OSPF路由协议

一、OSPF简介

• 全称：Open Shortest Path First（开放式最短路径优先）。

• 特点：

  • 链路状态协议，基于带宽计算最优路径（Cost = 参考带宽/接口带宽，默认100Mbps）。

  • 使用SPF算法（Dijkstra），避免路由环路。

  • 高效更新：触发更新 + 增量更新，减少带宽消耗。

  • 支持分层区域设计，适用于大型网络。

  • 封装于IP协议，协议号89，组播地址：224.0.0.5（所有OSPF路由器）、224.0.0.6（DR/BDR）。

二、OSPF基本工作原理

1. 四张表

   • 邻居表：记录邻居路由器（Hello报文建立）。

   • LSDB（链路状态数据库）：存储所有LSA，区域内一致。

   • OSPF路由表：通过SPF计算生成的最优路径。

   • 全局路由表：整合OSPF路由与其他协议路由。

2. Router ID（RID）

   • 在一个自治系统中唯一标识路由器，手动配置或自动选择（优先Loopback接口最大IP，其次物理接口最大IP）。

3. 链路状态（LS）与LSA

   • 链路状态（LS）：路由器周边的链路的状态  

   • 直连网段状态：通过接口网段和接口状态感知 描述直连网段：（网段，掩码，接口开销）

   • 直连拓扑状态：通过OSPF邻居和邻居状态感知

   •  描述直连拓扑：（邻居RouterID，连接接口，接口开销）

   • 接口开销：OSPF参考带宽 / 接口带宽

   • OSPF参考带宽默认为100Mbps。

   • Loopback接口的开销默认为1。

   • LSA：封装后的链路状态信息（如LSA 1：路由器LSA；LSA 2：网络LSA）。

4. SPF计算

   • 以自身为根，计算到所有节点的最短路径树（Cost累加出接口开销）。

三、OSPF邻居建立与维护

1. 邻居状态机

   • Down → Init → 2-Way：通过Hello报文发现邻居（双向通信）。

   • ExStart → Exchange → Loading → Full：同步LSDB（DD报文交换LSA头部，LSR/LSU请求详细LSA）。由于封装在IP协议(不可靠)，可靠性要靠自己，如图，开始A、B都处于ExStart状态，A给B发送一个DD报文（不携带相关的LSDB数据）发送一个seq=x(随机)序号，I(Init状态)、M(more还有更多DD)、MS(可竞争M（主）/S（从）)。B也发一个类似的报文seq=y，双方收到之后确认主从关系，RID小的为从于是A(从)立马变为Exchange，发送一个DD(携带相关LSDB数据)报文，序列号为seq=Y，表示收到了B的seq=Y的报文，B收到这个消息之后也变为Exchange状态，随及也发送一个DD(携带相关LSDB数据)报文，seq=Y+1给A，A收到之后(从就变loading)状态变为loading，就给B发送一个确认seq=Y+1的报文表示收到，B收到之后，状态就变为FULL（主）                                                                                                               A随即发送一个请求LSR，向B中请求他没有的或者需要更新的(请求缺失的LSA)，B就回一个LSU报文，把A没有的或者需要更新的发给A(发送完整LSA)，A收到后状态变为FULL，再给B回复一个LSA确认报文

2. DR/BDR选举（广播/NBMA网络）

   • 选举原则：优先级（默认1）→ RID（越大越优）。

   • 作用：减少邻接关系数量（公式：2(n-2)+1 vs 全互联n(n-1)/2）。

   • 稳定性：已选举的DR/BDR不会被更高优先级路由器抢占。

3. 报文类型

   报文类型	作用	目的地址
   Hello	发现/维护邻居	224.0.0.5
   DD (Database Description)	同步LSA头部	单播（广播网络）
   LSR (Link State Request)	请求缺失的LSA	单播
   LSU (Link State Update)	发送完整LSA	单播/224.0.0.6
   LSAck	确认LSU	单播/224.0.0.5

四、OSPF区域划分

1. 单区域 vs 多区域

   • 单区域：所有路由器在同一Area 0（骨干区域），适合小型网络。

   • 多区域：通过ABR（区域边界路由器）连接Area 0与其他区域，减少LSDB规模。

2. 区域优势

   • 限制LSA洪泛范围，提高收敛速度。

   • 汇总路由减少路由表条目。

五、单区域OSPF配置示例

bash

# 配置RTA（华为设备示例）
[RTA] router id 1.1.1.1
[RTA] ospf 1
[RTA-ospf-1] area 0
[RTA-ospf-1-area-0.0.0.0] network 1.1.1.1 0.0.0.0   # Loopback接口
[RTA-ospf-1-area-0.0.0.0] network 10.1.1.0 0.0.0.255 # 物理接口网段
[RTA-ospf-1-area-0.0.0.0] quit

关键命令：

• router ospf <进程号>：启动OSPF进程。

• network <IP> <通配符> area <区域>：指定参与OSPF的接口。

• passive-interface：禁止接口发送Hello报文（如连接终端网段）。

六、续

 OSPF协议包具备超时重传机制 

OSPF协议包具备序列号，对重复包不做处理

2.泛洪新LSA

 当有新的LSA生成或收到时，这条新的LSA应当被泛洪。

泛洪新的LSA时，只需要使用LS Update报文和LS Ack报文。

(1). 当RTA有新的LSA要泛洪时，RTA向RTB发送一个LS Update报文，在 这个报文里包含这条LSA。

(2). 收到新的LSA以后，RTB向RTA泛洪一个LS Ack报文进行确认。

当在两个处于完全邻接状态（邻居状态为Full）的路由器之间泛洪新的LSA 时，邻居状态不受影响。一直都是FULL状态不改变。

(3).当广播网络中的LSDB更新，链路状态发送变化时，主要是DR路由器发送更新报文

3.OSPF LSA老化

(1)LSA不老化的缺点：当网络长时间中断，故障网络中的设备发起 的LSA长时间无效，但仍然存储在LSDB中，浪费设备内存。

 (2)OSPF LSA采用递增老化

LSA自发起时开始计时，到达最大老化时间后，从LSDB中清除。

OSPF最大老化时间3600秒，LSA头部的老化时间字段用于计时。

4.OSPF LSA老化与全网刷新

(1)正常OSPF网络的路由维护

LSA老化时间到达最大老化时间的一半(30分钟)，发起路由器 随机等待一段时间后重新发起该LSA，然后洪泛，刷新所有路 由器LSDB。

新发起的LSA序列号加1，老化时间为0。

(2)LSA在整个洪泛过程中，除老化时间外，其余各字段都保持不变

如图为序列号LAS的更新规则