OSPF(Open Shortest Path First开放式最短路径优先)是一个内部网关协议(Interior Gateway Protocol,简称IGP),用于在单一自治系统(autonomous system,AS)内决策路由。是对链路状态路由协议的一种实现,隶属内部网关协议(IGP),故运作于自治系统内部。著名的迪克斯加算法(Dijkstra)被用来计算最短路径树。OSPF分为OSPFv2和OSPFv3两个版本,其中OSPFv2用在IPv4网络,OSPFv3用在IPv6网络。OSPFv2是由RFC 2328定义的,OSPFv3是由RFC 5340定义的。与RIP相比,OSPF是链路状态协议,而RIP是距离矢量协议。
OSPF术语
Router-ID
假设这个世界上的人名字是没有重复的,每个人的名字都不相同,当有一天,遇上个陌生人告诉你,有任何麻烦可以找他,他一定能够帮你解决;等到你有麻烦的时候,你想找那个人帮忙,可是如果你连那个人的名字都不知道,那么也就不可能找到那个人帮忙了。OSPF就类似于上述情况,网络中每台OSPF路由器都相当于一个人,OSPF路由器之间相互通告链路状态,就等于是告诉别人可以帮别人的忙,如此一来,如果路由器之间分不清谁是谁,没有办法确定各自的身份,那么通告的链路状态就是毫无意义的,所以必须给每一个OSPF路由器定义一个身份,就相当于人的名字,这就是Router-ID,并且Router-ID在网络中绝对不可以有重名,否则路由器收到的链路状态,就无法确定发起者的身份,也就无法通过链路状态信息确定网络位置,OSPF路由器发出的链路状态都会写上自己的Router-ID,可以理解为该链路状态的签名,不同路由器产生的链路状态,签名绝不会相同。
每一台OSPF路由器只有一个Router-ID,Router-ID使用IP地址的形式来表示,确定Router-ID的方法为:
★1 .手工指定Router-ID。
★2 .路由器上活动Loopback接口中IP地址最大的,也就是数字最大的,如C类地址优先于B类地址,一个非活动的接口的IP地址是不能被选为Router-ID的。
★3 .如果没有活动的Loopback接口,则选择活动物理接口IP地址最大的。
注:如果一台路由器收到一条链路状态,无法到达该Router-ID的位置,就无法到达链路状态中的目标网络。
Router-ID只在OSPF启动时计算,或者重置OSPF进程后计算。
COST
OSPF使用接口的带宽来计算Metric,例如一个10 Mbit/s的接口,计算Cost的方法为:
将10 Mbit换算成bit,为10 000 000 bit,然后用10000 0000除以该带宽,结果为 10000 0000/10 000 000 bit = 10,所以一个10 Mbit/s的接口,OSPF认为该接口的Metric值为10,需要注意的是,计算中,带宽的单位取bit/s,而不是Kbit/s,例如一个100 Mbit/s的接口,Cost 值为 10000 0000 /100 000 000=1,因为Cost值必须为整数,所以即使是一个1000 Mbit/s(1GBbit/s)的接口,Cost值和100Mbit/s一样,为1。如果路由器要经过两个接口才能到达目标网络,那么很显然,两个接口的Cost值要累加起来,才算是到达目标网络的Metric值,所以OSPF路由器计算到达目标网络的Metric值,必须将沿途中所有接口的Cost值累加起来,在累加时,同EIGRP一样,只计算出接口,不计算进接口。
OSPF会自动计算接口上的Cost值,但也可以通过手工指定该接口的Cost值,手工指定的优先于自动计算的值。
OSPF计算的Cost,同样是和接口带宽成反比,带宽越高,Cost值越小。到达目标相同Cost值的路径,可以执行负载均衡,最多6条链路同时执行负载均衡。
链路(Link)
就是路由器上的接口,在这里,应该指运行在OSPF进程下的接口。
链路状态(Link-State)
链路状态(LSA)就是OSPF接口上的描述信息,例如接口上的IP地址,子网掩码,网络类型,Cost值等等,OSPF路由器之间交换的并不是路由表,而是链路状态(LSA),OSPF通过获得网络中所有的链路状态信息,从而计算出到达每个目标精确的网络路径。OSPF路由器会将自己所有的链路状态毫不保留地全部发给邻居,邻居将收到的链路状态全部放入链路状态数据库(Link-State Database),邻居再发给自己的所有邻居,并且在传递过程中,绝对不会有任何更改。通过这样的过程,最终,网络中所有的OSPF路由器都拥有网络中所有的链路状态,并且所有路由器的链路状态应该能描绘出相同的网络拓朴。比如如今要计算一条地铁线路图,如上海地铁二号线某段的图,如果不直接将该图给别人看,图好比是路由表,如今只是报给别人各个站的信息,该信息好比是链路状态,通过告诉别人各个站左边一站是什么,右边一站是什么,别人也能通过该信息(链路状态),画出完整的线路图(路由表),如得到如下各站信息(链路状态):
★南京东路-站 (左边一站是人民广场,右边一站是陆家嘴)
★南京西路-站 (左边一站是静安寺,右边一站是人民广场)
★静安寺-站 (右边一站是南京西路)
★人民广场-站 (左边一站是南京西路,右边一站是南京东路)
★陆家嘴-站 (左边一站是南京东路)
还原线路图(路由表)如下:
根据分析以下两站信息(两条链路状态):
★南京西路-站 (左边一站是静安寺,右边一站是人民广场)
★静安寺-站 (右边一站是南京西路)
计算 因为静安寺右边是南京西路,而南京西路左边是静安寺,所以静安寺和南京西路是相邻的,为 静安寺 — 南京西路,并且由于南京西路右边是人民广场,所以通过这两条信息,得出线路为 静安寺 — 南京西路 — 人民广场,继续往下
再根据如下两站信息(链路状态):
★人民广场-站 (左边一站是南京西路,右边一站是南京东路)
★南京东路-站 (左边一站是人民广场,右边一站是陆家嘴)
计算 因为之前南京西路右边是人民广场,人民广场左边是南京西路,所以南京西路和人民广场是相邻的两站,并且人民广场右边是南京东路,得出线路为 南京西路 — 人民广场 — 南京东路,并且因为南京东路右边是陆家嘴,所以 这部分线路得知为南京西路 — 人民广场 — 南京东路 — 陆家嘴,继续往下
再根据如下一站信息(链路状态):
★陆家嘴-站 (左边一站是南京东路)
计算 因为南京东路右边是陆家嘴,而陆家嘴左边是南京东路,所以两站相邻,得出为 南京东路 — 陆家嘴,
通过以上各部分的线路:
静安寺 — 南京西路 — 人民广场
南京西路 — 人民广场 — 南京东路 — 陆家嘴
南京东路 — 陆家嘴
所以很轻松的就画出该段地铁线路图为:
静安寺 — 南京西路 — 人民广场 —南京东路 — 陆家嘴
从以上计算过程可以知道,因为得到各站的信息,就能画出整条线路图,而OSPF也同样根据路由器各接口的信息(链路状态),计算出网络拓朴图,OSPF之间交换链路状态,就像上面交换各站信息,而不像RIP和EIGRP直接交换路由表,交换路由表,就等于直接给人看线路图,可见OSPF的智能算法,比距离矢量协议对网络有更精确的认知。
OSPF区域
因为OSPF路由器之间会将所有的链路状态(LSA)相互交换,毫不保留,当网络规模达到一定程度时,LSA将形成一个庞大的数据库,势必会给OSPF计算带来巨大的压力;为了能够降低OSPF计算的复杂程度,缓存计算压力,OSPF采用分区域计算,将网络中所有OSPF路由器划分成不同的区域,每个区域负责各自区域精确的LSA传递与路由计算,然后再将一个区域的LSA简化和汇总之后转发到另外一个区域,这样一来,在区域内部,拥有网络精确的LSA,而在不同区域,则传递简化的LSA。区域的划分为了能够尽量设计成无环网络,所以采用了Hub-Spoke的拓朴架构,也就是采用核心与分支的拓朴,如下图:
区域的命名可以采用整数数字,如1、2、3、4,也可以采用IP地址的形式,0.0.0.1、0.0.0.2,因为采用了Hub-Spoke的架构,所以必须定义出一个核心,然后其它部分都与核心相连,OSPF的区域0就是所有区域的核心,称为BackBone 区域(骨干区域),而其它区域称为Normal 区域(常规区域),在理论上,所有的常规区域应该直接和骨干区域相连,常规区域只能和骨干区域交换LSA,常规区域与常规区域之间即使直连也无法互换LSA,如上图中Area 1、Area 2、Area 3、Area 4只能和Area 0互换LSA,然后再由Area 0转发,Area 0就像是一个中转站,两个常规区域需要交换LSA,只能先交给Area 0,再由Area 0转发,而常规区域之间无法互相转发。
OSPF区域是基于路由器的接口划分的,而不是基于整台路由器划分的,一台路由器可以属于单个区域,也可以属于多个区域,如下图:
如果一台OSPF路由器属于单个区域,即该路由器所有接口都属于同一个区域,那么这台路由器称为Internal Router(IR),如上图中的R2,R3和R4;如果一台OSPF路由器属于多个区域,即该路由器的接口不都属于一个区域,那么这台路由器称为Area Border Router (ABR),如上图中的R1,ABR可以将一个区域的LSA汇总后转发至另一个区域;如果一台OSPF路由器将外部路由协议重分布进OSPF,那么这台路由器称为Autonomous System Boundary Router (ASBR),如上图中,R5将EIGRP重分布进OSPF,那么R5就是ASBR,但是如果只是将OSPF重分布进其它路由协议,则不能称为ASBR。
可以配置任何OSPF路由器成为ABR或ASBR。
由于OSPF有着多种区域,所以OSPF的路由在路由表中也以多种形式存在,共分以下几种:
如果是同区域的路由,叫做Intra-Area Route,在路由表中使用O来表示;
如果是不同区域的路由,叫做Inter-Area Route或Summary Route,在路由表中使用O IA来表示;
如果并非OSPF的路由,或者是不同OSPF进程的路由,只是被重分布到OSPF的,叫做External Route,在路由表中使用O E2或OE 1来表示。
当存在多种路由可以到达同一目的地时,OSPF将根据先后顺序来选择要使用的路由,所有路由的先后顺序为:
Intra-Area — Inter-Area — External E1 — External E2,即 O — O IA — O E1 — O E2。
注:
★一台路由器可以运行多个OSPF进程,不同进程的OSPF,可视为没有任何关系,如需要获得相互的路由信息,需要重分布。
★每个OSPF进程可以有多个区域,而路由器的链路状态数据库是分进程和分区域存放的。
邻居(Neighbor)
OSPF只有邻接状态才会交换LSA,路由器会将链路状态数据库中所有的内容毫不保留地发给所有邻居,要想在OSPF路由器之间交换LSA,必须先形成OSPF邻居,OSPF邻居靠发送Hello包来建立和维护,Hello包会在启动了OSPF的接口上周期性发送,在不同的网络中,发送Hello包的间隔也会不同,当超过4倍的Hello时间,也就是Dead时间过后还没有收到邻居的Hello包,邻居关系将被断开。
两台OSPF路由器必须满足4个条件,才能形成OSPF邻居,4个必备条件如下:
Area-id(区域号码)
即路由器之间必须配置在相同的OSPF区域,否则无法形成邻居。
Hello and Dead Interval(Hello时间与Dead时间)
即路由器之间的Hello时间和Dead时间必须一致,否则无法形成邻居。
Authentication(认证)
路由器之间必须配置相同的认证密码,如果密码不同,则无法形成邻居。
Stub Area Flag(末节标签)
路由器之间的末节标签必须一致,即处在相同的末节区域内,否则无法形成邻居。
注:
★OSPF只能使用接口的Primary地址建立邻居,不能使用Secondary建立邻居。
★路由器双方接口要么都为手工配置地址(Numbered),要么都为借用地址(Unnumbered),否则无法建立邻居。
邻接(Adjacency)
两台OSPF路由器能够形成邻居,但并不一定能相互交换LSA,只要能交换LSA,关系则称为邻接(Adjacency)。邻居之间只交换Hello包,而邻接(Adjacency)之间不仅交换Hello包,还要交换LSA。
DR/BDR
当多台OSPF路由器连到同一个多路访问网段时,如果每两台路由器之间都相互交换LSA,那么该网段将充满着众多LSA条目,为了能够尽量减少LSA的传播数量,通过在多路访问网段中选择出一个核心路由器,称为DR(Designated Router),网段中所有的OSPF路由器都和DR互换LSA,这样一来,DR就会拥有所有的LSA,并且将所有的LSA转发给每一台路由器;DR就像是该网段的LSA中转站,所有的路由器都与该中转站互换LSA,如果DR失效后,那么就会造成LSA的丢失与不完整,所以在多路访问网络中除了选举出DR之外,还会选举出一台路由器作为DR的备份,称为BDR(Backup Designated Router),BDR在DR不可用时,代替DR的工作,而既不是DR,也不是BDR的路由器称为Drother,事实上,Dother除了和DR互换LSA之外,同时还会和BDR互换LSA。
其实不难看出,DR与BDR并没有任何本质与功能的区别,只有在多路访问的网络环境,才需要DR和BDR,DR与BDR的选举是在一个二层网段内选举的,即在多个路由器互连的接口范围内,与OSPF区域没有任何关系,一个区域可能有多个多路访问网段,那么就会存在多个DR和BDR,但一个多路访问网段,只能有一个DR和BDR;选举DR和BDR的规则为:
★比较接口优先级
选举优先级最高的成为DR,优先级数字越大,表示优先级越高,被选为DR的几率就越大,次优先级的为BDR,优先级范围是0-255,默认为1,优先级为0表示没有资格选举DR和BDR。
★Route-Id大小
如果在优先级都相同的情况下,Route-Id 最大的成为DR,其次是BDR,数字越大,被选为DR的几率就越大。
因为所有路由器都能与DR和BDR互换LSA,所以所有路由器都与DR和BDR是邻接(Adjacency)关系,而Drother与Drother之间无法互换LSA,所以Drother与Drother之间只是邻居关系。
在一个多路访问网络中,选举DR和BDR是有时间限制的,该时间为Wait时间,默认为4倍的Hello时间,即与Dead时间相同,如果OSPF路由器在超过Wait时间后也没有其它路由器与自己竞争DR与BDR的选举,那么就选自己为DR;当一个多路访问网络中选举出DR与BDR之后,在DR与BDR没有失效的情况下,不会进行重新选举,也就是在选举出DR与BDR之后,即使有更高优先级的路由器加入网络,也不会影响DR与BDR的角色,在越出选举时间(Wait时间)后,只有DR与BDR失效后,才会重新选举。DR失效后,会同时重新选举DR与BDR,而在BDR失效后,只会重新选举BDR。
DR和BDR与Drother的数据包处理会有所不同,
所有OSPF路由器,包括DR与BDR,都能够接收和传递目标地址为224.0.0.5的数据包。
只有DR和BDR才能接收和传递目标地址为224.0.0.6的数据包。
由此可见,Drother路由器将数据包发向目标地址224.0.0.6,只能被DR和BDR接收,其它Drother不能接收;而DR和BDR将数据包发向目标地址224.0.0.5,可以被所有路由器接收。
协议
一、Hello协议的目的:
用于发现邻居
在成为邻居之前,必须对Hello包里的一些参数进行协商
Hello包在邻居之间扮演着keepalive的角色
允许邻居之间的双向通信
用于在NBMA(Nonbroadcast Multi-access)、广播网络(以太网)中选举DR和BDR
二、Hello Packet包含以下信息:
源路由器的RID
源路由器的Area ID
源路由器接口的掩码
源路由器接口的认证类型和认证信息
源路由器接口的Hello包发送的时间间隔
源路由器接口的无效时间间隔
优先级
DR/BDR接口IP地址
五个标记位(flag bit)
源路由器的所有邻居的RID
网络类型
OSPF定义的5种网络类型:
1.1点到点网络,比如T1线路,是连接单独的一对路由器的网络,点到点网络上的有效邻居总是可以形成邻接关系的,在这种网络上,OSPF包的目标地址使用的是224.0.0.5,这个组播地址称为AllSPFRouters.
2.广播型网络(broadcast),由cisco提出的网络类型,自动发现邻居,选举DR/BDR,hello时间10s。
2.1广播型网络,比如以太网,Token Ring和FDDI,这样的网络上会选举一个DR和BDR,DR/BDR的发送的OSPF包的目标地址为224.0.0.5,运载这些OSPF包的帧的目标MAC地址为0100.5E00.0005;而除了DR/BDR以外发送的OSPF包的目标地址为224.0.0.6,这个地址叫AllDRouters.
3.非广播型(NBMA)网络 (non-broadcast),由RFC提出的网络类型,手工配置邻居,选举DR/BDR,hello时间30s。
3.1.NBMA网络,比如X.25,Frame Relay,和ATM,不具备广播的能力,因此邻居要人工来指定,在这样的网络上要选举DR和BDR,OSPF包采用unicast的方式
4.点到多点网络 (point-to-multipoint),由RFC提出,自动发现邻居,不选举DR/BDR,hello时间30s。
4.1点到多点网络 是NBMA网络的一个特殊配置,可以看成是点到点链路的集合. 在这样的网络上不选举DR和BDR.
5.点到多点非广播,由cisco提出的网络类型,手动配置邻居,不选举DR/BDR,hello时间30s。
6.虚链接: OSPF包是以unicast的方式发送
所有的网络也可以归纳成2种网络类型:
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传输网络(Transit Network)
-
末梢网络(Stub Network )
OSPF模式
OSPF模式
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NBMA 推荐拓扑
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子网接口
|
Hello时间
|
链接关系
|
RFC/Cisco
|
Broadcast
|
Full or partial mesh
|
Same
|
10 sec
|
Automatic, DR/BDR elected
|
Cisco
|
Nonbroadcast (NBMA)
|
Full or partial mesh
|
Same
|
30 sec
|
Manual configuration, DR/BDR elected
|
RFC
|
Point-to-multipoint
|
Partial-mesh
or star
|
Same
|
30 Sec
|
Automatic,
no DR/BDR
|
RFC
|
Point-to-multipoint nonbroadcast
|
partial-mesh
or star
|
Same
|
30 sec
|
Manual configuration, no/DR/BDR
|
Cisco
|
Point-to-point
|
Partial-mesh or star, using subinterface
|
Different for Each Subinterface
|
10 sec
|
Automatic,
no DR/BDR
|
Cisco
|
在DR和BDR出现之前,每一台路由器和他的所有邻居成为完全网状的OSPF邻接关系,这样5台路由器之间将需要形成10个邻接关系,同时将产生20条LSA.而且在多址网络中,还存在自己发出的LSA 从邻居的邻居发回来,导致网络上产生很多LSA的拷贝,所以基于这种考虑,产生了DR和BDR.
DR将完成如下工作
DR BDR选取规则:DR BDR选取是以接口状态机的方式触发的.
-
路由器的每个多路访问(multi-access)接口都有个路由器优先级(Router Priority),8位长的一个整数,范围是0到255,Cisco路由器默认的优先级是1优先级为0的话将不能选举为DR/BDR.优先级可以通过命令ip ospf priority进行修改.
-
Hello包里包含了优先级的字段,还包括了可能成为DR/BDR的相关接口的IP地址.
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当接口在多路访问网络上初次启动的时候,它把DR/BDR地址设置为0.0.0.0,同时设置等待计时器(wait timer)的值等于路由器无效间隔(Router Dead Interval).
DR BDR选取过程:
-
路由器X在和邻居建立双向(2-Way)通信之后,检查邻居的Hello包中Priority,DR和BDR字段,列出所有可以参与DR/BDR选举的邻居(priority不为0).
-
如果有一台或多台这样的路由器宣告自己为BDR(也就是说,在其Hello包中将自己列为BDR,而不是DR),选择其中拥有最高路由器优先级的成为BDR;如果相同,选择拥有最大路由器标识的。如果没有路由器宣告自己为BDR,选择列表中路由器拥有最高优先级的成为BDR,(同样排除宣告自己为DR的路由器),如果相同,再根据路由器标识。
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按如下计算网络上的DR。如果有一台或多台路由器宣告自己为DR(也就是说,在其Hello包中将自己列为DR),选择其中拥有最高路由器优先级的成为DR;如果相同,选择拥有最大路由器标识的。如果没有路由器宣告自己为DR,将新选举出的BDR设定为DR。
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如果路由器X新近成为DR或BDR,或者不再成为DR或BDR,重复步骤2和3,然后结束选举。这样做是为了确保路由器不会同时宣告自己为DR和BDR。
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要注意的是,当网络中已经选举了DR/BDR后,又出现了1台新的优先级更高的路由器,DR/BDR是不会重新选举的。
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DR/BDR选举完成后,DRother只和DR/BDR形成邻接关系.所有的路由器将组播Hello包到AllSPFRouters地址224.0.0.5以便它们能跟踪其他邻居的信息,即DR将泛洪update packet到224.0.0.5;DRother只组播update packet到AllDRouter地址224.0.0.6,只有DR/BDR监听这个地址.
简洁的说:DR的筛选过程
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优先级为0的不参与选举;
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优先级高的路由器为DR;
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优先级相同时,以router ID 大为DR;
router-ID选举规则
首先会在该路由器上的所有 环回接口里选一个IP地址最大的,如果没有环回接口就选活动的物理接口IP地址最大的。
(只有在IPV4 的环境下可以自动选举route-ID 如果是纯IPV6环境必须手工指定)
邻居关系
邻接关系建立的4个阶段:
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邻居发现阶段。
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双向通信阶段:Hello报文都列出了对方的RID,则BC完成。
-
数据库同步阶段:主从协商;DD交换;LSA请求;LSA传播;LSA应答。
-
完全邻接阶段: full adjacency。
邻居关系的建立和维持都是靠Hello包完成的,在一般的网络类型中,Hello包周期性的以HelloInterval秒发送,有1个例外:在NBMA网络中,路由器每经过一个PollInterval周期发送Hello包给状态为down的邻居(其他类型的网络是不会把Hello包发送给状态为down的路由器的).Cisco路由器上PollInterval默认120s Hello Packet以组播的方式发送给224.0.0.5,在NBMA类型,点到多点和虚链路类型网络,以单播发送给邻居路由器。邻居可以通过手工配置或者Inverse-ARP发现。
OSPF路由器在完全邻接之前,所经过的几个状态:
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Attempt: 只适于NBMA网络,在NBMA网络中邻居是手动指定的,在该状态下,路由器将使用HelloInterval取代PollInterval来发送Hello包。
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Init: 表明在DeadInterval里收到了Hello包,但是2-Way通信仍然没有建立起来。
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two-way: 双向会话建立,而RID彼此出现在对方的邻居列表中。(若为广播网络:例如:以太网。在这个时候应该选举DR,BDR。)
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ExStart: 信息交换初始状态,在这个状态下,本地路由器和邻居将建立Master/Slave关系,并确定DD Sequence Number,路由器ID大的的成为Master。
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Exchange: 信息交换状态,本地路由器和邻居交换一个或多个DBD分组(也叫DDP),DBD包含有关LSDB中LSA条目的摘要信息。
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Loading: 信息加载状态:收到DBD后,将收到的信息同LSDB中的信息进行比较。如果DBD中有更新的链路状态条目,则向对方发送一个LSR,用于请求新的LSA。
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Full: 完全邻接状态,邻接间的链路状态数据库同步完成,通过邻居链路状态请求列表为空且邻居状态为Loading判断。
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Hello间隔和Dead间隔必须相同才能建立邻接关系。
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区域号码不一致。
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特殊区域(如stub和nssa等)区域类型不匹配。
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认证类型和密码不一致。
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路由器ID相同。
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Hello包被ACLdeny。
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链路上的MTU不匹配。
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接口下OSPF网络类型不匹配。