鏈路狀態路由協議——OSPF路由協議（理論篇）

OSPF路由協議概述：

OSPF——開放式最短路徑優先選擇協議 
OSPF是一個內部網關協議(Interior Gateway Protocol，簡稱IGP），用于在單一自治系統（autonomous system,AS）內決策路由。它是對鏈路狀態路由協議的一種實現，隸屬內部網關協議（IGP），故運作于自治系統內部。

自治系統（AS）
AS指的是處于一個管理機構控制之下的路由器和網絡群組。它可以是一個路由器直接連接到一個LAN上，同時也連到Internet上；它可以是一個由企業骨干網互連的多個局域網。在一個自治系統中的所有路由器必須相互連接，運行相同的路由協議，同時分配同一個自治系統編號。一個AS只能運行一種路由協議。

內部網關協議（IGP）
IGP是在一個自治網絡內網關（主機和路由器）間交換路由信息的協議。路由信息能用于網間協議（IP）或者其它網絡協議來說明路由傳送是如何進行的。Internet網被分成多個域或多個自治系統。一個域是一組主機和使用相同路由選擇協議的路由器集合，并由單一機構管理。IGP協議例如：RIP、OSPF、IS-IS等。

外部網關協議（EGP)
EGP是一個在自治系統網絡中兩個鄰近的網關主機（每個都有它們自己的路由）間交換路由信息的協議。EGP常常被用來在英特網的兩個主機間交換路由表信息。路由表包括已知的路由器清單、它們能到達的地址以及與每個路由的路徑相關的成本度量，以便選出最好的可用路徑。每個路由器按照一定的時間間隔，通常在120秒到480秒之間，就給它的鄰近路由發送信息，然后鄰近路由就會將自己的完整路由表發回給它。EGP協議例如：BGP等。

OSPF的工作過程

              建立鄰接關系→→ 鏈路狀態數據庫→→最短路徑數→→路由表
                   學習鏈路狀態信息    Dijkstra算法

OSPF的特點

可適應大規模網絡
路由變化收斂速度快
無路由環
支持變長子網掩碼VLSM
支持區域劃分
支持以組播地址發送協議報

OSPF區域

OSPF在AS內劃分多個區域。
每個OSPF路由器只維護所在區域的完整鏈路狀態信息。
Area0——骨干區域（核心）（默認唯一）
所有其他的Area僅連接Area0

區域ID

區域ID可以表示成一個十進制的數字
也可以表示成一份IP

Router ID

OSPF區域內唯一標識路由器的IP地址

Router ID選取規則

選取路由器lookback接口上數值最高的IP地址
如果沒有lookback接口，在物理端口中選擇最高IP地址（不推薦，無法保證端口不出現故障）
也可以使用router-id命令指定Router ID

路由器角色

指定路由器DR（老大）：負責更新其他所有OSPF路由器的信息。
備份指定路由器BDR（老二）：負責監控備份DR的狀態，并在當前DR發生故障時接替其角色。
其他路由器DRothers：只和DR及BDR形成鄰接關系。

DR和BDR選舉方法

自動選舉
?網段上Router ID最大的路由器將選為DR，第二大的為BDR

手工選擇DR和BDR
優先級范圍0-255，數值越大，優先級越高，默認為1
若優先級相同，則需要對比Router ID大小
若路由器的優先級被設置為0，它將不參與DR和BDR的選舉

DR和BDR的選舉過程

路由器的優先級別可以直接影響選舉過程，但是不能強制更換已經存在的DR和BDR路由器的身份。

OSPF的組播地址

224.0.0.5——分發信息給其他的路由器
224.0.0.6——接收其他路由器反饋信息

OSPF的度量值為COST

COST=108/BW（帶寬），帶寬越大，成本越低
最短路徑是基于接口指定的代價（cost）計算的

OSPF數據包

OSPF數據包承載在IP數據包內，使用的協議號為89

OSPF的包類型

Hello包：用于發現和維持鄰居關系，選舉DR和BDR。
數據庫描述包（DBD）：用于向鄰居發送摘要信息以同步鏈路狀態數據庫。
鏈路狀態請求包（LSR）：在路由器收到包含新信息的DBD后發送，用于請求更詳細的信息。
鏈路狀態更新包（LSU）：收到LSR后發送鏈路狀態通告（LSA），一個LSU數據包可能包含多個LSA。
鏈路狀態確認包（LSAck）：確認已經收到LSU，每個LSA協議被分別確認。

OSPF的七個狀態

Down狀態：未收到Hello報文

Init狀態：收到Hello報文激活啟動路由器

2-Way狀態：選舉兩個最大的RouterID，但未確認DR和BDR身份

ExStart狀態（準啟動狀態）：確認主從路由器（確認DR和BDR身份）

Exchange狀態：路由器間交換報文（DBD報文和LSAck報文）

Loading狀態：路由器間除了Hello報文和DBD報文，跑其他的報文（最豐盈狀態），如LSR報文、LSU報文
Full狀態：路由表生成

OSPF的四種類型

點到點網絡
廣播多路訪問網絡
非廣播多路訪問網絡
點到多點網絡

生成OSPF多區域的原因

1、改善網絡的可擴展性
2、快速收斂

OSPF的三種通信量

1、域內通信量
單個區域內的路由器之間交換數據包構成的通訊量
2、域間通信量
不同的區域的路由器之間交換數據包構成的通訊量
3、外部通信量
OSPF域內的路由器與OSPF區域外或另一個自治系統內的路由器之間交換數據包構成的通訊量

OSPF的區域類型

1、骨干區域Area0
負責區域間路由信息的傳播
2、非骨干區域—根據能夠學習的路由器種類來區分
標準區域
末梢區域（stub）
完全末梢區域（Totally stubby）
非純末梢區域（NSSA）
（三末梢區域內跑不同的LSA）

鏈路狀態數據庫的組成

1、每個路由器都創建了由每個接口、對應的相鄰節點
和接口速度組成的數據庫
2、鏈路狀態數據庫中每一個條目稱為LSA（鏈路狀態通告）
常見的有六種LSA類型

鏈路狀態通告（LSA）類型

Type 1——路由器LSA：由區域內所有的路由器發出

Type 2——網絡LSA：由區域內的DR發出的

Type 3——網絡匯總LSA：由ABR發出的，其他區域的匯總鏈路通告（匯總并交換信息）

Type 4——ASBR匯總LSA：由ABR發出的，用于通ASBR信息，（ASBR相當于外交官）

Type 5——AS外部LSA：由ASBR發出的，用于通告外部路由（4、5是捆綁的，有則全有，無則全無）

Type 7——NSSA外部LSA：由NSSA區域內的ASBR發出的，用于通告本區域連接的外部路由。僅NSSA有Type 7，其他區域都沒有Type 7（5、7本質一樣，只是存在區域不同）

路由器對路由條目的選擇

1、路由器只把最優的路由條目添加到到路由表
2、選擇路由條目的依據
   （1）管理距離
   （2）度量值

負載均衡的路由條目

末梢區域和完全末梢區域

滿足以下條件的區域

1、只有一個沒人路由作為其他區域的出口
2、區域不能作為虛鏈路的穿越區域
3、Stub區域里無自治系統邊界路由器ASBR
4、表示骨干區域Area0

末梢區域

沒有LSA4、5、7通告

完全末梢區域

除了一條LSA3的沒人路由通告外，沒有LSA3、4、5、7通告

路由重分發

1、一個單IP路由協議是管理網絡中IP路由的首選方案
2、CiscoIOS能執行多個路由協議，每一個路由協議和該路由協議所服務的網絡屬于同一個自治系統
3、CiscoIOS使用路由重發分發特性以交換不同協議創建的路由信息(交換不同協議進程號不同）

重分發到OSPF域中路由的路徑類型

類型1的外部路徑（Type1 externalpath，E1）
類型2的外部路徑（Type2 externalpath，E2）

路由器A有兩條到達外部目的網落10.1.2.0的路徑

E1類型
路徑A-B-D的代價是25（20+5）（優先）
路徑A-C-D的代價為48（18+30）

E2類型
路徑A-B-D的代價是20
路徑A-C-D的代價為18（優先）

NSSA區域是OSPF RFC的補遺

定義了特殊的LSA類型7
提供類似stub area 和totally stubby area的特點
可以提供包含ASBR

OSPF鏈路狀態通告

LSA 7（NSSA External LSA，NSSA外部LSA） 

NSSA區域重分發路由類型

N1、N2
經過NSSA區域ABR后轉換為E1、E2

小結

每一種區域中允許泛洪的LSA

OSPF的路徑類型的優先級

區域內路徑：優先級1
區域間路徑：優先級2
E1外部路徑：優先級3
E2外部路徑：優先級4
（1表示最高優先級，4表示最低優先級）

OSPF地址匯總的作用

地址匯總也是通過減少泛洪的LSA數量節省資源
可以通過屏蔽一些網絡不穩定的細節來節省資源
減少路由表中的條目

虛鏈路

指一條通過非骨干區域連接到骨干區域的鏈路

虛鏈路的目的

通過一個非骨干區域連接一個區域到骨干區域
通過一個非骨干區域連接一個分段的骨干區域

配置虛鏈路的規則及特點

虛鏈路編寫配置在兩個ABR路由器之間
傳送區域不能是一個末梢區域
虛鏈路的穩定性取決于其經過的區域的穩定性
虛鏈路有助于提供邏輯冗余