网络初级篇之OSPF（一）原理

一、OSPF是什么

　　Open Shortest Path First, 开放最短路径优先协议，是一种开源的使用最短路径优先（SPF）算法的内部网关协议（IGP）。常用于路由器的动态选路。

二、OSPF常见的几个概念

　　1. 邻居（Neighbor）：宣告OSPF的路由器从所有启动OSPF协议的接口上发出Hello数据包。若两台路由器在同一条链路上，并且它们根据hello消息中指定的某些信息（比如id等）协商成功，那么它们就成为了邻居（Neighbor）。

　　2. 邻接关系（Adjacency）：两台邻居路由器之间构成的一条点到点的虚链路，邻接关系的建立是由交换hello信息的路由器类型和网络类型决定的。形成邻居关系的双方不一定会形成邻接关系。

　　3. 链路状态通告（Link State Advertisement，LSA）：每一台路由器都会在所有形成邻接关系的邻居之间发送链路状态通告LSA。LSA描述了路由器所有的链路、接口、邻居等信息。
    注：ospf定义了许多不同的LSA类型。

　　4、Router ID：Router ID是一个32位的值（类似于IP地址，通常情况下建议手动进行配置），它是一个自治系统内的路由器的唯一标识。若没有进行手动配置，则会按以下几点进行自动选举：

　　①若有逻辑接口，则按照逻辑接口中最大的IP地址作为Router ID。

　　②若没有逻辑接口，则按照接口中最大的IP地址作为Router ID.

　　注：若一台运行的路由器上重新配置了Router ID，可以在路由器上重置OSPF进程来更新Router ID。

　　5. 链路状态数据库（LSDB）：每一台收到来自邻居路由器发出的LSA的路由器都会把这些LSA信息记录在它的LSDB中，并且发送一份LSA的拷贝给该路由器的其他所有邻居。这样当LSA传播到整个区域后，区域内所有的路由器都会形成同样的LSDB。

　　6、DR：DR是网络的中心点，其选举方式是按照路由器的端口优先级进行选举（值越大越优先）。当端口优先级一致时，按照Router ID进行选举（越大越优先）（当网络拓扑稳定后，新加入路由器不管其优先级都不会成为DR或者BDR）

　　7、BDR：；BDR是DR的备份，当DR出现问题时，由BDR接替DR（BDR出现问题时，不会影响DR，BDR会重新选举）。

三、OSPF报文

　　OSPF报文主要包含两部分：IP Header 与 OSPF Protocol Packet

• OSPF直接运行在IP协议上，使用的协议号是89
• OSPF的有五种报文

　　①Hello报文：最常用的一种报文，用以发现、维护邻居关系。还可以在广播和NBMA的网络类型中选举指定路由器（DR）与备份指定路由器（BDR）.

　　②DD报文：两台路由器进行LSDB数据库同步时，用来描述自己的LSDB。（此报文只包含了LSA的头部，而LSA的头部可以唯一识别一条LSA）

　　③LSR报文：当两台路由器交换过DD报文后，与自己的对比，会得知对端有而本端没有的LSA。这时就会向对端发送LSR报文，以请求这些本端没有LSA同步过来。在发送的LSR报文中只包含了本端所需要的LSA的摘要信息。

　　④LSU报文：用来向对端发送所需要的LSA。

　　⑤LSACK报文：对收到的LSU报文进行确认。

四、OSPF支持的网络

　　1、点到点的网络

　　2、广播型网络

　　3、NBMA网络

　　4、点到多点的网络

五、区域

　　OSPF支持将一组网段组合在一起，这样的一组合成为区域。

　　Area 0 为骨干区域，为了避免路由的环路，非骨干区域之间不允许直接相互发布路由信息，所以，每个区域必须连接到骨干区域。

六、OSPF建立的步骤

　　1、Down状态

　　在这个状态下，所有设备刚刚启动，设备之间没有数据的交换。

　　2、INT状态

　　在这个状态下，路由器之间开始交换Hello报文。这时，设备知道了其他设备的存在。

　　3、Two-Way状态

　　在这个状态下，建立了双向通信。符合条件的设备之间建立邻居关系（此状态不建立邻接关系，但是建立邻接关系前的最高状态）。

　　PS：（指定路由器与备份指定路由器的选举也在这个状态，不确定）

　　4、ExStart状态

　　在这个状态下，是建立邻接关系的第一步。路由器开始向邻居发送DD报文。当对端收到DD报文后，会回复一个LSA报文，表示我已收到。

　　5、Exchange状态

　　在这个状态下，设备之间开始互相发送含有链路状态信息摘要的DD报文，用以描述本端的LSDB；而收到DD报文的设备会与自己的LSDB进行对比。

　　6、Loading状态

　　在这个状态下，当设备收到DD报文与自身的LSDB进行比较时，会发现有缺少的LSA。这时候，会发送LSR报文以学习邻居设备的LSA；当邻居收到LSR报文后，会回复LSU报文（也就是回复收到的LSR中包含的LSA的相关信息）以供LSR的发出端进行学习。

　　7、Full状态

　　在这个状态下，LSDB的同步以完成，所有的路由器以形成相同的LSDB。

七、OSPF补充
    1. 当这些路由器的LSDB完全相同时，每一台路由器都会以自身为根结点，使用最短路径优先（Shortest Path First，SPF）算法计算一个无环路的拓扑图，这个拓扑图就是SPF算法树。每台路由器都会从自己的SPF算法树中构建出自己的路由表，用于动态选路。

2. 当区域内所有节点的LSDB状态都已同步后，ospf协议将会变的平静下来，邻居之间根据配置固定时间交换hello数据包作为心跳消息，并且每隔30分钟传一次LSA。如果网络拓扑稳定，那么ospf也是稳定的。如果网络拓扑发生了变化，比如有节点故障或者新增节点，那么将重新开始交换信息并计算路由。

3. OSPF拓扑中的节点可以分为两类：传输节点和末梢节点。传输节点指网络链路中的中转路由器，它一般两端与其他ospf邻居相连，作用仅是转发数据包而数据包的源网络和目的网络往往都不同于传输节点所在的网络；末梢节点指网络链路中的末端路由器，它一般只有一端与ospf邻居相连，作为数据包的源头或者目的地。OSFP协议在末梢节点宣告主机路由（也就是子网掩码为255.255.255.255的路由），这样拓扑中其他节点要访问末梢节点就可以在LSDB中查到对应的信息，并通过SPF算法生成的最短路径进行访问。