OSPF路由協議——上

OSPF路由協議

RIP的不足

以跳數評估的路由并非最優路徑

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  • 如果RTA選擇s0/0傳輸，傳輸需時會大大縮短為3s

最大跳數為16跳，導致網絡尺度小

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  • RIP協議限制網絡直徑不能超過16跳，并且16跳為不可達。

收斂速度慢

  • RIP 定期路由更新
    • 更新計時器：定期路由更新的時間間隔，默認為30s
    • 失效計時器：失效計時器內未收到更新，路由失效，默認180s
    • 清除計時器：清除計時器內未收到更新，路由清除，默認240s
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更新發送全部路由表，浪費網絡資源

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  • 假設RTA和RTB各有1000條路由，每條路由需占用20個字節
  • 每次路由更新時，RTA和RTB之間單向需消耗至少160Kb的帶寬資源

OSPF簡介

什么是OSPF

  • OSPF英文全稱Open Shortest Path First（開放式最短路徑優先）
  • OSPF是IETF開發的一種鏈路狀態路由協議，使用基于帶寬的度量值
  • OSPF采用SPF（Shortest Path First，最短路徑優先算法）算法計算路由，從算法上保證了無路由環路
  • OSPF通過鄰居關系維護路由，避免了定期更新第帶寬的消耗
  • OSPF路由更新效率高，網絡收斂快，適用于大中型網絡
  • OSPF報文封裝于IP，協議號89，組播地址224.0.0.5和224.0.0.6

OSPF的基本工作原理

OSPF協議模型

  • OSPF基本協議模型
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  • LSA（Link-State Advertisement，鏈路狀態通告）

  • LSDB（Link-State Database，鏈路狀態數據庫）

  • OSPF的四張表

OSPF基本概念——Router ID

  • 一臺路由器要想運行OSPF協議，則必須存在Router ID（RID）
  • RID是一個32比特無符號整數，可以在一個自治系統中唯一的標識一臺路由器。
  • RID可以手工配置，也可以自動生成。
  • 如果沒有通過命令指定RID，將按照如下順序自動生成一個RID：
    • 如果當前設備配置了Loopback接口（虛擬接口），將選取所有Loopback接口上數值最大的IP地址作為RID；
    • 如果當前設備沒有配置Loopback接口，將選取它所有已經配置IP地址且鏈路UP的接口上數值最大的IP地址作為RID。

Router ID選舉實例

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OSPF基本概念——LS

  • 鏈路狀態（LS）：路由器周邊的鏈路狀態
    • 直連網段狀態：通過接口網段和接口狀態感知
      • 描述直連網段：（網段、掩碼、接口開銷）
    • 直連拓撲狀態：通過OSPF鄰居和鄰居狀態感知
      • 描述直連拓撲：（鄰居RID、連接接口、接口開銷）
    • 接口開銷：OSPF參考帶寬/接口帶寬
      • OSPF參考帶寬默認為100Mbps
      • Loopback接口的開銷默認為1
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OSPF基本概念——LSA

  • 鏈路狀態通告（LSA）
    • 按一定格式封裝后的鏈路狀態信息
      • LSA 1：路由器鏈路狀態通告
        • 每臺路由器都會發起自己的LSA1
      • LSA 2：傳送網絡鏈路狀態通告
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OSPF基本概念——LSDB

  • 鏈路狀態數據庫（LSDB）
    • 每臺OSPF路由器上都有一個LSDB，用于存儲LSA。
    • 同一個 區域中的OSPF路由器的LSDB一致。
      • LSA封裝在LSU報文中，在區域內洪泛，最終到達區域內LSDB一致。
      • LSA在洪泛過程中保持不變
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OSPF基本概念——SPF

  • SPF計算
    • 以自己LSA 1為根，進行SPF計算。
    • 各OSPF路由器單獨進行SPF計算，互不影響
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SPF開銷計算

  • OSPF路由開銷計算
    • 以自己為根，到達目標網段的出接口的開銷的和。
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  • OSPF的度量值為cost，也叫開銷，是以鏈路的接口帶寬為依據；
  • 計算的方法為10的8次方除以帶寬

OSPF基本概念——OSPF網絡類型

  • Broadcast廣播多路訪問：以太網接口
  • NBMA（Non-Broadcast Multi-Access，非廣播多點訪問網絡）：幀中繼接口
  • P2MP（Point-to-MultiPoint，點到多點）
  • P2P（Point-to-Point，點到點）：PPP HDLC接口

OSPF基本概念——OSPF報文類型與封裝

OSPF報文類型作用
Hello建立并維護鄰居關系
Database Description（DD）數據庫內容的匯總（僅包含LSA頭部）
Link State Request（LSR）請求自己沒有的或者比自己更新的鏈路狀態詳細信息
Link State Update（LSU）鏈路狀態更新信息（LSA頭部和內容）
Link State Acknowledge（LSAck）對LSU的確認
  • OSPF報文封裝在IP報文中，協議號為89
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OSPF報文的目的地址

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建立鄰居關系（點對點）

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維持鄰居關系（點對點）

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  • 鄰居之間通過交換Hello報文（默認30s），確認鄰居是否工作正常
  • 如果在一定的時間間隔內（120s），沒有收到鄰居發來的Hello報文，就認為鄰居已經失效，從鄰居表中刪除。

DR/BDR的選舉（廣播多路訪問）

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  • 采用DR/BDR建立鄰接關系，可以降低需要維護的鄰接關系的數量

除了被選舉出來的DR/BDR，其他的路由器都稱為DROther，只需要和DR/BDR建立鄰居關系即可，不需要再依次相互建立鄰接關系，所有的LSA將由DR收取，統一進行洪泛，BDR作為DR的備份路由，當DR出故障了的時候，直接替代DR成為新的DR。

DR/BDR的選舉原則

  • 首先比較Hello報文中攜帶的優先級

    • 優先級最高的被選舉為DR，優先級次高的被選舉為BDR
    • 優先級為0的不參與選舉

  • 優先級一致的情況下，比較Router ID

    • Router ID越大越優先

  • 保持穩定原則

    • 當DR/BDR已經選舉完畢，就算一臺具有更高優先級的路由器變為有效，也不會替換該網段中已經選舉的DR/BDR成為新的DR/BDR

DR/BDR的選舉示例一

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  • RTE后來加入網絡，雖然它的Router ID比原來的DR和BDR都要高，但是出于穩定性考慮，只能成為DRother路由器

DR/BDR選舉示例二

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  • 當DR失效時，BDR立刻成為新的DR
  • DRother路由進行競爭，Router ID高的成為新的BDR

鄰居關系無法建立原因總結

參數配置要點
router id每臺OSPF路由器的router id必須唯一
area id同一網段的所有接口應當配置在同一區域內
Interface network-type同一網絡接口的類型要相同，及hello時間與hellodown時間雙方要一致
network mask除了點到點網絡之外，同一網段的所有端口應當配置相同的掩碼
authentication type同一區域的驗證類型必須一致
authentication data同一網段的驗證碼必須一致
extern option配置stub區域或者NSSA時，區域內所有的路由器都要指定stub特性或者NSSA特性
peerNBMA網絡上的鄰居需要手動指定

OSPF基本概念——鄰居狀態變換（鄰居關系）

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OSPF基本概念——鄰居狀態變換（鄰接關系）

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DOWN、Init、two-way（鄰居）

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ExStart和Exchange（鄰接）

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Loading和Full（鄰接）

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包含在各種報文中的LSA信息

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LSA報文頭部

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字段名長度（字節）作用說明
LS age2字節LSA 生存時間（秒），最長3600秒，超過就作廢。控制 LSA 生命周期。
Options1字節支持的OSPF功能選項，比如是否支持NSSA、E位（E1/E2）、DC位等。
LS type1字節LSA 類型（例如1類Router-LSA，2類Network-LSA）
Link State ID4字節LSA的“名字”，類型不同含義不同，例如：
Router-LSA：本路由器的Router ID；
Network-LSA：DR的接口IP。
Advertising Router4 字節發出該 LSA 的路由器 ID，誰發的誰填它。
LS Sequence Number4 字節序號，新LSA比舊的號大。
用于更新判斷。初始值為 0x80000001，每次變化加1。
LS Checksum2字節CRC校驗，用于驗證 LSA 內容是否損壞。
Length2 字節包括頭部在內的 LSA 總長度（字節）。一般為20字節

Loading和Full（續）

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  • OSPF協議包具備超時重傳機制
  • OSPF協議具備序列號，對重復包不做處理

泛洪新LSA

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當有新的LSA生成或者收到時，這條心的LSA應當被泛洪

泛洪新的LSA時，只需要使用LS Update報文和LS Ack報文：

1.當RTA有新的LSA要泛洪時，RTA向RTB發送一個LS Update報文，在這個報文里包含這條LSA

2.當收到新的LSA以后，RTB向RTA泛洪一個LS Ack報文進行確認。

當在兩個處于完全鄰接狀態（鄰居狀態為Full）的路由器之間泛洪新的LSA時，鄰居狀態不受影響

廣播網絡中LSDB更新

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  • 在廣播和NBMA網絡中，鏈路狀態發送變化時，主要是通過DR路由器發送更新報文

OSPF LSA洪范與老化

  • OSPF LSA老化
    • LSA不老化的缺點：當網絡長時間中斷，故障網絡中的設備發起的LSA長時間無效，但仍然存儲在LSDB中，浪費設備內存。
    • OSPF LSA采用遞增老化
      • LSA自發起時開始計時，到達最大老化時間后，從LSDB中清除。
      • OSPF最大老化時間3600秒，LSA頭部的老化時間字段用于計時。
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  • OSPF LSA老化與全網刷新
    • 正常OSPF網絡的路由維護
      • SA老化時間到達最大老化時間的一半(30分鐘)，發起路由器隨機等待一段時間后重新發起該LSA，然后洪泛，刷新所有路由器LSDB。
      • 新發起的LSA序列號加1，老化時間為0。
    • LSA在整個洪泛過程中，除老化時間外，其余各字段都保持不變。
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泛洪新LSA（續）

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OSPF區域劃分

OSPF協議分區域管理及路由器角色

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OSPF區域號

  • OSPF路由域：運行OSPF路由協議的網絡
  • OSPF區域：OSPF是一種支持劃分多區域的協議
    • Area ID：32位，用數字或IP地址表示
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OSPF協議區域LSA發布

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