一、OSPF基础术语Router-ID

Router-ID是一个32位无符号整数，用于唯一标识一台运行OSPF协议的路由器。

Router ID选举规则如下：

  1. 手动配置oSPF路由器的Router ID(建议手动配置)
  2. 如果没有手动配置Router ID,则路由器使用Loopback接口中最大的IP地址作为Router ID
  3. 如果没有配置Loopback接口，则路由器使用物理接口中最大的IP地址作为Router ID

Loopback是路由器里面的一个逻辑接口。逻辑接口是指能够实现数据交换功能，但是物理上不存在、需要通过配置建立的接口。Loopback接口一旦被创建，其物理状态和链路协议状态永远是Up，即使该接口上没有配置IP地址。

区域（待补充）

  • OSPF Area用于表示一个OSPF的区域。

  • 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。

  • OSPF的区域D是一个32bit的非负整数，按点分十进制的形式（与1Pv4地址的格式一样）呈现，例
    如Area 0.0.0.1。 为了简便起见，我们也会采用十进制的形式来表示。

链路的两端的路由器需要再同一个区域里。

待补充。。。。。计算机网络课本。。。主区域之类的度量值

OSPF使用Cost（开销）作为路由器的度量值。每个激活了OSPF的接口都会维护一个Cost值，缺省Cost=（100Mbit/s）/接口宽带（cost的值向下取整，若小于1则取1）。其中100Mbit/s为OSPF指定的缺省的参考值，该值是可配置的。

修改Cost值：1.直接修改接口的Cost值（推荐）。2、修改参考值。

OSPF以“累计cost”为开销值，也就是流量从源网络到目的网络所经过所有路由器的出接口的cost总和。

度量值修改举例：

上图（左）：由于参考值缺省，且四条链路都是GE型，接口带宽相同，所以计算出的Cost值都相等。所以，对于R1来说，无论是通过R2到达R4，还是通过R3到达R4，开销都是一样的，所以会根据某种算法（例如负载均衡）选择一条路径。

上图（右）：对于R1来说，两条路径开销不同，选择开销较小的路径发送数据。

二、OSPF三张表（待补充）

OSPF有三张重要的表项，OSPF邻居表、LSDB和OSPF路由表。

1、邻居表

对于OSPF的邻居表，需要了解：

  • OSPF在传递链路状态信息之前，需先建立OSPF邻居关系。
  • OSPF的邻居关系通过交互Helo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 peeri查看。

2、LSDB

对于OSPF的LSDB,需要了解：

  • LSDB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。
  • Type标识LSA的类型，AdvRouter标识发送LSA的路由器。
  • 使用命令display ospf lsdb查看LSDB表。

3、OSPF路由表

对于OSPF的路由表，需要了解：

  • OSPF路由表和路由器路由表是两张不同的表。本例中OSPF路由表有三条路由。
  • OSPF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。

三、OSPF七种状态机

状态机名称状态机描述
Down（失效）该状态还没有进行hello包的收发，一旦进行hello的收发，则进入下一状态
Init（初始化）接收到的hello包中并不存在本地的（自己的）route-id，但是会将发送该hello包的邻居置为init状态，此时双方并没有建立双向通信，随着双方互相收发hello包，于是才会进入下一状态
2-way（双向通信）接收到的hello包中存在本地的（自己的）route-id，则双方就会进入2-way双向通信状态。该状态也是OSPF最稳定的状态之一，它标志着邻居关系的建立，同时也是邻接关系建立的基础
Exstart（预启动）使用类似hello的DD报文进行主从关系（Master/Slave）选举，route-id数值大为主，优先进入下一状态。此时的DD报文是空的。
Exchange（准交换）使用真正的DD报文进行数据库目录的共享
Loading （加载）使用LSR、LSU、LSAck去获取未知的LSA信息（LSDB同步）
Full（全毗邻）邻接关系建立的标志，此时不再进行LSDB的同步

一些字段的详细解释：

Exstart

发送DD报文（此处DD报文不包含LSA头部信息）

作用：

1、决定主从关系（Router-ID大的为主路由器，小的为从路由器）

2、确定序列号保证报文交互的可靠性

3、比较MTU（可选，缺省不比较）

MTU对邻居建立的影响

1、主的MTU值比从设备的MTU值小；两端都会停留在Exstart状态

2、主的MTU值比从设备的MTU值大；从设备会停留在Exchange状态，主设备停留在Exstart状态

3、两端有一段未开启MTU值检测，则两端可以建立邻居

Exchange

通过交换DD报文，交换LSA头部信息

具体的交互流程

上述Exstart状态决定出主从关系后，即从设备此时收到了主设备发来的空的DD报文

从设备使用主的序列号发送DD报文来回应主（此时DD报文包含LSA头部信息）

主也通过DD报文发送自己的LSA头部信息，并将序列号加1

从又使用主的序列号回应主；一直循环，直到主与从的M位都不置位（或者说只要有一侧有未传递的LSA头，就会一直循环）

四、OSPF四种网路类型

OSPF协议支持四种网络类型，分别是点到点网络，广播型网络，NBMA网络和点到多点网络。

1、BMA

广播型网络（Broadcast Multiple Access）是指支持两台以上路由器，并且具有广播能力的网络。一个含有三台路由器的以太网就是一个广播型网络的例子。

OSPF可以在不支持广播的多路访问网络上运行，此类网络包括在hub-spoke拓扑上运行的帧中继（FR）和异步传输模式（ATM）网络，这些网络的通信依赖于虚电路。

OSPF定义了两种支持多路访问的网络类型：非广播多路访问网络（NBMA）和点到多点网络（Point To Multi-Points）。

2、NBMA

非广播式多路访问（Non Broadcast Multiple Access）：在NBMA网络上，OSPF模拟在广播型网络上的操作，但是每个路由器的邻居需要手动配置**。NBMA方式要求网络中的路由器组成全连接。

缺省情况下，OSPF认为帧中继、 ATM的网络类型是NBMA。

3、P2P

点到点网络（Point-to-Point）是指只把两台路由器直接相连的网络。一个运行PPP的64K串行线路就是一个点到点网络的例子。

4、P2MP

点到多点（point to multi point）：将整个网络看成是一组点到点网络。对于不能组成全连接的网络应当使用点到多点方式。

实际情况下，没有哪一种网络拓扑是P2MP网络，需要通过命令来改变网络类型。

5、四种网络的特点

网络类型特点Hello Interval例子
广播BMA需要DR和BDR的选举，不用手动指邻居
通常以组播发送HELLO报文，LSU报文，和LSACK报文，以单播形式发送DD和LSR报文
DR和BDR给非指定路由器发送消息使用的是组播224.0.0.5
非指定路由器给DR和BDR发送消息使用的是组播224.0.0.6		10秒以太网
非广播多路访问NBMA连接的路由器超过两台但是没有广播功能
所有数据包均单播发送，有DR的选举，需要手动指定邻居		30秒帧中继网络和ATM网络
点对点P2P使用组播224.0.0.5来发送各种数据包
没有DR/BDR的选举，直接形成full邻接关系，不用手动指邻居		10秒PPP链路，HDLC链路
点到多点P2MPHello包以组播形式发送，其他类型数据包由单播发送
不选举DR，不用手动指邻居		30秒

现实中遇到的大部分属于点到点网络和广播型网络，因为帧中继、 ATM网络基本已经淘汰了。

6、可根据实际情况按需调整网络类型

  • OSPF的网络类型是根据接口的数据链路层封装自动设置的。
  • 图中的路由器采用以太网接口互联，因此这些接口的网络类型缺省均为Broadcast。
  • 每段链路实际上都是点对点链路，因此在链路上选举DR与BDR是没有必要的。
  • 为了提高OSP的工作效率，加快邻接关系的建立过程，可以把这些互联接口的网络类型都修改为P2P。

一条链路两端的路由器接口的OSPF网络类型应该要相同。

五、OSPF五种报文类型OSPF报头

OSPF一共定义了5种类型的报文，不同类型的OSPF报文有相同的头部格式。
OSPF报文直接采用IP封装，在报文的IP头部中，协议号为89。

各个字段的解释：

  1. Version（版本号）：当前广泛实现的版本是OSPF v2，值为2。
  2. Type（类型）： 1字节 ，表示OSPF报文的类型，有下面几种类型：Hello报文；DD报文；LSR报文；LSU报文；LSAck报文。
  3. Packet length（报文长度） ：2字节，OSPF报文的总长度，包括报文头在内，单位为字节。
  4. Router ID（路由器ID）：4字节，发送该报文的路由器标识。
  5. Area ID（区域ID）： 4字节 ，发送该报文的所属区域。
  6. Checksum 校验和）：2字节，校验和，包含除了认证字段的整个报文的校验和。
  7. AuType（鉴别类型）：2字节 ，验证类型值有如下几种表示， 0表示不验证；1表示简单（明文）认证；3表示MD5认证。
  8. Authentication（鉴别）：8字节 ，鉴定字段，其数值根据验证类型而定。当验证类型为0时未作定义；类型为1时此字段为密码信息；类型为2时此字段包括Key ID、MD5验证数据长度和序列号的信息。MD5验证数据添加在OSPF报文后面，不包含在Authenticaiton字段中。

五种报文类型

  1. Hello报文：周期性发送，用于发现和维持邻居关系；

  2. DD报文(DataBase Description Packet)：数据库描述报文，描述本地LSDB的摘要信息，用于两台路由器进行数据库同步；

  3. LSR报文(Link State Request Packet)：链路状态请求报文，向对方请求所需要的LSA；

  4. LSU报文(Link State Update Packet)：链路状态更新报文，向对方发送其所需要的LSA或者泛洪自己更新的LSA；

  5. LSAck报文(Link State Acknowledgment Packet)：链路状态确认报文，用于对收到的LSA进行确认。

注：Hello报文和LSAck报文不需要确认。

LSA与LSAck是不同的：

  • 链路状态公告LSA （Link State Advertisement）：LSA中包含了路由器已知的接口状态、接口IP地址、掩码、开销和网络类型等信息。
  • 链路状态确认报文LSAck（Link State Acknowledgment Packet）：用于对收到的LSA进行确认。

1、Hello报文格式

Hello报文的主要作用：

  • 邻居发现：自动发现邻居路由器。
  • 邻居建立：完成Helo报文中的参数协商，建立邻居关系。
  • 邻居保持：通过周期性发送和接收，检测邻居运行状态。

  • Network Mas：32bit，发送Hello报文接口的子网掩码；

  • Hello Interval：16bit，发送hello报文的时间间隔，单位为秒，默认是10秒；

  • Options：8bit，可选项，

    ​E：允许泛洪 AS-External-LSAs；是否支持外部路由；

    ​MC：转发IP组播报文；是否支持转发组播数据包；

    ​N/P：处理Type-7 LSAs；是否为NSSA区域；

    ​DC：处理按需链路；

  • Rtr Pri：8bit，DR优先级，默认为1，如果为0不参与DR/BDR选举；

  • Router Dead Interval：32bit，失效时间（通常为Hello Interval的4倍，40s）。如果在此时间内未收到邻居发来的Hello报文，则认为邻居失效；

  • Designated Router：32bit，本网段DR的接口地址；如果设置为0.0.0.0，表示未选举DR路由器。

  • Backup Designated Router：32bit，本网段BDR的接口地址；如果设置为0.0.0.0，表示未选举BDR。

  • Neighbor：32bit，邻居列表，以router ID标识；

2、DD报文格式

DD报文包含LSA头部信息，包括LS Type、LS ID、Advertising Router、LS Sequence Number、LS
Checksum。

两台路由器在邻接关系初始化时，用DD报文（Database Description Packet）来描述自己的LSDB，进行数据库的同步。报文内容包括LSDB中每一条LSA的Header（LSA的Header（头部）可以唯一标识一条LSA）。

LSA Header只占一条LSA的整个数据量的一小部分，这样可以减少路由器之间的协议报文流量，对端路由器根据LSA Header就可以判断出是否已有这条LSA。

在两台路由器交换DD报文的过程中，一台为Master，另一台为Slave。由Master规定起始序列号，每发送一个DD报文序列号加1，Slave方使用Master的序列号作为确认。

各个字段的解释：

I：是否为第一个。M：后面是否还有。MA是否为Master。

  • I：当发送连续多个DD报文时，如果这是第一个DD报文，则置为1，否则置为0。
  • M（More）：当发送连续多个DD报文时，如果这是最后一个DD报文，则置为0。否则置为1，表示后面还有其
    他的DD报文。
  • MS（Master/Slave）：当两台oSPF路由器交换DD报文时，首先需要确定双方的主从关系，Router ID大的一方会成为Master。当值为1时表示发送方为Master。
  • DD sequence number：DD报文序列号。主从双方利用序列号来保证DD报文传输的可靠性和完整性。
  • Interface MTU：指示在不分片的情况下，此接口最大可发出的IP报文长度。在两个邻居发送DD报文中包含MTU参数，如果收到的DD报文中MTU和本端的MTU不相等，则丢弃该DD报文。缺省情况下，华为设备未开启MTU检查。
  • Optinons：与Hello的Optinons字段相同。

3、LSR报文格式

两台路由器互相交换过DD报文之后，知道对端的路由器有哪些LSA是本地的LSDB所缺少的和哪些LSA是已经失效的，这时需要发送LSR报文（Link State Request Packet）向对方请求所需的LSA。内容包括所需要的LSA的摘要。

LSR报文格式如下图所示，其中LS type、Link State ID和Advertising Router可以唯一标识出一个LSA，当两个LSA一样时，需要根据LSA中的LS sequence number、LS checksum和LS age来判断出所需要LSA的新旧。

各个字段的解释：

  • LS type：链路状态类型，32比特，LSA的类型号。
  • Link State ID：链路状态ID，32比特，根据LSA中的LS Type和LSA description在路由域中描述一个LSA。
  • Advertising Router：通告路由器，32比特，产生此LSA的路由器的Router ID。

4、LSU报文格式

用来向对端Router发送其所需要的LSA或者泛洪自己更新的LSA，内容是多条LSA（全部内容）的集合。

LSU报文（Link State Update Packet）在支持组播和广播的链路上是以组播形式将LSA泛洪出去。为了实现Flooding的可靠性传输，需要LSAck报文对其进行确认。对没有收到确认报文的LSA进行重传，重传的LSA是直接发送到邻居的。

Number of LSAs：32比特，LSA的数量。

5、LSAck报文格式

用来对接收到的LSU报文进行确认。内容是需要确认的LSA的Header（一个LSAck报文可对多个LSA进行确认）。

LSAck（Link State Acknowledgment Packet）报文根据不同的链路以单播或组播的形式发送。

LSAs Headers：LSA头部，可变，通过LSA的头部信息确认收到该LSA。

六、OSPF工作过程

OSPF工作过程概览

1、建立邻居关系

  • OSPF使用Hello报文发现和建立邻居关系。
  • 在以太网链路上，缺省时，oSPF采用组播的形式发送Hello报文（目的地址224.0.0.5)
  • OSPF Hello报文中包含了路由器的Router ID、邻居列表等信息。

neighbor：邻居

具体过程：以R2为例

  1. R2发送Hello报文来发现邻居，但没有收到邻居的Hello报文，此时状态为Down。
  2. R2收到R1的Hello报文后，得知R1是自己的邻居，但自己的Router ID不在R1的邻居列表中（表明此时，对于R1来说，R2不是R1的邻居），此时R2的状态为Init。
  3. 由于R2知道了R1是自己的邻居，所以发送的Hello报文中包含R1的Router ID。
  4. 当R2收到R1的Hello包，且其邻居列表中含有自己的Router ID，R2的状态由Init变为2-way。

如果路由器发现所接收的合法Hello报文的邻居列表中有自己的Router ID，则认为已经和邻居建立了双向连接，表示邻居关系已经建立。

验证一个接收到的Hello报文是否合法包括：

1、如果接收端口的网络类型是广播型，点到多点或者NBMA，所接收的Hello报文中Network Mask字段必须和接收端口的网络掩码一致，如果接收端口的网络类型为点到点类型或者是虚连接，则不检查Network Mask字段；

2、所接收的Hello报文中Hello Interval字段必须和接收端口的配置一致；

3、所接收的Hello报文中Router Dead Interval字段必须和接收端口的配置一致；

4、所接收的Hello报文中Options字段中的E-bit（表示是否接收外部路由信息）必须和相关区域的配置一致。

2、LSDB数据库同步

邻居关系建立后，邻居之间确定主从关系，然后开始发送DD报文同步LSDB。

这里提到了主从关系（Master/Slave），要与DR/BDR区分开来。

  • DR/BDR是在MA网路中选举出的两台路由器，用于减少网络中的邻接关系。
  • MS主从关系是两台互相交换DD报文的邻居路由器之间的关系，其作用只是为了确定seq以Master为准，从而保证DD报文有序可靠的传输。
  • MS主从关系确定，只比较Router ID的大小，大的一方成为Master。

具体过程：

主从路由器的选举：

​（1）邻居状态变为ExStart以后，R1向R2发送第一个DD报文，在这个报文中，DD序列号被设置为X（假设），R1宣告自己为主路由器。

​（2）R2也向R1发送第一个DD报文，在这个报文中，DD序列号被设置为Y（假设）。RTB也宣告自己为主路由器。

由于R2的Router ID比R1的大，所以R2应当为真正的主路由器。

数据库摘要信息的交互：

​（3）当主从关系确定后，R1、R2的状态变为Exchange。R1发送一个新的DD报文，在这个新的报文中包含LSDB的摘要信息（LSDB的摘要信息可以类比成一本书的目录），序列号设置为R2在步骤（2）里使用的序列号（表示承认R2为真正的主路由器）。

​（4）邻居状态变为Exchange以后，R2发送一个新的DD报文，该报文中包含LSDB的描述信息，DD序列号设为Y+1（上次使用的序列号加1）。

​（5）R1收到R2的DD报文后，向R2发送即使R1不需要新的DD报文描述自己的LSDB，但是作为从路由器，R1需要对主路由器RTB发送的每一个DD报文进行确认。所以，RTA向RTB发送一个内容为空的DD报文，序列号为Y+1。？？？有点不懂这句话。

发送完最后一个DD报文之后，R1、R2的状态都变为了Loading；在此（变为Loading）之前，路由器就算在DD报文中发现了自己需要的LSA也是不会发送LSR报文的。

3、建立完全邻接关系

具体过程：接着上面的第（5）步

​（6）邻居状态变为Loading之后，R1开始向R2发送LSR报文，请求那些在Exchange状态下通过DD报文发现的，而且在本地LSDB中没有的链路状态信息。

​（7）R2收到LSR报文之后，向RTA发送LSU报文，在LSU报文中，包含了那些被请求的链路状态的详细信息。RTA收到LSU报文之后，将邻居状态从Loading改变成Full。

​（8）R1向R2发送LSAck报文，用于对已接收LSA的确认。

此时，R1和R2之间的邻居状态变成Full，表示达到完全邻接状态。

邻居与邻接：

  • 邻居（Neighbor）：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。

  • 邻接（Adjacency）：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。

    只有当双方成功交换DD报文，并能交换LSA之后，才形成真正意义上的邻接关系。

遗留的问题：

关于R1与R2的状态改变，具体是在什么时候改变的状态？

DR与BDR（1）DR与BDR的作用

  • DR(Designated Router,指定路由器)负责在MA网络建立和维护邻接关系并负责LSA的同步。
  • DR与其他所有路由器形成邻接关系并交换链路状态信息，其他路由器之间不直接交换链路状态信息。
  • 为了规避单点故障风险，通过选举BDR(Backup Designated Router,备份指定路由器)，在DR失效时快速接管DR的工作。

除DR和BDR之外，其他路由器都是DR Other。

  • DR与BDR之间建立邻接关系。
  • DR Other只与DR和BDR建立邻接关系。
  • DR Other之间只建立邻居关系。

（2）DR与BDR的选举规则（待补充）DR/BDR的选举是非抢占式的。

例如下图：R4新加入后并不会改变原先就存在的DR/BDR，即使它的优先级比R1、R2都高。这样可以保持网络的稳定。

若要使R4成为DR，需要将DR和BDR的ospf进程restart（重启）。

至于先重启DR还是BDR，等做完实验再补充。。。。。。。。。。。

DR/BDR的选举是基于接口的。

  • 接口的DR优先级越大越优先，默认为1，0表示不参与选举。
  • 就扣的优先级相等时，Router ID越大越优先。

基于接口的解释：

下图中R4同连接着两个广播网络，它的两个接口的角色并不相同。

（3）不同网络类型中DR与BDR的选举操作

参考：

04 OSPF基础介绍_哔哩哔哩_bilibili

05 OSPF简介_哔哩哔哩_bilibili

06 OSPF工作原理及过程_哔哩哔哩_bilibili

OSPF-五种报文、七种状态机及其工作过程_ospf的lsu有几种-CSDN博客

精！万字15图详解OSPF路由协议 (qq.com)

OSPF——7种状态讲解_ospf七种状态-CSDN博客

[OSPF原理—详细！！ospf协议工作原理‘Beyond’的博客-CSDN博客](https://blog.csdn.net/Beyonod/article/details/130559513#:~:text=二、ospf流程（步骤） 1 相邻路由器建立邻居关系 2,邻居之间交互链路状态信息并同步至LSDB 3 计算最优路径 4 将最优路径添加到路由表)

OSPF协议原理详解-CSDN博客

OSPF-五种报文、七种状态机及其工作过程_ospf的lsu有几种-CSDN博客