OSPF路由協議

隨著Internet技術在全球范圍的飛速發展，OSPF已成為目前應用最廣泛的路由協議之一。OSPF（Open Shortest Path First）路由協議是由IETF（Internet Engineering Task Force）IGP工作組提出的，是一種基于SPF算法的路由協議，目前使用的OSPF協議是其第2版。

OSPF 概述

OSPF的特性及術語

OSPF的特性

OSPF（Open Shortest Path First，開放最短路由優先協議）是一種典型的鏈路狀態路由協議。在 IP 網絡上，它通過收集和傳遞自治系統的鏈路狀態來動態地發現并傳播路由。采用OSPF的路由器彼此交換并保存整個網絡的鏈路信息，從而掌握整個網絡的拓撲結構，獨立計算路由。因為RIP路由協議不能服務于大型網絡，所以，IETF的IGP工作組特別開發出鏈路狀態協議——OSPF。OSPF作為一種內部網關協議（Interior Gateway Protocol，IGP），用于在同一個自治系統中的路由器之間交換路由信息。
OSPF的特性如下：
（1）快速收斂；
（2）能夠適應大型網絡；
（3）能夠正確處理錯誤路由信息；
（4）使用區域，能夠減少單個路由器的CPU負擔，構成結構化的網絡；
（5）是無類別的路由協議，完全支持CIDR和VLSM；
（6）支持多條路徑等價負載均衡；
（7）使用組播地址來進行信息互通，減少了非OSPF路由器的負載；
（8）使用路由標簽來表示來自外部區域的路由；
（9）支持簡單口令和MD5認證；
（10）OSPF路由協議的管理距離是110；
（11）OSPF路由協議采用開銷（Cost）作為度量標準。

術語

（1）鏈路（Link）：鏈路就是路由器用來連接網絡的接口。
（2）鏈路狀態（Link State）：用來描述路由器接口及其與鄰居路由器的關系。所有鏈路狀態信息構成鏈路狀態數據庫。
（3）最短路徑優先（SPF）算法：SPF算法是OSPF路由協議的基礎。SPF算法有時也被稱為Diikstra算法，這是因為最短路徑優先算法是Dijkstra發明的。利用SPF，路由器獨立地計算出到達任意目的地的最佳路由。
（4）區域（Area）：指有相同的區域標志的一組路由器和網絡的集合。在同一個區域內的路由器有相同的拓撲結構數據庫。
（5）自治系統（Autonomous System）：采用同一種路由協議交換路由信息的路由器及其網絡構成一個自治系統。
（6）成本（Cost）：也稱為鏈路開銷，用來描述從接口發送數據包所需要花費的代價帶寬越大，開銷越小。成本的計算公式為： $10^8/帶寬（bps）$ ，帶寬是接口下使用bandwidth命令設置的值。例如，默認情況下，快速以太網的帶寬為100Mbps，所以開銷是1。
如結果出現小數，會舍棄小數部分取整（如果整數部分為0，則Cost記為1）
（7）鄰接（Adjacencies）：路由器之間以交換路由信息為目的而建立起來的一種關系。
（8）鏈路狀態數據庫（Link State Database）：代表網絡的拓撲結構，其中包含了網絡中所有的路由器的鏈路狀態信息。在一個區域內的所有的路由器有著相同的鏈路狀態數據庫。
（9）拓撲結構數據庫（Topological Database）：也叫鏈路狀態數據庫。
（10）轉發數據庫（Forwarding Database）/路由表（Routing Table）：每個路由器對自己的拓撲結構數據庫運行SPF算法得出的路由條目，每臺路由器的路由表是不相同的。

鄰居及鄰接關系

OSPF網絡類型

根據路由器所連接的物理網絡不同，OSPF將網絡主要劃分為四種類型：廣播多路訪問（Broadcast Multi Access，BMA）型、非廣播多路訪問（None Broadcast Multi Access，NBMA）型、點到點型（Point-to-Point）、點到多點型（Point-to-MultiPoint）。

網絡類型	確定性特性	是否選舉DR	Hello間隔/s	Dead間隔/s
廣播多路訪問	Ethernet	是	10	40
非廣播多路訪問	Frame Relay、X.25	是	30	120
點到點	PPP、HDLC	否	10	40
點到多點	管理員配置	否	30	120

Hello協議

在網絡中，OSPF路由器可以周期性發送Hello包來建立和維持鄰接關系。管理OSPF的Hello包交換的規則稱為Hello協議（Hello Protocol）。Hello包的發送周期與OSPF網絡類型有關。當Hello包中的幾個字段的內容互相一致時，相鄰的OSPF路由器才有可能形成Neighbor關系，Neighbor保存在 Neighbor表里。Hello協議的目的如下：
（1）用來發現OSPF Neighbor；
（2）Hello包包含了多個需要OSPF路由器協商的參數，以形成Neighbor的關系；
（3）可以用來維持鄰接關系；
（4）用來確定DRBDR路由器的選擇。盡管Hello包比較小，但它含有OSPF的報頭。

各個字段的含義如下：
（1）版本：定義所采用的OSPF路由協議的版本。
（2）類型：定義OSPF報文類型，OSPF數據包共有五種。
（3）包長度：定義整個數據包的長度。
（4）路由器ID：路由器的32位長的一個惟一標識符，以IP地址來表示。
（5）區域ID：用于區分OSPF數據包屬于的區域號，所有的OSPF數據包都屬于個特定的OSPF區域。
（6）校驗和：用于標記數據包在傳遞時有無錯誤。
（7）身份認證類型：定義OSPF認證類型。OSPF認證類型有如下3種：
0 表示不進行認證，是默認的類型；
1 表示采用簡單口令認證；
2 表示采用MD5認證
（8）身份認證：包含OSPF認證信息，長為8個字節。
（9）網絡掩碼：指發送接口的網絡掩碼，必須與接收接口的網絡掩碼相同，以確保它
們位于同一個網段中。
（10）Hello間隔：鄰居路由器發送Hello包的周期。
（11）路由器優先級：在選擇DR和BDR時使用，優先級越高，被選為DR或BDR的可能性越大。每個接口上都會有優先級，如果優先級為0時，表示不參加DR、BDR選舉。
（12）失效間隔：路由器在認為其鄰居路由器失效之前等待接收來自鄰居Hello包的時間。默認是Hello間隔的4倍。
（13）指定路由器（DR）和備用指定路由器（BDR）：在多路訪問網絡上可能存在多個路由器，為了避免路由器之間建立完全鄰接關系而引起的大量開銷，OSPF要求在區域中選舉一個
DR，每個路由器都與之建立完全鄰接關系。DR負責收集所有的鏈路狀態信息，并發布給其他路由。選舉DR的同時也選舉出一個BDR，在DR失效的時候，BDR 擔負起DR的職責，而且所有其他路由器只與DR和BDR建立鄰接關系，出于這個原因，DR和BDR有它們自己的組播地址 224.0.0.6。當DR和BDR需要發送一個鏈路狀態更新（Link State Update，LSU）時，它會將更新發送給組播地址 224.0.0.5（對應所由路由器），而非DR/BDR路由器將它們的鏈路狀態更新發送到地址224.0.0.6。
(14)鄰居：是與之交換更新以同步數據庫的另一臺路由器。

OSPF狀態

OSPF路由協議依靠5種不同的數據包來識別它們的鄰居，并更新鏈路狀態信息。

類型	描述
Type 1：Hello	OSPF使用Hello分組建立和維護鄰接關系。在一個路由器能夠給其他路由器分發它的鄰居信息前，必須先問候它的鄰居們。
Type 2：數據庫描述（Database Description，DBD）分組	DBD分組不包含完整的“鏈路狀態數據庫”信息，只包含數據庫中每個條目的概要。當一個路由器首次連入網絡，或者剛剛從故障中恢復時，它需要完整的“鏈路狀態數據庫”信息。此時，該路由器首先通過hello分組與鄰居們建立雙向通信關系，然后將會收到每個鄰居反饋的DBD分組。新連入的這個路由器會檢查所有概要，然后發送一個或多個鏈路狀態請求分組，取回完整的條目信息。
Type 3：鏈路狀態請求（Link State Request，LSR）分組	LSR分組用來請求鄰居發送其鏈路狀態數據庫中某些條目的詳細信息。當一個路由器與鄰居交換了數據庫描述分組后，如果發現它的鏈路狀態數據庫缺少某些條目或某些條目已過期，就使用LSR分組來取得鄰居鏈路狀態數據庫中較新的部分。
Type 4：鏈路狀態更新（Link State Update，LSU）分組	LSU分組被用來應答鏈路狀態請求分組，也可以在鏈路狀態發生變化時實現洪泛(flooding)。在網絡運行過程中，只要一個路由器的鏈路狀態發生變化，該路由器就要使用LSU，用洪泛法向全網更新鏈路狀態。
Type 5：鏈路狀態確認（Link State Acknowledgment，LSAck）分組	LSAck分組被用來應答鏈路狀態更新分組，對其進行確認，從而使得鏈路狀態更新分組采用的洪泛法變得可靠。

在OSPF鄰接關系建立的過程中，接口可以處于下面7種狀態之一，并且從Down狀態到FullAdiacency狀態，逐步進行。
（1）Down
沒有收到任何Hello包的時候，或是在DeadInterval中，沒有收到Hello包。
（2）Init
收到第一個Hello包，就進入Init狀態。路由器在建立任何關系之前必須先從一個鄰居路由器那里收到一個 Hello包。
（3）Two-Way
當路由器看到自己的路由器ID在鄰居發來的Hello包里，就宣布與對方進入Two-Way狀態。如果是多路訪問型網絡，就進入DR與BDR選舉的過程。

（4）Exstart
Exstart狀態是用DBD（Database Description，數據庫描述）數據包建立的，兩臺路由器通過DBD數據來決定Master/Slave關系，并利用DBD數據包來交換數據庫信息。
（5）Exchange
鄰居路由器使用DBD數據包來相互發送它們的鏈路狀態信息。
（6）Loading
在相互描述各自的鏈路狀態數據庫后，路由器用LSR數據包來請求更新完整的信息。當路由器收到一個LSR數據包后，它會用LSU進行回應，LSU數據包需要LSAck進行確認。
（7）Full Adiacency
完成了LSA的交換，路由器進入Full Adjacency狀態。每臺路由器都維護著一張鄰居路由器列表。

OSPF協議配置

OSPF在有組播發送能力的鏈路層上以組播地址發送協議報文，既達到了廣播的作用，又最大程度地減少了對其他網絡設備的干擾。
OSPF可以劃分區域，路由更新信息只在本區域內傳播，不同域間不交換路由信息，以減少路由存儲和維護的信息量。其中，區域是在邏輯上將路由器劃分為不同的區域，不同的區域間通過ABR（邊界路由器）來傳遞路由信息。劃分區域給OSPF協議的處理帶來了很大的變化。每一個網段必須屬于一個區域，或者說每個運行OSPF協議的接口必須指明屬于某一特定的區域，每個區域用區域號（Area ID）來標識。區域號是一個32位的無符號整數，范圍0~4 294 967 295，其中區域ID為0（也可以表示為0.0.0.0）時表示的是主干區域。

OSPF基本配置命令說明

router ospf：該命令用來啟動OSPF進程，命令格式為“router ospf <Process ID>”，其中Process ID（PID）是OSPF的進程號，它的范圍是 1~65 535，process ID可以在指定范圍內隨意設置，它只對本地路由器內部有意義，不同的路由器PID可以相同，也可以不同。
network ip：該命令用來定義參與OSPF的子網地址，它的命令的格式為“network ip <子網號> <子網掩碼的反碼 > area <區城號>”，在單個IP地址參與OSPF時也使用此命令。
range：該命令用于定義某一特定范圍子網的聚合，它的命令格式為“area <區域號> range <子網地址> <子網掩碼 >”。
passive-interface：該命令用來配置OSPF的被動接口。
distribute-list：該命令用來配置路由器的過濾功能。OSPF可以引入其他路由協議產生的路由，引入后，還可以作為自己的外部路由在整個自治系統內傳播。OSPF可以引入的外部路由有多種，包括靜態路由、RIP 等內部網關協議和BGP外部網關協議的路由信息。OSPF路由過濾功能與RIP完全相同，配置方法也基本一致。
distance：該命令用來配置或改變OSPF的管理距離。

以下3個命令用來配置引入外部路由到OSPF時的參數
7. redistribute metric：該命令用來配置引入外部路由的花費值（metric）。metric值范圍為0~16 777 214。
8. redistribute tag：該命令用來配置引入外部路由時默認的標記值。標記能告訴OSPF，外部路由來源于什么路由協議。標記值為一個32位的數值，范圍為0~4 294 967 295。
9. redistribute connected metric-type：該命令用來設置引入外部路由時默認的外部路由類型，OSPF中外部路由類型有類型1和類型2兩種，分別對應兩種不同的路由花費值的計算方式，默認情況下使用類型2，可通過命令“redistribute connected metric-type”修改外部路由類型。

配置命令的使用

配置參與OSPF的網絡地址

router-test ( config) #router ospf 10
router-test ( config-router) #network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 0
router-test ( config-router) exit
router-test ( config) # exit
Router-test#

配置單個IP地址參與OSPF

router-test ( config )# router ospf 10
Router-test( config-router) network 192. 168. 1.1 0. 0. 0. 0 area 0
router-test ( config-router) #exit
router-test ( config) # exit
Router-test#

使用area range命令定義參與OSPF的子網地址。

router-test ( config )# router ospf 10
router-test ( config-router) # area 0 range 212. 37. 123. 0 255. 255. 255. 0
router-test ( config-router) #exit
router-test ( config) # exit
Router-test#

配置被動接口。

路由器的配置命令：
router-test ( config )# router ospf 10
router-test ( config-router) #passive-interface ethernet0
router-test ( config-router) #exit
router-test ( config) # exit
Router-test#
另外，第三層交換機的配置命令如下：
router-test( config )#router ospf 60
router-test( config-router)#passive-interface vlan10
router-test( config-router) #end
router-test#

配置路由過濾

router-test ( config )#access-list 12 deny any
router-test ( config )# router ospf 10
router-test ( config-router) #distribute-list 10 out serial 0
router-test ( config-router) #end (end 直接退回到用戶特權模式)
Router-test#

配置管理距離

router-test ( config )# router ospf 10
router-test ( config-router) # distance 100
router-test ( config-router) #end
Router-test#

配置引入外部路由的花費值

router-test ( config )# router ospf 10
router-test ( config-router) # redistribute metric 200
router-test ( config-router) #end
Router-test#

配置引入外部路由時默認的標記值

router-test ( config )# router ospf 10
router-test ( config-router) # redistribute tag 100
router-test ( config-router) #end
Router-test#

配置引入外部路由時默認的外部路由類型。

router-test ( config )# router ospf 10
router-test ( config-router) #redistribute connected metric-type 1 subnets
router-test ( config-router) #end
Router-test#

配置案例

路由器R1的配置

Router>enable
Router#configure terminal
Router(config)#hostname R1
R1(config)#interface FastEthernet0/0
R1(config-if)#ip address 10.1.1.1 255.255.255.0
R1(config-if)#no shutdown
R1(config-if)#exit
R1(config)#interface FastEthernet0/1
R1(config-if)#ip address 12.12.12.1 255.255.255.0
R1(config-if)#no shutdown
R1(config-if)#exit
R1(config)#interface loopback 0
R1(config-if)#ip address 1.1.1.1 255.255.255.0
R1(config-if)#no shutdown
R1(config-if)#exit
R1(config)#router ospf 1
R1(config-router)#network 10.1.1.0 0.0.0.255 area 0
R1(config-router)#network 12.12.12.0 0.0.0.255 area 0

路由器R2的配置

Router>enable
Router#configure terminal
Router(config)#hostname R2
R2(config)#interface FastEthernet0/0
R2(config-if)#ip address 12.12.12.2 255.255.255.0
R2(config-if)#no shutdown
R2(config-if)#exit
R2(config)#interface FastEthernet0/1
R2(config-if)#ip address 23.23.23.2 255.255.255.0
R2(config-if)#no shutdown
R2(config-if)#exit
R2(config)#interface loopback 0
R2(config-if)#ip address 2.2.2.2 255.255.255.0
R2(config-if)#no shutdown
R2(config-if)#exit
R2(config)#router ospf 1
R2(config-router)#network 23.23.23.0 0.0.0.255 area 0
R2(config-router)#network 12.12.12.0 0.0.0.255 area 0

路由器R3的配置

Router>enable
Router#configure terminal
Router(config)#hostname R3
R3(config)#interface FastEthernet0/0
R3(config-if)#ip address 23.23.23.3 255.255.255.0
R3(config-if)#no shutdown
R3(config-if)#exit
R3(config)#interface FastEthernet0/1
R3(config-if)#ip address 192.168.1.3 255.255.255.0
R3(config-if)#no shutdown
R3(config-if)#exit
R3(config)#interface loopback 0
R3(config-if)#ip address 3.3.3.3 255.255.255.0
R3(config-if)#no shutdown
R3(config-if)#exit
R3(config)#router ospf 1
R3(config-router)#network 23.23.23.0 0.0.0.255 area 0
R3(config-router)#network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 0

show ip route
該命令用來查看路由表
show ip protocols
該命令顯示路由器上啟動的IP路由協議，并對每種協議有用的信息給出一個匯總
show ip ospf
該命令顯示OSPF進程及其細節，如路由器運行SPF算法的次數
show ip ospf neighbor
該命令用來查看OSPF鄰居及其狀態
show ip ospf interface f0/0
該命令可以查看運行OSPF所有或特定接口的情況。如果該命令后面跟路由器的具體接口，那么只顯示特定接口的信息，否則顯示所有運行OSPF協議的接口信息。
show ip ospf database
該命令用來查看OSPF鏈路狀態數據庫

理論習題

OSPF是一種典型的鏈路狀路由協議
OSPF路由協議的管理距離是110
OSPF路由協議利用開銷為度量標準
OSPF路由器利用最短路徑優先算法，獨立地計算出到達任意目的地的路由。
默認情況下，快速以太網的開銷是1
OSPF將網絡劃分為四種類型：BMA（廣播多路訪問型）、NBMA（非廣播多路訪問型）、Point-to-Point（點到點型）、點到多點
Ethernet的Hello Interval為10秒，Dead Interval為40秒。
NBMA網絡的Hello Interval為30秒，Dead Interval為120秒
OSPF路由器可以周期性發送Hello包來建立和維持鄰接關系
當DR和BDR需要發送一個 LSU時，它會將更新發送給組播地址224.0.0.5
OSPF接口優先級的范圍是0~255。
OSPF路由進程process-id必須指定范圍在1~65535
網絡區域為0的區域稱為主于區域。
show ip ospf neighbor用來查看鄰居及其狀態
OSPF通過簡單口令認證和信息摘要（MD5）認證兩種方法啟用認證功能
OSPF路由器的類型分為內部路路由器、主干路由器、ABR、ASBR
OSPF區域類型包括標準區域、主干區域、末節區域、完全末節區域、NSSA
ABR區域負責把LSA Type 7轉換成LSA Type 5
OSPF 路由匯總的兩種類型包括區城間路由匯總、外部路由匯總
如何確定路由器ID?

(1)如果在OSPF進程中指定了路由器ID，那么這是最優先的。
(2)如果沒有在OSPF進程中指定路由器ID，那么選擇IP地址最大的Loopback接口的IP地址為路由器ID；如果只有一個Loopback接口，那么路由器ID就是這個Loopback的地址
(3)如果沒有Loopback接口，就選擇最大的活動的物理接口的IP地址為路由器ID。

OSPF的特性包括哪些？

(1)快速收斂；
(2)能夠適應大型網絡；
(3)能夠正確處理錯誤路由信息；
(4)使用區域，能夠減少單個路由器的CPU負擔，構成結構化的網絡；
(5)支持無類路由，完全支持超網、可變長子網等無類特性；
(6)支持多條路徑等價負載均衡；
(7) 使用組播地址來進行信息互通，減少了非OSPF路由器的負載；
(8) 使用路由標簽來表示來自外部區域的路由；
(9)支持簡單口令和MD5認證；
(10)OSPF路由協議的管理距離是110；
(11)OSPF路由協議采用Cost作為度量標準