动态路由---OSPF协议基础

一、动态路由

1.1、定义

动态路由是指在网络通信过程中，路由器根据当前网络的状态和拓扑结构等信息，动态计算出最优的数据传输路径。这一过程依赖于路由器之间的路由信息交换和路由表的维护。当网络拓扑结构发生变化时，如链路故障或节点增减，动态路由能够自动调整路由表，以确保数据包能够沿着最优的路径传输。

1.2、特点

自动适应网络变化：动态路由能够自动感知网络拓扑的变化，并据此调整路由表，无需人工干预。

提高网络可靠性：当网络中的链路或节点出现故障时，动态路由能够迅速选择替代路径，保证数据的正常传输。

优化网络性能：通过选择最优的传输路径，动态路由能够减少网络拥塞，提高数据传输的效率和速度。

减少管理负担：与静态路由相比，动态路由无需管理员手动配置和维护路由表，大大降低了管理成本和工作量。

1.3、工作流程

动态路由的工作流程通常包括以下几个阶段：

邻居发现：运行相同动态路由协议的路由器之间建立对等点关系，即邻居关系。

路由信息交换：邻居路由器之间定期或按需交换路由信息，包括网段信息、可达性信息和路径信息等。

路由表计算：路由器根据收集到的路由信息和自身的路由算法，计算出到达各个目的网络的最佳路径，并生成路由表。

路由表维护：路由器会不断监测网络状态的变化，并根据需要更新路由表，以确保路由信息的准确性和时效性。

1.4、分类

根据使用范围，动态路由可以分为两类

内部网关协议（IGP） ：

主要应用在自治系统（AS）内部的路由协议。

常见的IGP协议包括RIP（路由信息协议）、OSPF（开放式最短路径优先）、IS-IS（中间系统到中间系统）、EIGRP（增强型内部网关路由协议）等。

外部网关协议（EGP） ：

主要应用在自治系统之间的路由协议。

目前广泛使用的EGP协议是BGP（边界网关协议），它用于在AS之间传递路由信息，确保跨AS的数据包能够正确传输。

根据工作机制及算法，动态路由可以分为两类

距离矢量路由协议

运行距离矢量路由协议的路由器周期性泛洪自己的路由表。通过路由的交互，每台路由器都从相邻的路由器学习到路由，并且加载进自己的路由表中，然后再通告给其他相邻路由器

但是对于网络中的路由器来说，路由器并不清楚网络的拓扑，只是简单的知道要去往某个网络的方向在哪里，开销有多大

链路状态路由协议

链路状态协议有四个步骤：

建立相邻路由器之间的邻居关系

邻居之间交互链路状态信息LSA（LSA泄洪），将LSA放进LSDB进行同步（LSDB维护）

进行优选路由计算（SPF计算），各自计算出以自己为根、无环、拥有最短路径的"树"

将计算出的优选路径加载进自己的路由表

这次主要了解的是OSPF协议。想了解RIP协议的，可以看看下面这篇博客

动态路由--RIP协议https://blog.csdn.net/ZZZCY2003/article/details/139625749

二、OSPF协议

2.1、概述

OSPF是IETF定义的一种基于链路状态的内部网关路由协议。目前针对IPv4协议使用的是OSPF Version 2 （RFC2328）；针对IPv6协议使用的是OSPF Version 3（RFC2740）

OSPF协议主要使用Dijkstra算法来计算最短路径树，从而选择最佳路由。

特点

无类别链路类型：OSPF是无类别链路类型的IGP协议，支持变长子网掩码（VLSM）和CIDR（无类别域间路由）

无跳数限制：与某些其他路由协议不同，OSPF没有路由跳数的限制，因此适用于更大规模的网络。比如企业用网等

组播通信：OSPF使用组播地址（如224.0.0.5和224.0.0.6）进行通信，可以减少对其他设备的干扰

收敛速度快：当你的网络拓扑发生变化时，OSPF能够更快地发送更新报文，使拓扑变化快速扩散到整个自治系统

避免环路：通过收集链路状态信息并使用SPF算法计算路由，OSPF从算法上保证了不会生成自环路由

支持负载分担：OSPF支持对等价路由进行负载分担

2.2、三大重要概念

2.2.1、router-id

定义：Router-ID是OSPF协议中用于唯一标识一个路由器的32位IP地址或数字。

# 进入OSPF进程视图，假设创建一个OSPF进程号为1  
[Huawei]ospf 1  
  
# 配置Router-ID为1.1.1.1  
[Huawei-ospf-1]router-id 1.1.1.1

选举规则

手动配置OSPF路由器的Router ID（建议手动配置，命令如上述）

如果没有手动配置Router ID，则路由器使用Loopback接口中最大的IP地址作为Router ID

如果没有配置Loopback接口，则路由器使用物理接口中最大的IP地址作为Router ID

作用：

唯一标识：在一个OSPF域内，每个路由器都必须有一个唯一的Router-ID，以便于其他路由器识别和区分。

路由计算：Router-ID在OSPF的路由计算过程中扮演重要角色，帮助路由器确定网络拓扑结构，并计算出最短路径。

优先级判定：在OSPF区域内，Router-ID越小越优先。在某些情况下，如选举DR（Designated Router）或BDR（Backup Designated Router）时，Router-ID的优先级会起到决定性作用。

稳定性：Router-ID在路由器启动时就被分配，并且在路由器重新启动或网络拓扑发生变化时保持不变，确保路由器的稳定性。

2.2.2、Area

定义：在OSPF协议中，网络被划分为不同的逻辑区域（Area），每个区域都有一个唯一的标识符，称为Area ID。

# 进入接口视图，以GigabitEthernet0/0/1为例  
[Huawei]interface GigabitEthernet0/0/1  
  
# 配置接口加入OSPF区域0  
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]ospf 1 area 0

作用：

管理路由信息：将网络划分为多个区域可以减少路由器之间的通信量，提高网络的可伸缩性。同时，通过合理划分区域，可以更好地控制路由信息的传输范围，避免整个网络范围内的路由信息洪泛。

提高网络性能：每个区域都有一个Area Border Router（ABR），负责连接不同区域的路由信息传递。通过ABR的存在，可以实现不同区域之间的信息隔离，降低网络的拓扑变化对整个网络的影响，提高网络的传输效率。

增强网络安全性：通过区域划分，可以实现对不同区域之间的访问控制和策略控制，提高网络的安全性。

2.2.3、Cost

定义：在OSPF协议中，Cost被称为路径成本，是衡量路由器到目的网络的一个度量值。

# 进入接口视图，以GigabitEthernet0/0/1为例  
[Huawei]interface GigabitEthernet0/0/1  
  
# 配置接口上运行OSPF协议的开销为65  
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]ospf cost 65

作用：

计算最短路径 ：OSPF根据路径的Cost值来选择最短的路径，并将优选路径存储在路由表中。当数据包需要转发时，路由器将根据目标地址的最佳路径进行转发。

负载均衡：当网络中存在多条到达目标地址的路径时，OSPF将根据路径的Cost值将负载均衡分布到各个路径上，提高网络的利用率。

性能优化：Cost的计算与带宽相关，表示数据包通过路径所需的传输时间和开销。通过合理设置Cost值，可以实现网络性能的优化。

2.3、OSPF路由器类型

在OSPF协议中，路由器根据其功能和在网络中的位置被划分为多种类型，如：IR、BR、ABR、ASBR。

内部路由器（Internal Router, IR）

定义：IR是仅连接到单个OSPF区域（Area）的路由器。

功能：IR主要负责在同一区域内转发数据包，并通过链路状态通告（LSA）与其他内部路由器交换拓扑信息，以构建和维护整个区域的拓扑数据库。它们只处理来自本区域内的路由信息，不与其他区域的路由器直接通信。

区域边界路由器（Area Border Router, ABR）

定义：ABR是连接两个或多个不同OSPF区域的路由器。

功能：ABR在OSPF网络中扮演着桥梁的角色，负责将数据包从一个区域传输到另一个区域，并在区域之间传播路由信息。它们通过LSA将来自一个区域的路由信息汇总后，再传递给其他区域，确保不同区域之间的路由可达性。

自治系统边界路由器（Autonomous System Boundary Router, ASBR）

定义：ASBR是连接OSPF域与其他自治系统（AS）的路由器。

功能：ASBR负责将来自其他路由协议（如BGP）的路由信息导入OSPF域中，同时也将OSPF域内的路由信息导出到其他路由协议中。它在不同自治系统之间传递路由信息，实现跨自治系统的路由通信。

虚拟链路路由器（Virtual Link Router）：

定义：虚拟链路路由器是一种特殊的路由器类型，用于在特定情况下连接分布在不同OSPF区域中的两个OSPF区域。

功能：虚拟链路路由器允许在OSPF区域之间建立逻辑连接，绕过非OSPF区域的物理连接限制，从而确保数据包能够正确路由到目的地。这在复杂的网络拓扑结构中尤为重要，特别是在物理连接不可行或成本过高时。

2.4、OSPF的5种报文

OSPF是IP报文直接封装协议报文，协议号为89 。OSPF分为5种报文：Hello报文 、DBD报文 、LSR报文 、LSU报文 和LSAck报文。

通用头部字段（OSPF Packet Headers）

Version：描述OSPF协议版本，通常被设置为2（支持IPv4）或3（支持IPv6）。

Type：描述OSPF报文类型，值1：Hello、值2：DBD、值3：LSR、值4：LSU、值5：LSAck。

Packet Length：OSPF报文总长度，包括报文头部，单位是字节。

Router ID：生成此报文的路由器的唯一标识符。

Area ID：此报文需要被通告到的OSPF区域的标识符。

Checksum：对整个数据包（包括包头）的标准IP校验和。

Auth Type/Authentication Type：验证此报文所应当使用的验证方法，如空（0）、明文（1）或MD5（2）等。

Authentication Data：验证此报文时所需要的密码等信息。

Hello报文：

主要用于发现和维持OSPF邻居关系。周期性以组播的形式发送Hello报文，以维护OSPF的邻居关系。使用的组播地址为224.0.0.5（所有OSPF路由器） 或224.0.0.6（所有OSPF DR路由器）。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信息。

Hello报文特有字段

Network Mask：发送Hello报文的接口的网络掩码

Hello Interval：发送Hello报文的时间间隔，单位为秒。默认情况下，对于广播和组播类型接口，该值为10秒；对于非广播、多点接入和点对点类型接口，该值为30秒

Options：标识发送此报文的OSPF路由器所支持的可选功能。E：是否支持外部路由；MC：是否支持转发组播数据包；N/P：是否为NSSA区域

Router Priority：DR的优先级，默认值为1，取值范围为0-255。若为0.则路由器不能参与DR或BDR的选举

Designated Router (DR)：DR的IP地址。如果未选举DR，则该字段为0.0.0.0

Backup Designated Router (BDR)：BDR的IP地址。如果未选举BDR，则该字段为0.0.0.0

DD报文：

描述本地LSDB摘要信息 ，用于两台设备进行数据库同步 。在邻接关系初始化 时，路由器会发送DD报文来告知对方自己的LSDB摘要信息。报文内容包括LSDB中每一条LSA（链路状态通告）的头部信息，以便对方判断哪些LSA是本地所缺少的或已经失效的。

LSR报文：

LSR报文用于向对方请求所需要的LSA完整拷贝。当路由器发现本地LSDB中缺少某些LSA时，会发送LSR报文来请求这些LSA。LSR报文中包含所需LSA的摘要信息，以便对方能够识别并返回相应的LSA。

LSU报文：

LSU报文用于向对方发送其所需要的LSA 或者泛洪自己更新的LSA。当路由器收到LSR报文或自己的LSDB发生更新时，会发送LSU报文来通知邻居路由器。LSU报文中包含多条LSA的完整内容，以便邻居路由器能够更新自己的LSDB。

LSack报文：

LSAck报文用于对收到的LSA进行确认。当邻居路由器收到LSU报文后，会发送LSAck报文作为确认。这样，源路由器可以确认链路状态已被通知到邻居，从而实现Flooding的可靠性传输。

2.5、OSPF的3个步骤，生成3个表

步骤一、发现并建立邻居关系

路由器要先发现邻接的路由器，才能建立邻居关系。通过周期性发送Hello包并接收来自其他路由器的Hello包，进行建立并维护邻居关系。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信息。

查看邻居表信息

[huawei]display ospf peer

步骤二、描述本地LSDB信息，并形成邻接关系

一旦建立了邻居关系，路由器会开始交换链路状态信息（LSI），将自己所知道的网络拓扑信息（如连接的网络、链路的状态、链路的成本等）发送给邻居。这个过程通过发送DBD报文、LSR报文和LSU报文来实现，最终所有路由器都会拥有一个同步的链路状态数据库LSDB

请求缺少的LSDB信息

查看链路状态数据库LSDB

[huawei]display opsf lsdb

步骤三、计算路由，并形成OSPF路由表

每个路由器都会根据LSDB中的信息，使用Dijkstra算法计算最短路径树（SPT），以找到到达网络中每个目的地的最短路径。计算出的最短路径信息会保留到OPSF路由表上。

[huawei]display ospf routing

2.6、DR和BDR

DR

DR是在OSPF网络中被选举出来的一个路由器，它负责收集和维护本地区域内的链路状态信息，并将这些信息传播给其他路由器。

DR充当了整个多点链路网络中的"代表" ，负责收集来自其他路由器的链路状态更新（LSU）消息，并将其汇总为一条链路状态数据库（Link State Database）。然后，DR将这个数据库发送给其他路由器，以减少链路状态更新的频率。

选举过程

在选举过程中，每个路由器都会发送Hello消息，其中包含自己的优先级值。优先级越高 ，被选举为DR的可能性就越大。

如果没有路由器明确声明其优先级，则路由器会基于其Router ID（通常是一个IP地址）来选择DR，Router ID最小的路由器将成为DR。
主要作用

减少链路状态更新的频率，帮助优化网络性能。

维护链路状态数据库并将其分发给其他路由器，确保所有路由器都拥有最新的网络拓扑信息。

根据链路状态数据库及时更新路由表，确保数据正确地转发到目标地址。

BDR

BDR是DR的备份，当DR发生故障或失效时，BDR会立即接替DR的角色，并继续执行相同的任务，确保在DR失效时能够无缝接替其工作

不同网络类型中DR和BDR的选举操作

选DR是需要时间的，大概是40秒延迟

还有一个要注意的就是（现实也会经常遇到）：在以太网中有两台设备进行连接，他们会选举出DR和BDR，但是只有两台设备就跟PPP点对点一样，这时候我们就不需要选举出DR和BDR了（不浪费那40秒的延迟）

[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]ospf network-type p2p

在接口上增加上面的那条命令之后，就不会选取DR和BDR了（注意：两边设备都需要配置这条命令）

2.7、OSPF相关命令

|-------------------------|---------------|
| 命令 | 作用 |
| display ospf brief | 查看OSPF的概要信息 |
| display ospf interface | 显示OSPF的接口 |
| display ospf lsdb | 显示OSPF的LSDB |
| display ospf peer | 显示OSPF中各区域的信息 |
| display ospf routing | 显示OSPF的路由表 |
| ospf | 启动OSPF |
| rouer-id | 配置路由id |
| default-route-advertise | 下发默认路由 |