【重识云原生】第四章云网络4.3.4.1-2节——OSPF协议

江中散人_Jun

发布于 2022-05-31 10:55:16

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《重识云原生系列》专题索引：

1 OSPF协议概述

1.1 前言

OSPF(Open Shortest Path First开放式最短路径优先）是一个内部网关协议(Interior Gateway Protocol，简称IGP），用于在单一自治系统（autonomous system,AS）内决策路由。是对链路状态路由协议的一种实现，隶属内部网关协议（IGP），故运作于自治系统内部。著名的迪克斯彻（Dijkstra）算法被用来计算最短路径树。OSPF支持负载均衡和基于服务类型的选路，也支持多种路由形式，如特定主机路由和子网路由等。

OSPF的流量使用IP协议号89。
OSPF工作在单个AS，是个绝对的内部网关路由协议（Interior Gateway Protocol，即IGP）。
OSPF对网络没有跳数限制，支持 Classless Interdomain Routing (CIDR)和Variable-Length Subnet Masks (VLSMs)，没有自动汇总功能，但可以手工在任意比特位汇总，并且手工汇总没有任何条件限制，可以汇总到任意掩码长度。
OSPF支持认证，并且支持明文和MD5认证；OSPF不可以通过Offset list来改变路由的metric。
OSPF并不会周期性更新路由表，而采用增量更新，即只在路由有变化时，才会发送更新，并且只发送有变化的路由信息；事实上，OSPF是间接设置了周期性更新路由的规则，因为所有路由都是有刷新时间的，当达到刷新时间阀值时，该路由就会产生一次更新，默认时间为1800秒，即30分钟，所以OSPF路由的定期更新周期默认为30分钟。
OSPF所有路由的管理距离(Ddministrative Distance)为110，OSPF只支持等价负载均衡。
距离矢量路由协议的根本特征就是自己的路由表是完全从其它路由器学来的，并且将收到的路由条目一丝不变地放进自己的路由表，运行距离矢量路由协议的路由器之间交换的是路由表，距离矢量路由协议是没有大脑的，路由表从来不会自己计算，总是把别人的路由表拿来就用；而OSPF完全抛弃了这种不可靠的算法，OSPF是典型的链路状态路由协议，路由器之间交换的并不是路由表，而是链路状态，OSPF通过获得网络中所有的链路状态信息，从而计算出到达每个目标精确的网络路径。

1.2 OSPF协议主要优点

（1）OSPF 适合在大范围的网络：OSPF 协议当中对于路由的跳数，它是没有限制的，所以 OSPF 协议能用在许多场合，同时也支持更加广泛的网络规模。只要是在组播的网络中，OSPF协议能够支持数十台路由器一起运作。

（2）组播触发式更新：OSPF 协议在收敛完成后，会以触发方式发送拓扑变化的信息给其他路由器，这样就可以减少网络宽带的利用率；同时，可以减小干扰，特别是在使用组播网络结构，对外发出信息时，它对其他设备不构成其他影响

（3）收敛速度快：如果网络结构出现改变，OSPF 协议的系统会以最快的速度发出新的报文，从而使新的拓扑情况很快扩散到整个网络；而且，OSPF 采用周期较短的 HELLO 报文来维护邻居状态。

（4）以开销作为度量值：OSPF 协议在设计时，就考虑到了链路带宽对路由度量值的影响。OSPF 协议是以开销值作为标准，而链路开销和链路带宽，正好形成了反比的关系，带宽越是高，开销就会越小，这样一来，OSPF 选路主要基于带宽因素。

（5）OSPF 协议的设计是为了避免路由环路：在使用最短路径的算法下，收到路由中的链路状态，然后生成路径，这样不会产生环路。

（6）应用广泛：广泛的应用在互联网上，其他会有大量的应用实例。证明这是使用最广泛的IGP 之一。

2 OSPF协议基础概念

2.1 工作原理简述

OSPF简单地说就是两个相邻的路由器通过发报文的形式成为邻居关系，邻居再相互发送链路状态信息形成邻接关系，之后各自根据最短路径算法算出路由，放在OSPF路由表，OSPF路由与其他路由比较后优的加入全局路由表。整个过程使用了五种报文、三个阶段、四张表。

2.1.1 五种报文

Hello报文：建立并维护邻居关系。
DBD报文：发送链路状态头部信息。
LSR报文：把从DBD中找出需要的链路状态头部信息传给邻居，请求完整信息。
LSU报文：将LSR请求的头部信息对应的完整信息发给邻居。
LSACK:收到LSU报文后确认该报文。

2.1.2 三个阶段

邻居发现：通过发送Hello报文形成邻居关系。
路由通告：邻居间发送链路状态信息形成邻接关系。
路由计算：根据最短路径算法算出路由表。

2.1.3 四张表

邻居表：主要记录形成邻居关系路由器。
链路状态数据库：记录链路状态信息。
OSPF路由表：通过链路状态数据库得出。
全局路由表：OSPF路由与其他比较得出。

2.2 OSPF报文格式

OSPF报文封装在IP报文头部，协议号为89。

更新方式：

单播：单播更新为特殊情况，要手工配置
组播：默认更新方式

2.3 报文类型

OSPF报文类型有5种，每种报文都使用相同的OSPF报文头部。分别是：

注意：DD、LSU、LSR、LSACK。只有LSU携带LSA的详细信息，其他都只是头部信息。

2.4 OSPF支持的网络类型

缺省情况下，OSPF认为以太网的网络类型是广播类型，PPP、HDLC的网络类型是点到点类型。
缺省情况下，OSPF认为帧中继、 ATM的网络类型是NBMA。
OSPF可以在不支持广播的多路访问网络上运行，此类网络包括在hub-spoke拓扑上运行的帧中继（FR）和异步传输模式（ATM）网络，这些网络的通信依赖于虚电路。OSPF定义了两种支持多路访问的网络类型：非广播多路访问网络（NBMA）和点到多点网络（Point To Multi-Points）。
NBMA:在NBMA网络上，OSPF模拟在广播型网络上的操作，但是每个路由器的邻居需要手动配置。NBMA方式要求网络中的路由器组成全连接。
P2MP:将整个网络看成是一组点到点网络。对于不能组成全连接的网络应当使用点到多点方式，例如只使用PVC的不完全连接的帧中继网络。

扩展

MA网络是指multiple access多路访问网络。（MA=NBMA+广播式网络），多路访问是指在一条链路上有多个访问点，区别于点到点(P2P)或点到多点(P2MP)的网络。

2.5 邻居状态机

总结：八种状态，除了Attempt有点特殊，我们作为了解。其他的我们来看一下。首先路由器开启了OSPF之后，最开始处于down状态，然后到2-Way状态这段过程种，路由器都处于邻居的关系中，这个阶段只发送Hello报文。之后三个状态，路由器都处于形成邻接状态的路上。然后到最后Full状态的时候，完成邻接状态。（具体邻居、邻接关系后面还会详细讲到）

2.6 Router ID、邻居与邻接

2.6.1 Router ID

概念：OSPF路由器在本AS（自治系统）内的唯一标识（不能重复，重复则一直报错，不能建立邻居关系）。

组成：32个比特，写法与IP地址相同（点分十进制），但是Router ID可以是路由器没有的ID

配置：可手动配置；若不手动配置则自动配置。（通常建议手动配置，以防因为地址改变发生的id改变）

自动配置规则：

Router id会自动获取你配置的第一个IP地址
如果设备存在多个逻辑接口地址，则路由器使用逻辑接口中最大的IP地址作为Router ID；
如果没有配置逻辑接口，则路由器使用物理接口的最大IP地址作为Router ID
在为一台运行OSPF的路由器配置新的Router ID后，可以在路由器上通过重置OSPF进程来更新Router ID

在实际情况中，Router ID的变化采取稳定大于一些的原则：在设置好了Router ID之后，再去修改，不生效。

2.6.2 邻居与邻接

邻居（Neighbor）

概念：相连的路由器，互相知道对方的存在

状态2-Way的时候建立成邻居关系

邻接（Adjacency）

概念：相连的路由器，LSDB进行了同步

只有当双方成功交换DD报文，并同步LSDB后，才形成真正意义上的邻接关系。

2.7 LSA（链路状态广播）

LSA（链路状态广播，Link State Advertisement）是链接状态协议使用的一个分组，它包括有关邻居和通道成本的信息，是路由器之间链路状态信息的载体，被路由器接收用于维护它们的路由选择表，也就是说LSDB由一条条LSA构成的。

2.7.1 LSA报文头结构

所有的LSA都有相同的头部，关键字段的含义如下：

2.7.2 常见LSA分类

2.8 OSPF区域

OSPF 中划分区域的目的就是在于控制链路状态信息LSA 泛洪的范围、减小链路状态数据库LSDB的大小、改善网络的可扩展性、达到快速地收敛。

当网络中包含多个区域时，OSPF 协议有特殊的规定，即其中必须有一个 Area 0，通常也叫做骨干区域（Backbone Area），当设计 OSPF 网络时，一个很好的方法就是从骨干区域开始，然后再扩展到其他区域。骨干区域在所有其他区域的中心，即所有区域都必须与骨干区域物理或逻辑上相连，这种设计思想的原因是 OSPF 协议要把所有区域的路由信息引入骨干区，然后再依次将路由信息从骨干区域分发到其它区域中。

OSPF 将区域划分为几种类型：

骨干区域：作为中央实体，其他区域与之相连，骨干区域编号为 0，在该区域中，各种类型的 LSA 均允许发布。
标准区域：除骨干区域外的默认的区域类型，在该类型区域中，各种类型的 LSA 均允许发布。
末梢区域：即 STUB 区域，该类型区域中不接受关于 AS外部的路由信息，即不接受类型 5 的 AS 外部LSA，需要路由到自治系统外部的网络时，路由器使用缺省路由（0.0.0.0），末梢区域中不能包含有自治系统边界路由器 ASBR。2(https://blog.csdn.netundefined/)