OSPF
OSPF特性
- OSPFv2开放路径最短优先路由协议（RFC2328，用于IPV4网络中）
- OSPF仅传播对端设备不具备的路由信息，路由器之间传递的是LSA
- 网络收敛迅速，并有效避免了网络资源浪费
- 直接工作于IP层之上，IP协议号为89
- 无环路
- 区域内防环（SPF算法计算得出的最短路径树（SPF树）本身无环）
- 区域间防环（LSA3类防环规则，所有的非0区域必须直接和区域0相连）
- OSPF使用组播地址发送协议报文
- 224.0.0.5：发送Hello包；点到点网络类型下发送LSU。多点可达网络类型，DR给DROther发送LSU
- 224.0.0.6：多点可达网络类型，DRother给DR/BDR发送LSU
- 支持区域划分
- 方便管理
- 减少LSDB的泛洪范围，减少设备的新能消耗，提高SPF算法的效率
- 稳定性比较好，一个区域内拓扑信息的变化不会影响到其他的区域
- 能支持汇总以及过滤（只能在ABR\ASBR上进行）
工作过程
- 发现并且建立OSPF的邻居关系
- 泛洪LSA（包含路由信息以及拓扑信息）
- 形成LSDB，构建整网（区域）拓扑,整个区域LSDB同步
- 进行SPF算法，得出最短路径树
- 将路由信息放入最短路径树，计算出路由
分层路由
允许将一个AS分为若干区域；最小化路由更新流量。所有区域有且只有一个。
- 骨干区域：area ID为0，连接所有非骨干区域，负责非骨干区域之间的通讯
- 非骨干（标准）区域：area ID为非0，只负责本区域的SPF树构建，需要访问其他区域必须通过骨干区域（防环）
- 特殊区域：属于标准区域的一种，但是在标准区域基础增加了自动过滤LSA的特性
区域划分的优点
- 方便管理
- 减少LSDB的泛洪范围，减少设备的新能消耗，提高SPF算法的效率
- 稳定性比较好，一个区域内拓扑信息的变化不会影响到其他的区域
- 能支持汇总以及过滤（只能在ABR\ASBR上进行）
OSPF相关概念
路由器角色
IR（区域内路由器 Internal Router）
该类设备的所有接口都属于同一个OSPF区域
ABR（区域边界路由器 Area Border Router）
该类路由器可以同时属于两个以上的区域，但其中一个接口必须在骨干区域。ABR用来连接骨干区域和非骨干区域，它与骨干区域之间既可以是物理连接，也可以是逻辑上的连接
- 完全意义的ABR：至少有一个接口在骨干区域以及非骨干区域，并且和骨干区域要存在一个full的邻接关系
- 非完全意义的ABR：至少有一个接口在骨干区域以及非骨干区域，但是和骨干区域不存在任何的邻居关系
- 相同点：都能产生LSA3类
- 不同点：对LSA3类的防环规则不同
BR（骨干路由器 Backbone Router）
该类路由器至少有一个接口属于骨干区域。所有的ABR和位于Area0的内部路由器都是骨干路由器
ASBR（自治系统边界路由器 AS Boundary Router）
与其他AS交换路由信息的路由器称为ASBR。ASBR并没有特定的位置要求，它可能位于普通的区域，也可能是ABR。只要一台OSPF路由器引入了外部路由的信息，它就成为ASBR
网络类型
Broadcast类型（广播）
- 当链路层协议是Ethernet、FDDI时，缺省情况下，OSPF认为网络类型是Broadcast
- 通常以组播形式发送Hello报文、LSU报文和LSAck报文。其中，224.0.0.5的组播地址为OSPF路由器的预留IP组播地址；224.0.0.6的组播地址为OSPF DR的预留IP组播地址。以单播形式发送DD报文和LSR报文
- DR选举作用
- 主要减少LSA的泛洪以及MA网络中充当虚节点
- MA网络必须存在DR，否则无法构建MA网络的拓扑
- 选举方式
- 优先级大优先（优先级范围0-255）
- router id 大优先
- 优先级为0，主动放弃DR选举，一个网段里优先都为0，那选不出DR,不能达到full
- OSPF的选举先选举BDR，再选举DR；在选举期（10s）到期前，当前最优的路由器暂定为BDR，在选举期到后，最优的路由器会被确认为DR
- DR和BDR一旦选定，即使OSPF区域内新增优先级更高的路由器，DR和BDR也不重新选举，只有当DR和 BDR都失效后，才重新选举
- 一个MA网不能存在多个DR，否则路由计算会有问题
- DRother和DRother之间的邻居关系只能是2-way
- 只有在广播或NBMA网络中才会选举DR；在P2P或P2MP网络中不需要选举DR
P2P（点到点）类型
- 当链路层协议是PPP、HDLC时，缺省情况下，OSPF认为网络类型是P2P
- 以组播形式（224.0.0.5）发送协议报文（Hello报文、DD报文、LSR报文、LSU报文、LSAck报文）
NBMA类型（非广播多点可达 Non-broadcast multiple access）
当链路层协议是ATM或FR时，缺省情况下，OSPF认为网络类型是NBMA
以单播形式发送协议报文（Hello报文、DD报文、LSR报文、LSU报文、LSAck报文）
需手工配置邻居
如果在中心到节点的网络结构下使用NBMA需要的注意问题
- DR必须在中心节点上，否则会导致LSA学习不全
- 需要在节点上手工写fr map（IP地址和DLCI的映射）
P2MP（点到多点 Point-to-Multipoint） 类型
没有一种链路层协议会被缺省的认为是P2MP 类型。点到多点必须是由其他的网络类型强制更改的。常用做法是将非全连通的NBMA改为点到多点的网络
以组播形式（224.0.0.5）发送Hello报文，以单播形式发送其他协议报文（DD报文、LSR报文、LSU报文、LSAck报文）
会为接口生成32为的主机路由
在FR/ATM网络下使用P2MP需要的注意问题：链路必须启用为广播功能
| 网络类型 | 缺省链路层协议 | Hell0时间/Dead时间 | 选举DR/BDR |
|---|---|---|---|
| Broadcast（广播多点可达） | 以太网、FDDI | 10S/40S | 选 |
| P2P（点到点） | Serial（PPP/HDLC） | 10S/40S | 不选 |
| NBMA（非广播多点可达） | Serial（FR） | 30S/120S | 选 |
| P2MP（点到多点） | 必须人工指定 | 30S/120S | 不选 |
建议：将物理拓扑是点到点的以太网接口网络类型修改为P2P
区域类型
普通区域（E=1 N=0）：
区域0（骨干区域），所有的非0区域（所有区域有且只能有一个）必须与区域0相连（为了防止路由环路），无法与区域0相连的区域要建立虚连接
只有非0区域可以被配置为特殊区域。虚连接不能穿越特殊区域
特殊区域
作用：减少某些区域内路由器的LSDB和路由表的大小。
Stub区域（E=0 N=0）：
- Stub区域的ABR会将区域间的路由信息传递到本区域，但不会引入自治系统外部路由，为保证到自治系统外的路由依旧可达，该区域的ABR将生成一条缺省路由Type-3 LSA，发布给本区域中的其他非ABR路由器。
- Totally Stub区域的ABR不会将区域间的路由信息和自治系统外部路由信息传递到本区域。为保证到本自治系统的其他区域和自治系统外的路由依旧可达，该区域的ABR将生成一条缺 省路由Type-3 LSA，发布给本区域中的其他非ABR路由器。
NSSA区域（E=0 N=1）：
- NSSA（Not-So-Stubby Area）区域是Stub区域的变形，与Stub区域的区别在于 NSSA区域允许引入自治系统外部路由，由ASBR发布Type-7 LSA通告给本区域。当 Type-7 LSA到达NSSA的ABR时，由ABR将Type-7 LSA转换成Type-5 LSA，传播到其他区域。
- Totally NSSA区域，该区域的ABR不会将区域间的路由信息传递到本区域。为保证到本自治系统的其他区域的路由依旧可达，该区域的ABR将生成一条缺省路由Type-3 LSA，发布给本区域中的其他非ABR路由器
特殊区域中的LSA类型
| 区域类型 | 1类 | 2类 | 3类 | 4类 | 5类 | 7类 | 缺省LSA |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 普通区域 | √ | √ | √ | √ | √ | X | 手动下发 5类 |
| STUB | √ | √ | √ | X | X | X | ABR自动下发 3类 |
| 完全STUB | √ | √ | X | X | X | X | ABR自动下发 3类 |
| NSSA | √ | √ | √ | X | X | √ | ABR手动下发 7类 |
| 完全NSSA | √ | √ | X | X | X | √ | ABR自动下发 3类 |
OSPF状态机
Down：这是邻居的初始状态，表示没有从邻居收到任何信息。在NBMA网络上，此状态下仍然可以向静态配置的邻居发送Hello报文，发送间隔为PollInterval，通常和RouterDeadInterval间隔相同。
Attempt：此状态只在NBMA网络上存在，表示没有收到邻居的任何信息，但是已经周期性的向邻居发送报文，发送间隔为HelloInterval。如果RouterDeadInterval间隔内未收到邻居的Hello报文，则转为Down状态。
Init：在此状态下，路由器已经从邻居收到了Hello报文，但是在该报文的邻居列表字段中没有自己的router-id，表示邻居尚未收到本端发送的Hello消息，两台路由器之间未建立双向通信关系。在此状态下路由器发送Hello报文的时候要把邻居的router-id添加到邻居列表中。
2-WayReceived：此事件表示路由器发现与邻居的双向通信已经确认（在邻居发送的Hello报文的邻居列表中发现自己的router-id)。Init状态下产生此事件之后，如果需要和邻居建立邻接关系则进入ExStart状态，开始数据库同步过程，如果不能与邻居建立邻接关系则进入2-Way状态。
- 2-Way：在此状态下，双向通信已经建立，但是没有与邻居建立邻接关系。这是建立邻接关系以前的最高级状态。
- 1-WayReceived：此事件表示路由器发现在邻居发送的Hello报文的邻居列表中没有自己的router-id，这通常是由于对端邻居重启造成的。
- 影响OSPF邻居建立的因素
- Router ID 一个AS中不能相同
- 区域ID要一样
- 地址要唯一，掩码要一样（广播网络）
- 生存时间和死亡时间一样
- 验证通过
- 特殊区域标志位想通
ExStart：这是形成邻接关系的第一个步骤，邻居状态变成此状态以后，路由器开始向邻居发送DD报文，协商两台路由器之间的主从关系；决定初始DD报文的序列号；但是在此状态下发送的DD报文不包含链路状态描述。
Exchange：此状态下路由器相互发送包含链路状态信息摘要的DD报文，描述本地LSDB的内容。
Loading：邻居路由器之间使用LSR/LSU/LSAck报文交换LSA，同步LSDB。
Full：两台邻居路由器的LSDB已经同步。
OSPF路由计算
选路原则
- 同一区域下所有路由器的LSDB同步
- 先比较路由类型：区域内>区域间>type 1外部>type 2外部
- 路由类型相同再比较路由COST
- SPF路由器根据LSDB的内容构建出带有开销的地图
- 运行SPF算法，计算出去往目的网络的最优路径
- 出接口开销：$cost=\frac {10^8bit} {bandwidth}=\frac {100Mb} {bandwidth}$（bandwidth 链路带宽，$10^8bit$为参考带宽，可通过命令
bandwidth-reference修改） - 路由COST：去往目的网段所有出接口开销之和
路由维护
- 网络没有拓扑改变OSPF协议是安静的路由协议，每隔30分钟更新LSA
- 网络拓扑发生改变，OSPF触发更新
- LSA的老化时间是1小时
OSPF引入缺省路由
default-route-advertise：仅当本路由器路由表中存在缺省路由时，才能下发OSPF缺省LSA。default-route-advertise always：不论本路由器路由表中是否存在缺省路由，始终能够下发OSPF缺省LSA。
注意：import-route命令不能引入OSPF缺省路由！！！！
OSPF路由聚合
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注意：
- 必须在始发3类LSA的ABR上做聚合
- 必须在路由来源的区域视图下做聚合
- 不加not-advertise，则只发聚合，不发明细；
- 加not-advertise，则不发聚合，不发明细，相当于做OSPF区域间路由过滤。
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注意：
- 必须在始发5类LSA的ASBR上做聚合
- 不加not-advertise，则只发聚合，不发明细；
- 加not-advertise，则不发聚合，不发明细，相当于做OSPF外部路由过滤。
OSPF高级特性
收敛特性
FULL-SPF：完全SPF计算
- 构建整个SPF树，针对树上的每个节点进行计算
I-SPF：增量SPF计算
- 只对受影响的节点进行SPF路径计算
部分路由计算PRC
- 只对发生变化的路由进行重新计算，不是进行路径计算
- 根据I-SPF算出来的SPT来更新路由
- 对接口翻动等原因带来的网络不稳定，进行智能控制，减少LSA洪泛
按优先级收敛
- 可以通过IP前缀列表等将特定路由过滤出来，通过对不同的路由配置不同的收敛优先级，达到重要的路由先收敛的目的，提高网络的可靠性
提高OSPF的收敛速度
- 修改hello时间
- 与BFD联动
- 修改智能定时器
- 修改OSPF的网络类型
- 按优先级收敛，能够让某些特定的路由优先收敛的一种技术
- smart-discover MA网络的接口下配置，收到hello无需等待hello包的周期时间到期就可以立即触发hello报文
虚连接
应用场景
- 骨干区域被分割
- 非骨干区域没有与骨干区域直连相连
- 不存在骨干区域
- 解决次优路径问题
配置vlink要注意的问题
- 在非骨干区域的边界路由器上配置
- vlink peer指定是对方路由当前router id
- 虚链路的接口开销计算：等于实际经过物理链路最小COST的总和
vlink会带来的影响
- 增加网络的复杂性
- 增加非骨干区域路由器的负担
- 无法针对vlink所在的区域做汇总
- 不能随意修改router id
- VLINK配置不当会导致环路
认证
认证分类
- 接口认证：接口下配置认证
- 区域认证：区域下配置认证，最终应用到该区域下所有接口
- 特点
- 接口认证和区域认证同时配置，接口认证优先于区域
- 一端配置接口认证另配置区域认证，只要认证的密码和类型一致，不会影响邻居关系建立
- 配置接口认证较灵活， 区域认证可以减少配置量
- 配置area 0认证之后，注意也要在vlink所处的设备也进行认证（ara0 或vlink-peer下配置）
- OSPF的认证数据放在OSPF的报文头部中，所以OSPF的所有报文都要进行认证
认证方式
- Null（不认证）
- Simple
- MD5
- HMAC-MD5
- keychain
秘钥链，在不同的时间段启用不同的key，安全更高
OSPF报文与LSA
报文格式
报文组成：报文头+内容
报文头字段
Version（1字节）：版本，OSPF的版本号。对于OSPFv2来说，其值为2
Type（1字节）：类型，OSPF报文的类型
Packet length（2字节）：OSPF报文的总长度，包括报文头在内，单位为字节
Router ID（4字节）：发送该报文的路由器标识
Area ID（4字节）：发送该报文的所属区域
Checksum（2字节）：校验和，包含除了认证字段的整个报文的校验和
AuType（2字节）：验证类型，值有如下几种表示， 0：不验证；1：简单认证；2：MD5认证
Authentication（8字节）：鉴定字段，其数值根据验证类型而定
- 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
报文类型
Hello报文（Type1）
作用：建立和维护邻接关系，周期性的在使能了OSPF的接口上发送。报文内容包括一些定时器的数值、DR、BDR以及自己已知的邻居
字段：
Network Mask（32比特）：发送Hello报文的接口所在网络的掩码
HelloInterval（16比特）：发送Hello报文的时间间隔
Options（8比特)：可选项
- DN：在MPLS VPN双PE防环的时候使用
- O：该字段指出始发路由器支持Opaque LSA（类型9、类型10和类型11），不透明的LSA如TE的隧道的建立
- DC：按需链路位，如果表示为1，支持按需链路，如果对方路由器不支持，会失去按需链路的特性，然后建立邻居
- EA：当始发路由器具有接收和转发External-Attributes-LSA（Type8 LSA）的能力时，该位被置位。OSPF引入BGP是否可以带BGP属性
- N/P
- N位：只用在Hello数据包中,表示支持NSSA区域，邻居之间必须一致
- P位：只用在NSSA LSA。该位将告诉NSSA区域的ABR路由器将7类LSA转换为5类LSA。在NSSA的ABR上引入外部P＝0
- E：表示是否支持外部路由，邻居之间必须一致
- MC：转发IP组播报文
- MT位：表示始发路由器支持多拓扑OSPF。同一OSPF进程是否一起支持IPv4，v6
Rtr Pri（8比特）：DR优先级。默认为1。如果设置为0，则路由器不能参与DR或BDR的选举
RouterDeadInterval（32比特）：失效时间。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，通常为四倍HelloInterval
Designated Router（32比特）：发送Hello报文的路由器所选举出的DR的IP地址。如果设置为0.0.0.0，表示未选举DR路由器
Backup Designated Router（32比特）：发送Hello报文的路由器所选举出的BDR的IP地址。如果设置为0.0.0.0，表示未选举BDR路由器
Neighbor（32比特）：邻居路由器的Router ID列表。表示本路由器已经从该邻居收到合法的Hello报文
重要参数：建立OSPF邻居关系时会对Hello包内如下参数做检查
- Router id：必须唯一
- Hello时间/Dead时间：必须相同
- 区域ID：必须相同
- 特殊区域类型：必须相同。
DD报文（Type2）
作用：描述自己的LSDB，进行数据库的同步。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
字段：
Interface MTU（16比特）：在不分片的情况下，此接口最大可发出的IP报文长度
Options（8比特）：可选项，同Hello报文
I位（1比特）：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)位（1比特）：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
M/S (Master/Slave)位（1比特)：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
- 一开始都会以自己为主，发送DD报文，然后比较Router id，Router id大为主，小为从
- 选举完成之后，由从路由器先发出DD报文，DD报文中包含LSA head信息
DD sequence number（32比特）：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
LSA Headers（可变长）：该DD报文中所包含的LSA的头部信息
LSR报文（Type3）
作用：向对方请求所需的LSA。内容包括所需要的LSA的摘要
字段：
LS type（32比特）：LSA的类型号
Link State 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（32比特)：产生此LSA的路由器的Router ID
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
LSU报文（Type4）
作用：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
字段：
Number of LSAs（32比特)：LSA的数量
LSA：明细LSA信息，常用的LSA共有6种
LSACK报文（Type5）
作用：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
字段：
LSAs Headers（可变）：通过LSA的头部信息确认收到该LSA
LSA类型
Type-1:路由器LSA
作用：描述路由器自身的直连链路信息（邻居、网段、开销）
始发者：每一台运行OSPF的路由器
Link State ID：始发该LSA的路由器的Router-id(描述谁的信息)
ADV Router：始发该LSA的路由器的Router-id(谁产生)
洪范范围：始发该LSA的区域内，不能离开始发区域。由DR产生，描述本网段所有路由器的链路状态，仅在其始发的区域内传播
Type-2:网络LSA
作用：描述多点可达环境中的路由器、网段、掩码信息
始发者：DR
Link State ID：DR的接口IP
ADV Router：始发该LSA的DR的Router-id
洪范范围：始发该LSA的区域内，不能离开始发区域。
Type-3:汇总LSA
作用：描述区域间的路由信息
始发者：ABR
Link State ID：区域间传递路由的网络号
ADV Router：始发或转发该LSA的ABR的Router-id
洪范范围：区域内洪范，ABR在区域间转发时做相应修改（ARV Router/COST）
注意：正因为3类LSA描述的是路由信息，而非链路状态信息，因此，OSPF区域间是类似于距离矢量的工作原理！因此，OSPF规定所有的非0区域必须直接和区域0相连，目的是为了在区域间防止环路！
Type-4:ASBR总汇LSA
作用：通告ASBR的可达性
始发者：ABR
Link State ID：ASBR的Router-id
ADV Router：始发或转发该LSA的ABR的Router-id
洪范范围：区域内洪范，ABR在区域间转发时做相应修改（ARV Router/COST）
Type-5:AS外部LSA
作用：描述AS外部路由信息（被引入的路由信息）
始发者：ASBR
Link State ID：AS外部路由信息的网络号
ADV Router：ASBR的Router-id
洪范范围：整个OSPF路由域（特殊区域除外）
- Type 1外部路由：5类LSA的cost+路由器到ASBR的cost
- Type 2外部路由：5类LSA的cost（缺省情况下使用type 2的开销计算方式）
Type-7:NSSA区域的AS外部LSA
作用：描述NSSA区域引入的AS外部路由信息（被引入的路由信息）
始发者：NSSA区域的ASBR
Link State ID：NSSA区域引入的AS外部路由信息的网络号
ADV Router：NSSA区域的ASBR的Router-id
洪范范围：NSSA区域内
：NSSA区域内