OSPF路由協議詳解
發布時間：
2022-07-15 09:47:13
OSPF路由協議是一種開放式最短路徑優先協議，它更是一種鏈路狀態路由協議。而所謂的鏈路狀態，主要是指鏈路狀態信息，包含接口IP地址、網絡類型、接口對象、對端IP地址、接口的開銷等等。
我們的OSPF路由協議就可以根據這些鏈路狀態信息和SPF算法計算出全網的拓撲，簡單來說就是OSPF可以以此獲得一張全網地圖，最后路由器就可以根據這張全網地圖來轉發我們的數據報文。
這篇文章就是一個關于OSPF的總結和概括，關于OSPF，我主要是用了1~7個數字來概括它的絕大多數內容，是的，絕大多數，不是所有，因為目前該文章內容只是涉及到IA內容。
一、一種協議
“1”就是指我們的一種協議，OSPF協議。除此之外，“1”還包括OSPF學習過程中涉及到一些名詞概念。比如，LSA，LSDB和Router ID。
LSA，就是我們在上面提到的鏈路狀態信息，全英文是Link State Advertisement，這里不再重復贅述。
LSDB，Link State DataBase，即鏈路狀態數據庫，是運行OSPF協議的每臺路由器都會有的，主要作用就是存儲自己和其它路由器的LSA。
Router ID，這是路由器的標識符，作用就是用來唯一標識一臺路由器，它的產生有幾種方式，并且優先級不同，首先是經由我們網絡管理員手工配置，若沒有手動配置的Router ID，選取Loopback接口上最大的IP地址作為Router ID，若連Loopback接口都沒有配置，則選擇已經配置IP地址的接口上數值最大的IP地址作為Router ID。
值得注意的是，Router ID是一個32bit的無符號整數，所以不一定是路由器上的接口IP地址，只要它的范圍是從0.0.0.0~255.255.255.255就可以了，之所以我們經常將Router ID和接口IP地址聯系在一起，則是因為它獨特的選舉機制。
二、兩層結構
“2”主要是指OSPF的分層結構，可以說是OSPF將網絡分成了骨干區域和非骨干區域。非骨干區域必須和骨干區域相連，非骨干區域之間不可以連接，這是為了防止環路的產生。
雖然在以后的進階學習中，會有一個叫虛連接的方法來解決非骨干區域沒有和骨干區域連接在一起的問題。但IA階段中，非骨干區域和骨干區域直接相連是毫無問題的。
三、三張表/三種身份
“3”主要是指三張表和三種身份。
1、三張表
三張表包括OSPF鄰居表、OSPF拓撲表和OSPF路由表。
OSPF鄰居表就是用來記錄路由器鄰居關系的表，包括鄰居的相關描述和狀態。也就是說可以用鄰居表來顯示該路由器與哪些設備建立鄰居或鄰接關系，我們可以用display OSPF peer來查看這張表。
OSPF拓撲表，也被叫做LSDB表，這張表存儲了當前區域的所有鏈路狀態信息，用來計算OSPF的最優路由。
而OSPF路由表記錄根據LSDB的鏈路狀態信息和SPF算法計算出來的最優路由，這些路由將有可能作為最優加入該表。
這里需要注意，OSPF路由表不是我們的全局路由表，我們使用display ip router-table查看的就是路由器的全局路由表，它保存的是根據所有途徑學習到的最優路由，而OSPF路由表存儲的是根據OSPF協議計算到最優路由。
2、三種身份
三種身份則是指運行了OSPF協議路由器的身份，主要是DR，BDR和DRother。
首先明確OSPF需要為路由器劃分身份的背景。假設沒有對運行OSPF協議的路由器進行任何的配置，那么整個網絡中，所有運行OSPF協議的路由器兩兩之間都會建立起鄰居和鄰接關系，它們之間都會互相發送和學習報文，那么可能就會造成一種重復學習的現象。
類似于教室中，學生A把他的筆記給了學生B和學生C進行抄錄，然后學生B又將他的筆記給了學生A和學生C抄錄。在這個過程中，學生B的筆記是已經包括了學生A的，那么學生A和學生C就會不得不再次抄錄一遍最開始學生A的筆記，這就是重復學習。
然后為了防止路由器之間重復學習造成的資源浪費問題，OSPF就給路由器劃定了角色，也就是DR，BDR和DRother。
這三種角色類似于組長，副組長和組員的關系，其中DR是組長，BDR是副組長，DRother則是組員。之后當組員需要交換筆記的時候，就只會把筆記提交給組長和副組長，然后由他們把筆記分發給各個組員，而組員之間不能夠互相交換筆記。
這就是我們DR和BDR的作用，也就是之后OSPF網絡中，DRother的路由器只會把LSA信息提交給DR和BDR，然后由他們進行分發，而DRother之間不會傳遞LSA信息。
其中DR和BDR的選舉首先是根據接口的優先級來選的，不過路由器接口的優先級一般默認都是1，所以接下來就會根據Router ID來進行選舉，Router ID大的優選。
需要注意的是，接口優先級的取值范圍是0-255，為0時，表示當前路由器不參加選舉。而且，當選舉已經結束，再加入新的設備，即便新設備的優先級更高，也不會重新選舉DR和BDR，DR不故障，就不會選舉DR，DR故障后，只會是BDR成為DR，再競選新的BDR。
四、四種網絡類型/四種路由器類型
“4”主要包括四種網絡類型和四種路由器類型。
1、四種網絡類型
四種網絡類型，分別是Broadcast，NBMA，P2MP和P2P。
這四種網絡類型主要影響OSPF在接口上的操作，例如采用什么方式來發送OSPF協議報文，以及是否需要選舉DR和BDR。
首先是Broadcast，廣播多點可達，當鏈路層協議是Ethernet時，OSPF默認的網絡類型就是這個，這個時候需要選舉DR和BDR。
接著是NBMA，非廣播多點可達，該網絡類似是取消了廣播報文的廣播多點可達類型，當鏈路層協議是幀中繼類型，OSPF默認的網絡類型就是此項，這個時候也是需要選舉DR和BDR。
第三個是P2MP，點到多點網絡，該網絡類型必須由其它網絡類型更改的，一般是由NBMA網絡類型更改過來的，不需要選舉DR和BDR，這是為了加快OSPF網絡中鄰居的建立速度。
第四個就是P2P，點到點網絡，當鏈路層協議是PPP時，OSPF默認的網絡類型就是這個，這個時候不需要選舉DR和BDR。
2、四種路由器類型
接著是四種路由器類型，這是根據OSPF網絡的分層結構進行劃分的。
首先是區域內路由器，IR，路由器所有接口都是在同一區域中的路由器。
接著是區域邊界路由器，ABR，是連接骨干區域和非骨干區域的路由器。
然后是自治系統邊界路由器，ASBR，是與其它自治系統交換路由信息的路由器。
最后是骨干路由器，BR，有接口在骨干區域中的路由器。
五、五種報文
“5”即五種報文：Hello報文，DD報文，LSR報文，LSU報文和LSAck報文。
Hello報文，它的作用就是發現、建立和維護鄰居關系。
DD報文，全英文是Database Description，就是描述鏈路狀態信息，用于選舉主從以及攜帶LSA的摘要信息。
LSR報文，Link State Request，鏈路狀態請求報文，根據對方發送過來的DD報文的摘要信息，請求獲取自己沒有的LSA信息。
LSU報文，Link State Update，鏈路狀態更新報文，根據對方發送過來的請求，向對方發送相應的LSA信息，此時LSA信息是完整的。
LSAck報文，鏈路狀態確認報文，回復對方自己收到了LSA信息，如果對方長時間沒有收到LSAck報文，對方就會重新發送LSU報文。
六、六種LSA
“6”即六種LSA信息。正如我開篇所說，該文章是對IA階段內容的概括，而這六種LSA是更高階的內容，所以這里為了文章的完整性，只是稍微提及一下，不會作詳細的贅述。
七、七種狀態
“7”指七種狀態，即運行OSPF的路由器之間建立鄰居和鄰接的過程中，路由器所需要經歷的狀態變化過程。
嚴格來說，路由器的狀態應該是8種，不過多的這一種只會出現在NBMA網絡中，應用極少，且該狀態的作用和當中其它的某種狀態也是相同的，所以我最后只是用了7種狀態而不是8種狀態，不過我會在文章的最后對此狀態作補充。
首先是第一種狀態，Down狀態，即關閉狀態，這也是路由器的第一個穩定狀態，即不會隨便發現變化的狀態，該狀態表示當前接口沒有收到任何的Hello報文。
然后當路由器收到其它路由器發送過來的Hello報文之后，就會進入Init狀態，這是一種單方發現狀態，該狀態表示已經收到其它路由器發送的Hello報文，但在對方的Hello報文的鄰居表中沒有看到自己的Router ID，也就是對方還不知道我是鄰居。
然后當兩邊路由器相互發送Hello報文，建立起鄰居關系之后，就會進入2-way狀態，這是鄰居狀態，也是第二個穩定狀態，表示路由器建立鄰居關系成功。
之后當路由器之間想要同步LSDB數據庫時，路由器首先會進入ExStart狀態，該狀態表示路由器和它的鄰居路由器開始協商主從關系，也就是協商誰先發送報文。
協商完成后，路由器就正式進入Exchange狀態，該狀態表示路由器的主從關系已經確認，開始正式交換DD報文，此時的DD報文主要包含路由器的LSDB的摘要信息。
然后就會進入Loading狀態，該狀態中，路由器會比較DD報文和自己的LSDB信息，如果DD報文中存在LSDB不具有的LSA信息，則向鄰居發送LSU報文請求該LSA的完整信息。
之后當LSA信息交換完畢，也就是LSDB同步結束，路由器就會進入最后一個狀態——Full狀態，即鄰接狀態，也是第三個和最后一個穩定狀態，該狀態就是表示路由器的LSDB同步已經完成。
之后，建立起關系的路由器之間就只會周期性發送Hello報文來維護彼此之間的關系。
這就是運行OSPF協議的路由器之間建立起鄰居或鄰接關系所需要經歷的七種狀態。
然后是只會出現在NBMA網絡中的第8種狀態，Attempt狀態，該狀態和Init狀態類似，當路由器發現了Hello報文，但還沒有收到對方回應的報文的時候，路由器就會處于這種狀態。
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