、优化网络性能的作用，以及对LSA类型过滤的规则。
1. OSPF网络类型
路由器可以连接到不同类型的WAN链路，有些WAN链路支持全互联，有的支持星形互联，也有的只支持点到点连接。有的支持组播和广播，有的只支持单播。不同类型的WAN链路的特性也不一样，所以这也是为什么要设置OSPF的网络类型。
RFC 2328中定义了四种公认的网络类型：
- 广播
- 非广播
- 点到点
- 点到多点
还有两种厂商私有的网络类型： - 点到多点非广播（思科私有）
- 环回（多厂商）
基于不同的网络类型，OSPF会
- 自动通过组播来发现邻居，或通过单播进行手动指定邻居。
- 决定是否需要DR/BDR。
- 使用不同的Hello和Dead间隔。
当在一个接口上配置OSPF时，根据接口的类型会有一些默认值，譬如：
- 以太网：默认为广播。
- HDLC/PPP：默认点到点。
- 帧中继：默认NBMA。
1.1 点到点网络
点到点网络是最简单明了的。在WAN链路为串口，E1/T1的租用线路，以及GRE和IPsec隧道时，链路默认设置为点到点网络。
- 只能连接到一个远端的路由器，连接为1对1的通信。
- 允许通过组播来动态发现邻居，组播地址为224.0.0.5。
- 不需要DR/BDR，因为链路上只有两个路由器。
- Hello间隔默认10秒，Dead间隔默认40秒。
在1类LSA中会显示两条：
- P2P连接到另一台的路由器，包括自己的IP地址和对端路由器的RID。
- 连接到一个末节网络，包括P2P网络的前缀和掩码。
1.2 广播网络
广播网络是使用最多的网络类型，当在各种速率的以太口上配置OSPF时，默认的网络的类型就是广播。
- 可以通过此接口连接到无数的路由器。连接是任意到任意的。
- 允许通过组播来动态发现邻居，组播地址为224.0.0.5。
- 因为在这个网络里有许多路由器，因为需要选举DR/BDR来优化LSA的泛洪。
- Hello间隔默认30秒，Dead间隔默认120秒。
在1类LSA里会显示连接到一个Transit网络，包括DR的IP地址和自己的IP地址。通过DR的IP地址来查看2类的LSA。它包括DR地址，网络的掩码以及所有连接到此网络的路由器的RID。
1.3 点到多点网络
点到多点网络需要在接口下明确配置为P2MP。它用在帧中继和DMVPN这种的WAN链路上。
- 可以通过此接口连接到无数的路由器。连接为星形连接，自己是中心。
- 允许通过组播来动态发现邻居，组播地址为224.0.0.5。
- 因为我是中心，我可以优化LSA的泛洪，因此不需要选举DR/BDR。
- 在Spoke站点，配置为点到点网络，因为它只能连接到Hub。
- Hello间隔默认30秒，Dead间隔默认120秒。
1.4 NBMA
NBMA为非广播多路访问网络，用于原生不支持组播和广播的网络，譬如帧中继和X.25。
- 可以通过此接口连接到无数的路由器。连接是任意到任意的。
- 无组播能力，需要手动指定邻居，通过单播来传播控制信息。
- 因为在这个网络里有许多路由器，因为需要选举DR/BDR来优化LSA的泛洪。
- Hello间隔默认30秒，Dead间隔默认120秒。
1.5 点到多点非广播
特性和P2MP差不多，只是不支持组播和广播，需要在接口下明确配置P2MP non-broadcast。
- 可以通过此接口连接到无数的路由器。连接为星形连接，自己是中心。
- 无组播能力，需要手动指定邻居，通过单播来传播控制信息。
- 因为我是中心，我可以优化LSA的泛洪，因此不需要选举DR/BDR。
- 在Spoke站点，配置为点到点网络，因为它只能连接到Hub。
- Hello间隔默认30秒，Dead间隔默认120秒。
1.6 环回网络
Loopback接口默认设置为环回网络。OSPF总是将Lookback地址通告成/32的主机地址， 即使真实的IP地址为/24的。
1.7 总结
| Network Type | DR/BDR Election | Neighbor Discovery | Default Timers (Hello/Dead) | Common Use Case |
|---|---|---|---|---|
| Broadcast | Yes | Automatic (Multicast) | 10 / 40 seconds | Ethernet LAN |
| Point-to-Point | No | Automatic (Multicast) | 10 / 40 seconds | Serial Links, Two-Router Ethernet Links |
| Non-Broadcast (NBMA) | Yes | Manual (Unicast) | 30 / 120 seconds | Legacy Frame Relay (Full-Mesh) |
| Point-to-Multipoint | No | Automatic (Multicast) | 30 / 120 seconds | Hub-and-Spoke WAN (with multicast) |
| Point-to-Multipoint Non-Broadcast | No | Manual (Unicast) | 30 / 120 seconds | Hub-and-Spoke WAN (no multicast) |
| Loopback | N/A | N/A | N/A | Router ID, Management Interfaces |
2. 最短路径优先算法
OSPF路由协议的核心是SPF算法，也叫做Dijkstra算法，它使用链路的带宽作为度量，默认是以100M为参考值，也就是100M的链路的度量值为1。度量值是一个整数值，公式为 10810^8108 / 接口带宽（单位为bps），结果四舍五入到最近的整数，不足的1的为1。
通过LSA的泛洪，区域内的路由器都保持相同的LSDB，因此每台路由器在本地计算从本身到目标网络的度量，并选出度量值最小的作为最优路径。在实际的生产环境，设置的带宽参考值为本网络中最高速率的接口带宽值。在普通企业环境，一般是10G。
参考日常使用到的管理距离，OSPF的管理距离为110。在OSPF选出最优路径后，如果目标网络还从其他路由协议学到了，则需要选择管理距离小的放到全局路由表中。
| 路由来源 | 管理距离值 |
|---|---|
| 直连接口 | 0 |
| 静态路由 | 1 |
| EIGRP汇总路由 | 5 |
| EBGP | 20 |
| EIGRP内部路由 | 90 |
| OSPF | 110 |
| IS-IS | 115 |
| RIP | 120 |
| EIGRP外部路由 | 170 |
| IBGP | 200 |
3. 最优路径选择
3.1 路由类型
O ： 域内路由
O IA：域间路由
O E：外部路由
1类外部路由包括本设备到ASBR的度量值加外部引入时的度量值，而2类路由只包含外部引入时的度量值，因为2类路由在OSPF域内传递时度量值不变。
从普通区域引入的外部路由分为O E1和 O E2类型的路由。而从NSSA区域引入的外部路由则分为 O N1和O N2类型的路由。
3.2 路由类型偏好
如果同一条路由既有域内的又有域间的，而域间的度量值更低一些，OSPF会选择哪个作为最优路由呢？
答案是选择域内的。对于OSPF路由的偏好是O > O IA > N1 > E1 > N2 > E2。只有是同类型的OSPF路由才会比较度量值。而如果路由类型和度量值都一样，则会进行负载均衡。
3.3 OSPF路由的防环
-
链路状态的路由协议与距离矢量的路由协议不同，因为在区域内每台设备都有整个区域内的拓扑，它会计算出到区域内所有的目标网络的无环最优路径，因此在域内OPSF原生地就防环。
-
而对于域间路由，都是由普通区域传到骨干区域再传到其他区域。从一个区域学到的路由不会再传回这个区域。
-
如果是MPLS作为超级骨干区域，PE-CE使用OSPF，则PE将路由从MPBGP导回到OSPF时会将SLA的DN bit置1，CE的OSPF的SPF算法会忽略DN bit置位的SLA。
- 在双点双向重分布的时候，也可以通过打标签来过略掉重分布的路由。
4. 特殊区域
末节区域的作用是限制外部路由的传播，优化网络性能。它一共有四种变种形式。
- Stub
- Totally Stub
- NSSA
- Totally NSSA
它们的特点如下：
- 这4种区域允许域内的1类和2类路由外，禁止5类外部路由的传播。
- 带Totally字样的则会禁止域间的3类路由的传播。
- NSSA系列的可以引入外部路由，但是ASBR会生成7类路由，到ABR时会重新生成5类传到骨干区域。
| OSPF Area Type | OSPF LSA Types Allowed |
|---|---|
| Backbone | Type 1, Type 2, Type 3, Type 4, Type 5 |
| Normal | Type 1, Type 2, Type 3, Type 4, Type 5 |
| Stub | Type 1, Type 2, Type 3, OSPF summary default route |
| Totally-Stubby (Cisco) | Type 1, Type 2, OSPF summary default route |
| Not-So-Stubby (NSSA) | Type 1, Type 2, Type 3, Type 7, default static route |
| Totally NSSA | Type 1, Type 2, Type 7, OSPF summary default route |
注意事项：
- 末节区域内的路由器配置Area时要带stub选项，不然邻居起不来。这个属性也是由Hello包来携带的。
- Area 0无法配置末节区域。
- 根据RFC 2328，虚电路无法穿越末节区域。
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