1、OSPF的基本概念

OSPF(Open Shortest Path First)

OSPF(Open Shortest Path First)是一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(Interior Gateway Protocol,簡(jiǎn)稱IGP)。與RIP相對(duì)，OSPF是鏈路狀態(tài)路有協(xié)議，而RIP是距離向量路由協(xié)議。 鏈路是路由器接口的另一種說法，因此OSPF也稱為接口狀態(tài)路由協(xié)議。OSPF通過路由器之間通告網(wǎng)絡(luò)接口的狀態(tài)來建立鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，生成最短路徑樹，每個(gè)OSPF路由器使用這些最短路徑構(gòu)造路由表。

OSPF分為OSPFv2和OSPFv3兩個(gè)版本,其中OSPFv2用在IPv4網(wǎng)絡(luò)，OSPFv3用在IPv6網(wǎng)絡(luò)�？捎糜诖笮途W(wǎng)絡(luò)。

基本概念和術(shù)語：

鏈路狀態(tài)：

OSPF路由器收集其所在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域上各路由器的連接狀態(tài)信息，即鏈路狀態(tài)信息（Link-State），生成鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(Link-State Database)。路由器掌握了該區(qū)域上所有路由器的鏈路狀態(tài)信息，也就等于了解了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錉顩r。OSPF路由器利用“最短路徑優(yōu)先算法(Shortest Path First, SPF)”，獨(dú)立地計(jì)算出到達(dá)任意目的地的路由。

區(qū)域：

OSPF協(xié)議引入“分層路由”的概念，將網(wǎng)絡(luò)分割成一個(gè)“主干”連接的一組相互獨(dú)立的部分，這些相互獨(dú)立的部分被稱為“區(qū)域”(Area)，“主干”的部分稱為“主干區(qū)域”。每個(gè)區(qū)域就如同一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，該區(qū)域的OSPF路由器只保存該區(qū)域的鏈路狀態(tài)。每個(gè)路由器的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫都可以保持合理的大小，路由計(jì)算的時(shí)間、報(bào)文數(shù)量都不會(huì)過大。    

2、 OSPF的數(shù)據(jù)包

    1. hello包 發(fā)現(xiàn)、維持和創(chuàng)建鄰居關(guān)系  10s  40s

    2. dbd 包 數(shù)據(jù)庫摘要

    3. lsr     鏈路狀態(tài)請(qǐng)求

    4. lsu     鏈路狀態(tài)更新 回應(yīng) lsr 承載lsa

    5. lsack   鏈路狀態(tài)確認(rèn)包

3、OSPF的四種路由器類型

   OSPF把自治系統(tǒng)劃分成邏輯意義上的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域,所有其他區(qū)域必須與區(qū)域0相連。

內(nèi)部路由器（Internal Router)：所有端口在同一區(qū)域的路由器，維護(hù)一個(gè)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。

主干路由器（Backbone Router）：具有連接主干區(qū)域端口的路由器。  

 區(qū)域邊界路由器(ABR)：具有連接多區(qū)域端口的路由器，一般作為一個(gè)區(qū)域的出口。ABR為每一個(gè)所連接的區(qū)域建立鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)將所連接區(qū)域的路由摘要信息發(fā)送到主干區(qū)域，而主干區(qū)域上的ABR則負(fù)責(zé)將這些信息發(fā)送到各個(gè)區(qū)域。  

自治域系統(tǒng)邊界路由器(ASBR)：至少擁有一個(gè)連接外部自治域網(wǎng)絡(luò)（如非OSPF的網(wǎng)絡(luò)）端口的路由器，負(fù)責(zé)將非OSPF網(wǎng)絡(luò)信息傳入OSPF網(wǎng)絡(luò)。

4、DR和BDR

  指派路由器（DR）和備份指派路由器（BDR）  

在多路訪問網(wǎng)絡(luò)上可能存在多個(gè)路由器，為了避免路由器之間建立完全相鄰關(guān)系而引起的大量開銷，OSPF要求在區(qū)域中選舉一個(gè)DR。每個(gè)路由器都與之建立完全相鄰關(guān)系。DR負(fù)責(zé)收集所有的鏈路狀態(tài)信息，并發(fā)布給其他路由器。選舉DR的同時(shí)也選舉出一個(gè)BDR，在DR失效的時(shí)候，BDR擔(dān)負(fù)起DR的職責(zé)。  

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型網(wǎng)絡(luò)不需要DR，因?yàn)橹淮嬖趦蓚�(gè)節(jié)點(diǎn)，彼此間完全相鄰。 協(xié)議組成OSPF協(xié)議由Hello協(xié)議、交換協(xié)議、擴(kuò)散協(xié)議組成。本文僅介紹Hello協(xié)議，其他兩個(gè)協(xié)議可參考RFC2328中的具體描述。   

當(dāng)路由器開啟一個(gè)端口的OSPF路由時(shí)，將會(huì)從這個(gè)端口發(fā)出一個(gè)Hello報(bào)文，以后它也將以一定的間隔周期性地發(fā)送Hello報(bào)文。OSPF路由器用Hello報(bào)文來初始化新的相鄰關(guān)系以及確認(rèn)相鄰的路由器鄰居之間的通信狀態(tài)。  

對(duì)廣播型網(wǎng)絡(luò)和非廣播型多路訪問網(wǎng)絡(luò)，路由器使用Hello協(xié)議選舉出一個(gè)DR。在廣播型網(wǎng)絡(luò)里，Hello報(bào)文使用多播地址224.0.0.5周期性廣播，并通過這個(gè)過程自動(dòng)發(fā)現(xiàn)路由器鄰居。在NBMA網(wǎng)絡(luò)中，DR負(fù)責(zé)向其他路由器逐一發(fā)送Hello報(bào)文。

5、OSPF的鄰居建立過程

   Down（關(guān)閉狀態(tài)）開始發(fā)送hello但是沒有收到鄰居發(fā)來的hello 當(dāng)收到對(duì)方發(fā)來hello 進(jìn)入下一狀態(tài)

    Init（初始化狀態(tài)）當(dāng)收到對(duì)方發(fā)來的hello中有自己的Router-ID 進(jìn)入下一狀態(tài)

    Two-way 鄰居關(guān)系建立完成--進(jìn)行選舉--選舉結(jié)束--進(jìn)入下一狀態(tài)--DR-other之間的穩(wěn)定狀態(tài)Exstart--選舉主從關(guān)系--master先發(fā)DBD （Router-ID大的優(yōu)先）

    Exstart 預(yù)啟動(dòng)狀態(tài)

    Exchange 交換DBD

    Loading 交換LSA 通過LSR去要LSA 對(duì)方通過LSU更新LSA

    Full 鄰接關(guān)系建立 啟動(dòng)SPF算法 計(jì)算路徑     

6、OSPF支持的網(wǎng)絡(luò)接口類型

OSPF根據(jù)鏈路層協(xié)議類型將網(wǎng)絡(luò)分為下列五種類型：任何二層鏈路，都會(huì)有一種網(wǎng)絡(luò)接口類型來適應(yīng)；根據(jù)拓?fù)浜托枨笞兓�，可以改變網(wǎng)絡(luò)接口類型來與之適應(yīng)。

①點(diǎn)到點(diǎn)（P2P）網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)鏈路層協(xié)議是PPP、HDLC時(shí)，缺省情況下，OSPF認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)類型是P2P。在該類型的網(wǎng)絡(luò)中，以組播形式（224.0.0.5）發(fā)送協(xié)議報(bào)文（Hello報(bào)文、DD報(bào)文、LSR報(bào)文、LSU報(bào)文、LSAck報(bào)文）。

Hello Time和Dead Time：10s/40s

是否選舉DR和BDR：否

是否主動(dòng)發(fā)現(xiàn)鄰居：是

②廣播（Broadcast）網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)鏈路層協(xié)議是Ethernet、FDDI、以太網(wǎng)或者令牌環(huán)網(wǎng)時(shí)，缺省情況下，OSPF認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)類型是Broadcast。在該類型的網(wǎng)絡(luò)中，通常以組播形式發(fā)送Hello報(bào)文、LSU報(bào)文和LSAck報(bào)文。其中，224.0.0.5的組播地址為OSPF路由器的預(yù)留IP組播地址；224.0.0.6的組播地址為OSPF DR的預(yù)留IP組播地址。以單播形式發(fā)送DD報(bào)文和LSR報(bào)文。

Hello Time和Dead Time：10s/40s

是否選舉DR和BDR：是

是否主動(dòng)發(fā)現(xiàn)鄰居：是

③NBMA（Non-broadcast multiple access）網(wǎng)絡(luò)

術(shù)語解釋：非廣播網(wǎng)絡(luò)是指支持兩臺(tái)以上路由器互連，但是不具有廣播能力的網(wǎng)絡(luò)。在非廣播網(wǎng)絡(luò)上，OSPF有兩種運(yùn)行方式，非廣播多路訪問和點(diǎn)到多點(diǎn)。非廣播多路訪問（NBMA）：在NBMA網(wǎng)絡(luò)上，OSPF模擬在廣播型網(wǎng)絡(luò)上的操作，但是每個(gè)路由器的鄰居需要手動(dòng)配置，而且只能與NBMA類型的網(wǎng)絡(luò)接口建立鄰居關(guān)系。NBMA方式要求網(wǎng)絡(luò)中的路由器組成全連接；點(diǎn)到多點(diǎn)：將整個(gè)非廣播網(wǎng)絡(luò)看成是一組點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)路由器的鄰居可以使用底層協(xié)議例如反向地址解析協(xié)議（Inverse ARP）來發(fā)現(xiàn)。對(duì)于不能組成全連接的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)使用點(diǎn)到多點(diǎn)方式，例如只使用PVC的不完全連接的幀中繼網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)鏈路層協(xié)議是ATM，F(xiàn)R或X.25時(shí)，缺省情況下，OSPF認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)類型是NBMA。在該類型的網(wǎng)絡(luò)中，以單播形式發(fā)送協(xié)議報(bào)文（Hello報(bào)文、DD報(bào)文、LSR報(bào)文、LSU報(bào)文、LSAck報(bào)文）。

Hello Time和Dead Time：30s/120s

是否選舉DR和BDR：是

是否主動(dòng)發(fā)現(xiàn)鄰居：否

④點(diǎn)到多點(diǎn)（Point-to-Multipoint）網(wǎng)絡(luò)

沒有一種鏈路層協(xié)議會(huì)被缺省的認(rèn)為是Point-to-Multipoint 類型。點(diǎn)到多點(diǎn)必須是由其他的網(wǎng)絡(luò)類型強(qiáng)制更改的，即工程按需。常用做法是將非全連通的NBMA改為點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。在該類型的網(wǎng)絡(luò)中以組播形式（224.0.0.5）發(fā)送Hello報(bào)文，以單播形式發(fā)送其他協(xié)議報(bào)文（DD報(bào)文、LSR報(bào)文、LSU報(bào)文、LSAck報(bào)文）。

Hello Time和Dead Time：30s/120s

是否選舉DR和BDR：否

是否主動(dòng)發(fā)現(xiàn)鄰居：是

⑤虛連接（Virtual Link）網(wǎng)絡(luò)

從上面的文章可以看出，OSPF的骨干區(qū)域必須是連續(xù)的，但是在物理上無法連續(xù)的時(shí)候，我們可以采用虛連接使得骨干區(qū)域在螺髻山連續(xù)。那么虛連接就是可以在任意兩個(gè)區(qū)域邊界路由器上簡(jiǎn)歷，但是要求這兩個(gè)區(qū)域邊界路由器都有端口連接到一個(gè)共同的非骨干區(qū)域。這個(gè)非骨干區(qū)域就是Transit區(qū)域。虛連接其實(shí)是屬于骨干區(qū)域的一條虛擬鏈路。注意：實(shí)際組網(wǎng)的時(shí)候不推薦虛連接，要盡可能在規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候就避免虛連接的出現(xiàn)。

7、OSPF報(bào)文的目的地址

8、OSPF工作過程

(1)了解自身鏈路

每臺(tái)路由器了解其自身的鏈路，即與其直連的網(wǎng)絡(luò)。

(2)尋找鄰居

不同于RIP，OSPF協(xié)議運(yùn)行后，并不立即向網(wǎng)絡(luò)廣播路由信息，而是先尋找網(wǎng)絡(luò)中可與自己交換鏈路狀態(tài)信息的周邊路由器�？梢越换ユ溌窢顟B(tài)信息的路由器互為鄰居。 

(3)創(chuàng)建鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)包

路由器一旦建立了鄰居關(guān)系，就可以創(chuàng)建鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)包。 

(4)鏈路狀態(tài)信息傳遞

路由器將描述鏈路狀態(tài)的LSA泛洪到鄰居，最終形成包含網(wǎng)絡(luò)完整鏈路狀態(tài)信息的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。

(5)計(jì)算路由

路由區(qū)域內(nèi)的每臺(tái)路由器都可以使用SPF算法來獨(dú)立計(jì)算路由。

9、OSPF協(xié)議主要優(yōu)點(diǎn)

（1）OSPF 適合在大范圍的網(wǎng)絡(luò)：OSPF 協(xié)議當(dāng)中對(duì)于路由的跳數(shù)，它是沒有限制的，所以 OSPF 協(xié)議能用在許多場(chǎng)合，同時(shí)也支持更加廣泛的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。只要是在組播的網(wǎng)絡(luò)中，OSPF協(xié)議能夠支持?jǐn)?shù)十臺(tái)路由器一起運(yùn)作。

（2）組播觸發(fā)式更新：OSPF 協(xié)議在收斂完成后，會(huì)以觸發(fā)方式發(fā)送拓?fù)渥兓�的信息給其他路由器，這樣就可以減少網(wǎng)絡(luò)寬帶的利用率；同時(shí)，可以減小干擾，特別是在使用組播網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)外發(fā)出信息時(shí)，它對(duì)其他設(shè)備不構(gòu)成其他影響

（3）收斂速度快：如果網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變，OSPF 協(xié)議的系統(tǒng)會(huì)以最快的速度發(fā)出新的報(bào)文，從而使新的拓?fù)淝闆r很快擴(kuò)散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)；而且，OSPF 采用周期較短的 HELLO 報(bào)文來維護(hù)鄰居狀態(tài)。

（4）以開銷作為度量值：OSPF 協(xié)議在設(shè)計(jì)時(shí)，就考慮到了鏈路帶寬對(duì)路由度量值的影響。OSPF 協(xié)議是以開銷值作為標(biāo)準(zhǔn)，而鏈路開銷和鏈路帶寬，正好形成了反比的關(guān)系，帶寬越是高，開銷就會(huì)越小，這樣一來，OSPF 選路主要基于帶寬因素。

（5）OSPF 協(xié)議的設(shè)計(jì)是為了避免路由環(huán)路：在使用最短路徑的算法下，收到路由中的鏈路狀態(tài)，然后生成路徑，這樣不會(huì)產(chǎn)生環(huán)路。

（6）應(yīng)用廣泛：廣泛的應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)上，其他會(huì)有大量的應(yīng)用實(shí)例。證明這是使用最廣泛的IGP 之一。

10、OSPF區(qū)域

OSPF 中劃分區(qū)域的目的就是在于控制鏈路狀態(tài)信息LSA 泛洪的范圍、減小鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫LSDB的大小、改善網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、達(dá)到快速地收斂。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中包含多個(gè)區(qū)域時(shí)，OSPF 協(xié)議有特殊的規(guī)定，即其中必須有一個(gè) Area 0，通常也叫做骨干區(qū)域（Backbone Area），當(dāng)設(shè)計(jì) OSPF 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，一個(gè)很好的方法就是從骨干區(qū)域開始，然后再擴(kuò)展到其他區(qū)域。骨干區(qū)域在所有其他區(qū)域的中心，即所有區(qū)域都必須與骨干區(qū)域物理或邏輯上相連，這種設(shè)計(jì)思想的原因是 OSPF 協(xié)議要把所有區(qū)域的路由信息引入骨干區(qū)，然后再依次將路由信息從骨干區(qū)域分發(fā)到其它區(qū)域中。

OSPF 將區(qū)域劃分為幾種類型。

骨干區(qū)域 ：作為中央實(shí)體，其他區(qū)域與之相連，骨干區(qū)域編號(hào)為 0，在該區(qū)域中，各種類型的 LSA 均允許發(fā)布。

標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域 ：除骨干區(qū)域外的默認(rèn)的區(qū)域類型，在該類型區(qū)域中，各種類型的 LSA 均允許發(fā)布。

末梢區(qū)域 ：即 STUB 區(qū)域，該類型區(qū)域中不接受關(guān)于 AS外部的路由信息，即不接受類型 5 的 AS 外部LSA，需要路由到自治系統(tǒng)外部的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，路由器使用缺省路由（0.0.0.0），末梢區(qū)域中不能包含有自治系統(tǒng)邊界路由器 ASBR。

完全末梢區(qū)域 ：該類型區(qū)域中不接受關(guān)于 AS 外部的路由

信息，同時(shí)也不接受來自 AS 中其他區(qū)域的匯總路由，即不接受類型 3、類型 4、類型 5 的 LSA，完全末梢區(qū)域也不能包換有自治系統(tǒng)邊界路由器 ASBR。

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