OSPF协议基本原理

OSPF协议基本原理

OSPF（Open Shortest Path First）协议是目前应用最为广泛的链路状态路由协议之一，主要用于大型企业网络和互联网服务提供商的骨干网络中。本文将详细介绍OSPF协议的基本原理，包括邻接关系的建立过程、路由计算等核心内容。

OSPF协议路由的计算过程

OSPF协议路由的计算过程可简单描述如下：

1. 建立邻接关系，过程如下：

   1. 本端设备通过接口向外发送Hello报文与对端设备建立邻居关系。
   2. 两端设备进行主/从关系协商和DD报文交换。
   3. 两端设备通过更新LSA完成链路数据库LSDB的同步。

2. 路由计算：OSPF采用SPF（Shortest Path First）算法计算路由，可以达到路由快速收敛的目的。

OSPF邻居状态机

在OSPF网络中，为了交换路由信息，邻居设备之间首先要建立邻接关系。邻居（Neighbors）关系和邻接（Adjacencies）关系是两个不同的概念：

• 邻居关系：OSPF设备启动后，会通过OSPF接口向外发送Hello报文，收到Hello报文的OSPF设备会检查报文中所定义的参数，如果双方一致就会形成邻居关系，两端设备互为邻居。
• 邻接关系：形成邻居关系后，如果两端设备成功交换DD报文和LSA，才建立邻接关系。

邻居和邻接状态是通过OSPF状态机表现的，OSPF共有8种邻居状态机，分别是Down、Attempt、Init、2-way、Exstart、Exchange、Loading、Full，如图1所示。Down、2-way、Full是稳定状态，Attempt、Init、Exstart、Exchange、Loading是不稳定状态。不稳定状态是在转换过程中瞬间存在的状态，一般不会超过几分钟。

图1 OSPF邻居状态机

本端设备和状态可能与对端设备的状态不相同。例如本端设备的邻居状态是Full，对端设备的邻居状态可能是Loading。

建立邻接关系

在上述邻居状态机的变化中，有两处决定是否建立邻接关系：

• 当与邻居的双向通讯初次建立时。
• 当网段中的DR和BDR发生变化时。

OSPF在不同网络类型中，OSPF邻接关系建立的过程不同，分为广播网络，NBMA网络，点到点/点到多点网络。

在广播网络中建立OSPF邻接关系

广播链路邻接关系建立过程如图2所示。

在广播网络中，DR、BDR和网段内的每一台路由器都形成邻接关系，但DR other之间只形成邻居关系。

图2 在广播网络中建立OSPF邻接关系

如图2所示，在广播网络中建立OSPF邻接关系的过程如下：

1. 建立邻居关系
   1. RouterA的一个连接到广播类型网络的接口上激活了OSPF协议，并发送了一个Hello报文（使用组播地址224.0.0.5）。此时，RouterA不确定DR是哪台路由器（DR=0.0.0.0），也不确定邻居是哪台路由器（Neighbors Seen=0）。
   2. RouterB收到RouterA发送的Hello报文后，发送一个Hello报文回应给RouterA，并且在报文中的Neighbors Seen字段中填入RouterA的Router ID（Neighbors Seen=1.1.1.1），表示已收到RouterA的Hello报文，并且宣告DR路由器是RouterB（DR=2.2.2.2），然后RouterB的邻居状态机置为Init。
   3. RouterA收到RouterB回应的Hello报文后，将邻居状态机置为2-way状态，下一步双方开始发送各自的链路状态数据库。

在广播网络中，两个接口状态是DR Other的路由器之间将停留在此步骤。

2. 主/从关系协商、DD报文交换

   1. RouterA首先发送一个DD报文，宣称自己是Master（MS=1），并规定序列号Seq=x。I=1表示这是第一个DD报文，报文中并不包含LSA的摘要，只是为了协商主从关系。M=1说明这不是最后一个报文。
   2. 为了提高发送的效率，RouterA和RouterB首先了解对端数据库中哪些LSA是需要更新的，如果某一条LSA在LSDB中已经存在，就不再需要请求更新了。为了达到这个目的，RouterA和RouterB先发送DD报文，DD报文中包含了对LSDB中LSA的摘要描述（每一条摘要可以唯一标识一条LSA）。为了保证在传输的过程中报文传输的可靠性，在DD报文的发送过程中需要确定双方的主从关系，作为Master的一方定义一个序列号Seq，每发送一个新的DD报文将Seq加一，作为Slave的一方，每次发送DD报文时使用接收到的上一个Master的DD报文中的Seq。
   3. RouterB在收到RouterA的DD报文后，将RouterB上和RotuerA关联的邻居状态机改为Exstart，并且回应了一个DD报文（该报文中同样不包含LSA的摘要信息）。由于RouterB的Router ID较大，所以在报文中RouterB认为自己是Master，并且重新规定了序列号Seq=y。
   4. RouterA收到报文后，同意了RouterB为Master，并将RouterA上和RouterB关联的邻居状态机改为Exchange。RouterA使用RouterB的序列号Seq=y来发送新的DD报文，该报文开始正式地传送LSA的摘要。在报文中RouterA将MS=0，说明自己是Slave。
   5. RouterB收到报文后，将RouterB上和RotuerA关联的邻居状态机改为Exchange，并发送新的DD报文来描述自己的LSA摘要，此时RouterB将报文的序列号改为Seq=y+1。
   6. 上述过程持续进行，RouterA通过重复RouterB的序列号来确认已收到RouterB的报文。RouterB通过将序列号Seq加1来确认已收到RouterA的报文。当RouterB发送最后一个DD报文时，在报文中写上M=0。

3. LSDB同步（LSA请求、LSA传输、LSA应答）

   1. RouterA收到最后一个DD报文后，发现RouterB的数据库中有许多LSA是自己没有的，将邻居状态机改为Loading状态。此时RouterB也收到了RouterA的最后一个DD报文，但RouterA的LSA，RouterB都已经有了，不需要再请求，所以直接将和RouterA关联的邻居状态机改为Full状态。
   2. RouterA发送LSR报文向RouterB请求更新LSA。RouterB用LSU报文来回应RouterA的请求。RouterA收到后，发送LSAck报文确认。
   3. 上述过程持续到RouterA中的LSA与RouterB的LSA完全同步为止，此时RouterA将和RouterB关联的邻居状态机改为Full状态。当路由器交换完DD报文并更新所有的LSA后，此时邻接关系建立完成。

在NBMA网络中建立OSPF邻接关系

NBMA网络和广播网络的邻接关系建立过程只在交换DD报文前不一致，如图3中的蓝色标记。在NBMA网络中，所有路由器只与DR和BDR之间形成邻接关系。

图3 在NBMA网络中建立OSPF邻接关系

如图3所示，在NBMA网络中建立OSPF邻接关系的过程如下：

1. 建立邻居关系
   1. RouterB向RouterA的一个状态为Down的接口发送Hello报文后，RouterB的邻居状态机置为Attempt。此时，RouterB认为自己是DR路由器（DR=2.2.2.2），但不确定邻居是哪台路由器（Neighbors Seen=0）。
   2. RouterA收到Hello报文后将邻居状态机置为Init，然后再回复一个Hello报文。此时，RouterA同意RouterB是DR路由器（DR=2.2.2.2），并且在Neighbors Seen字段中填入邻居路由器的Router ID（Neighbors Seen=2.2.2.2）。
   3. RouterB收到RouterA发送的Hello报文后，将邻居状态机置为2-way。然后发送一个Hello报文回应给RouterA，并且在报文中的Neighbors Seen字段中填入RouterA的Router ID（Neighbors Seen=1.1.1.1），表示已收到RouterA的Hello报文。
   4. RouterA收到RouterB回应的Hello报文后，将邻居状态机置为2-way状态，下一步双方开始发送各自的链路状态数据库。

在NBMA网络中，两个接口状态是DROther的路由器之间将停留在此步骤。

2. 主/从关系协商、DD报文交换过程同广播网络的邻接关系建立过程。
3. LSDB同步（LSA请求、LSA传输、LSA应答）过程同广播网络的邻接关系建立过程。

在点到点/点到多点网络中建立OSPF邻接关系

在点到点/点到多点网络中，邻接关系的建立过程和广播网络一样，不同的是不需要选举DR和BDR。对于点到点网络，DD报文是组播发送的。对于点到多点网络，由于DD报文需要和指定邻居交换LSDB，所以DD报文是单播发送的。

路由计算

OSPF采用SPF（Shortest Path First）算法计算路由，可以达到路由快速收敛的目的。

OSPF协议使用链路状态通告LSA描述网路拓扑，即有向图。Router LSA描述路由器之间的链接和链路的属性。路由器将LSDB转换成一张带权的有向图，这张图便是对整个网络拓扑结构的真实反映。各个路由器得到的有向图是完全相同的。如图4所示。

图4 由LSDB生成带权有向图

每台路由器根据有向图，使用SPF算法计算出一棵以自己为根的最短路径树，这棵树给出了到自治系统中各节点的路由。如图5所示。

图5 最短路径树

当OSPF的链路状态数据库LSDB发生改变时，需要重新计算最短路径，如果每次改变都立即计算最短路径，将占用大量资源，并会影响路由器的效率，通过调节SPF的计算间隔时间，可以抑制由于网络频繁变化带来的占用过多资源。缺省情况下，SPF时间间隔为5秒钟。

具体的计算过程如下：

1. 计算区域内路由。
   Router LSA和Network LSA可以精确的描述出整个区域内部的网络拓扑，根据SPF算法，可以计算出到各个路由器的最短路径。根据Router LSA描述的与路由器的网段情况，得到了到达各个网段的具体路径。

在计算过程中，如果有多条等价路由，SPF算法会将所有等价路径都保留在LSDB中。

2. 计算区域外路由。
   从一个区域内部看，相邻区域的路由对应的网段好像是直接连接在ABR上，而到ABR的最短路径已经在上一过程中计算完毕，所以直接检查Network Summary LSA，就可以很容易得到这些网段的最短路径。另外，ASBR也可以看成是连接在ABR上，所以ASBR的最短路径也可以在这个阶段计算出来。

如果进行SPF计算的路由器是ABR，那么只需要检查骨干区域的Network Summary LSA。

如果存在多个到ASBR的路径，需要注意各设备类型上intra和inter类型ASBR的优选规则是否一致，如果存在不一致可能发生环路。

RFC1583兼容模式和不兼容模式会影响选路规则，另外在相同模式下，不同厂商设备对该场景的选路规则的也可能存细微差异，在已知选路规则存在差异的情况下，本产品提供了命令行对ASBR在RFC1583兼容模式和不兼容模式的选路规则进行调整，可以在一定程度上避免环路。

3. 计算自治系统外路由。
   由于自治系统外部的路由可以看成是直接连接在ASBR上，而到ASBR的最短路径在上一过程中已经计算完毕，所以逐条检查AS External LSA就可以得到到达各个外部网络的最短路径。