OSPF 協議詳解：從概念原理到配置實踐的全網互通實現

什么是OSPF

OSPF（開放最短路徑優先）是由IETF開發的基于鏈路狀態的自治系統內部路由協議，用來代替存在一些問題的RIP協議。與距離矢量協議不同，鏈路狀態路由協議關心網絡中鏈路活接口的狀態（包括UP、DOWN、IP地址、掩碼、帶寬、利用率和延遲等），每個路由將其已知的鏈路狀態向該區域的其他路由器通告，通過這種方式，網絡上的每臺路由對網絡結構都會有相同的認識。隨后，路由器以其為依據，使用SPF算法計算和選擇路由。

OSPF協議在有組播發送能力的鏈路層上以組播地址發送協議包，即達到了節約資源的目的，又最大程度地減少了對其他網絡設備的干擾。

OSPF將協議包直接封裝在IP包中，協議號為89。由于IP協議本身是無連接的，所以OSFP傳輸的可靠性需要協議本身來保證。因此，OSPF協議定義了一些機制保證協議包安全可靠地傳輸。

OSPF工作過程

OSPF協議大致工作過程主要分為：尋找鄰居、建立鄰接關系、鏈路狀態信息傳遞、計算路由

OSPF工作原理

  • 鏈路狀態收集

  • 路由器通過發送 Hello 報文發現鄰居，交換鏈路狀態信息，涵蓋鏈路、接口狀態、網絡類型等。

  • 鏈路狀態數據庫構建

    路由器將收集的鏈路狀態信息存入本地鏈路狀態數據庫，數據庫完整呈現網絡拓撲結構。

  • 最短路徑計算

    路由器以自身為根節點，運用 Dijkstra 算法，依據鏈路狀態數據庫計算至其他網絡節點的最短路徑。

OSPF配置與實踐
實驗拓撲

在這里插入圖片描述

實驗需求
  1. 按照拓撲圖示給設備命名以及配置 IP 地址
  2. 按照圖示分區域配置 OSPF ，實現全網互通
  3. 為了路由結構穩定，要求路由器使用環回口作為 Router-id，ABR 的環回口宣告進骨干區域
實驗步驟

  1. 配置環回口IP（設備命名和配置 IP 地址部分省略）

    [R1]int lo0
[R1-LoopBack0]ip add 1.1.1.1 32

    [R2]int lo0
[R2-LoopBack0]ip add 2.2.2.2 32

    [R3]int lo0
[R3-LoopBack0]ip add 3.3.3.3 32

    [R4]int lo0
[R4-LoopBack0]ip add 4.4.4.4 32

    [R5]int lo0
[R5-LoopBack0]ip add 5.5.5.5 32

    IP地址配置完成后，應如下圖所示
    在這里插入圖片描述
    在這里插入圖片描述
    在這里插入圖片描述
    在這里插入圖片描述
    在這里插入圖片描述

  2. 按照圖示分區域配置 OSPF ，實現全網互通

    分析：實現全網互通，意味著每臺路由器都要宣告本地的所有直連網段，包括環回口所在的網段。要求 ABR 的環回口宣告進骨干區域，即區域 0，同時，每臺路由器手動配置各自環回口的 IP 地址作為 Router-id

    步驟 1：在路由器上分別配置 OSPF，按區域宣告所有直連網段和環回口

    [R1]ospf 1 router-id 1.1.1.1
[R1-ospf-1]area 0
[R1-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.1.12.0 0.0.0.255
[R1-ospf-1-area-0.0.0.0]network 1.1.1.1 0.0.0.0 
[R1-ospf-1-area-0.0.0.0]dis th
#area 0.0.0.0network 1.1.1.1 0.0.0.0network 10.1.12.0 0.0.0.255
#
return
[R1-ospf-1-area-0.0.0.0]area 1
[R1-ospf-1-area-0.0.0.1]network 10.1.14.0 0.0.0.255
[R1-ospf-1-area-0.0.0.1]dis th
#area 0.0.0.1network 10.1.14.0 0.0.0.255
#
return

    [R2]ospf 1 router-id 2.2.2.2
[R2-ospf-1]area 0
[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.1.12.0 0.0.0.255
[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.1.23.0 0.0.0.255
[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 2.2.2.2 0.0.0.0
[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]dis th
#area 0.0.0.0network 2.2.2.2 0.0.0.0network 10.1.12.0 0.0.0.255network 10.1.23.0 0.0.0.255
#
return

    [R3]ospf 1 router-id 3.3.3.3
[R3-ospf-1]a 0
[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.1.23.0 0.0.0.255
[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]network 3.3.3.3 0.0.0.0
[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]dis th
#area 0.0.0.0network 3.3.3.3 0.0.0.0network 10.1.23.0 0.0.0.255
#
return
[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]a 2
[R3-ospf-1-area-0.0.0.2]network 10.1.35.0 0.0.0.255
[R3-ospf-1-area-0.0.0.2]dis th
#area 0.0.0.2network 10.1.35.0 0.0.0.255
#
return

    [R4]ospf 1 router-id 4.4.4.4
[R4-ospf-1]a 1
[R4-ospf-1-area-0.0.0.1]network 10.1.14.0 0.0.0.255
[R4-ospf-1-area-0.0.0.1]network 4.4.4.4 0.0.0.0
[R4-ospf-1-area-0.0.0.1]dis th
#area 0.0.0.1network 4.4.4.4 0.0.0.0network 10.1.14.0 0.0.0.255
#
return

    [R5]ospf 1 router-id 5.5.5.5
[R5-ospf-1]a 2
[R5-ospf-1-area-0.0.0.2]network 10.1.35.0 0.0.0.255
[R5-ospf-1-area-0.0.0.2]network 5.5.5.5 0.0.0.0
[R5-ospf-1-area-0.0.0.2]dis th
#area 0.0.0.2network 5.5.5.5 0.0.0.0network 10.1.35.0 0.0.0.255
#
return

  3. 檢查是否全網互通

    分析：檢查 OSPF 是否全網互通，一個是檢查鄰居關系表，看鄰居關系是否正常；另一個是檢查路由表，看是否學習到全網路由　　這里只展示 R1 的檢查結果
    　　
    步驟 1：#display ospf peer 查看鄰居關系表

    [R1]dis ospf peer OSPF Process 1 with Router ID 1.1.1.1Neighbor Brief InformationArea: 0.0.0.0        Router ID       Address         Pri Dead-Time  State             Interface2.2.2.2         10.1.12.2       1   34         Full/BDR          GE0/0Area: 0.0.0.1        Router ID       Address         Pri Dead-Time  State             Interface4.4.4.4         10.1.14.4       1   38         Full/BDR          GE0/1

在這里插入圖片描述

[R2]dis ospf peer OSPF Process 1 with Router ID 2.2.2.2Neighbor Brief InformationArea: 0.0.0.0        Router ID       Address         Pri Dead-Time  State             Interface1.1.1.1         10.1.12.1       1   37         Full/DR           GE0/03.3.3.3         10.1.23.3       1   39         Full/BDR          GE0/1

在這里插入圖片描述

[R3]dis ospf peer OSPF Process 1 with Router ID 3.3.3.3Neighbor Brief InformationArea: 0.0.0.0        Router ID       Address         Pri Dead-Time  State             Interface2.2.2.2         10.1.23.2       1   34         Full/DR           GE0/0Area: 0.0.0.2        Router ID       Address         Pri Dead-Time  State             Interface5.5.5.5         10.1.35.5       1   39         Full/BDR          GE0/1

在這里插入圖片描述

[R4]dis ospf peer OSPF Process 1 with Router ID 4.4.4.4Neighbor Brief InformationArea: 0.0.0.1        Router ID       Address         Pri Dead-Time  State             Interface1.1.1.1         10.1.14.1       1   36         Full/DR           GE0/0

在這里插入圖片描述

[R5]dis ospf peer OSPF Process 1 with Router ID 5.5.5.5Neighbor Brief InformationArea: 0.0.0.2        Router ID       Address         Pri Dead-Time  State             Interface3.3.3.3         10.1.35.3       1   35         Full/DR           GE0/0

在這里插入圖片描述

說明：狀態為FULL，說明鄰接關系已建立

步驟 2：查看路由表

[R1]dis ip routing-table Destinations : 20       Routes : 20Destination/Mask   Proto   Pre Cost        NextHop         Interface
0.0.0.0/32         Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
1.1.1.1/32         Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
2.2.2.2/32         O_INTRA 10  1           10.1.12.2       GE0/0
3.3.3.3/32         O_INTRA 10  2           10.1.12.2       GE0/0
4.4.4.4/32         O_INTRA 10  1           10.1.14.4       GE0/1
5.5.5.5/32         O_INTER 10  3           10.1.12.2       GE0/0
10.1.12.0/24       Direct  0   0           10.1.12.1       GE0/0
10.1.12.1/32       Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
10.1.12.255/32     Direct  0   0           10.1.12.1       GE0/0
10.1.14.0/24       Direct  0   0           10.1.14.1       GE0/1
10.1.14.1/32       Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
10.1.14.255/32     Direct  0   0           10.1.14.1       GE0/1
10.1.23.0/24       O_INTRA 10  2           10.1.12.2       GE0/0
10.1.35.0/24       O_INTER 10  3           10.1.12.2       GE0/0
127.0.0.0/8        Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
127.0.0.1/32       Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
127.255.255.255/32 Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
224.0.0.0/4        Direct  0   0           0.0.0.0         NULL0
224.0.0.0/24       Direct  0   0           0.0.0.0         NULL0
255.255.255.255/32 Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0

在這里插入圖片描述

[R2]dis ip routing-table Destinations : 20       Routes : 20Destination/Mask   Proto   Pre Cost        NextHop         Interface
0.0.0.0/32         Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
1.1.1.1/32         O_INTRA 10  1           10.1.12.1       GE0/0
2.2.2.2/32         Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
3.3.3.3/32         O_INTRA 10  1           10.1.23.3       GE0/1
4.4.4.4/32         O_INTER 10  2           10.1.12.1       GE0/0
5.5.5.5/32         O_INTER 10  2           10.1.23.3       GE0/1
10.1.12.0/24       Direct  0   0           10.1.12.2       GE0/0
10.1.12.2/32       Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
10.1.12.255/32     Direct  0   0           10.1.12.2       GE0/0
10.1.14.0/24       O_INTER 10  2           10.1.12.1       GE0/0
10.1.23.0/24       Direct  0   0           10.1.23.2       GE0/1
10.1.23.2/32       Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
10.1.23.255/32     Direct  0   0           10.1.23.2       GE0/1
10.1.35.0/24       O_INTER 10  2           10.1.23.3       GE0/1
127.0.0.0/8        Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
127.0.0.1/32       Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
127.255.255.255/32 Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
224.0.0.0/4        Direct  0   0           0.0.0.0         NULL0
224.0.0.0/24       Direct  0   0           0.0.0.0         NULL0
255.255.255.255/32 Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0

在這里插入圖片描述

[R3]dis ip routing-table Destinations : 20       Routes : 20Destination/Mask   Proto   Pre Cost        NextHop         Interface
0.0.0.0/32         Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
1.1.1.1/32         O_INTRA 10  2           10.1.23.2       GE0/0
2.2.2.2/32         O_INTRA 10  1           10.1.23.2       GE0/0
3.3.3.3/32         Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
4.4.4.4/32         O_INTER 10  3           10.1.23.2       GE0/0
5.5.5.5/32         O_INTRA 10  1           10.1.35.5       GE0/1
10.1.12.0/24       O_INTRA 10  2           10.1.23.2       GE0/0
10.1.14.0/24       O_INTER 10  3           10.1.23.2       GE0/0
10.1.23.0/24       Direct  0   0           10.1.23.3       GE0/0
10.1.23.3/32       Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
10.1.23.255/32     Direct  0   0           10.1.23.3       GE0/0
10.1.35.0/24       Direct  0   0           10.1.35.3       GE0/1
10.1.35.3/32       Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
10.1.35.255/32     Direct  0   0           10.1.35.3       GE0/1
127.0.0.0/8        Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
127.0.0.1/32       Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
127.255.255.255/32 Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
224.0.0.0/4        Direct  0   0           0.0.0.0         NULL0
224.0.0.0/24       Direct  0   0           0.0.0.0         NULL0
255.255.255.255/32 Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0

在這里插入圖片描述

[R4]dis ip routing-table Destinations : 18       Routes : 18Destination/Mask   Proto   Pre Cost        NextHop         Interface
0.0.0.0/32         Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
1.1.1.1/32         O_INTER 10  1           10.1.14.1       GE0/0
2.2.2.2/32         O_INTER 10  2           10.1.14.1       GE0/0
3.3.3.3/32         O_INTER 10  3           10.1.14.1       GE0/0
4.4.4.4/32         Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
5.5.5.5/32         O_INTER 10  4           10.1.14.1       GE0/0
10.1.12.0/24       O_INTER 10  2           10.1.14.1       GE0/0
10.1.14.0/24       Direct  0   0           10.1.14.4       GE0/0
10.1.14.4/32       Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
10.1.14.255/32     Direct  0   0           10.1.14.4       GE0/0
10.1.23.0/24       O_INTER 10  3           10.1.14.1       GE0/0
10.1.35.0/24       O_INTER 10  4           10.1.14.1       GE0/0
127.0.0.0/8        Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
127.0.0.1/32       Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
127.255.255.255/32 Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
224.0.0.0/4        Direct  0   0           0.0.0.0         NULL0
224.0.0.0/24       Direct  0   0           0.0.0.0         NULL0
255.255.255.255/32 Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0

在這里插入圖片描述

[R5]dis ip routing-table Destinations : 18       Routes : 18Destination/Mask   Proto   Pre Cost        NextHop         Interface
0.0.0.0/32         Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
1.1.1.1/32         O_INTER 10  3           10.1.35.3       GE0/0
2.2.2.2/32         O_INTER 10  2           10.1.35.3       GE0/0
3.3.3.3/32         O_INTER 10  1           10.1.35.3       GE0/0
4.4.4.4/32         O_INTER 10  4           10.1.35.3       GE0/0
5.5.5.5/32         Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
10.1.12.0/24       O_INTER 10  3           10.1.35.3       GE0/0
10.1.14.0/24       O_INTER 10  4           10.1.35.3       GE0/0
10.1.23.0/24       O_INTER 10  2           10.1.35.3       GE0/0
10.1.35.0/24       Direct  0   0           10.1.35.5       GE0/0
10.1.35.5/32       Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
10.1.35.255/32     Direct  0   0           10.1.35.5       GE0/0
127.0.0.0/8        Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
127.0.0.1/32       Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
127.255.255.255/32 Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0
224.0.0.0/4        Direct  0   0           0.0.0.0         NULL0
224.0.0.0/24       Direct  0   0           0.0.0.0         NULL0
255.255.255.255/32 Direct  0   0           127.0.0.1       InLoop0

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說明：可以看到，分別已經學習到了全網所有網段的路由信息

  1. 測試在R4上ping R5

    [R4]ping 10.1.35.5
Ping 10.1.35.5 (10.1.35.5): 56 data bytes, press CTRL+C to break
56 bytes from 10.1.35.5: icmp_seq=0 ttl=252 time=1.758 ms
56 bytes from 10.1.35.5: icmp_seq=1 ttl=252 time=1.174 ms
56 bytes from 10.1.35.5: icmp_seq=2 ttl=252 time=1.067 ms
56 bytes from 10.1.35.5: icmp_seq=3 ttl=252 time=1.087 ms
56 bytes from 10.1.35.5: icmp_seq=4 ttl=252 time=1.761 ms--- Ping statistics for 10.1.35.5 ---
5 packet(s) transmitted, 5 packet(s) received, 0.0% packet loss
round-trip min/avg/max/std-dev = 1.067/1.369/1.761/0.321 ms
[R4]%Mar 19 16:27:11:744 2025 R4 PING/6/PING_STATISTICS: Ping statistics for 10.1.35.5: 5 packet(s) transmitted, 5 packet(s) received, 0.0% packet loss, round-trip min/avg/max/std-dev = 1.067/1.369/1.761/0.321 ms.

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[R4]ping 5.5.5.5
Ping 5.5.5.5 (5.5.5.5): 56 data bytes, press CTRL+C to break
56 bytes from 5.5.5.5: icmp_seq=0 ttl=252 time=1.471 ms
56 bytes from 5.5.5.5: icmp_seq=1 ttl=252 time=0.854 ms
56 bytes from 5.5.5.5: icmp_seq=2 ttl=252 time=1.449 ms
56 bytes from 5.5.5.5: icmp_seq=3 ttl=252 time=1.697 ms
56 bytes from 5.5.5.5: icmp_seq=4 ttl=252 time=1.818 ms--- Ping statistics for 5.5.5.5 ---
5 packet(s) transmitted, 5 packet(s) received, 0.0% packet loss
round-trip min/avg/max/std-dev = 0.854/1.458/1.818/0.332 ms
[R4]%Mar 19 16:26:22:237 2025 R4 PING/6/PING_STATISTICS: Ping statistics for 5.5.5.5: 5 packet(s) transmitted, 5 packet(s) received, 0.0% packet loss, round-trip min/avg/max/std-dev = 0.854/1.458/1.818/0.332 ms.

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OSPF知識點
OSPF 區域

（1）區域概念

區域從邏輯上劃分網絡，各區域擁有獨立鏈路狀態數據庫與路由計算，能減少鏈路狀態信息傳播范圍，減輕路由器負擔，提升網絡可管理性與穩定性。

（2）骨干區域與非骨干區域

骨干區域（Area 0）至關重要，連接非骨干區域，非骨干區域間路由信息需經骨干區域中轉。

（3）區域間路由匯總

區域邊界路由器進行路由匯總，將多個具體路由條目合并為一條，減少區域間傳遞的路由信息數量，提升路由效率。

OSPF 路由器角色

（1）DR 和 BDR

在廣播型或 NBMA 網絡中，DR（指定路由器）負責與其他路由器交換鏈路狀態信息，BDR（備份指定路由器）在 DR 故障時接替工作，減少鏈路狀態信息泛洪及鄰接關系數量。

（2）內部路由器、區域邊界路由器和自治系統邊界路由器

內部路由器負責所在區域內路由；區域邊界路由器連接不同區域，傳遞區域間路由信息；自治系統邊界路由器連接 OSPF 自治系統與其他自治系統，引入外部路由。

OSPF 報文

（1）Hello 報文

作用為發現鄰居、建立與維護鄰居關系、選舉 DR 和 BDR。報文中包含路由器 ID、區域 ID、Hello 間隔、死亡間隔等字段。

（2）其他報文類型

數據庫描述（DBD）報文、鏈路狀態請求（LSR）報文、鏈路狀態更新（LSU）報文和鏈路狀態確認（LSAck）報文等，各自承擔特定功能，相互協作實現 OSPF 各項功能。

區域（Area）：區域是從邏輯上將路由器劃分為不同的組，每個組用區域號（Area ID）來標識。區域的邊界是路由器，而不是鏈路。其中，Area 0 通常被稱為骨干區域，負責區域之間的路由，非骨干區域之間的路由信息必須通過骨干區域來轉發。

路由器 ID（Router ID）：唯一標識一個 OSPF 路由器，通常使用環回接口的 IP 地址。如果沒有配置環回接口，則選取物理接口中 IP 地址最大的接口地址作為 Router ID。

鏈路狀態通告（LSA）：用于在 OSPF 路由器之間傳遞鏈路狀態信息，描述了網絡中的鏈路、路由器以及它們之間的連接關系等。

鄰居（Neighbor）：兩臺 OSPF 路由器之間建立鄰接關系，就互為鄰居。它們通過交換 Hello 報文來發現和維護鄰居關系。

鄰接（Adjacency）：兩臺 OSPF 路由器之間建立完全鄰接關系后，會同步鏈路狀態數據庫，以便擁有相同的網絡拓撲信息。

指定路由器（DR）和備份指定路由器（BDR）：在廣播型網絡和非廣播多路訪問網絡（NBMA）中，為了減少網絡中鏈路狀態信息的泛洪和路由器之間的鄰接關系數量，會選舉出 DR 和 BDR。DR 負責與其他路由器交換鏈路狀態信息，BDR 在 DR 出現故障時接替其工作。

開銷（Cost）：OSPF 協議采用鏈路開銷作為度量值，用于衡量到達目標網絡的路徑代價。鏈路開銷與鏈路帶寬成反比，即帶寬越高，開銷越小，選路主要基于帶寬因素。

OSPF 報文類型：包括 Hello 報文、數據庫描述（DBD）報文、鏈路狀態請求（LSR）報文、鏈路狀態更新（LSU）報文和鏈路狀態確認（LSAck）報文等。Hello 報文用于發現和維護鄰居關系；DBD 報文用于描述鏈路狀態數據庫的內容；LSR 報文用于請求特定的鏈路狀態信息；LSU 報文用于發送鏈路狀態更新信息；LSAck 報文用于對收到的 LSU 報文進行確認。
Dijkstra 算法：
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