安全运维服务中学习路由协议OSPF的个人理解
2022-11-17 0:00:00浏览量：1149编辑：管理员来源：天畅
Open Shortest Path First (OSPF) 是一个标准的路由协议，OSPF是一种基于链路状态的路由协议，也是专为 IP 开发的路由协议，直接运行在 IP 层上面。它从设计上保证了无路由环路。除此之外，IS-IS也是很常见的链路状态协议。
OSPF已经使用很多年了，几乎所有的厂家都支持 OSPF 协议，只要你在 IT 行业，你就逃不开 OSPF 协议。有多个站点的企业网络通常使用 OSPF 来连接其园区和广域网（WAN）。
静态路由写起来真的烦，配路由都是一把梭动态路由。有很多动态路由OSPF 可能没有 EIGRP 那么简单。但是，我建议别被 OSPF 协议吓到了，在大型网络中 OSPF 是很复杂，但是在小型网络中是真的简单。在这篇文章中，我将向你介绍 OSPF 主要的知识，提供一些基于OSPF报文格式的介绍，来达到了解OSPF路由协议的特性和特有的一些概念的了解。
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快速收敛，它能够在网络拓扑发生变化时，立即进行路由的重新计算，并及时向其他路由器发送最新的链路状态信息，使得各路由器的链路状态表能够尽量保持一致；
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支持可变长子网掩码，可以支持在一个网络中使用多级子网IP地址；
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提高了网络节点的可达性，因为它突破了距离矢量路由协议对15跳数的限制，支持网络中具有更多的网络节点；
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提供最佳路由的选择，它组合了网络链路的多种性能指标来计算最佳路由。
RIP是基于距离矢量算法的路由协议，应用在大型网络中存在收敛速度慢、度量值不科学、易产生路由环路、可扩展性差等问题，目前已逐渐被OSPF取代。
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RIP特性
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带来的问题
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逐跳收敛
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收敛慢，故障恢复时间长
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分布式路由计算
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缺少对全局网络拓扑的了解
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以“跳数”为度量
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存在选择次优路径的风险
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OSPF是一种基于链路状态的路由协议，它从设计上就保证了无路由环路。OSPF支持区域的划分，区域内部的路由器使用SPF最短路径算法保证了区域内部的无环路。OSPF还利用区域间的连接规则保证了区域之间无路由环路。OSPF支持触发更新，能够快速检测并通告自治系统内的拓扑变化。OSPF可以解决网络扩容带来的问题。当网络上路由器越来越多，路由信息流量急剧增长的时候，OSPF可以将每个自治系统划分为多个区域，并限制每个区域的范围。OSPF这种分区域的特点，使得OSPF特别适用于大中型网络。OSPF还可以同其他协议（比如多协议标记切换协议MPLS）同时运行来支持地理覆盖很广的网络。OSPF可以提供认证功能。OSPF路由器之间的报文可以配置成必须经过认证才能进行交换。
那么OSPF协议是如何实现的呢？面对网络扩展的需求，又该如何应对呢？
OSPF要求每台运行OSPF的路由器都了解整个网络的链路状态信息，这样才能计算出到达目的地的最优路径。OSPF的收敛过程由链路状态公告LSA（Link State Advertisement）泛洪开始，LSA中包含了路由器已知的接口IP地址、掩码、开销和网络类型等信息。收到LSA的路由器都可以根据LSA提供的信息建立自己的链路状态数据库LSDB（Link State Database），并在LSDB的基础上使用SPF算法进行运算，建立起到达每个网络的最短路径树。最后，通过最短路径树得出到达目的网络的最优路由，并将其加入到IP路由表中。
Step1：邻居建立
Step2：同步链路状态数据库
Step3：计算最优路由
Router ID用于在自治系统中唯一标识一台运行OSPF的路由器，每台运行OSPF的路由器都有一个Router ID。
Hello报文发现并建立邻居，A邻居发现：自动发现邻居路由器；B邻居建立：完成hello报文中的参数协商，建立邻居关系；C邻居保持：通过keepalive机制，检测邻居运行状态。
链路状态信息主要包括：A链路的类型；B接口IP地址及掩码；C链路上所连接的邻居路由器；D链路的带宽（开销）。
OSPF直接运行在IP协议之上，使用IP协议号89，共有五种报文类型，每种报文都使用相同的OSPF报文头。
1. Hello报文：最常用的一种报文，用于发现、维护邻居关系。并在广播和NBMA（None-Broadcast Multi-Access）类型的网络中选举指定路由器DR（Designated Router）和备份指定路由器BDR（Backup Designated Router）。
2. DD报文：两台路由器进行LSDB数据库同步时，用DD报文来描述自己的LSDB。DD报文的内容包括LSDB中每一条LSA的头部（LSA的头部可以唯一标识一条LSA）。LSA头部只占一条LSA的整个数据量的一小部分，所以，这样就可以减少路由器之间的协议报文流量。
3. LSR报文：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LSDB所缺少的，这时需要发送LSR报文向对方请求缺少的LSA，LSR只包含了所需要的LSA的摘要信息。
4. LSU报文：用来向对端路由器发送所需要的LSA。
5. LSACK报文：用来对接收到的LSU报文进行确认。
1.ExStart：邻居状态变成此状态以后，路由器开始向邻居发送DD报文。Master/Slave关系是在此状态下形成的，初始DD序列号也是在此状态下确定的。在此状态下发送的DD报文不包含链路状态描述。2.Exchange：在此状态下，路由器与邻居之间相互发送包含链路状态信息摘要的DD报文。3.Loading：在此状态下，路由器与邻居之间相互发送LSR报文、LSU报文、LSAck报文。4.Full：LSDB同步过程完成，路由器与邻居之间形成了完全的邻接关系。
1.RTA和RTB的Router ID分别为1.1.1.1和2.2.2.2并且二者已建立了邻居关系。当RTA的邻居状态变为ExStart后，RTA会发送第一个DD报文。此报文中，DD序列号被随机设置为X，I-bit设置为1，表示这是第一个DD报文，M-bit设置为1，表示后续还有DD报文要发送，MS-bit设置为1，表示RTA宣告自己为Master。
2.当RTB的邻居状态变为ExStart后，RTB会发送第一个DD报文。此报文中，DD序列号被随机设置为Y（I-bit=1，M-bit=1，MS-bit=1，含义同上）。由于RTB的Router ID较大，所以RTB将成为真正的Master。收到此报文后，RTA会产生一个Negotiation-Done事件，并将邻居状态从ExStart变为Exchange。
3.当RTA的邻居状态变为Exchange后，RTA会发送一个新的DD报文，此报文中包含了LSDB的摘要信息，序列号设置为RTB在步骤2中使用的序列号Y，I-bit=0，表示这不是第一个DD报文，M-bit=0，表示这是最后一个包含LSDB摘要信息的DD报文，MS-bit=0，表示RTA宣告自己为Slave。收到此报文后，RTB会产生一个Negotiation-Done事件，并将邻居状态从ExStart变为Exchange。
4.当RTB的邻居状态变为Exchange后，RTB会发送一个新的DD报文，此报文包含了LSDB的摘要信息，DD序列号设置为Y+1, MS-bit=1，表示RTB宣告自己为Master。
虽然RTA不需要发送新的包含LSDB摘要信息的DD报文，但是作为Slave，RTA需要对Master发送的每一个DD报文进行确认。所以，RTA向RTB发送一个新的DD报文，序列号为Y+1，该报文内容为空。发送完此报文后，RTA产生一个Exchange-Done事件，将邻居状态变为Loading。RTB收到此报文后，会将邻居状态变为Full（假设RTB的LSDB是最新最全的，不需要向RTA请求更新）。
1.RTA开始向RTB发送LSR报文，请求那些在Exchange状态下通过DD报文发现的、并且在本地LSDB中没有的链路状态信息。
2.RTB向RTA发送LSU报文，LSU报文中包含了那些被请求的链路状态的详细信息。RTA在完成LSU报文的接收之后，会将邻居状态从Loading变为Full。
3.RTA向RTB发送LSAck报文，作为对LSU报文的确认。RTB收到LSAck报文后，双方便建立起了完全的邻接关系。
从建立邻居关系到同步LSDB的过程较为复杂，错误的配置或设备链路故障都会导致无法完成LSDB同步。为了快速排障，最关键的是要理解不同状态之间切换的触发原因。
DR和BDR可以减少邻接关系的数量，从而减少链路状态信息以及路由信息的交换次数，这样可以节省带宽，降低对路由器处理能力的压力。一个既不是DR也不是BDR的路由器只与DR和BDR形成邻接关系并交换链路状态信息以及路由信息，这样就大大减少了大型广播型网络和NBMA网络中的邻接关系数量。在没有DR的广播网络上，邻接关系的数量可以根据公式n(n-1)/2计算出，n代表参与OSPF的路由器接口的数量。在本例中，所有路由器之间有6个邻接关系。当指定了DR后，所有的路由器都与DR建立起邻接关系，DR成为该广播网络上的中心点。BDR在DR发生故障时接管业务，一个广播网络上所有路由器都必须同BDR建立邻接关系。本例中使用DR和BDR将邻接关系从6减少到了5，RTA和RTB都只需要同DR和BDR建立邻接关系，RTA和RTB之间建立的是邻居关系。此例中，邻接关系数量的减少效果并不明显。但是，当网络上部署了大量路由器时，比如100台，那么情况就大不一样了。
在邻居发现完成之后，路由器会根据网段类型进行DR选举。在广播和NBMA网络上，路由器会根据参与选举的每个接口的优先级进行DR选举。优先级取值范围为0-255，值越高越优先。缺省情况下，接口优先级为1。如果一个接口优先级为0，那么该接口将不会参与DR或者BDR的选举。如果优先级相同时，则比较Router ID，值越大越优先被选举为DR。为了给DR做备份，每个广播和NBMA网络上还要选举一个BDR。BDR也会与网络上所有的路由器建立邻接关系。为了维护网络上邻接关系的稳定性，如果网络中已经存在DR和BDR，则新添加进该网络的路由器不会成为DR和BDR，不管该路由器的Router Priority是否最大。如果当前DR发生故障，则当前BDR自动成为新的DR，网络中重新选举BDR；如果当前BDR发生故障，则DR不变，重新选举BDR。这种选举机制的目的是为了保持邻接关系的稳定，使拓扑结构的改变对邻接关系的影响尽量小。
OSPF支持将一组网段组合在一起，这样的一个组合称为一个区域。划分OSPF区域可以缩小路由器的LSDB规模，减少网络流量。
区域内的详细拓扑信息不向其他区域发送，区域间传递的是抽象的路由信息，而不是详细的描述拓扑结构的链路状态信息。每个区域都有自己的LSDB，不同区域的LSDB是不同的。路由器会为每一个自己所连接到的区域维护一个单独的LSDB。由于详细链路状态信息不会被发布到区域以外，因此LSDB的规模大大缩小了。Area 0为骨干区域，为了避免区域间路由环路，非骨干区域之间不允许直接相互发布路由信息。因此，每个区域都必须连接到骨干区域。运行在区域之间的路由器叫做区域边界路由器ABR（Area Boundary Router），它包含所有相连区域的LSDB。自治系统边界路由器ASBR（Autonomous System Boundary Router）是指和其他AS中的路由器交换路由信息的路由器，这种路由器会向整个AS通告AS外部路由信息。
在规模较小的企业网络中，可以把所有的路由器划分到同一个区域中，同一个OSPF区域中的路由器中的LSDB是完全一致的。OSPF区域号可以手动配置，为了便于将来的网络扩展，推荐将该区域号设置为0，即骨干区域。
在配置OSPF时，需要首先使能OSPF进程。命令ospf [process id]用来使能OSPF，在该命令中可以配置进程ID。如果没有配置进程ID，则使用1作为缺省进程ID。命令ospf [process id] [router-id <router-id>]既可以使能OSPF进程，还同时可以用于配置Router ID。在该命令中，router-id代表路由器的ID。命令network用于指定运行OSPF协议的接口，在该命令中需要指定一个反掩码。反掩码中，“0”表示此位必须严格匹配，“1”表示该地址可以为任意值。命令display ospf peer可以用于查看邻居相关的属性，包括区域、邻居的状态、邻接协商的主从状态以及DR和BDR情况。
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OSPF 协议需要有关复杂网络的高级知识，因此不像其他一些协议那样容易学习。
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当有更多路由器添加到网络时，OSPF 路由不会扩展。OSPF 协议缺乏可扩展性使其不适合跨 Internet 路由。
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OSPF 协议维护路由信息的多个副本，增加了所需的内存量。
OSPF的复杂度，真让人感叹，现在回想起来，精通OSPF就是大牛了，我觉得起码要几个方面都做到吧。
在OSPF的疑难解答方面，不说来一个答一个，起码立刻能找到分析问题的方法，找到并正确定位问题；
就是对协议的发展要心中有数，网络技术的不断发展，对路由协议也提出了各种各样新的要求，并且对协议进行着不断扩展。作为一个精通OSPF协议的人，需要关注这些新技术的发展方向这是理所当然的。