OSPF路由协议——上

OSPF路由协议

RIP的不足

以跳数评估的路由并非最优路径

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  • 如果RTA选择s0/0传输，传输需时会大大缩短为3s

最大跳数为16跳，导致网络尺度小

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  • RIP协议限制网络直径不能超过16跳，并且16跳为不可达。

收敛速度慢

  • RIP 定期路由更新
    • 更新计时器：定期路由更新的时间间隔，默认为30s
    • 失效计时器：失效计时器内未收到更新，路由失效，默认180s
    • 清除计时器：清除计时器内未收到更新，路由清除，默认240s
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更新发送全部路由表，浪费网络资源

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  • 假设RTA和RTB各有1000条路由，每条路由需占用20个字节
  • 每次路由更新时，RTA和RTB之间单向需消耗至少160Kb的带宽资源

OSPF简介

什么是OSPF

  • OSPF英文全称Open Shortest Path First（开放式最短路径优先）
  • OSPF是IETF开发的一种链路状态路由协议，使用基于带宽的度量值
  • OSPF采用SPF（Shortest Path First，最短路径优先算法）算法计算路由，从算法上保证了无路由环路
  • OSPF通过邻居关系维护路由，避免了定期更新第带宽的消耗
  • OSPF路由更新效率高，网络收敛快，适用于大中型网络
  • OSPF报文封装于IP，协议号89，组播地址224.0.0.5和224.0.0.6

OSPF的基本工作原理

OSPF协议模型

  • OSPF基本协议模型
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  • LSA（Link-State Advertisement，链路状态通告）

  • LSDB（Link-State Database，链路状态数据库）

  • OSPF的四张表

OSPF基本概念——Router ID

  • 一台路由器要想运行OSPF协议，则必须存在Router ID（RID）
  • RID是一个32比特无符号整数，可以在一个自治系统中唯一的标识一台路由器。
  • RID可以手工配置，也可以自动生成。
  • 如果没有通过命令指定RID，将按照如下顺序自动生成一个RID：
    • 如果当前设备配置了Loopback接口（虚拟接口），将选取所有Loopback接口上数值最大的IP地址作为RID；
    • 如果当前设备没有配置Loopback接口，将选取它所有已经配置IP地址且链路UP的接口上数值最大的IP地址作为RID。

Router ID选举实例

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OSPF基本概念——LS

  • 链路状态（LS）：路由器周边的链路状态
    • 直连网段状态：通过接口网段和接口状态感知
      • 描述直连网段：（网段、掩码、接口开销）
    • 直连拓扑状态：通过OSPF邻居和邻居状态感知
      • 描述直连拓扑：（邻居RID、连接接口、接口开销）
    • 接口开销：OSPF参考带宽/接口带宽
      • OSPF参考带宽默认为100Mbps
      • Loopback接口的开销默认为1
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OSPF基本概念——LSA

  • 链路状态通告（LSA）
    • 按一定格式封装后的链路状态信息
      • LSA 1：路由器链路状态通告
        • 每台路由器都会发起自己的LSA1
      • LSA 2：传送网络链路状态通告
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OSPF基本概念——LSDB

  • 链路状态数据库（LSDB）
    • 每台OSPF路由器上都有一个LSDB，用于存储LSA。
    • 同一个 区域中的OSPF路由器的LSDB一致。
      • LSA封装在LSU报文中，在区域内洪泛，最终到达区域内LSDB一致。
      • LSA在洪泛过程中保持不变
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OSPF基本概念——SPF

  • SPF计算
    • 以自己LSA 1为根，进行SPF计算。
    • 各OSPF路由器单独进行SPF计算，互不影响
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SPF开销计算

  • OSPF路由开销计算
    • 以自己为根，到达目标网段的出接口的开销的和。
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  • OSPF的度量值为cost，也叫开销，是以链路的接口带宽为依据；
  • 计算的方法为10的8次方除以带宽

OSPF基本概念——OSPF网络类型

  • Broadcast广播多路访问：以太网接口
  • NBMA（Non-Broadcast Multi-Access，非广播多点访问网络）：帧中继接口
  • P2MP（Point-to-MultiPoint，点到多点）
  • P2P（Point-to-Point，点到点）：PPP HDLC接口

OSPF基本概念——OSPF报文类型与封装

OSPF报文类型作用
Hello建立并维护邻居关系
Database Description（DD）数据库内容的汇总（仅包含LSA头部）
Link State Request（LSR）请求自己没有的或者比自己更新的链路状态详细信息
Link State Update（LSU）链路状态更新信息（LSA头部和内容）
Link State Acknowledge（LSAck）对LSU的确认
  • OSPF报文封装在IP报文中，协议号为89
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OSPF报文的目的地址

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建立邻居关系（点对点）

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维持邻居关系（点对点）

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  • 邻居之间通过交换Hello报文（默认30s），确认邻居是否工作正常
  • 如果在一定的时间间隔内（120s），没有收到邻居发来的Hello报文，就认为邻居已经失效，从邻居表中删除。

DR/BDR的选举（广播多路访问）

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  • 采用DR/BDR建立邻接关系，可以降低需要维护的邻接关系的数量

除了被选举出来的DR/BDR，其他的路由器都称为DROther，只需要和DR/BDR建立邻居关系即可，不需要再依次相互建立邻接关系，所有的LSA将由DR收取，统一进行洪泛，BDR作为DR的备份路由，当DR出故障了的时候，直接替代DR成为新的DR。

DR/BDR的选举原则

  • 首先比较Hello报文中携带的优先级

    • 优先级最高的被选举为DR，优先级次高的被选举为BDR
    • 优先级为0的不参与选举

  • 优先级一致的情况下，比较Router ID

    • Router ID越大越优先

  • 保持稳定原则

    • 当DR/BDR已经选举完毕，就算一台具有更高优先级的路由器变为有效，也不会替换该网段中已经选举的DR/BDR成为新的DR/BDR

DR/BDR的选举示例一

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  • RTE后来加入网络，虽然它的Router ID比原来的DR和BDR都要高，但是出于稳定性考虑，只能成为DRother路由器

DR/BDR选举示例二

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  • 当DR失效时，BDR立刻成为新的DR
  • DRother路由进行竞争，Router ID高的成为新的BDR

邻居关系无法建立原因总结

参数配置要点
router id每台OSPF路由器的router id必须唯一
area id同一网段的所有接口应当配置在同一区域内
Interface network-type同一网络接口的类型要相同，及hello时间与hellodown时间双方要一致
network mask除了点到点网络之外，同一网段的所有端口应当配置相同的掩码
authentication type同一区域的验证类型必须一致
authentication data同一网段的验证码必须一致
extern option配置stub区域或者NSSA时，区域内所有的路由器都要指定stub特性或者NSSA特性
peerNBMA网络上的邻居需要手动指定

OSPF基本概念——邻居状态变换（邻居关系）

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OSPF基本概念——邻居状态变换（邻接关系）

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DOWN、Init、two-way（邻居）

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ExStart和Exchange（邻接）

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Loading和Full（邻接）

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包含在各种报文中的LSA信息

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LSA报文头部

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字段名长度（字节）作用说明
LS age2字节LSA 生存时间（秒），最长3600秒，超过就作废。控制 LSA 生命周期。
Options1字节支持的OSPF功能选项，比如是否支持NSSA、E位（E1/E2）、DC位等。
LS type1字节LSA 类型（例如1类Router-LSA，2类Network-LSA）
Link State ID4字节LSA的“名字”，类型不同含义不同，例如：
Router-LSA：本路由器的Router ID；
Network-LSA：DR的接口IP。
Advertising Router4 字节发出该 LSA 的路由器 ID，谁发的谁填它。
LS Sequence Number4 字节序号，新LSA比旧的号大。
用于更新判断。初始值为 0x80000001，每次变化加1。
LS Checksum2字节CRC校验，用于验证 LSA 内容是否损坏。
Length2 字节包括头部在内的 LSA 总长度（字节）。一般为20字节

Loading和Full（续）

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  • OSPF协议包具备超时重传机制
  • OSPF协议具备序列号，对重复包不做处理

泛洪新LSA

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当有新的LSA生成或者收到时，这条心的LSA应当被泛洪

泛洪新的LSA时，只需要使用LS Update报文和LS Ack报文：

1.当RTA有新的LSA要泛洪时，RTA向RTB发送一个LS Update报文，在这个报文里包含这条LSA

2.当收到新的LSA以后，RTB向RTA泛洪一个LS Ack报文进行确认。

当在两个处于完全邻接状态（邻居状态为Full）的路由器之间泛洪新的LSA时，邻居状态不受影响

广播网络中LSDB更新

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  • 在广播和NBMA网络中，链路状态发送变化时，主要是通过DR路由器发送更新报文

OSPF LSA洪范与老化

  • OSPF LSA老化
    • LSA不老化的缺点：当网络长时间中断，故障网络中的设备发起的LSA长时间无效，但仍然存储在LSDB中，浪费设备内存。
    • OSPF LSA采用递增老化
      • LSA自发起时开始计时，到达最大老化时间后，从LSDB中清除。
      • OSPF最大老化时间3600秒，LSA头部的老化时间字段用于计时。
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  • OSPF LSA老化与全网刷新
    • 正常OSPF网络的路由维护
      • SA老化时间到达最大老化时间的一半(30分钟)，发起路由器随机等待一段时间后重新发起该LSA，然后洪泛，刷新所有路由器LSDB。
      • 新发起的LSA序列号加1，老化时间为0。
    • LSA在整个洪泛过程中，除老化时间外，其余各字段都保持不变。
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泛洪新LSA（续）

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OSPF区域划分

OSPF协议分区域管理及路由器角色

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OSPF区域号

  • OSPF路由域：运行OSPF路由协议的网络
  • OSPF区域：OSPF是一种支持划分多区域的协议
    • Area ID：32位，用数字或IP地址表示
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OSPF协议区域LSA发布

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