OSPF-开放最短路径优先协议-ipv4

作者: 今夜秋风和 | 来源:发表于2023-06-13 21:33 被阅读0次

ospf 产生背景及定义

由于rip 协议存在存在着收敛慢、路由环路、可扩展性差，跳数受限等问题。IETF组织开发了ospf(Open Shortest Path First，开放最短路径优先）,ospf 是一个基于链路状态的内部网关协议(Interior Gateway Protoco)，分为两个版本,针对ipv4 协议使用的是ospf v2,针对ipv6 协议的使用的是ospf v3，以下是关于ospf v2 的一个介绍。

ospf 协议中涉及概念

AS（Autonomous System）

自治系统（AS）是指一组由同一组织管理的网络，这些网络在逻辑上被视为单个单元，并被分配唯一的ID,在一个自治系统内部，运行同一种协议;

LSA

ospf 在形成邻接关系之间的邻居路由器之间发送链路状态通告(Link State Advertisement),包含了路由器当前邻居路由信息，直连接口信息，不同区域信息;

LSA 头部

LSA 头部使用在DD 数据库描述包和LSU链路状态确认数据包中;

12.jpg

字段

老化时间(Link-State Age): 是指自从发出 LSA后所经历的时间(单位:s);路由器生成 LSA 时，这个值为 0 ，随着 LSA 在网络中传输，老化时间逐渐累加。当路由器 LSDB 中已经有了该条LSA 后，LSA 的老化时间也在递增，当到达 MaxAge（最大老化时间）时，这个 LSA 不在用于路由计算；
类型(Type): LSA类型;
链路状态 ID(Link-State ID): 每种LSA 类型对应不同的描述;
通告路由器(Advertising Router):发出这条 LSA 的路由器的 Router-ID;
序列号(Link-State Sequence Number): LSA序列号,判断LSA的新老;
长度(Length):LSA 的总字节长度;

LSA 类型

Router-LSA（Type1）

 - 在本区域中，向DR通告自己的直连接口的状态和Cost 值,在所属的区域内进行扩散,注意的是,Router-LSA 将主机路由作为末梢网络进行通告;

13.jpg

链路状态 ID(Link-State ID): 始发路由器的路由器ID;
V 位( Virtual Link Endpoint Bit)：如果值为 1 ，表示路由器是 Virtual Link 的端点。
E 位(External Bit)：如果值为 1 ，表示路由器是 ASBR ;
B 位(Border Bit)：如果值为 1 ，表示路由器是两个区域的边界路由器。一个路由器连接两个或两个以上的区域，生成的 Type-1 LSA 的 B 位值为 1;
链路数量(Links Number)：表示 Type-1 LSA 的 Link 数量;Link 是描述直连接口的，每条 Link 都包含链路类型、链路 ID 、链路数量、度量值这些关键信息；
链路类型(Link Type)：表示 Link 的类型,OSPF 中有多种网络类型：P2P 、P2MP 、Broadcast 、NBMA ，可以根据接口的协议来判断接口的网络类型。链路类型不同，对应的链路 ID 、链路数据也不同;

14.jpg

链路ID(Link ID)：标识链路连接的对象;

15.jpg

链路数据(Link Data)：不同的链路类型对应的链路数据内容不同;

16.jpg

度量值(Metric)：Cost 值;

17.jpg

通过在AR8 0/0/0 接口抓包,通告的LS update 报文如下:

18.jpg

Network-LSA（Type2）

在多路访问的网络中，虽然Dother 已经将Type1 类型报文发给DR，但是这些Dother路由器之间并不会建立邻居关系，根本不知道去往对方怎么走,所以还需要DR（Designated Router）将自己本身的全量数据库链路信息发布出来；
在该网络中，DR 会生成 Type-2 LSA ，在区域内泛洪 Type-2 LSA ，会列出多址网络中所有路由器的 Router-ID ，包括 DR 本身，和这个网络的掩码，并且在所属的区域内传播;

19.jpg
链路状态 ID(Link-State ID): DR路由器的接口ip 地址;
相连路由器(Attached Router): 所有与DR 形成邻接关系的路由器的路由器ID, 包括DR路由器本身的路由器id;
在上述网络拓扑中，AR10是DR，在AR10的0/0/0 接口处抓包:

20.jpg

Network-summary-LSA（Type3）

现在，经过Type-1 和Type-2 两种LSA,一个区域的Dother 路由器已经完全知道本区域完整的网络拓扑信息，但是如何到达其他区域呢，这就需要Type3 LSA,用来解决区域间路由传递问题,需要由ABR产生，把区域外部的路由通告进来，包括默认路由;

23.jpg
链路状态 ID(Link-State ID): 通告的网络或子网的ip 地址；
网络掩码(Network Mask):通告的网络掩码或子网地址;

如图，红色的为area1区域，蓝色的为area 0 区域;

21.jpg

AR8 作为ABR,将自己的到达AR9,AR10 的网络以及自己的网络全部通告给area1 区域;
通过在AR8 的0/0/1 接口上抓包:

22.jpg

ASBR-summary-LSA（Type4）

通过Type1,Type2 这两种类型报文，解决了区域内路由的传递问题，通过Type3 类型报文，解决了不同区域之间路由通信问题；这些区域都属于运行同一种ospf 协议的自治系统，那其他自治系统运行的不同协议路由(比如:rip)，应该需要怎么引入才能访问外部的自治系统呢？
这就需要Type5类型报文, 由ASBR产生，它可以描述到达外部系统的路由，然后可以在所有ospf区域内泛洪，这样，所有区域路由器都有了外部路由信息，跟ASBR 在一个区域的路由器知道ASBR位置，能确定如何到达外部系统，但是跟ASBR不在一个区域的路由器，并不知道如何到达ASBR，所以，其他区域还得需要知道ASBR位置,由Type4 类型报文产生,由ABR描述到ASBR的路由，通告给除ASBR所在区域的单个区域,这样其他区域就知道了ASBR 位置;
Type 4类型报文跟Type3一样,区别:
1.链路状态 ID（ Link-State ID ): 通告的ASBR路由器的路由器id;
2.网络掩码(Network Mask):没实际意义，设置为0.0.0.0;
如图所示，AR12 是ASBR,它会生成Type5的报文描述外部路由，然后在所有区域泛洪,AR10 跟AR12 直连，属于同一个区域的ABR，它会描述到达ASBR的路由，然后泛洪到Area0,AR8 收到这条路由后，将Type4报文传递给AR11,至此，跟ASBR不在同一区域的其他区域路由器都知道了ASBR位置，就可以访问其他AS ;

31.jpg

AS-external-LSA（Type5）

由ASBR产生，描述到AS外部的路由，通告到所有的非末梢区域；

25.jpg
链路状态 ID(Link-State ID):外部路由的目的网络地址;
网络掩码(Netmask):外部路由的目的网络掩码;
E 位：用来表示外部路由使用的度量值类型,OSPF 有两种外部路由度量值类型，分别是 Metric-Type-1 和 Metric-Type-2 。如果值为 0 ，表示外部路由使用的度量值类型是 Metric-Type-1 ；如果值为 1 ，表示外部路由使用的度量值类型是 Metric-Type-2;
度量值(Metric)：表示外部路由的 Cost ;
转发地址(Forwarding Address ，FA )：到达所通告的目的地数据包应该被转发到的地址;当 FA 为 0.0.0.0 时，那么到达这个外部网段的流量会发送到引入外部路由的 ASBR ;
外部路由标记(External Route Tag)：外部路由才能携带的标记，路由策略使用;

NSSA LSA（Type7）

Type-7 LSA 就是非完全末梢区域外部 LSA（ Not-So-Stubby Area External LSA ），NSSA 禁止 Area0 的 Type-5 LSA 进入，让区域内泛洪的 LSA 减少了一点，也减小了 NSSA 中路由器内存占用,NSSA 允许自己区域内的路由器引入少量外部路由，这些外部路由引入后，使用 Type-7 LSA 描述，而且 Type-7 LSA 只能在这个 NSSA 内泛洪，不允许进入 Area0 。NSSA 的 ABR 会将 NSSA 内泛洪的 Type-7 LSA 转换成 Type-5 LSA ，让这些外部路由能够在 OSPF 域内传播;
如下图:AR10-AR12 之间为NSSA区域，AR12 产生Type7 的报文，描述外部路由信息:
1.链路状态id:10.0.0.0
2.网络掩码:255.0.0.0
3.通告路由器:10.0.5.5
4.转发地址:10.0.0.5
AR10 会将NSSA LSA 转化为Type 5 报文，在Area0内泛洪,Type5 报文如下:
1.链路状态id:10.0.0.0
2.网络掩码:255.0.0.0
3.通告路由器:10.0.1.1
4.转发地址:10.0.0.5

31.jpg
26.jpg

网络类型

点到点网络

单独连接一对路由器，有效邻居可以形成邻接关系;

广播型网络

可以连接多个设备,例如:以太网;

非广播多路访问网络

可以连接多个设备,但是没有广播数据包能力;

点到多点网络

一群点到点链路聚合，不需要选举DR ,BDR ,以单播形式发送包；

虚链路

没有编号的点到点网络配置，以单播形式发送包；

区域

区域产生背景及意义

ospf使用多个数据库和复杂算法,耗费路由器更多的内存和CPU, 当网络增大时，容易到达路由器性能极限, 另一方面,LSA 泛洪扩散大量数据链路带来负担;
利用区域来缩小这些不利的影响,区域是一组逻辑上的ospf 路由器和链路,可以有效的把一个ospf 域分割成多个子域 ; 一个区域内部路由器不需要关心外部的网络拓扑;

区域类型

骨干区域（ Backbone Area ）
骨干区域是连接所有其他ospf区域的中央区域，骨干区域通常用Area 0表示,区域间路由必须通过Area 0 进行转发;
常规区域（ Normal Area ）
默认情况下，ospf区域被定义为普通区域,除了Area 0,传输区域内路由，区域间路由和外部路由；
末梢区域（ Stub Area ）
末梢区域是指只有一个入口和一个出口的区域,网络包中要么是始发地址，要么是终止地址；不允许AS外部LSA在内部进行泛洪的区域，没有Type5,Type4 报文，只通告一条目的地址是0.0.0.0 的默认路由,末梢区域降低了路由器的cpu 和内存占用,提高了性能;
非完全末梢区域（ Not-So-Stubby Area ）
允许外部路由通告到ospf自治系统内部，使用Type7 类型报文，只会在NSSA区域进行泛洪;

路由器类型

划分了区域后，路由器也分成了和区域相关的几个类型

内部路由器 (Internal Router)

设备的所有接口都属于同一个ospf区域;

区域边界路由器ABR（Area Border Router）

同时属于两个以上的区域，但其中一个必须是骨干区域,ABR用来连接骨干区域和非骨干区域；

骨干路由器（Backbone Router）

设备至少有一个接口属于骨干区域，所有的ABR和位于Area0的内部设备都是骨干路由器；

自治系统边界路由器ASBR（AS Boundary Router）

与其他AS交换路由信息的设备称为ASBR，ASBR并不一定位于AS的边界，它可能是区域内设备，也可能是ABR。只要一台OSPF设备引入了外部路由的信息，它就成为ASBR;

image.png

DR 和BDR 路由器

DR 和BDR 产生背景

在一个多址网络中,再构建邻居关系时，会产生很多不必要的LSA，n 台路由器中,每台路由器会产生 n-1 条LSA信息+1个网络LSA,总共产生n*n 条LSA通告;
-多址网络泛洪扩散混乱，一台路由器向它的邻居路由器发出LSA通告，邻居路由器会继续向它的邻居发出LSA,一个网络中会产生重复的LSA;

28.jpg

为了解决该问题，通过DR 和BDR来管理ospf 区域内网络和区域网络的泛洪扩散，当DR失效时，BDR会成为新的DR，继续再网络中传送数据;

29.jpg

DR和BDR选取过程

前提条件

每台路由器接口都有一个优先级，默认为1，范围再0-255，优先级为0的不能成为DR 或BDR;
当接口再网络中有效时，把DR和BDR的地址设置为(0.0.0.0)，等待计时器值设置为路由器无效时间间隔;

选取过程

在路由器和邻居路由器之间建立双向通信,检查Hello 数据包的优先级,DR,BDR 的地址,所有路由器宣称自己是DR/BDR路由器；
创建一个还没有宣告为DR路由器的路由器子集;
在子集中多台邻居路由器，Hello 数据包BDR包含了各自的接口地址,优先级高的将被选择为BDR路由器; 优先级一样情况下, 具有最高路由器的router-id 的邻居路由器被选择为BDR ；
同样，选择DR路由器过程跟BDR 过程一样；
如果没有路由器宣告自己是DR，新选取的BDR将作为DR路由器;
DR和BDR选取后，其他路由器成为Dother,他们只和DR和BDR建立邻居关系;

Hello 包

Hello 包作用

发现邻居路由器；
在两台路由器成为邻居之前，需要通告两台路由器之间相互认可的几个参数;
hello 数据包在邻居路由器充当keepalive 角色;
确保邻居路由器之间的双向通信;
用来在一个广播网络或非广播多路访问(NBMA)的网络上选取指定路由器和备份指定路由器;

广播型网络Hello包交换以及链路状态同步过程

45.jpg

邻居关系建立

RouterA的一个连接到广播类型网络的接口上激活了ospf协议，并发送了一个hello报文（使用组播地址224.0.0.5）。此时，RouterA认为自己是DR路由器（DR=192.168.100.1);

32.jpg

RouterB启动的较晚,开始处于Down 状态,当收到上一步RouteA发来的Hello包，转为Init 状态，以默认值也在发送Hello报文；

33.jpg

RouterA收到RouterB回应的Hello报文后,知道RouterB 是自己的邻居，于是在下一次发送Hello 包时携带邻居信息,然后进行发送，这样RouterB就看到了自己的接口信息,将邻居状态机置为2-way状态，双向通信会话成功建立,下一步双方开始发送各自的链路状态数据库；

34.jpg

主/从关系协商、DD报文交换

RouterB首先发送一个DD报文，宣称自己是Master（MS=1），并规定序列号Seq=X，报文中并不包含LSA的摘要，只是为了协商主从关系。M=1说明这不是最后一个报文；

35.jpg

1.为了提高发送的效率，RouterA和RouterB通过发送DD报文首先了解对端数据库中哪些LSA是需要更新的；为了保证在传输的过程中报文传输的可靠性，在DD报文的发送过程中需要确定双方的主从关系，作为Master的一方定义一个序列号Seq，每发送一个新的DD报文将Seq加一，作为Slave的一方，每次发送DD报文时使用接收到的上一个Master的DD报文中的Seq;

RouterA在收到RouterB的DD报文后，将RouterB的邻居状态机改为Exstart，并且回应了一个DD报文（该报文中同样不包含LSA的摘要信息);

37.jpg

由于RouterB的router-id比较大,所以，最终会选定RouterB为master,并将RouterB的邻居状态机改为Exchange,RouteA 为slave,使用RouterB 的序列号传送新的DD报文，传送LSA的摘要，在报文中RouterA将MS=0，说明自己是Slave,当前M=0,RouterA 发送的最后一个报文;

38.jpg

RouterB收到报文后，将RouterA的邻居状态机改为Exchange，并发送新的DD报文来描述自己的LSA摘要，此时RouterB将报文的序列号改为Seq=X+1，当前报文中M=0,说明已经是RouteB 发送的最后一个报文了;

39.jpg

LSDB同步（LSA请求、LSA传输、LSA应答）

RouterB收到最后一个DD报文后，发现RouterA的数据库中有许多LSA是自己没有的，将邻居状态机改为Loading状态。此时RouterA也收到了RouterB的最后一个DD报文，RouterA的数据库也有一些LSA 是自己没有的，将邻居状态机改为Loading状态;
RouterB发送LSR报文向RouterA请求更新LSA。RouterA用LSU报文来回应RouterB的请求。RouterB收到后，发送LSAck报文确认;

42.jpg

上述过程持续到RouterA中的LSA与RouterB的LSA完全同步为止，此时RouterA将RouterB的邻居状态机改为Full状态。当路由器交换完DD报文并更新所有的LSA后，此时邻接关系建立完成;ospf 路由依据LSDB 按照SPF算法计算形成;

邻居状态机

失效状态(Down):邻居会话的初始状态,用来指明在最近一个RouteDeadInterval 时间内没有收到来自邻居路由器的Hello 数据包;
尝试状态(Attempt):仅适用于NBMA网络上的邻居。当 NBMA网
络上具有 DR选取资格的路由器和其邻居路由器相连的接口开始变为有效 (Active)时转换为Attempt状态;
-初始状态(Init):RouteDeadInterval 时间内收到来自邻居路由器的Hello 数据包;
-双向通信状态(Two-Way):本地路由器在来自邻居由器的Hello数据包中看到了自己的router-id,双向通信建立;
信息交换初始状态(ExStart): 本地路由器和邻居建立主从关系，确定数据库描述包的序列号，为交换数据库描述包信息左准备,具有最高router-id的路由器选举成为主；
信息交换状态(Exchange): 发送完整的DD报文；
-信息加载状态(Loading):本地路由器向邻居发送LSR，请求最新的LSA通告;
完全邻接状态(Full)：每个路由器的LSDB 已经达到一致状态,

ospf 实验

30.jpg

说明: AR1-AR3 :area1; AR4-AR5: area2; AR3-AR4:area0;

实验配置

AR1:
[Huawei]router id 5.5.5.5
[Huawei]ospf
[Huawei-ospf-1]area 1
[Huawei-ospf-1-area-0.0.0.1]network 172.16.1.0 0.0.0.255
AR2:
[Huawei]router id 3.3.3.3
[Huawei]ospf
[Huawei-ospf-1]area 1
[Huawei-ospf-1-area-0.0.0.1]network 172.16.1.0 0.0.0.255
[Huawei-ospf-1-area-0.0.0.1]network 192.168.1.0 0.0.0.255
AR3:
[Huawei]router id 1.1.1.1
[Huawei]ospf
[Huawei-ospf-1]area 1
[Huawei-ospf-1-area-0.0.0.1]network 192.168.1.0 0.0.0.255
[Huawei-ospf-1]area 0
[Huawei-ospf-1-area-0.0.0.0]network 192.168.0.0 0.0.0.255
AR4:
[Huawei]router id 2.2.2.2
[Huawei]ospf
[Huawei-ospf-1]area 0
[Huawei-ospf-1-area-0.0.0.0]network 192.168.0.0 0.0.0.255
[Huawei-ospf-1]area 2
[Huawei-ospf-1-area-0.0.0.2]network 192.168.2.0 0.0.0.255
AR5:
[Huawei]router id 4.4.4.4
[Huawei]ospf
[Huawei-ospf-1]area 2
[Huawei-ospf-1-area-0.0.0.2]network 192.168.2.0 0.0.0.255
[Huawei-ospf-1-area-0.0.0.2]network 172.17.1.0 0.0.0.255
AR6:
[Huawei]router id 6.6.6.6
[Huawei]ospf
[Huawei-ospf-1]area 2
[Huawei-ospf-1-area-0.0.0.2]network 172.17.1.0 0.0.0.255

AR1的LSDB库信息:

43.jpg

AR1 的路由信息:

44.jpg