中兴路由器OSPF

名称：OSPF（Open Shortest Path First）----开放型最短路径优先协议

内涵：OSPF是IETF（国际互联网工程任务组）组织开发的一个基于链路状态协议（按照路由算法划分）的自治系统内部网关协议IGP（按照应用范围划分），它是一种常用的动态路由协议。用于在单一的自治域系统内决策路由, 维护一个复杂的网络拓扑数据库，采用SPF算法计算最优路由。它通过收集和传递自治系统的链路状态来动态发现并传播路由。 协议号是89，将协议报文直接封装在IP报文中，可靠性需要自身保证。

一、OSPF的应用

      OSPF是目前使用最广泛，也是最主流的路由协议。用户之所以愿意使OSPF除了它自身的路由算法，更体现在其“Open”上，这点跟CISCO私有的EIGRP不一样，OSPF的“开放”，让任何厂商的设备都可以支持OSPF，而且可以互为兼容，在现在企业网络设备类型多、厂商多的网络时代，使用OSPF是最好的选择。

       OSPF是由IETF开发的路由协议，初衷是用来替代早期的RIP协议，后来由于OSPF的算法好、收敛快、支持大型且复杂的网络结构、不容易被有害路由信息影响等原因，使其快速取代了RIP及大部分的动态路由协议。

二、OSPF的优点

1）可适应各种大规模网络（最多可支持几百台路由器）。

2）OSPF可基于带宽来选择最佳路径。

3）路由变化可实现快速收敛。

4）无路由自环（其收集的链路状态用最短路径树算法计算路由，保证无环路）

5）可以对VLSM提供很好的支持。

6）支持区域划分（OSPF允许自治系统的网络划分成区域来管理，区域间传送的路由信息被进一步抽象，从而减轻网络的带宽）

7）支持等值路由（支持到同一目的地址的多条等值路由，用来负载均衡）

8）支持路由分级 （OSPF支持4类不同的路由，按照优先顺序分别是区域内路由、区域间路由、第一类外部路由、第二类外部路由）

9）支持验证 （它支持基于接口的报文验证以保证路由计算的安全性）

10）支持以组播地址发送协议报文 （既可以达到广播的作用，又在最大程度减少了对其他网络设备的干扰）

三、OSPF 的基本概念

1、Router ID（路由器标识符）: OSPF使用它来唯一标识OSPF网络中每一台路由器。

组成：32位二进制数

选举方式：

     使能OSPF协议之前，至少保证接口有一个IP地址；

     首先在所有的Loopback里选择IP地址最大的；

     如果没有loopback接口，则在剩下的物理接口中选择IP地址最大的作为Router ID。

特点：

     全局唯一，不能重复；一旦选定不能改变，除非重启OSPF进程。

    （OSPF进程重启命令ZXR10# clear ip ospf process id）

2、协议号：OSPF用IP报文直接封装协议报文，封装协议号是89。(工作在网络层）

3、Interface（协议接口）：路由器运行OSPF协议的接口，具有唯一的IP地址和子网掩码。它周期性的发送协议报文（Hello包），查找发现邻居（neighbor）。

4、指定路由器（DR，Designated Router）和备份指定路由器（BDR）

     在一个广播型多路访问环境中的路由器必须选举一个DR和BDR来代表这个网络。

     用途：广播网络中为了减少OSPF同步链路状态信息的流量，根据接口优先级自动选举一个DR和BDR来代表这个网络。

5、链接状态数据库（Link State Database）LSDB：

     它包含了网络中所有路由器的链接状态。它表示着整个网络的拓扑结构。同Area 内的所有路由器的链路状态表都是相同的。 

6、Neighboring Routers（邻居路由器）

     直连网络中的OSPF所有路由器根据hello包自动形成邻居关系。

7、Adjacency（邻接关系）

    在邻居关系的基础上，同步链路状态信息数据库后形成邻接关系。

8、Routing table （路由表）

   在链路状态表的基础上利用SPF算法计算而来。

9、链路状态公告（LSA：Link-State Advertisement），完整的LSA集合将为路由器展示整个网络的精确分布图。

       LSA都是由每个路由器产生的，并且在整个OSPF网络上传播。这样就由LSA组成了链路状态数据库，链路状态数据库里有所有网络和路由器的信息。

      路由器使用链路状态数据库构造路由表，为了保证可靠性，所有的路由器必须有一个完全相同的链路状态数据库。

       OSPF使用开销作为度量值，开销被分配在路由器的每个接口上。默认情况下，一个接口的开销以100M为基准自动计算得到。到某个特定目的地的路径开销是这台路由器和目的地之间的所有链路的开销和。

10、OSPF的算法

       为了从LSA数据库中生成路由表，路由器运行SPF最短路径树优先算法构建一棵开销路由树，路由器本身作为路由树的根，SPF算法使路由器计算出它到网络上每一个节点的开销最低路径，路由器将这些路径的路由存入路由表。和RIP不同，OSPF不是简单的周期性广播它所有的路由选择信息，OSPF路由器用hello报文让邻居知道自己还仍然存活着。如果一个路由器在一段特定的时间内没有收到来自邻居的hello报文，表明整个邻居已经不再运行了。

简要的过程描述：

1）运行OSPF协议，收集链路状态，发现邻居，互相通告LSA；

2）同步链路状态数据库（LSDB），建立邻接关系；

3）运用SPF算法，计算最短路径树，生成路由。

链路状态路由协议

在初步达到一致后，链路状态通过触发更新发送给其他的路由器

一、OSPF邻居发现过程

建立过程 ：

二、DR/BDR的选举：

1、广播网络里的LSA同步问题

广播网络中，每个邻居之间都发送LSA，会造成不必要的浪费（网络带宽、CPU资源等）；通过DR收集LSA去解决过多LSA产生的问题。

2、DR 的选举过程

（1）登记选民：本网段内的运行OSPF的路由器。

（2）登记候选人：本网段内的priority>0的OSPF路由器；priority是接口上的参数，可以配置，默认值是1。

（3）竞选演说：一部分priority>0的OSPF路由器认为自己是DR。

（4）投票：在所有自称是DR的路由器中priority值最大的当选。如果两台路由器的priority值相等，则router id最大的当选。选票就是hello报文，每台路由器将自己选出的DR写入hello中，发给网段上的每台路由器。

注意：网段中的DR并不一定是priorty最大的路由器；同理BDR也并不一定就是priority第二大的路由器。DR是指某个网段中的概念，是针对路由器的接口而言的。某台路由器在一个接口上可能是DR，在另一个接口上可能是BDR，或者是DR other。

网络中最先启动的路由器被选举为DR；

同时启动、或重新选举时，则看接口优先级（0-255），优先级最高的被选举为DR；

如果前两者相同，最后看路由器ID，路由器ID最高的被选举成DR ；

DR选举是非抢占的，除非重启OSPF进程。 

3、OSPF的网路类型

1）Point to Point

           点到点的网络，不需要选举DR，链路层协议是PPP或者LAPB。

2）Broadcast

           广播网，需要选举DR，链路层协议是Ethernet，FDDI、Token Ring。

3）NBMA

           非广播多路访问网络，需要选举DR，链路层协议时帧中继，ATM，HDLC，或者X.25

4）Point to Multipoint 

           点到多点的网络， 不需要选举DR，没有一种链路层协议。

三、建立邻接关系

1、OSPF的邻接的建立过程 

exstart state(准启动状态) exchange state( 交换状态)

Loading State(加载状态) Full State（完整状态）

四、LSA更新

路由器用224.0.0.5将拓扑改变消息通告给邻居

路由器A用224.0.0.6通告给DR

DR用224.0.0.5通告给其他路由器

五、OSPF协议计算过程

1、OSPF协议计算过程

       上图中描述了通过 OSPF 协议计算路由的过程。由四台路由器组成的网络，连线旁边的数字表示从一台路由器到另一台路由器所需要的花费。为简化问题，我们假定两台路由器相互之间发送报文所需花费是相同的。

       首先，每台路由器都根据自己周围的网络拓扑结构生成一条 LSA（链路状态广播），并通过相互之间发送协议报文将这条 LSA 发送给网络中其它的所有路由器。这样每台路由器都收到了其它路由器的 LSA，所有的 LSA 放在一起称作 LSDB（链路状态数据库）。显然，4 台路由器的 LSDB 都是相同的。

       其次，由于一条 LSA 是对一台路由器周围网络拓扑结构的描述，那么 LSDB 则是对整个网络的拓扑结构的描述。路由器很容易将 LSDB 转换成一张带权的有向图，这张图便是对整个网络拓扑结构的真实反映。显然，4 台路由器得到的是一张完全相同的图。

       最后，接下来每台路由器在图中以自己为根节点，使用SPF算法计算出一棵最短路径树，由这棵树得到了到网络中各个节点的路由表。显然，4 台路由器各自得到的路由表是不同的。

这样每台路由器都计算出了到其它路由器的路由。

由上面的分析可知：OSPF协议计算出路由主要有以下三个主要步骤：

1）描述本路由器周边的网络拓扑结构，并生成LSA。

2）将自己生成的LSA在自治系统中传播。并同时收集所有的其他路由器生成的LSA。

3）根据收集的所有的LSA计算路由。

路由计算用的算法是Dijkstra算法，描述如下：

Step1：把root加入最小树，设root可直达的顶点为候选人。

Step2：若候选人列表空，则最小树生成完成，否则候选人列表中选取花费最小的，加入到最小树中。

Step3：把新加入的顶点所能直达的顶点列为候选人。

Step4：在候选人名单里除去最小树中已出现的，回Step2

工作过程：通过LSDB可得各路由器的连接(link)状态(state)，利用Dijkstra算法，可由“内”向“外”，从区域内到区域间，从AS内到AS外，逐步生成最小树,进而生成路由表。

在计算过程中，以路由器附属的每一个区域为出发点，计算每一个区域的最小树(相当与一个阶段性的最小树)，区域的最小树包括该区域内部路由器和子网，该区域所知道的其它区域的子网节点，该区域所知道的ASBR路由器，ASE节点，系统根据所得的区域的最小树，逐区域改进最小树，最后生成全局的最小树，改进路由表，并根据路由表的变化，调用生成和发送连接状态传送报文的函数，向外发送新的连接信息。

下面详细介绍路由表计算过程：

1）初始化，保存旧的路由表。

2）用Dijkstra算法计算Intra_Area的路由(包括ABR)。

3）通过检查Summary LSA，计算InterArea 的路由，若Router是区域边界的ABR，则只检查Backbone的Summary_LSA。

4）Root是ABR且连着Transit Area，检查是否有更好的路由(指利用虚连接改进路由)。

5）通过AS External LSA，计算AS外部路由。

6）计算是按根节点所连的区域逐个区域来计算的，对于每一个区域，分别进行计算,且在计算过程中逐步改进路由表。

路由比较规则：

若有两个不同路由到同一个节点，按以下规则选取：

同一级别的路由比较总是选小的花费的路由.对于不同级别的路由,分为含AS外部的路由：

1）INT 路由(区域内路由与区域间路由) 在AS外路由之前考虑，即不含外部路由的路由优先于含外部路由的路由。

2）type1在ypte2之前考虑，小type2比大type2优先。

3）若新的AS外部路由仍不可从当前的路由表入口的路由区分大小，选择基于Intra_AS的到ASBR路由。 

4）仍不可分，选少花费的。

5）视为等价ASE花费路由。

例如：从路由器A有一条到路由器B的1类外部路由rt1，总的花费是100，现在路由器得到一条新的由A到B的新的路由rt2：若rt2 是自治系统内部路由，则系统将rt2加入路由表，同时删去路由表中的rt1。若rt2是2类外部路由，则系统忽略rt2路由。

不含AS外部路由的路由:

1）优先级由高到低为：

2）区域内路由

3）骨干区域内路由

区域间路由（指从经过了两个区域的路由但又不是虚连接构成的骨干区域内路由）

       比较时，先看两条路由的优先级是否相同，如果相同的话，按一定规则取的花费小的路由。花费相同的两条路由视为等价路由。如果优先级不同的话，取高优先级的路由。 

2、最小生成树计算

数据方向出端口COST之和

Cost值是所有出接口之和。

一、OSPF划分区域原因

一个大规模 OSPF 网络遇到的问题

1）网络规模很大的情况下，每台路由器的LSDB非常庞大，占用了

2）大量的存储空间。2）LSDB过于庞大导致SPF计算起来非常复杂，导致CPU负担加重。

3）如果需要LSDB进行同步时会需要很长的时间。

4）网络越大故障的概率或链路状态变化的概率越大，网络处于动荡

      的变化之中，OSPF网络中会有大量的报文传递，降低网络带宽

      的利用率，每次都会导致重新计算路由表。

解决办法: 划分区域（AREA）

（一）区域划分的规则：

每一个网段必须属于一个区域，即每个运行OSPF协议的接口必须指定属于某一个特定的区域；

区域用区域号（Area ID）来标识，区域号是一个从0开始的32位整数；

骨干区域（area0）不能被非骨干区域分割开；

非骨干区域（非area0）必须和骨干区域相连（不建议使用虚链接）。

（二）划分区域的好处

1）减少LSA（链路状态通告） 的数量。

2）屏蔽网络变化波及的范围。

       划分区域是指在逻辑上将路由器划分为不同的组，从而实现将自治系统划分成不同的区域。其中会有一个骨干域用来连接不同的区域，连接不同区域的路由器又叫区域边界路由器（ABR）,划分后一个网络只能属于一个区域。每一个运行OSPF的接口必须指明属于哪个特定的区域。区域用区域号(Area ID)来标识，取值范围0~32位整数。

二、OSPF 路由器的类型

ASBR上一般不止OSPF一个路由协议，但：如果这台路由器上没有执行任何 redistribute 的动作，它就不是ASBR

如果执行了 redistribute 的动作，它就一定是ASBR（不管 redistribute 什么路由）

一、LSA的类型

LSA类型

发起者

传递范围

描述对象

LSA1:

Router LSA

区域中的每台路由器

区域内传递

描述路由器的直连链路状态信息

LSA2:

Network LSA

DR、BDR

区域内传递

描述本网段内直连的路由器

LSA3：

Network Summary LSA

ABR

区域间传递

描述ABR所在区域内的路由信息（LSA1，LSA2）

LSA4：

ASBR Summary LSA

ABR

区域间传递

通告ABR所在区域内的ASBR信息

LSA5:

Autonomous system external LSA

ASBR

区域间传递

通告外部路由（RIP,BGP等）

第一类--路由器LSA

       描述了路由器物理接口所连接的链路或接口,指明了链路的状态，代价等。每个OSPF区域内的路由器均会产生第一类LSA，它让路由器彼此认识彼此的链路接口等,只在产生的区域内泛洪。

第二类--网络Network LSA     

       是由DR和BDR产生，它描述了OSPF区域中与其已经建立了连接关系的路由器，只在产生的区域内泛洪。

第三类--网络汇总Network summary LSA

       是由ABR发出的,它将某个区域的路由信息LSA汇总告知其他区域。也就是通知其他区域路由器要到这些网络就找这个ABR作为它们的下一跳。

第四类--ASBR Summary LSA 

      它也是由ABR发出的,但是它却是告诉其它OSPF区域路由器到某个非OSPF AS外的网络要找通告里告诉的哪个ASBR。可以理解为通告ASBR在哪儿。

第五类--自治系统外部 LSA 

     它是由ASBR产生的,用来通告自治系统外部的路由,它在整个OSPF自治系统内泛洪。

为什么需要第4类LSA

       我们知道5类LSA描述的是由ASBR路由器从外部导入到OSPF domain的路由，实际上在导入过程中就是以路由的形式导入的，我们可以形象的理解为5类LSA具体描述的是“外边的世界“，这个导入的工作由ASBR来完成。那么你要想去往这个”外边的世界“，你总得知道咋出去吧（从哪里）？这就像个你要去往某个外地，需要到个神马港口的，ASBR就是这个港口，那么我们咋知道这个港口-ASBR呢？ 通过ASBR泛洪的LSA1就能感知到ASBR的存在，然而1类LSA只在本区域内泛洪，因此与该ASBR不在同一区域的OSPF路由器就傻眼了，因为它只知道这些外部路由（5类LSA），但是不知道咋去到这个ASBR啊，这就好比你知道韩国妹纸都很正点，但是你出不了国（你不知道从哪个机场去）。咋办？OSPF就设计了另一种LSA，也就是4类LSA。

OSPF路由的组成：

一、OSPF路由的组成

二、OSPF区域类型

标准区域:

        默认的区域类型,接收链路更新，路由汇总，外部路由等。

骨干区域:

       也叫中转区域,其他区域都与之相连,0区域就是骨干区域。

末节区域:

       在该区域里不能接受OSPF AS外部的LSA信息(5、4类LSA),只接受区域间LSA和本区域内LSA,当需要到外部AS时用默认路由表示。在末节区域里不能有ASBR(否则就会出现5类LSA了)。该区域会自动生成一条默认路由，以便访问其他区域的网络。

      末节区域是为了照顾性能较差的路由器，通过减少这些路由器中的LSA来减少他们的压力

三、末节区与完全末节区的路由表变化

四、末节和完全末节区域的限制

通常只能有一个出口

域内不能有ASBR

不能是AREA 0（Backbone）

不能使用虚连接（Virtual links）

五、路由汇总

减小路由表的大小

将拓扑变化的影响限制在本地

减少 LSAs 的数量，节省 CPU 资源

                                                              一条路由信息就可以代表多个子网