作者：BSXY_19計(jì)科_陳永躍 BSXY_信息學(xué)院 注：未經(jīng)允許禁止轉(zhuǎn)發(fā)任何內(nèi)容

1、OSPF基礎(chǔ)

RIP是基于距離矢量算法的路由協(xié)議，應(yīng)用在大型網(wǎng)絡(luò)中存在收斂速度慢、度量值
不科學(xué)、可擴(kuò)展性差等問題。
IETF提出了基于SPF算法的鏈路狀態(tài)路由協(xié)議OSPF (Open Shortest Path First).
通過在大型網(wǎng)絡(luò)中部署OSPF協(xié)議，彌補(bǔ)了RIP協(xié)議的諸多不足。那么OSPF協(xié)議是
如何實(shí)現(xiàn)的呢?面對(duì)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的需求，又該如何應(yīng)對(duì)呢?

• IGP（內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議）分為距離矢量和鏈路狀態(tài)兩種。
• RIP是基于距離矢量算法的路由協(xié)議，應(yīng)用下大型網(wǎng)絡(luò)中存在收斂速度慢，度量值不科學(xué)，擴(kuò)展性差等問題。最多15跳，16跳為不可達(dá)，cost基于跳數(shù)。
• IETF提出了基于SPF（最短路徑優(yōu)先）算法的鏈路狀態(tài)路由協(xié)議OSPF，彌補(bǔ)了距離矢量路由的諸多不足。

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技術(shù)背景：

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大型網(wǎng)絡(luò)下的需求:

• 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大
• 網(wǎng)絡(luò)可靠性要求提高（設(shè)備可靠性和鏈路可靠性）（OSPF可以在復(fù)雜的鏈路中進(jìn)行最優(yōu)選路）
• 網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)化趨勢加劇（設(shè)備可能不一致）（盡可能使用開放性技術(shù)）

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鏈路狀態(tài)對(duì)應(yīng)距離矢量的改進(jìn):

如何解決RIP的問題？

RIP的問題	優(yōu)化或解決的方式
收斂慢，故障恢復(fù)時(shí)間長	“收到更新>計(jì)算路由>發(fā)送更新"改為"收到更新>發(fā)送更新>計(jì)算路由”
缺少對(duì)全局網(wǎng)絡(luò)的了解	路由器基于拓?fù)湫畔?#xff0c;獨(dú)立計(jì)算路由
最多有效跳數(shù)為15	不限制跳數(shù)
存在選擇次優(yōu)路由的風(fēng)險(xiǎn)	將路由帶寬作為選路參考值

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OSPF工作流程： 建立鄰居-同步鏈路狀態(tài)-SPF-放置路由表。通過lsdb掌握全網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

• 總結(jié)來說就是建立鄰居，互相交互lsa，建立lsdb數(shù)據(jù)庫，這樣子每個(gè)設(shè)備都能拿到完整路由拓?fù)?#xff0c;最后以自己為中心，計(jì)算到各個(gè)路由之間的最佳路徑，置于路由表。(存在路由器的路由即最優(yōu) )
  
• 鄰居交互完成后，了解了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（lsa交互完成），拿到了lsa也就構(gòu)建了lsdb數(shù)據(jù)庫（同一個(gè)區(qū)域里的路由lsdb就應(yīng)該一致）。最后使用SPF算法計(jì)算最優(yōu)路由(生成帶權(quán)有向圖 )
• 帶權(quán)有向圖：(有向代表雙向，也就是設(shè)備與設(shè)備之間是互相知道的)
  
• 流程圖
  

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OSPF的基本工作原理：
OSPF Rrouter-id：用于自治系統(tǒng)中唯一標(biāo)識(shí)一臺(tái)運(yùn)行OSPF的設(shè)備，每臺(tái)運(yùn)行OSPF的設(shè)備只有一個(gè)Router-id

建立鄰居:OSPF設(shè)備之間在交換鏈路狀態(tài)信息之前，首先需要彼此建立鄰居關(guān)系，通過Hello報(bào)文實(shí)現(xiàn)鄰居交互

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鏈路狀態(tài)信息：

• 鏈路的類型：多路訪問，非多路訪問，點(diǎn)到點(diǎn)，幀中繼

• 接口IP地址及掩碼

• 鏈路上所連接的鄰居路由器

• 鏈路的帶寬（開銷）…

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LSDB同步：

• Exstart 狀態(tài)會(huì)根據(jù)DD數(shù)據(jù)報(bào)文選舉主仆關(guān)系Master和Slave（只根據(jù)Router ID 大的為主），選舉完成后，Slave接下來會(huì)聽Master的指揮

• DD數(shù)據(jù)報(bào)文包含了lsa的摘要信息（全部）

• Lsr請(qǐng)求的是某個(gè)lsa頭部信息，lsu回復(fù)包含了完整的lsa信息

• lsack就是對(duì)lsu的確認(rèn)（如果沒有確認(rèn)，lsu會(huì)周期性重傳，多次沒有回應(yīng)會(huì)down）
  

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狀態(tài)機(jī)制：

• Full，down，2-way，屬于穩(wěn)定狀態(tài) 。剩下是過渡狀態(tài)，不可能永久停留，停留表示有問題
  

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OSPF數(shù)據(jù)作用類型：

數(shù)據(jù)類型	作用
Hello	建立鄰居和后期維護(hù)鄰居關(guān)系,hello包間隔時(shí)間，10秒鐘發(fā)送一個(gè)hello包，如果40秒內(nèi)收不到鄰居路由hello，會(huì)判定鄰居路由掛掉，會(huì)清除目標(biāo)鄰居路由的全部信息
Data base description (DBD)	LSDB的摘要（僅包含LSA頭部）簡略的鏈路數(shù)據(jù)庫列表，用于對(duì)比。鄰居建立過程才有DBD數(shù)據(jù)包，建立完成后則沒有了。
通過第二階段數(shù)據(jù)包來進(jìn)行比較，各自設(shè)備有哪些路由，然后在進(jìn)行信息交互（LSA泛洪）
DBD的數(shù)據(jù)包有兩個(gè)階段，開頭設(shè)備各自發(fā)一個(gè)，不包含實(shí)際內(nèi)容。DBD第二個(gè)階段,包含了一個(gè)LSA-type，這個(gè)LSA的數(shù)據(jù)并不完整，只包含（類型，id ，宣告者）
Link state Request (LSR)	請(qǐng)求LSR（某個(gè)lsa頭部信息），鄰居建立完成后就沒有LSR數(shù)據(jù)包，觸發(fā)有機(jī)制觸發(fā)
Link state update (LSU)	發(fā)送LSA，（根據(jù)鄰居路由請(qǐng)求LSA給予回復(fù)）
觸發(fā)式更新：有增刪改會(huì)發(fā)送更新。
注：LSU數(shù)據(jù)包里面就包含了LSA。
Link state acknowledgment (LSAck)	對(duì)LSU進(jìn)行確認(rèn)。(通過目標(biāo)設(shè)備發(fā)送的序列號(hào)，再次發(fā)送回去進(jìn)行確認(rèn))
給鄰居路由發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，需要鄰居路由給予回應(yīng)，否則會(huì)進(jìn)行重傳， 重傳到一定次數(shù)，還沒有回應(yīng)，會(huì)進(jìn)行down

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OSPF參考度量值：

• 接口開銷=參考帶寬/實(shí)際帶寬。參考帶寬默認(rèn)=100Mbps

• 更改開銷的兩種方式：在接口直接配置； 修改參考帶寬值（所有設(shè)備需要一致，否則選路不一致）

• 從源到目標(biāo)所有的出站接口的Cost值累加（數(shù)據(jù)方向）（一般都是數(shù)據(jù)方向，也就是看出口計(jì)算）

• 從源到本路由器沿途所有入站接口的Cost值累加（路由方向）

• 注：從鄰居學(xué)到一條路由。路由分為數(shù)據(jù)方向和路由方向

路由方向：當(dāng)鄰居路由發(fā)送一條路由給我時(shí)，會(huì)累計(jì)接收時(shí)端口的開銷。

數(shù)據(jù)方向：當(dāng)學(xué)到鄰居的路由時(shí)，我要去往這條路由時(shí)，會(huì)計(jì)算我發(fā)出時(shí)的接口開銷。

• 注：不管是數(shù)據(jù)方向還是路由方向，他其實(shí)說的就是我們?nèi)ネ従勇酚蓵r(shí)的一個(gè)計(jì)算方式。而不是說要去計(jì)算我們本身存在的路由

• 總結(jié)：鄰居發(fā)一條路由給你時(shí)，你接收時(shí)端口的開銷是多少，那么去這臺(tái)路由時(shí)發(fā)出的端口開銷就是多少
  
  

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網(wǎng)絡(luò)類型：

MA網(wǎng)絡(luò)中問題：

2、DR與BDR

減少領(lǐng)接關(guān)系
降低OSPF協(xié)議流量
具有非搶占性。（除非設(shè)備掛了或者重啟）
DR出現(xiàn)故障BDR頂替，再重新選舉新的BDR。（只有先成為BDR才有機(jī)會(huì)成為DR）
OSPF的DR，BDR選舉制度是無法改變的，是為了穩(wěn)定性。

• 鄰接狀態(tài)，一定是鄰居。但是鄰居狀態(tài)不一定是鄰接
• DR和BDR，Drouter 之間都保持領(lǐng)接關(guān)系（full）
• Drouter 之間保持鄰居關(guān)系（2-way）

3、OSPF多區(qū)域

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，路由器完成路由計(jì)算所消耗的資源也就越多。

而且，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的可能性也隨之增加，（區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜，越容易出問題）。如果區(qū)域內(nèi)某處發(fā)生故障，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的路由都要重新計(jì)算，這也會(huì)大大增加路由器的負(fù)載，降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

OSPF單區(qū)域過大可能帶來的問題：

解決方案：

區(qū)域劃分: 將一個(gè)大網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)相互連接的小網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備只需要同步所在區(qū)域內(nèi)的sdb,一定程度上降低路由器內(nèi)存及CPU資源的消耗。

• 一個(gè)接口（網(wǎng)絡(luò)地址）只能在一個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行宣告，不能沖突

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域間路由防環(huán): (區(qū)域內(nèi)依靠SPF算法，不會(huì)有環(huán)路,而區(qū)域間可能會(huì)存在環(huán)路)

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三類LSA傳遞規(guī)則

4、虛鏈路Vlink

由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，規(guī)劃，升級(jí)，合并，改造，或者不可抗拒等因素,造成不規(guī)范區(qū)域架構(gòu)，最終導(dǎo)致路由學(xué)習(xí)不完整:

解決的辦法是虛連接：

• 通過虛連接，虛連接配置后，兩個(gè)ABR之間會(huì)建立一個(gè)單播的鄰居，兩臺(tái)ABR路由器之間直接傳遞OSPF報(bào)文信息（不會(huì)傳遞到區(qū)域內(nèi)）,兩者之間的OSPF設(shè)備只是起到一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的作用

虛鏈路配置：

• 虛連接的另外一個(gè)作用是提供冗余的備份鏈路。當(dāng)骨干區(qū)域因鏈路故障將被分隔時(shí)，通過虛連接仍然可以保證骨干區(qū)域在邏輯上的連通性。
• 虛連接可以看成擴(kuò)展的骨干區(qū)域，在邏輯上生效。

5、OSPF報(bào)文

OSPF報(bào)文結(jié)構(gòu)：

OSPF報(bào)文類型：

Hello保定時(shí)器：

網(wǎng)絡(luò)類型	Hello間隔	Dead時(shí)間
Broadcast	10	40
P2P（點(diǎn)到點(diǎn)）	10	40
NBMA(非廣播多路泛洪)	30	120
P2MP(點(diǎn)到多點(diǎn))	30	120
Virtual link (基于實(shí)際接口)	基于實(shí)際接口	基于實(shí)際接口

6、LSA結(jié)構(gòu)

OSPF內(nèi)部路由指的就是所有的一個(gè)OSPF進(jìn)程下的網(wǎng)絡(luò)，那么也就是說，不管有多少區(qū)域，都在這個(gè)進(jìn)程下討論，不管是區(qū)域內(nèi)還是區(qū)域間，都算內(nèi)部，這個(gè)內(nèi)部單獨(dú)指OSPF進(jìn)程的內(nèi)部，不同進(jìn)程的叫做外部。不同路由協(xié)議也算外部

LSA結(jié)構(gòu)：

1、一類/二類LSA（Router-LSA/Network-LSA）

每種不同類型的LSA包含的內(nèi)容都是不同的

type	名稱	描述
1	Router-LSA	每一個(gè)路由器都會(huì)生成。描述某區(qū)域內(nèi)路由器端口鏈路狀態(tài)的集合。只在所描述的區(qū)域內(nèi)泛洪。
2	Nework-LSA	由DR生成。描述多路訪問網(wǎng)絡(luò)上所連接路由器的列表。只在該網(wǎng)絡(luò)所屬的區(qū)域內(nèi)泛洪。

Router-LSA

Network-LSA

更新完善中…