开放式最短路径优先OSPF(Open Shortest Path First)是IETF组织开发的一个基于链路状态的内部网关协议(Interior Gateway Protocol)。
目前针对IPv4协议使用的是OSPF Version 2
目录
- 为什么需要OSPF
- OSPF基础
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- [Router ID](#Router ID)
- 链路状态
- COST
- 报文类型
- OSPF支持的网络类型
- DR和BDR
- 在广播网络中建立OSPF邻接关系
- 在NBMA网络中建立OSPF邻接关系
- 在点到点/点到多点网络中建立OSPF邻接关系
为什么需要OSPF
在OSPF出现前,网络上广泛使用RIP(Routing Information Protocol)作为内部网关协议。
由于RIP是基于距离矢量算法的路由协议,存在着收敛慢、路由环路、可扩展性差等问题,所以逐渐被OSPF取代。
OSPF作为基于链路状态的协议,能够解决RIP所面临的诸多问题。此外,OSPF还有以下优点:
- OSPF采用组播形式收发报文,这样可以减少对其它不运行OSPF路由器的影响。
- OSPF支持无类型域间选路(CIDR)。
- OSPF支持对等价路由进行负载分担。
- OSPF支持报文加密。
由于OSPF具有以上优势,使得OSPF作为优秀的内部网关协议被快速接收并广泛使用。
OSPF基础
Router ID
如果要运行OSPF协议,必须存在Router ID。Router ID是一个32比特无符号整数,是一台路由器在自治系统中的唯一标识。
Router ID的设定有两种方式:
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通过命令行手动配置,在实际网络部署中,建议手工配置OSPF的Router ID,因为这关系到协议的稳定。
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通过协议自动选取。
如果没有手动配置Router ID,设备会从当前接口的IP地址中自动选取一个作为Router ID。其选取顺序是:
1. 优先从Loopback地址中选择最大的IP地址作为Router ID。
- 如果没有配置Loopback接口,则在接口地址中选取最大的IP地址作为Router ID。
在路由器运行了OSPF并确定了Router ID后,如果该Router ID对应的接口Down或者接口消失(例如执行了undo interface loopback loopback-number)或者出现更大的IP地址,OSPF将仍然保持原Router ID。只有重新配置系统的Router ID或者OSPF的Router ID,并且重新启动OSPF进程后,才会进行Router ID的重新选取。
链路状态
OSPF是一种链路状态协议。可以将链路视为路由器的接口。链路状态是对接口及接口与相邻路由器的关系的描述。例如接口的信息包括接口的IP地址、掩码、所连接的网络的类型、连接的邻居等。所有这些链路状态的集合形成链路状态数据库。
COST
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OSPF使用cost"开销"作为路由度量值。
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每一个激活OSPF的接口都有一个cost值。OSPF接口cost=100M/接口带宽,其中100M为OSPF的参考带宽(reference-bandwidth)。
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一条OSPF路由的cost由该路由从路由的起源一路到达本地的所有入接口cost值的总和
报文类型
报文类型 | 报文作用 |
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Hello报文 | 周期性发送,用来发现和维持OSPF邻居关系 |
DD报文(Database Description packet) | 描述本地LSDB(Link State Database)的摘要信息,用于两台设备进行数据库同步 |
LSR报文(Link State Request packet) | 用于向对方请求所需的LSA。设备只有在OSPF邻居双方成功交换DD报文后才会向对方发出LSR报文 |
LSU报文(Link State Update packet) | 用于向对方发送其所需要的LSA |
LSAck报文(Link State Acknowledgment packet) | 用来对收到的LSA进行确认 |
OSPF支持的网络类型
网络类型 | 含义 |
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广播类型(Broadcast) | 当链路层协议是Ethernet、FDDI时,缺省情况下,OSPF认为网络类型是Broadcast。在该类型的网络中: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设备的预留IP组播地址;224.0.0.6的组播地址为OSPF DR/BDR( Backup Designated Router)的预留IP组播地址。以单播形式发送DD报文和LSR报文。 |
NBMA类型(Non-Broadcast Multi-Access) | 当链路层协议是帧中继、X.25时,缺省情况下,OSPF认为网络类型是NBMA。在该类型的网络中,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)。 |
点到多点P2MP类型(Point-to-Multipoint) | 没有一种链路层协议会被缺省的认为是Point-to-Multipoint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。在该类型的网络中: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)。 |
点到点P2P类型(point-to-point) | 当链路层协议是PPP、HDLC和LAPB时,缺省情况下,OSPF认为网络类型是P2P。在该类型的网络中,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) |
DR和BDR
在广播网和NBMA网络中,任意两台路由器之间都要传递路由信息。如图所示,网络中有n台路由器,则需要建立n*(n-1)/2个邻接关系。这使得任何一台路由器的路由变化都会导致多次传递,浪费了带宽资源。为解决这一问题,OSPF定义了指定路由器DR和备份指定路由器BDR。通过选举产生DR(Designated Router)后,所有路由器都只将信息发送给DR,由DR将网络链路状态LSA广播出去。除DR和BDR之外的路由器(称为DR Other)之间将不再建立邻接关系,也不再交换任何路由信息,这样就减少了广播网和NBMA网络上各路由器之间邻接关系的数量。
选举DR前后对比图
- 如果DR由于某种故障而失效,则网络中的路由器必须重新选举DR,并与新的DR同步。这需要较长的时间,在这段时间内,路由的计算有可能是不正确的。为了能够缩短这个过程,OSPF提出了BDR(Backup Designated Router)的概念。BDR是对DR的一个备份,在选举DR的同时也选举出BDR,BDR也和本网段内的所有路由器建立邻接关系并交换路由信息。当DR失效后,BDR会立即成为DR。由于不需要重新选举,并且邻接关系已建立,所以这个过程非常短暂,这时还需要再重新选举出一个新的BDR,虽然一样需要较长的时间,但并不会影响路由的计算。
- DR和BDR不是人为指定的,而是由本网段中所有的路由器共同选举出来的。路由器接口的DR优先级决定了该接口在选举DR、BDR时所具有的资格。本网段内DR优先级大于0的路由器都可作为"候选人"。选举中使用的"选票"就是Hello报文。每台路由器将自己选出的DR写入Hello报文中,发给网段上的其他路由器。当处于同一网段的两台路由器同时宣布自己是DR时,DR优先级高者胜出。如果优先级相等,则Router ID大者胜出。如果一台路由器的优先级为0,则它不会被选举为DR或BDR。
在广播网络中建立OSPF邻接关系
在广播网络中,DR、BDR和网段内的每一台路由器都形成邻接关系,但DR other之间只形成邻居关系。
如图所示,在广播网络中建立OSPF邻接关系的过程如下:
- 建立邻居关系
- RouterA的一个连接到广播类型网络的接口上激活了OSPF协议,并发送了一个Hello报文(使用组播地址224.0.0.5)。此时,RouterA认为自己是DR路由器(DR=1.1.1.1),但不确定邻居是哪台路由器(Neighbors Seen=0)。
- RouterB收到RouterA发送的Hello报文后,发送一个Hello报文回应给RouterA,并且在报文中的Neighbors Seen字段中填入RouterA的Router ID(Neighbors Seen=1.1.1.1),表示已收到RouterA的Hello报文,并且宣告DR路由器是RouterB(DR=2.2.2.2),然后RouterB的邻居状态机置为Init。
- RouterA收到RouterB回应的Hello报文后,将邻居状态机置为2-way状态,下一步双方开始发送各自的链路状态数据库。
在广播网络中,两个接口状态是DR Other的路由器之间将停留在此步骤。
- 主/从关系协商、DD报文交换
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RouterA首先发送一个DD报文,宣称自己是Master(MS=1),并规定序列号Seq=X。I=1表示这是第一个DD报文,报文中并不包含LSA的摘要,只是为了协商主从关系。M=1说明这不是最后一个报文。
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为了提高发送的效率,RouterA和RouterB首先了解对端数据库中哪些LSA是需要更新的,如果某一条LSA在LSDB中已经存在,就不再需要请求更新了。为了达到这个目的,RouterA和RouterB先发送DD报文,DD报文中包含了对LSDB中LSA的摘要描述(每一条摘要可以惟一标识一条LSA)。为了保证在传输的过程中报文传输的可靠性,在DD报文的发送过程中需要确定双方的主从关系,作为Master的一方定义一个序列号Seq,每发送一个新的DD报文将Seq加一,作为Slave的一方,每次发送DD报文时使用接收到的上一个Master的DD报文中的Seq。
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RouterB在收到RouterA的DD报文后,将RouterA的邻居状态机改为Exstart,并且回应了一个DD报文(该报文中同样不包含LSA的摘要信息)。由于RouterB的Router ID较大,所以在报文中RouterB认为自己是Master,并且重新规定了序列号Seq=Y。
RouterA收到报文后,同意了RouterB为Master,并将RouterB的邻居状态机改为Exchange。RouterA使用RouterB的序列号Seq=Y来发送新的DD报文,该报文开始正式地传送LSA的摘要。在报文中RouterA将MS=0,说明自己是Slave。
RouterB收到报文后,将RouterA的邻居状态机改为Exchange,并发送新的DD报文来描述自己的LSA摘要,此时RouterB将报文的序列号改为Seq=Y+1。
上述过程持续进行,RouterA通过重复RouterB的序列号来确认已收到RouterB的报文。RouterB通过将序列号Seq加1来确认已收到RouterA的报文。当RouterB发送最后一个DD报文时,在报文中写上M=0。
- LSDB同步(LSA请求、LSA传输、LSA应答)
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RouterA收到最后一个DD报文后,发现RouterB的数据库中有许多LSA是自己没有的,将邻居状态机改为Loading状态。此时RouterB也收到了RouterA的最后一个DD报文,但RouterA的LSA,RouterB都已经有了,不需要再请求,所以直接将RouterA的邻居状态机改为Full状态。
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RouterA发送LSR报文向RouterB请求更新LSA。RouterB用LSU报文来回应RouterA的请求。RouterA收到后,发送LSAck报文确认。
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上述过程持续到RouterA中的LSA与RouterB的LSA完全同步为止,此时RouterA将RouterB的邻居状态机改为Full状态。当路由器交换完DD报文并更新所有的LSA后,此时邻接关系建立完成。
在NBMA网络中建立OSPF邻接关系
NBMA网络和广播网络的邻接关系建立过程只在交换DD报文前不一致,如图中的蓝色标记。
在NBMA网络中,所有路由器只与DR和BDR之间形成邻接关系。
如图所示,在NBMA网络中建立OSPF邻接关系的过程如下:
- 建立邻居关系
- RouterB向RouterA的一个状态为Down的接口发送Hello报文后,RouterB的邻居状态机置为Attempt。此时,RouterB认为自己是DR路由器(DR=2.2.2.2),但不确定邻居是哪台路由器(Neighbors Seen=0)。
- RouterA收到Hello报文后将邻居状态机置为Init,然后再回复一个Hello报文。此时,RouterA同意RouterB是DR路由器(DR=2.2.2.2),并且在Neighbors Seen字段中填入邻居路由器的Router ID(Neighbors Seen=2.2.2.2)。
在NBMA网络中,两个接口状态是DR Other的路由器之间将停留在此步骤。
- 主/从关系协商、DD报文交换过程同广播网络的邻接关系建立过程。
- LSDB同步(LSA请求、LSA传输、LSA应答)过程同广播网络的邻接关系建立过程。
在点到点/点到多点网络中建立OSPF邻接关系
在点到点/点到多点网络中,邻接关系的建立过程和广播网络一样,唯一不同的是不需要选举DR和BDR,DD报文是组播发送的。