OSPF路由协议详解---通俗易懂！
OSPF路由协议详解---通俗易懂！
OSPF（开放式最短路径优先）是一种链路状态路由协议，广泛应用于大规模网络中。本文将从基本概念、报文格式、邻居建立过程、DR与BDR选举、网络类型、LSA、特殊区域及防环机制、路径选择等多个方面，详细解析OSPF的工作原理和应用场景。
一、基本概念
1.概念
开放式最短路径优先OSPF（Open Shortest Path First）是一种链路状态协议，具有路由变化收敛速度快、无路由环路、支持变长子网掩码（VLSM）和汇总、层次区域划分等优点,基于IP协议的89号（协议号）
2.特点
- 基于链路状态的路由协议
- 支持层次化的网络设计
- 支持可变长子网掩码（VLSM）
- 快速收敛
- 无环路设计
- 支持多路径负载均衡
- 强大的认证机制
- 灵活的度量值设置
- 支持多种网络类型
- 路由优先级为10（优先级值越低表示优先级越高）
- 采用组播的方式更新
（224.0.0.5表示所有运行OSPF的设备都属于该组，224.0.0.6表示DR与BDR属于该组）
3.相关术语
Router-ID
（非抢占式）
RID用于OSPF域中唯一的标识
RID的优先级顺序：
①手工配置RID（优先级最高）
②无手动配置最大回环口的IP地址（因为回环接口稳定而物理接口状态可能受实际环境up/down）
③无回环口接口则选举最大的物理接口IP地址
度量值
ospf使用cost（开销）作为度量值，路由协议继优先级之后根据开销来选择路径。
10^8（100Mbit）/接口带宽=接口开销，所有的接口开销总和=接口开销
（根据上面公式可知接口带宽越大接口开销越小，路径越优）
ABR与ASBR
区域边界路由器ABR
ABR路由器至少有一个接口是属于骨干区域的，而且必须为每一个与之相连的区域维护不同的链路状态数据库，另一个接口连接非骨干区域、
自治边界路由器ASBR
只要一台OSPF路由器引入了外部路由的信息，它就成为ASBR
骨干区域
area0
非骨干区域
非area 0
AS
OSPF Area用于标识一个OSPF的区域。
二、报文
1.格式
OSPF通用报文格式字段名 长度（字节） 功能描述
Version 1 OSPF协议版本，目前为2（OSPFv2）或3（OSPFv3）。
Type 1 报文类型，标识报文的种类（Hello、DD、LSR、LSU、LSAck）。
Packet Length 2 整个OSPF报文的长度，包括OSPF头部。
Router ID 4 发送该报文的路由器的ID。
Area ID 4 报文所属的区域ID，0表示骨干区域。
Checksum 2 校验和，用于检测报文在传输过程中是否出错。
AuType 2 认证类型，标识使用的认证方式（0：无认证，1：简单密码，2：MD5）。
Authentication 8 认证信息，根据AuType字段的不同，可以是密码或MD5摘要。
2.报文
Hello：hello报文
作用：用来发现、建立、维护邻居之间的关系
参数：区域、hello time（10s）、Dead time（40s）、优先级、认证类型、组播地址
DBD：数据库的摘要（LSA信息）
作用：用于向邻居通告自己所知道LSA摘要信息
参数：
LSR：链路状态请求包
作用：根据收到的DBD报文之后，设备会向邻居发送LSR，告诉邻居之间需要哪些LSA相关信息
LSU：链路状态更新包
作用：邻居接收到从邻居发送来的LSR，根据LSR，将邻居需要的完整LSA内容全部发送
LSAck：链路状态确认包
作用：对邻居发送过来的LSU进行确认
三、邻居建立过程
三张表
邻居表：存放邻居的相关信息
当发送的hello报文被对方发现并确认之后，则将其加入到邻居表中
条件：地址以及掩码要一致、hello time、dead time要一致、区域要一样、认证类型要一样、特殊区域要一样
这个时候邻居关系为two-way状态
设备通过了hello报文的交互，但可能并未开始交互LSA信息，只有当邻居之间交换LSA信息之后，邻居关系才为full状态
拓扑表：存放每台设备对整个拓扑的认知（称为链路状态数据库--LSDB）
路由表：存放从拓扑表中通过SPF计算出来的最优路径
8状态
①down：
没有收到其他的hello报文
②init：初始化状态（单向通信）
接口刚启用OSPF，往组播224.0.0.5发送hello报文，接收到邻居发送的hello报文，但邻居并未收到自己发送的hello报文
③two-way：邻居状态（双向通信）
在组播地址中收到邻居发送的hello报文并且对方已经添加了自己网段RID的hello报文（即邻居之间均收到对方发送的hello报文），这时候进行DR/BDR的选举
④exstart：预启动状态
选举主从关系为了确定在exchange状态有序发送DBD报文
（若两端的MTU不一致会卡在这个状态）
⑤exchange：交换状态
互相交换机DBD（数据库摘要信息），建立各自的拓扑表
⑥loading：加载状态
请求对方的LSA全部信息，交互LSR、LSU、LSAck
⑦full：邻接状态
建立邻居关系，达到LSDB同步
⑧attempt（特殊）：尝试状态
只有可能出现非广播多路访问环境中，想要建立OSPF的邻居关系，但不知道发数据包发给谁
报文及状态过程：
四、DR与BDR选举
在OSPF中，多路访问网络（如以太网）上可以有多个路由器互连。为了减少网络中的广播流量，OSPF引入了DR和BDR的角色。DR负责向所有非DR/BDR路由器发送和接收链路状态更新（LSU），而BDR则是DR的备份，当DR失效时，BDR会自动接管DR的职责。
DR（Designated Router）：在一个多路访问网络中，DR是唯一负责与其他路由器交换链路状态信息的路由器。它会将接收到的链路状态更新（LSU）转发给所有非DR/BDR的路由器，从而减少网络中的广播流量。
BDR（Backup Designated Router）：BDR是DR的备份，当DR失效时，BDR会立即接管DR的职责，确保网络的正常运行。
（非抢占式）
举个栗子：
老师布置作业之后，每个人都要将作业讲给老师，老师还有其他班的学生很不方便。这时候出现了班长（DR），所以学生将作业交给班长，如果班长有事，那就将作业交给学习委员（BDR），这样就不会使作业乱传了。
选举规则
①比较接口优先级，大的优先
②以太网环境优先级默认为1，串行链路默认为0
③优先级一样，比较RID，RID大的优先
五、网络类型
六、LSA
LSA：Link State Advertisement，链路状态通告，路由器发出的关于网络结构的通告，描述了链路或接口的状态及每条链路的成本
链路状态数据库（LSDB）由LSA组成
LSA的老化时间为3600s，更新时间为1800s
区域内：
区域间：
七、OSPF的特殊区域及防环机制
作用：
- 可以对OSPF路由域进行优化，可以过滤区域内部的不需要的路由信息
- 加快OSPF区域内部收敛
- 降低路由器的资源消耗
要求：
- 骨干区域不能配置为特殊区域
- Stub区域不能有ASBR存在，除非这台ASBR也是ABR必须存在至少一个ABR
- 特殊区域是邻居建立成功的条件之一，要求同一个区域中的所有路由器都必须配置为特殊区域
- 虚链路不能透传特殊区域
Stub区域：（末梢区域）
作用：过滤LSA4、LSA5两类外部路由，并且ABR会向区域内自动下发一条默认路由
Totally Stub区域：（完全末梢区域）
作用：在Stub区域的基础上继续过滤，过滤掉LSA3区域间的路由，并且ABR会向区域内自动下发一条默认路由
NSSA区域：（非末梢区域）
作用：过滤掉LSA4、LSA5的外部路由，自己产生的LSA4和LSA5不过滤，而是变成新的LSA7，ABR不会向区域内部下发一条默认路由
Totally NSSA区域：（完全非末梢区域）
作用：在NSSA区域的基础上，过滤掉LSA3区域间的路由，并且ABR会向内部自动下发一条默认路由
防环机制：
区域内：（LSA1/2）
100%无环、SPF算法
区域间：（LSA3/4）
要求非骨干区域必须与骨干区域直连，非骨干区域之间不能直连
ABR设备从某个区域学习到LSA3路由信息不会再发送到该区域中
区域外：（LSA5）
FA地址（转发地址）：OSPF的区域外防环机制通过FA地址（Forwarding Address）实现，FA地址用于指示外部路由的下一跳地址。ASBR的某个接口满足FA地址生成条件，因此FA地址被设置为该接口的IP地址。
FA地址为0.0.0.0时，流量通过ASBR转发；
FA地址为非0.0.0.0时，流量直接转发到FA地址指定的设备。
条件：FA地址的生成需要满足接口类型为广播与非广播多路、不能是被动接口，FA地址所在接口需通告进OSPF。
示例：
八、OSPF的路径选择
区域内>区域间>区域外
九、面试常问问题
mtu在哪里协商，是怎么协商的？如果协商不通过,会出现什么问题？
exstart阶段会进行协商。（华为默认不协商。报文中 MTU的字段填充为O)MTU协商规则：对方 DD 报文中 mtu 字段的值<=接收报文接口的 mtu 值。如果协商不通过会导致邻接关系停留在 exstart状态,无法建立full的邻接关系。
为什么MA网络需要比较掩码？
如果在MA 网络中掩码不一致也能建立邻居关系，会导致DR无法正确描述当前MA网络的路由信息。
两端的网络类型不一致时，会不会建立邻居？能建立邻居，路由是否正常？
NBMA只能与NBMA建立full邻接关系，与其他网络类型都无法建立FULL的邻居关系；
broadcast与P2P，能建立full邻接关系，但不能正常计算路由；
broadcas与 P2MP，通过修改hello/dead timer可以建立 full邻接关系，但也不能计算路由;
P2P与P2MP，通过修改hello/dead timer可以建立full 邻接关系，路由计算也正常
MA网络中DRother只和DR/BDR建立邻接关系，这一机制是如何实现的？
DRother只与DR和BDR建立全邻接关系（Full Adjacency）。DRother之间不会建立全邻接关系，而是保持2-Way状态。在Hello报文中，路由器会列出已知的DR和BDR。DRother通过Hello报文确认DR和BDR的身份。当DRother收到DR或BDR的Hello报文时，会将邻居状态从Init转换为2-Way。DRother与DR/BDR建立邻接关系后，会通过DD（Database Description）报文（单播）、LSR（Link State Request）报文和LSU（Link State Update）报文同步链路状态信息。
为什么NBMA无法和其他网络类型建立邻居关系？
因为 NBMA 是通过手动、单播的方式发现邻居、发送hello 报文的，而其他网络类型即使配置了peer，也不会单播的发送hello 报文。
以太网链路将网络类型改为P2P，接口不在同一网段是否能建立OSPF邻接关系？
可以，因为P2P是以DIP：224.0.0.5发送OSPF的hello报文的，而只要宣告进OSPF进程中的接口就等于加入了这个组，所以 AR1和AR2 接口即使不在同一网段，也能建立邻居关系，同时也能学习到路由。但是无法互访，因为底层链路是以太网链路，不同网段互访需要有路由以及相应的2层封装。
为什么Area0不能配置成特殊区域？
特殊区域都会过滤5类LSA,如果Area0可以配置成特殊区域,那么将导致Area0和某些区域可能不存在外部路由而无法访问外部网络。
面试题来源于原文链接：https://blog.csdn.net/atmxs/article/details/142520462