OSPF

链路状态路由协议

链路状态路由协议通告的是链路状态信息而不是路由信息

工作原理：

1、建立相邻路由器之间的邻居关系

运行链路状态路由协议的路由器之间首先要建立邻居关系

2、邻居之间交互LSA(链路状态信息)和同步LSDB

彼此之间开始交互LSA(链路状态通告)

LSA链路状态通告，可以简单的理解为每台路由器都产生一个描述自己直连接口状态(包括接口的开销、与邻居路由器之间的关系等)的通告

路由器将接收到的LSA放入自己的LSDB(链路状态数据库)。路由器通过对LSDB的中所存储的LSA进行解析，进而了解全网拓扑

3、进行优选路径计算

每台路由器基于LSDB，使用SPF(最短路径优先)算法进行计算。每台路由器都计算出一棵以自己为根的、无环的、拥有最短路径的"树"。有了这棵"树"，路由器就已经知道了到达所有网段的优先路径。

4、根据最短路径属生成路由表项加载到路由表

路由器将计算出来的优选路径，加载进自己的路由表

OSPF的优点

基于SPF算法，以"累计链路开销"作为选路参考值
采用组播形式收发部分协议报文
支持区域划分
支持对等价路由进行负载分担
支持报文认证

OSPF基础术语

Router ID

Router ID用于在自治系统中标识一台运行OSPF的路由器，是一个32为的无符号整数

Router ID的选举规则：

手动配置OSPF路由器的Router ID(建议手动配置)
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
如果没有手动配置Router ID，也没有配置Loopback接口，则路由器使用物理接口中最大的IP地址作为Router ID

注意：Router ID一旦选定，之后如果要更改的话就需要重启OSPF进程

区域

OSPF Area用于标识一个OSPF的区域

区域从逻辑上将设备划分为不同的组，每个组用区域号(Area ID)来标识

OSPF的区域ID是一个32位的整数，按点分十进制的形式(与IPv4地址的格式一样)呈现。

Area 0区域为OSPF骨干区域，非Area 0区域为OSPF非骨干区域

度量值

OSPF使用Cost(开销)作为路由的度量值

每一个激活了OSPF的接口都会维护一个接口Cost值，

OSPF以"累计Cost"为开销值，也就是流量从源网络到目的网络所经过所有路由器出接口的Cost总和。

OSPF三大表项

邻居表

OSPF邻居表显示了OSPF路由器之间的邻居状态

OSPF在传递链路状态信息之前，需要先建立OSPF邻居关系

OSPF的邻居关系通过交互Hello报文建立

LSDB

LSDB会保存自己产生的及从邻居收到的LSA信息

Type标识LSA的类型，AdvRouter标识发送LSA的路由器

OSPF路由表

OSPF路由表包含Destination、Cost和NextHop等指导转发的信息

OSPF路由表和路由器路由表是两张不同的表

OSPF报文

OSPF一共定义了5种类型的报文，不同类型的OSPF报文有相同的头部格式

OSPF报文直接采用IP封装，在报文的IP头部中，协议号为89

Type	报文名称	报文功能
1	Hello	发现和维护邻居关系
2	Database Description	交互链路状态数据库摘要
3	Link State Request	请求特定的链路状态信息
4	Link State Update	发送特定的链路状态信息
5	Link State Ack	确认LSA

Hello报文

Hello报文的作用

邻居发现：自动发现邻居路由器
邻居建立：完成Hello报文中的参数协商，建立邻居关系
邻居保持：通过周期性发送和接收，检测邻居运行状态

Hello报文发送的时间间隔：通常为10秒

Hello报文的失效时间(如果在此时间内未收到邻居发来的Hello报文，则认为邻居失效)：通常为40秒

重要字段：

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

Option：

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优先级

RouterDeadInterval：Hello报文失效时间

Designated Router：DR的接口地址

Backup Designated Router：BDR的接口地址

Neighbor：邻居，以Router ID标识

DD报文

DD报文包含LSA头部信息，包含LS Type、LS ID、Advertising Router、LS Sequence Number、LS checksum

重要字段：

Interface MTU：指示在不分片的情况下，此接口最大可发出的IP报文长度。在两个邻居发送DD报文中包含MTU参数，如果收到的DD报文中MTU和本端MTU不相等，则丢弃DD报文。缺省情况下，华为设备位开启MTU检查

Option：同Hello报文的Option字段

I：指示此DD报文是否是第一个DD报文，如果是第一个DD报文，则置位

M：指示此DD报文后面是否还有后续的DD报文，如果还有后续DD报文，则置位

MS：指示发送此DD报文的路由器的角色，如果是Master，则置位

OSPF工作过程

OSPF工作过程概览

1、建立邻居关系

OSPF使用Hello报文发现和建立邻居关系

在以太网链路上，缺省时，OSPF采用组播的形式发送Hello报文(目的地址：224.0.0.5)

OSPF Hello报文中包含路由器的Router ID、邻居列表等信息

2、邻接关系建立

Master/Slave选举的规则：比较Router ID，选择Router ID较大的成为Master，Router ID较小的则成为uSlave

Master/Slave选举的作用：确认DD报文的序列号，以选举为Master的路由器发送的DD报文的序列号为后续交互的序列号

DR与BDR

MA网络中的问题：

邻接关系过多，管理复杂。 n * (n - 1)/ 2 个邻接关系
重复的LSA泛洪，造成资源浪费

解决方法：

在MA网络中选举DR

DR(Designated Router，指定路由器)，负责在MA网络建立和维护邻居关系并负责LSA的同步

为了规避单点故障风险，通过选举BDR(Backup Designated Router，备份指定路由器)，在DR失效时快速接管DR的工作

DRother：既不是DR也不是BDR的路由器就是DRother

DR与其他所有路由器形成邻接关系并交换链路状态信息，其他路由器之间不直接交换链路状态信息

DR与BDR的选举规则

DR/BDR的选举是基于接口的

接口的DR优先级越大越优先
接口的DR优先级相等时，Router ID越大越优先

注意：接口的DR优先级设置为0时，表示该路由器不参与DR/BDR选举

DR/BDR的选举是非抢占式的

LSA

LSA的基本概念

LSA是OSPF进行路由计算的关键依据

OSPF的LSU报文可以携带多种不同类型的LSA

各种类型的LSA拥有相同的报文头部

重要字段：

LS Age：链路状态老化时间，此字段表示LSA已经生存的时间，单位是秒

当LSA被始发时，该字段为0，随着LSA在网络中泛洪，该时间逐渐累加，当到达Max Age(缺省值为3600秒)时，LSA不再用于路由计算

Options：可选项，每一个bit都是对应了OSPF所支持的某种特性

LS Type：链路状态类型

Link State ID：链路状态ID

Advertising Router：通告路由器，产生该LSA的路由器的Router ID

LS Sequence Number：链路状态序列号，当LSA每次有新的实例产生时，序列号就会增加

该字段用于判断LSA的新旧或是否存在重复的实例。序列号的范围是0x80000001-0x7FFFFFFF，路由器始发一个LSA，序列号为0x80000001，之后每次更新序列号加1，当LSA到达最大序列号时，重新产生LSA，并且把学列号设置为0x80000001

LS Checksum：校验和，用于保证数据的完整性和准确性

Length：是一个包含LSA头普在内的LSA的总长度

LSA的类型

类型	名称	产生者	描述	泛洪范围
1	路由器LSA(Router LSA)	每个运行OSPF的路由器	描述了设备的链路状态和开销	只能在接口所属的区域内泛洪
2	网络LSA(Network LSA)	由DR产生	描述该DR所接入的MA网络中所有与之形成邻接关系的路由器，以及DR自己	只能在接口所属的区域内泛洪
3	网络汇总LSA(Network Summary LSA)	由ABR产生	描述区域内某个网段的路由，该类LSA主要用于区域间路由的传递	在接口所属的区域内泛洪
4	ASBR汇总LSA(ASBR Summary LSA)	由ABR产生	描述到达ASBR的路由	在接口所属的区域内泛洪
5	AS外部LSA(AS External LSA)	由ASBR产生	描述到达OSPF域外的路由	整个OSPF域中泛洪
7	非完全末梢区域LSA(NSSA LSA)	由ASBR产生	描述到达OSPF域外的路由	只能在始发的NSSA内泛洪

Router LSA

Router LSA(1类LSA)：每台OSPF路由器都会产生，描述了该路由器直连接口的信息，在所属区域泛洪

V(Virtual Link)：如果产生此LSA的路由器时虚连接的端点，则置为1

E(External)：如果产生此LSA的路由器时ASBR，则置为1

B(Border)：如果产生此LSA的路由器时ABR，则置为1

links：LSA中的link(链路)数量。

Link State ID：1类LSA的Link State ID为OSPF的Router ID

Router LSA使用Link来承载路由器直连接口的信息

每条Link均包含"链路类型"、"链路ID"、"链路数据"以及"度量值"这几个关键信息
路由器可能会采用一个或多个Link来描述某个接口

Link Type	Link ID	Link Data
P2P：描述一个从路由器到邻居路由器之间的点到点链路，属于拓扑信息	邻居路由器的Router ID	宣告该Router LSA路由器接口的IP地址
TransNet：描述一个从本路由器到一个TransNet网段(例如：MA或者NBMA网段)的连接，属于拓扑信息	DR的接口IP地址	宣告该Router LSA的路由器接口的IP地址
StubNet：描述一个从本路由器到一个Stub网(例如Lookback接口)段的连接，属于网段信息	宣告该Router LSA的路由器接口的网络IP地址	该Stub网络的网络掩码

Router LSA描述P2P网络

Router LSA描述TransNet网络

Network LSA

Network LSA(2类LSA)：由DR产生，描述本网段的链路状态，在所属区域传播

Network LSA记录了该网段内所有与DR建立了邻接关系的OSPF路由器，同时携带了该网段的网络掩码

Link State ID：DR的接口IP地址

Network Mask：MA网络的子网掩码

Attached Router：连接到该MA网络的路由器的Router ID(与该DR建立邻接关系的邻居的Router ID和DR自己的Router ID)，如果有多台路由器接入该MA网络，则使用多个字段描述

Network LSA描述MA网络

SPF算法

Network Summary LSA

Network Summary LSA(3类LSA)由ABR产生，用于向一个区域通告到达另一个区域的路由

OSPF区域间路由信息的传递时通过ABR产生的Network Summary LSA(3类LSA)实现的。

重要字段：

LS Type：取值3，代表Network Summary LSA

Link State ID：路由的目的网络地址

Advertising Router：生成LSA的Router ID

Network Mask：路由的网络掩码

Metric：到目的地址的路由开销

区域间路由的防环机制

OSPF要求所有的非骨干区域必须与Area 0直接相连，区域间路由需经由Aera 0中转
区域间的路由传递不能发生在两个非骨干区域之间
ABR不会将描述到达某个区域内网段路由的3类LSA再注入回该区域
ABR从非骨干区域收到的3类LSA不能用于区域间路由计算

注意：OSPF要求ABR设备至少有一个接口属于骨干区域

AS-External LSA

AS-External LSA(5类LSA)：由ASBR产生，描述到达AS外部的路由，该LSA会被通告到所有的区域(除了Stub区域和NSSA区域)

ASBR将外部路由信息以AS-External LSA(5类LSA)的形式在OSPF网络内泛洪

重要字段

LS Type：取值5，代表AS-External-LSA

Link State ID：外部路由的目的网络地址

Advertising Router：生成该LSA的Router ID

Network Mask：网络掩码

E：该外部路由所使用的度量值类型

0：度量值类型为Type-1

1：度量值类型为Type-2

Metric：到目的网络的路由开销

Forwarding Address(FA)：到所通告的目的地址的报文将被转发到这个地址

External Route Tag(外部路由标记)：这是一个只有外部路由才能够携带的标记，常被用于部署路由策略A

OSPF外部路由的2种度量值类型

Metric-Type-1：外部路由的开销 = AS内部开销(路由器到ASBR的开销) + AS外部开销

应用场景：当外部路由的开销与自治系统内部开销相当，并且和OSPF自身路由的开销具有可比性时，可以认为这类路由的可信程度较高，将其配置成Metric-Type-1

Metric-Type-2：外部路由的开销 = AS外部开销

应用场景：当ASBR到AS之外的开销远远大于AS之内到达ASBR开销时，可以认为这类路由的可信度较低，将其配置成Metric-Type-2

Metric-Type-1 > Metric-Type-2

ASBR-Summary LSA

ASBR-Summary LSA(4类LSA)：由ABR产生，描述到ASBR的路由，通告给除ASBR所在区域的其他相关区域

重要字段：

LS Type：取值4，代表ASBR-Summary LSA

Link State ID：ASBR的Router ID

Advertising Router：生成LSA的Router ID

Network Mask：仅保留，无意义

Metric：到目的地址的路由开销

OSPF路由遵循以下优先级顺序：区域内路由 > 区域间路由 > Metric-Type-1外部路由 > Metric-Type-2外部路由

OSPF的特殊区域

Stub区域

Stub区域的ABR不向Stub区域内传播它接收到的AS外部路由，Stub区域中路由器的LSDB、路由表规模都会大大减小

为保证Stub区域能够到达AS外部，Stub区域的ABR将生成一条缺省路由(使用3类LSA描述)

配置Stub区域时需要注意以下几点：

骨干区域不能配置为Stub区域
Stub区域中的所有路由器都必须将该区域配置为Stub
Stub区域不能引入AS外部路由也不能接收AS外部路由
虚连接不能穿越Stub区域

Totally Stub区域

Totally Stub区域既不允许AS外部路由在本区域传播，也不允许区域间路由在本区域内传播

Totally Stub区域内的路由器通过本区域的ABR下发的缺省路由(使用3类LSA描述)到达其他区域，以及AS外部

配置Totally Stub区域时需要要注意：

与Stub区域配置的区别在于，在ABR上需要追加no-summary关键字

NSSA区域和Totally NSSA区域

NSSA区域能够引入外部路由，同时又不会学习来自OSPF网络其他区域引入的外部路由

（将Area 2配置为NSSA区域）：当R5将外部路由192.168,3.0/24引入NSSA区域时， R5作为ASBR生成7类LSA在Area 2内泛洪；R3生成使用7类LSA描述的缺省路由注入Area 2, Area 2内的路由器依然会收到R3注入的3类LSA，并计算出到达其他区域的区域间路由。

（将Area2配置为Totally NSSA区域）：Totally NSSA区域和NSSA区域类似，只是 Totally NSSA区域的ABR会阻挡3类LSA进入该区城，因此在场景2中，R3不会将区域间路由注入Area 2，故而在R5的LSDB中，仅会看到一条描述缺省路由的3类LSA。

NSSA LSA

NSSA LSA(7类LSA)：用于描述NSSA区域引入的外部路由信息。NSSA区域的ASBR将外部路由引入该区域后，使用7类LSA描述这些路由。

7类LSA的扩散范围仅限于始发NSSA区域，7类LSA不会被注入到普通区域

NSSA区域的ABR会将7类LSA转化为5类LSA，并将该LSA注入到骨干区域，从而在整个OSPF域内泛洪

NSSA区域的ABR会阻挡其他区域引入的外部路由引入本区域。即NSSA区域内不会存在4类及5类LSA，为了让NSSA区域内的路由器能够通过骨干区域到达AS外部，NSSA区域的ABR会自动向该区域注入一条缺省路由，该路由采用7类LSA描述

路由器对LSA的处理原则

如果收到的LSA本地没有，则更新LSDB并泛洪该LSA
如果本地LSDB已存在该LSA，但是收到的更新，则更新LSDB并泛洪该LSA
如果收到的LSA和LSDB中相同，则忽略，并终止泛洪
如果收到的LSA损坏(例如Checksum错误)，则不接收该LSA

路由汇总

路由汇总又被称为路由聚合，即是将一组前缀相同的路由汇聚成一条路由，从而达到减小路由表规模以及优化设备资源利用率的目的

把汇聚之前的这组路由称为精细路由或明细路由

把汇聚之后的这条路由称为汇总路由或聚合路由

OSPF路由汇总类型：

在ABR执行路由汇总：对区域间的路由执行路由汇总
在ASBR执行路由汇总：对引入的外部路由执行路由汇总

注意：明细路由对应的网段如果产生翻动(Up/Down)，该拓扑变更造成的影响将被限制在明细路由所在的区域内

OSPF协议特性

Silent-Interface

通过Silent-Interface的配置，增强OSPF的组网适应能力，减少系统资源的消耗

Silent-Interface特性：

Silent-Interface不会接收和发送OSPF报文
Silent-Interface的直连路由仍可以发不出去

使用场景：路由器接口连接着终端设备(例如：服务器)，由于他连接的不是OSPF路由器，因此管理员将该接口配置为Silent-Interface，该接口将不再收发Hello报文，从而避免对服务器的性能降低

OSPF报文认证

OSPF支持报文认证，只有通过认证的OSPF报文才能被接收

OSPF路由器支持两种报文认证方式：（当两种认证方式都存在时，优先使用接口认证方式）

区域认证方式：一个OSPF区域中所有的路由器在该区域下的认证模式和口令必须一致
接口认证方式：相邻路由器直连接口下的认证模式和口令必须一致

OSPF快速收敛

PRC

PRC(Partial Route Calculation)的工作原理：当网络上的路由发生变化的时候，只对发生变化的路由进行重新计算

PRC不计算节点路径、而是根据SPF算法算出来的最短路径树来更新路由

价值：OSPF网络新增网段时，只关注发生变化的路由，加快了路由的计算

注意：在华为设备上，OSPF的PRC功能默认开启

智能定时器

智能定时器是在进行SPF计算和产生LSA的时候用到的一种定时器

智能定时器即可以对少量的外界突发事件进行快速响应，又可以避免过度的占用CPU

智能定时器可用场景：

控制LSA的生成和接收

OSPF通过如下两个规定来避免网络连接或者路由频繁动荡引起的过多占用设备资源的情况
- 同一条LSA在１秒内不能再次生成，即LSA的更新时间间隔５秒
- LSA被接收的时间间隔为１秒
解决方法：在网络相对稳定、对路由收敛时间要求较高的组网环境中，可以通过智能定时器指定LSA的更新时间间隔为0来取消更新时间间隔，是的拓扑或路由的变化可以立即通过LSA发布到网络总，或者立即被感知到，从而加快网络中路由的收敛速度

Lsa-originate-interval --设置OSPF LSA更新的时间间隔

Lsa-arrival-interval --设置OSPF LSA接收的时间间隔
控制路由计算

当网络发生变化时，OSPF的LSDB会产生改变，需要重新计算最短路径。如果网络频繁变化，由于不断的计算最短路径，会占用大量系统资源，影响设备的效率

解决方法：通过配置智能定时器，设置合理的SPF计算的间隔时间，可以避免占用过多的路由器内存和带宽资源

Spf-schedule-interval --设置OSPF路由计算时间间隔

OSPF IP FRR

OSPF IP FRR(Fast reroute，快速重路由)是动态IP FRR，利用LFA(Loop-Free Alternates)算法预先计算出备份路径，保存在转发表中，以备在故障时将流量快速切换到备份链路上，保证流量不中断，从而达到流量保护的目的，该功能可将故障恢复时间降低到50ms以内

LFA计算备份链路的基本思路：以可提供备份链路的邻居为根节点，利用SPF算法计算出到目的节点的最短距离。然后，按照不等式计算出开销最小且无环的备份链路。

OSPF IP FRR的流量保护分类

链路保护：当需要保护的对象是经过特定链路的流量时，流量保护类型为链路保护
节点链路双保护：当需要保护的对象时经过特定设备的流量时，流量保护类型为节点链路双保护。节点保护优先级高于链路保护

OSPF与BFD联动

OSPF与BFD联动就是将BFD和OSPF关联起来，一旦与邻居之间的链路出现故障，BFD对链路故障的快速感应能够加快OSPF对于网络拓扑变化的相应

OSPF路由控制

等价路由

当路由表中存在到达同一目的地址，且同一路由协议发现的多条路由时，若这几条路由的开销值也相同，那么这些路由就是等价路由，可以实现负载分担

设备将按照负载分担的方式从多条等价路由发送报文到同一目的地址

缺省路由

缺省路由时指目的地址和掩码都是0的路由。当设备五精确匹配的路由时，就可以通过缺省路由进行报文转发。

由于OSPF路由的分级管理，Type3缺省路由的优先级高于Type5或Type7路由

OSPF缺省路由的应用情况

由区域边界路由器(ABR)发布Type3 LSA，用来指导区域内路由器进行区域之间报文的转发
由自治系统边界路由器(ASBR)发布Type5 LSA或Type7 LSA，用来指导OSPF路由域内路由器进行域外报文的转发

区域类型	产生条件	发布方式	产生LSA类型	泛洪范围
普通区域	通过default-route-advertise命令配置	ASBR发布	Type5 LSA	普通区域
Stub区域和Totally Stub区域	自动产生	ABR发布	Type3 LSA	Stub区域
NSSA区域	通过nssa [default-route advertise]	ASBR发布	Type7 LSA	NSSA区域
Totally NSSA区域	自动产生	ABR发布	Type3 LSA	NSSA区域

注意：

import-route(OSPF)命令不能引入外部路由的缺省路由。当需要引入其他协议产生的缺省路由时，必须在ASBR上配置default-route-advertise命令，发布缺省路由到这个普通OSPF区域
OSPF路由域中在通告缺省路由前，会比较缺省路由的优先级。如果在某OSPF设备上同时配置了静态缺省路由，要使OSPF通告的缺省路由加入到当前的路由表中，则必须保证所配置的静态缺省路由的优先级比OSPF通告的缺省路由的优先级低

对发送的LSA进行过滤

通过对OSPF接口出方向的LSA进行过滤可以不向邻居发送无用的LSA，从而减少邻居LSDB的大小，提高网络收敛速度

当两台路由器之间存在多条链路时，可以在某些链路上通过对发送的LSA进行过滤，减少不必要的重传，节省带宽资源

对区域内出、如方向ABR Type3 LSA设置过滤条件，只有通过过滤的LSA才能被发布和接收

OSPF Database Overflow

OSPF要求同一区域的路由器保存相同的LSDB。随着网络上路由器数量不断增加，一些路由器由于系统资源有限，不能再承载如此多的路由信息，这种状态就被称为数据库超限(OSPF Database Overflow)

为了解决数据库超限引发的问题，通过设置LSDB中External LSA的最大条目数，可以动态限制链路数据库的规模

当OSPF引入的外部路由(Type5 LSA和Type7 LSA)数量超过允许的范围，会导致超出的外部路由无法得到正确处理，丢失引入的路由。为了解绝上述问题，通过配置OSPF的LSDB中External LSA的最大条目数，保证引入的外部路由在一个合理的范围内，调整和优化OSPF网络

Lsdb-overflow-limit number

避免OSPF Database Overflow工作原理

OSPF网络中所有路由器都配置相同的上限值，只要路由器上外部路由的数量达到该上限，路由器就进入Overflow状态，并同时启动Overflow状态定时器(默认超时时间为5秒)，路由器在定时器超过5秒后自动退出Overflow状态

Overflow状态阶段	OSPF处理流程
进入Overflow状态时	路由器删除所有自己产生的非缺省外部路由启动Overflow状态定时器
处于Overflow状态中	不产生非缺省外部路由丢弃新收到的非缺省外部路由，不回复确认报文当Overflow状态定时器超时，检查外部路由数量是否仍然超过上限 N => 退出Overflow状态 Y=>重启Overflow定时器
退出Overflow状态时	删除Overflow状态定时器产生非缺省外部路由接收新到的非缺省外部路由，回复确认报文准备下一次进入Overflow状态