1 OSPF
1.1 OSPF简介
1.1.1 OSPF的特点
1.1.2 OSPF报文类型
1.1.3 LSA类型
1.1.4 OSPF区域
1.1.5 路由器类型
1.1.6 路由类型
1.1.7 路由器ID
1.1.8 OSPF路由的计算过程
1.1.9 OSPF的网络类型
1.1.10 DR/BDR
1.1.11 协议规范
1 OSPF
1.1 OSPF简介
OSPF（Open Shortest Path First，开放最短路径优先）是IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组）组织开发的一个基于链路状态的内部网关协议。目前针对IPv4协议使用的是OSPF Version 2。下文中所提到的OSPF均指OSPF Version 2。
1.1.1 OSPF的特点
OSPF具有如下特点：
·适应范围广：支持各种规模的网络，最多可支持几百台路由器。
·快速收敛：在网络的拓扑结构发生变化后立即发送更新报文，使这一变化在自治系统中同步。
·无自环：由于OSPF根据收集到的链路状态用最短路径树算法计算路由，从算法本身保证了不会生成自环路由。
·区域划分：允许自治系统的网络被划分成区域来管理。路由器链路状态数据库的减小降低了内存的消耗和CPU的负担；区域间传送路由信息的减少降低了网络带宽的占用。
·等价路由：支持到同一目的地址的多条等价路由。
·路由分级：使用4类不同的路由，按优先顺序来说分别是：区域内路由、区域间路由、第一类外部路由、第二类外部路由。
·支持验证：支持基于区域和接口的报文验证，以保证报文交互和路由计算的安全性。
·组播发送：在某些类型的链路上以组播地址发送协议报文，减少对其他设备的干扰。
1.1.2 OSPF报文类型
OSPF协议报文直接封装为IP报文，协议号为89。
OSPF有五种类型的协议报文：
·Hello报文：周期性发送，用来发现和维持OSPF邻居关系，以及进行DR（Designated Router，指定路由器）/BDR（Backup Designated Router，备份指定路由器）的选举。
·DD（Database Description，数据库描述）报文：描述了本地LSDB（Link State DataBase，链路状态数据库）中每一条LSA（Link State Advertisement，链路状态通告）的摘要信息，用于两台路由器进行数据库同步。
·LSR（Link State Request，链路状态请求）报文：向对方请求所需的LSA。两台路由器互相交换DD报文之后，得知对端的路由器有哪些LSA是本地的LSDB所缺少的，这时需要发送LSR报文向对方请求所需的LSA。
·LSU（Link State Update，链路状态更新）报文：向对方发送其所需要的LSA。
·LSAck（Link State Acknowledgment，链路状态确认）报文：用来对收到的LSA进行确认。
1.1.3 LSA类型
OSPF中对链路状态信息的描述都是封装在LSA中发布出去，常用的LSA有以下几种类型：
·Router LSA（Type-1）：由每个路由器产生，描述路由器的链路状态和开销，在其始发的区域内传播。
·Network LSA（Type-2）：由DR产生，描述本网段所有路由器的链路状态，在其始发的区域内传播。
·Network Summary LSA（Type-3）：由ABR（Area Border Router，区域边界路由器）产生，描述区域内某个网段的路由，并通告给其他区域。
·ASBR Summary LSA（Type-4）：由ABR产生，描述到ASBR（Autonomous System Boundary Router，自治系统边界路由器）的路由，通告给相关区域。
·AS External LSA（Type-5）：由ASBR产生，描述到AS（Autonomous System，自治系统）外部的路由，通告到所有的区域（除了Stub区域和NSSA区域）。
·NSSA External LSA（Type-7）：由NSSA（Not-So-Stubby Area）区域内的ASBR产生，描述到AS外部的路由，仅在NSSA区域内传播。
·Opaque LSA：用于OSPF的扩展通用机制，目前有Type-9、Type-10和Type-11三种。其中，Type-9 LSA仅在本地链路范围进行泛洪，用于支持GR（Graceful Restart，平滑重启）的Grace LSA就是Type-9的一种类型；Type-10 LSA仅在区域范围进行泛洪，用于支持MPLS TE的LSA就是Type-10的一种类型；Type-11 LSA可以在一个自治系统范围进行泛洪。
1.1.4 OSPF区域
1. 区域划分
随着网络规模日益扩大，当一个大型网络中的路由器都运行OSPF协议时，LSDB会占用大量的存储空间，并使得运行SPF（Shortest Path First，最短路径优先）算法的复杂度增加，导致CPU负担加重。
在网络规模增大之后，拓扑结构发生变化的概率也增大，网络会经常处于“震荡”之中，造成网络中会有大量的OSPF协议报文在传递，降低了网络的带宽利用率。更为严重的是，每一次变化都会导致网络中所有的路由器重新进行路由计算。
OSPF协议通过将自治系统划分成不同的区域来解决上述问题。区域是从逻辑上将路由器划分为不同的组，每个组用区域号来标识。如图1-1所示。
图1-1 OSPF区域划分
区域的边界是路由器，而不是链路。一个路由器可以属于不同的区域，但是一个网段（链路）只能属于一个区域，或者说每个运行OSPF的接口必须指明属于哪一个区域。划分区域后，可以在区域边界路由器上进行路由聚合，以减少通告到其他区域的LSA数量，还可以将网络拓扑变化带来的影响最小化。
2. 骨干区域（Backbone Area）
OSPF划分区域之后，并非所有的区域都是平等的关系。其中有一个区域是与众不同的，它的区域号是0，通常被称为骨干区域。骨干区域负责区域之间的路由，非骨干区域之间的路由信息必须通过骨干区域来转发。对此，OSPF有两个规定：
·所有非骨干区域必须与骨干区域保持连通；
·骨干区域自身也必须保持连通。
在实际应用中，可能会因为各方面条件的限制，无法满足上面的要求。这时可以通过配置OSPF虚连接予以解决。
3. 虚连接（Virtual Link）
虚连接是指在两台ABR之间通过一个非骨干区域建立的一条逻辑上的连接通道。它的两端必须是ABR，而且必须在两端同时配置方可生效。为虚连接两端提供一条非骨干区域内部路由的区域称为传输区（Transit Area）。
在图1-2中，Area2与骨干区域之间没有直接相连的物理链路，但可以在ABR上配置虚连接，使Area2通过一条逻辑链路与骨干区域保持连通。
图1-2 虚连接示意图之一
虚连接的另外一个应用是提供冗余的备份链路，当骨干区域因链路故障不能保持连通时，通过虚连接仍然可以保证骨干区域在逻辑上的连通性。如图1-3所示。
图1-3 虚连接示意图之二
虚连接相当于在两个ABR之间形成了一个点到点的连接，因此，在这个连接上，和物理接口一样可以配置接口的各参数，如发送Hello报文间隔等。
两台ABR之间直接传递OSPF报文信息，它们之间的OSPF路由器只是起到一个转发报文的作用。由于协议报文的目的地址不是中间这些路由器，所以这些报文对于它们而言是透明的，只是当作普通的IP报文来转发。
4. Stub区域和Totally Stub区域
Stub区域是一些特定的区域，该区域的ABR会将区域间的路由信息传递到本区域，但不会引入自治系统外部路由，区域中路由器的路由表规模以及LSA数量都会大大减少。为保证到自治系统外的路由依旧可达，该区域的ABR将生成一条缺省路由Type-3 LSA，发布给本区域中的其他非ABR路由器。
为了进一步减少Stub区域中路由器的路由表规模以及LSA数量，可以将区域配置为Totally Stub（完全Stub）区域，该区域的ABR不会将区域间的路由信息和自治系统外部路由信息传递到本区域。为保证到本自治系统的其他区域和自治系统外的路由依旧可达，该区域的ABR将生成一条缺省路由Type-3 LSA，发布给本区域中的其他非ABR路由器。
5. NSSA区域和Totally NSSA区域
NSSA（Not-So-Stubby Area）区域是Stub区域的变形，与Stub区域的区别在于NSSA区域允许引入自治系统外部路由，由ASBR发布Type-7 LSA通告给本区域。当Type-7 LSA到达NSSA的ABR时，由ABR将Type-7 LSA转换成Type-5 LSA，传播到其他区域。
可以将区域配置为Totally NSSA（完全NSSA）区域，该区域的ABR不会将区域间的路由信息传递到本区域。为保证到本自治系统的其他区域的路由依旧可达，该区域的ABR将生成一条缺省路由Type-3 LSA，发布给本区域中的其他非ABR路由器。
如图1-4所示，运行OSPF协议的自治系统包括3个区域：区域0、区域1和区域2，另外两个自治系统运行RIP协议。区域1被定义为NSSA区域，区域1接收的RIP路由传播到NSSA ASBR后，由NSSA ASBR产生Type-7 LSA在区域1内传播，当Type-7 LSA到达NSSA ABR后，转换成Type-5 LSA传播到区域0和区域2。
另一方面，运行RIP的自治系统的RIP路由通过区域2的ASBR产生Type-5 LSA在OSPF自治系统中传播。但由于区域1是NSSA区域，所以Type-5 LSA不会到达区域1。
图1-4 NSSA区域
1.1.5 路由器类型
OSPF路由器根据在AS中的不同位置，可以分为以下四类：
1. 区域内路由器（Internal Router）
该类路由器的所有接口都属于同一个OSPF区域。
2. 区域边界路由器ABR
该类路由器可以同时属于两个以上的区域，但其中一个必须是骨干区域。ABR用来连接骨干区域和非骨干区域，它与骨干区域之间既可以是物理连接，也可以是逻辑上的连接。
3. 骨干路由器（Backbone Router）
该类路由器至少有一个接口属于骨干区域。因此，所有的ABR和位于Area0的内部路由器都是骨干路由器。
4. 自治系统边界路由器ASBR
与其他AS交换路由信息的路由器称为ASBR。ASBR并不一定位于AS的边界，它有可能是区域内路由器，也有可能是ABR。只要一台OSPF路由器引入了外部路由的信息，它就成为ASBR。
图1-5 OSPF路由器的类型
1.1.6 路由类型
OSPF将路由分为四类，按照优先级从高到低的顺序依次为：
·区域内路由（Intra Area）
·区域间路由（Inter Area）
·第一类外部路由（Type1 External）：这类路由的可信程度较高，并且和OSPF自身路由的开销具有可比性，所以到第一类外部路由的开销等于本路由器到相应的ASBR的开销与ASBR到该路由目的地址的开销之和。
·第二类外部路由（Type2 External）：这类路由的可信度比较低，所以OSPF协议认为从ASBR到自治系统之外的开销远远大于在自治系统之内到达ASBR的开销。所以计算路由开销时将主要考虑前者，即到第二类外部路由的开销等于ASBR到该路由目的地址的开销。如果计算出开销值相等的两条路由，再考虑本路由器到相应的ASBR的开销。
区域内和区域间路由描述的是AS内部的网络结构，外部路由则描述了应该如何选择到AS以外目的地址的路由。
1.1.7 路由器ID
路由器ID——即Router ID，用来在一个自治系统中唯一地标识一台路由器，一台路由器如果要运行OSPF协议，则必须存在Router ID。Router ID的获取方式有以下两种：
1. 手工指定Router ID
用户可以在创建OSPF进程的时候指定Router ID，配置时，必须保证自治系统中任意两台路由器的ID都不相同。通常的做法是将路由器的ID配置为与该路由器某个接口的IP地址一致。
2. 使用全局Router ID
如果在创建OSPF进程的时候没有指定Router ID，则缺省使用全局Router ID。建议用户在创建OSPF进程的时候手工指定Router ID，或者选择自动获取Router ID。
1.1.8 OSPF路由的计算过程
同一个区域内，OSPF路由的计算过程可简单描述如下：
·每台OSPF路由器根据自己周围的网络拓扑结构生成LSA，并通过更新报文将LSA发送给网络中的其它OSPF路由器。
·每台OSPF路由器都会收集其它路由器通告的LSA，所有的LSA放在一起便组成了LSDB。LSA是对路由器周围网络拓扑结构的描述，LSDB则是对整个自治系统的网络拓扑结构的描述。
·OSPF路由器将LSDB转换成一张带权的有向图，这张图便是对整个网络拓扑结构的真实反映。各个路由器得到的有向图是完全相同的。
·每台路由器根据有向图，使用SPF算法计算出一棵以自己为根的最短路径树，这棵树给出了到自治系统中各节点的路由。
1.1.9 OSPF的网络类型
OSPF根据链路层协议类型将网络分为下列四种类型：
·广播（Broadcast）类型：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（OSPF路由器的预留IP组播地址是224.0.0.5；OSPF DR/BDR的预留IP组播地址是224.0.0.6）发送Hello报文、LSU报文和LSAck报文；以单播形式发送DD报文和LSR报文。
·NBMA（Non-Broadcast Multi-Access，非广播多路访问）类型：当链路层协议是帧中继、ATM或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。
·P2MP（Point-to-MultiPoint，点到多点）类型：没有一种链路层协议会被缺省的认为是P2MP类型。P2MP必须是由其他的网络类型强制更改的，常用做法是将NBMA网络改为P2MP网络。在该类型的网络中，缺省情况下，以组播形式（224.0.0.5）发送协议报文。可以根据用户需要，以单播形式发送协议报文。
·P2P（Point-to-Point，点到点）类型：当链路层协议是PPP、HDLC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。
NBMA与P2MP网络之间的区别如下：
·NBMA网络是全连通的；P2MP网络并不需要一定是全连通的。
·NBMA网络中需要选举DR与BDR；P2MP网络中没有DR与BDR。
·NBMA网络采用单播发送报文，需要手工配置邻居；P2MP网络采用组播方式发送报文，通过配置也可以采用单播发送报文。
1.1.10 DR/BDR
1. DR/BDR简介
在广播网和NBMA网络中，任意两台路由器之间都要交换路由信息。如果网络中有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提出了DR的概念，所有路由器只将信息发送给DR，由DR将网络链路状态发送出去。
另外，OSPF提出了BDR的概念。BDR是对DR的一个备份，在选举DR的同时也选举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会立即成为新的DR。
OSPF网络中，既不是DR也不是BDR的路由器为DR Other。DR Other仅与DR和BDR建立邻接关系，DR Other之间不交换任何路由信息。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，同时减少网络流量，节约了带宽资源。
如图1-6所示，进行DR/BDR选举后，5台路由器之间只需要建立7个邻接关系就可以了。
图1-6 DR和BDR示意图
在OSPF中，邻居（Neighbor）和邻接（Adjacency）是两个不同的概念。路由器启动后，会通过接口向外发送Hello报文，收到Hello报文的路由器会检查报文中所定义的参数，如果双方一致就会形成邻居关系。只有当双方成功交换DD报文，交换LSA并达到LSDB同步之后，才形成邻接关系。
2. DR/BDR选举过程
DR/BDR是由同一网段中所有的路由器根据路由器优先级和Router ID通过Hello报文选举出来的，只有优先级大于0的路由器才具有选举资格。
进行DR/BDR选举时每台路由器将自己选出的DR写入Hello报文中，发给网段上每台运行OSPF协议的路由器。当处于同一网段的两台路由器同时宣布自己是DR时，路由器优先级高者胜出。如果优先级相等，则Router ID大者胜出。
需要注意的是：
·只有在广播或NBMA网络中才会选举DR；在P2P或P2MP网络中不需要选举DR。
·DR是某个网段中的概念，是针对路由器的接口而言的。某台路由器在一个接口上可能是DR，在另一个接口上有可能是BDR，或者是DR Other。
·DR/BDR选举完毕后，即使网络中加入一台具有更高优先级的路由器，也不会重新进行选举，替换该网段中已经存在的DR/BDR成为新的DR/BDR。DR并不一定就是路由器优先级最高的路由器接口；同理，BDR也并不一定就是路由器优先级次高的路由器接口。
1.1.11 协议规范
与OSPF相关的协议规范有：
·RFC 1245：OSPF protocol analysis
·RFC 1246：Experience with the OSPF protocol
·RFC 1370：Applicability Statement for OSPF
·RFC 1403：BGP OSPF Interaction
·RFC 1745：BGP4/IDRP for IP—OSPF Interaction
·RFC 1765：OSPF Database Overflow
·RFC 1793：Extending OSPF to Support Demand Circuits
·RFC 2154：OSPF with Digital Signatures
·RFC 2328：OSPF Version 2
·RFC 3101：OSPF Not-So-Stubby Area (NSSA) Option
·RFC 3166：Request to Move RFC 1403 to Historic Status
·RFC 3509：Alternative Implementations of OSPF Area Border Routers
·RFC 4167：Graceful OSPF Restart Implementation Report
·RFC 4577：OSPF as the Provider/Customer Edge Protocol for BGP/MPLS IP Virtual Private Networks (VPNs)
·RFC 4750：OSPF Version 2 Management Information Base
·RFC 4811：OSPF Out-of-Band LSDB Resynchronization
·RFC 4812：OSPF Restart Signaling
·RFC 4915：Multi-Topology (MT) Routing in OSPF
·RFC 5088：OSPF Protocol Extensions for Path Computation Element (PCE) Discovery
·RFC 5250：The OSPF Opaque LSA Option
·RFC 5613：OSPF Link-Local Signaling
·RFC 5642：Dynamic Hostname Exchange Mechanism for OSPF
·RFC 5709：OSPFv2 HMAC-SHA Cryptographic Authentication
·RFC 5786：Advertising a Router's Local Addresses in OSPF Traffic Engineering (TE) Extensions
·RFC 6571：Loop-Free Alternate (LFA) Applicability in Service Provider (SP) Networks
·RFC 6860：Hiding Transit-Only Networks in OSPF
·RFC 6987：OSPF Stub Router Advertisement