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[网络]OSPF理论

2023-05-16

特性：

  • 分类：无类，链路状态协议
  • 封装：ip（89）
  • 更新目标地址：224.0.0.5、224.0.0.6、支持单播
  • 更新方式：定时、完整
  • 定时更新：30分钟
  • 老化时间：60分钟
  • 度量：10的8次方/沿途路由入接口带宽（bps），只计算数据出接口度量。
  • OSPF区域内路由算法为链路状态，区域间路由算法为距离矢量。

链路状态协议的优点：

  • 对于网络，链路状态协议了解更多。
  • 每一个路由器对整个拓扑都有全面了解。

OSPF包头信息：

  • 版本：V2（IPV4）、V3（IPV6）
  • 类型：标识报文类型

Router ID：唯一标识一台路由器（Router-id为IPV4地址格式，仅作为名称使用）

  • 建议手动指定为loopback口地址。
  • 选举router-id方法：
  1. 手动指定
  2. 最大的环回口地址
  3. 做大接口地址

OSPF计时器：

Hello时间Down时间
10S40S
30S120S

形成邻居条件：

  1. 区域相同
  2. 接口MTU需要相同
  3. Hello时间 down时间相同
  4. 特殊区域
  5. Router-ID不能相同

OSPF区域分两种：

  1. 骨干区域（area0）
  2. 常规区域
    常规区域必须和骨干区域相连，并且所有区域间的路由必须从骨干区域学习，常规区域不能直接互传。
    区域之间使用距离矢量算法（防环）
    Area-ID：区域ID
    ABR：区域边界路由器
    ASBR：自治系统边界路由器
    链路状态通告：LSA
    LSA透传（沿途不变），通过SPF算法，计算路由表

选举DR、BDR

Router priority：选择DR（指定路由器）、BDR（备份指定路由器）
目的：减少冗余的更新、加快收敛速度。

仅在MA网络选择DR、BDR

二层：
P2P（点到点）
MA（多接入）：

  1. 广播
  2. NBMA

选举依据：根据Hello包中的

  1. 优先级（默认为1）优先级为0则不参与选举。
  2. 优先级相同，router-id越大越优

所有路由器和DR、BDR形成邻接关系，交互LSA。DR-other之间形成邻居关系，不交互LSA。

非抢占：网络中选举DR、BDR后，在接入优先级大的路由器后，DR不会变化。

DR、BDR发送224.0.0.5、监听224.0.0.6。DR-other发送224.0.0.6、监听224.0.0.5。

修改优先级：

Router(config-if)#ip ospf priority 值

OSPF 5种报文：

Hello：邻居建立，发送初始参数
Database description（DBD）：摘要信息（建立邻居时）
Link-state request:请求摘要信息中本地没有的信息
Link-state Update：发送路由更新
Link-state Acknowledgement：确认报文

OSPF邻居状态变迁（双向同时）建立状态的报文都是单播，邻居建立后发送的保持Hello为组播：

  • Down状态：
    宣告后进入，无任何建立状态
  • Init状态：
    初始状态，收到hello（组播：224.0.0.5）后从down进入初始状态，收到hello后，单播回复包含对方router id的报文。
  • Two-way状态：
    双向状态，互相交换hello后进入（收到包含自己router id进入），有需要时选举DR、BDR，wait时间（宣告后计时：选举DR、BDR时间，与down时间相等，hello：10，down：40，wait：40）
  • Exstart状态：
    选完DR、BDR后进入，R1、R2发送router ID（DBD报文），选举链路上主从关系，router ID大为主，主先发送后续包。（比较MTU，一致则继续，不一致则卡在Exstart）
  • Exchange状态：
  1. R1(大)发送DBD
  2. R2发送隐式确认(code)
  • Loading状态：
  1. R2发送LSR，请求DBD摘要里本地没有的路由信息。
  2. R1发送LSU回复update信息给R2。
  3. R2发送ACK确认
  • Full状态：
    Loading完成的状态
  • Attempt：
    仅存在于NBMA网络中，此状态用于邻居建立前将发送hello间隔变和DR、BDR选举时间为120s，避免浪费带宽，建立邻居后为30s。

配置：

Route(config)#router ospf 进程号
Route(config-router)#router-id 1.1.1.1
Route(config-router)#network 网络号 通配符 area 区域号
Route#show ip ospf neighbor Router-ID
Route(config-if)#ip ospf pro 优先级（默认1，0不参与选举）
Route(config-if)#neighbor 邻居地址  指定单播邻居
  • 接口下：
Route(config-if)#ip ospf 进程号 area 区域号
  • 修改网络类型：
Route(config-if)#ip ospf network point-to-point

LSDB：

LSA描述链路状态信息

  1. 通过Hello消息发现、维持邻居
  2. 建立邻接关系
  3. 与形成邻接关系的路由器之间交换LSA
  4. 使用LSA构建LSDB
  5. 根据LSDB，使用SPF算法计算，生成路由表

修改cost：

Router(config-if)#ip ospf cost 值（1-65535）
  • 修改参考带宽：
Router(config-router)#auto-cost reference-bandwidth

ospf三张表：

  • 邻居表：
    包含邻居名单
  • 拓扑表：
    LSDB
    包含所有路由器及所连接的网络
  • 路由表：
    到达目的地的最佳路径表

OSPF区域概念：

  • 划分区域的好处：
    减少路由器存储LSA的数量。
    避免网络变化导致的全网LSA更新，重新SPF计算。
    区域汇总避免路由表太大问题。
  • 划分区域的注意事项：
    ABR负责将两个区域的路由信息做双向传递。
    非骨干必须和骨干相连。
    通常一个区域的路由器不超过50台。

LSA学习：

LSA组成Link-State Database

LSA头部信息：

每个LSA都有一个序号
序号为4字节数字，从0x80000001到0x7FFFFFFFF
如果遇到两个相同的LSA，序号高的为最新的
收到LSA后的过程：

如何确定本地有没有一条LSA：
  • 类型
  • LSA的名称（link-id）
  • 通告路由器的router-id
    三个要素都相同说明本地存在该LSA。
如何判断一条LSA是不是最新的：

LSA序号是否相同。LSA序号高的会被加入LSDB，如果收到一条序列号低的，则不会记录，会把序列号高的发送给对方。
age时间：经过一台路由器+1，时间有短的会被记录，执行spf算法。

OSPF网络类型：

类型默认对应二层类型DR/BDR建立邻居更新地址Hello时间描述
点到点PPP、HDLC、FR点到点子接口不选举自动224.0.0.510/40stub
广播多路访问以太网选举自动224.0.0.5 .6、单播10/40transit
NBMAFR主接口和FR多点子接口选举手动单播30/120transit
点到多点无不选举自动224.0.0.5（仅hello）30/120transit
点到多点非广播无不选举手动单播30/120stub
loopbackloopback/////

点到多点类型会将宣告的接口生成32为的主机路由传递给邻居。
环回口网络类型，环回口路由永远通告为/32，不论接口地址掩码为多少（可以修改环回口网络类型修改）

修改OSPF网络类型：Router(config)#ip ospf network 网络类型

Hello dead时间不同不能建立邻居。
相同网络描述的情况下，hello dead时间相同，可以建立邻居，可互相学到路由。网络描述不同，可以建立邻居，无法学到路由。
点到点与点到多点不能建立邻居关系原因：点到点Hello时间：10 40 点到多点：Hello时间：30 120

帧中继网络选择网络类型：默认NBMA

hub、spoke网络：
  • R1多点子接口使用默认NBMA网络，如果R1不是DR，R2和R3无法互相学到路由。所以hub点一定要为DR。
  • R2、R3互相学到的路由都指向自己的物理接口，但是R2、R3之和R1建立PVC，只有到达R1的DLCI，导致
优化hub、spoke网络类型：
  • 将网络类型改为p-to-mp
  • 不需要手动指定邻居。
  • 不选择DR，避免手动修改。
  • hub产生32位路由，不需要手动添加映射，简化配置。
  • 手动映射需要加broadcast否则不能自动建立邻居，需要改为p-to-mp no broadcast手动指定邻居。

LSA分类：

Route#show ip ospf database

ADV router：通告路由器
Link ID：链路状态ID

1类 router LSA：

范围：只在本区域内传递，不穿越ABR（区域边界路由器）。
起源：每个运行OSPF的路由器。
内容：路由信息和拓扑信息。
Link-ID：Router-ID

Route#show ip ospf network Link-ID

  • stub network：
    描述路由信息（前缀/掩码/cost）
  • transit network：MA网络
    描述不完整的路由和拓扑信息。
    包含本地连接DR的状态。
    表示本地用23.1.1.3连接的DR（23.1.1.2）的地址。
    需要结合二类LSA描述完整的路由和拓扑。
  • another router：P-TO-P网络

    描述拓扑信息。
    表示本地接口 ip12.1.1.1连接对方2.2.2.2（router-id）

2类 network link LSA：

范围：只在本区域内泛洪，不穿越ABR
起源：MA、NBMA网络的DR会产生。
内容：所有连接的路由器和本网络的掩码。
Link-ID：DR接口IP地址

Route#show ip ospf network X.X.X.X


attached router：Router-id 描述网络拓扑信息
联合一类LSA共同描述网络拓扑和路由。

3类 summary net LSA

范围：整个AS
起源：起源于ABR，将本区域的一类二类转换为三类。经过一个ABR，adv路由器会发生改变。
内容：只含有路由（前缀、掩码、cost），不包含拓扑
Link-ID：路由信息的前缀

Route#show ip ospf database summary Link-ID


默认不自动汇总，类型三通告每个子网，范围广，所以需要手动汇总。（ABR汇总）
查看区域的ABR：

R2#show ip ospf border-routers

5类 External LSA（外部LSA）

范围：整个AS
起源：ASBR，通告路由器永远不变。ABR将五类原封不动通告给其他区域。
内容：自制系统外部的网络
Link-ID：路由信息的前缀

Route#show ip ospf external X.X.X.X


ASBR从AS外部引入路由信息（重分布）产生五类。
由于通告路由器永远不变，其他区域无法找到ASBR，所以需要四类描述ASBR位置。
不执行自动汇总，范围广，需要手动汇总。（ASBR汇总）
查看区域的ASBR：

R2#show ip ospf border-routers

4类 summary ASB LSA 用于描述ASBR位置

范围：除ASBR所在区域外的整个自治系统
起源：ABR，每经过ABR，通告路由器发生改变
内容：在自治系统中的其他区域通告ASBR的位置
Link-ID：ASBR的router-id

Route#show ip ospf database asbr-summary Link-ID

7类 AS External LSA：

范围：只存在与次末节区域
与五类相同

R4#show ip ospf database nssa-external 55.1.1.1

NSSA区域中的ASBR将外部路由引入到OSPF中，ASBR像次末节区域中发送7类LSA描述外部路由，ABR将7类LSA转为5类LSA像其他区域通告。

OSPF路由类型：

O OSPF域内路由
O IA OSPF区域间路由
O E1 AS外部，基础值之上累加接口cost。引入后，基础值默认等于20，OSPF向距离矢量协议（RIP、EIGRP）重分布时，不自动添加种子度量，默认无穷大，必须手动添加否则不加表。
O E2 AS外部，cost为基础值，不累加
优先级：O>O IA>O E1>O E2（先比类型，在比cost）

  • 如何选择使用O E1还是O E2？
    如果重分布时想考虑本地网络开销，则选择O E1。
    如果不考虑本地网络的cost，则选择O E2
    如果网络双出口，一主一备，则选择O E2，主种子度量小，备种子度量大。
    如果内网网络接口复杂，需要考虑内网cost，则选择O E1。

所有IGP：

Connect（0）<static（1）<eigrp（内）（90）<OSPF（110）<IS-IS（115）<RIP（120）<EIGRP（外）（170）
比较过程：
AD：越小越优
metric：越小越优
负载均衡（等价）

LSA超载保护：

当邻居传递过多LSA到本地时，DOWN邻居。
产出阈值后会DOWN所有邻居。

  • 配置：
R1(config-router)#max-lsa 100 ?
  <1-100>       报log的百分比
  ignore-count  DNWN邻居重复的次数（默认5次，到达5次邻居永远不会建立）
  ignore-time   DOWN邻居的时间（默认5min）
  reset-time    计数器不到5次时，重设计数器时间
  warning-only  仅警告，不DOWN邻居

OSPF passive-interface（被动接口）：

不收不发，passive的接口不能建立OSPF邻居。

  • 配置：
Router(config-router)#passive-interface 接口 | default（default会passive所有接口）

OSPF负载均衡：

负载均衡的路径必须等价
默认4条、最大可配置16条
改变最大支持的负载均衡链路数量：

Route(config-router)#maximum-paths <0-16>

可更改特殊链路的开销实现负载均衡：

Router(config-if)#ip ospf cost <1-65535>

OSPF汇总（只有ABR可以做汇总）、缺省路由下发：

汇总范围内所有明细消失，汇总才会消失
汇总的metric是所有明细中最小的
只能为本路由器连接的区域进行汇总
ABR、ASBR配置区域间汇总后，本地产生Null0接口，防止环路。

配置：

  • area区域间汇总针对三类操作，执行一转三的路由器做汇总。
Router(config-router)#area 源区域 range 55.1.0.0 255.255.252.0
  • AS之间的汇总产生五类（ASBR和NSSA区域的ASBR产生）LSA的路由器上做汇总。
Router(config-router)#summary-address 77.1.0.0 255.255.252.0
  • 下发默认路由，不加always必须本地存在默认路由，才下发默认，需要在ASBR上配置（5类 LSA OE2 cost 1）：
Router(config-router)#default-information originate always

OSPF stub区域：

  • 虚链路不能穿越末节区域。
  • 末节区域不能承载ASBR（因为末节区域不能进去5类）。
  • stub区域：
  1. 5不能进入（减少路由条目），stub区域所有设备都需要配置stub，配置成stub区域的ABR自动下发默认路由（三类）。
Route(config-router)#area 区域号 stub
Route(config-router)#area 区域号 default-cost 值（cost默认为1，可选）
  • Totally stub：
    思科私有，其他厂商也有该特性：不允许3、4、5进入，自动下发默认路由（三类）。
    完全末节ABR配置stub no summery，其他路由器配置stub。
Route(config-router)#area 区域号 stub no-summary

NSSA区域：

CISCO私有，和stub一样为边缘区域。区别为NSSA区域可以存在ASBR，产生7类（和5类功能相同）在本区域扩散，本区域ABR将七类转化成五类发给其他区域。
nssa区域产生ON 1、ON2路由，与O E1、O E2相同。
存在7类 LSA，描述本区域引入的外部路由。

NSSA（次末节）：支持ASBR存在，不自动下发默认路由

Route(config-router)#area 1 nssa

下发缺省（七类）：

Route(config-router)#area 1 nssa default-information-originate

Totally NSSA（完全次末节）：不允许 3、4、5，ABR会向此区域下发缺省路由（三类）。

Route(config-router)#area 1 nssa no-summary
Route(config-router)#area 1 nssa default-information-originate no-summary 下发缺省

查看：

Route#show ip ospf datebase nssa-external

Forward address：

  • 两种产生条件：
  1. NSSA、Totally NSSA区域的ABR产生5类LSA时带Forward address，描述真正的ASBR（因为NSSA区域中的ABR不是真正的ASBR）。
  2. R1和R7之间链路使能RIP（R1所在区域可以为普通区域、NSSA、Totally NSSA）R1（ASBR）接口再使能OSPF（并且没有passive R1的e0/1），Forward address永远为是R1接口地址，防止次优路径。

    Forward address必须通过OSPF可达才能加表。

Forward address地址选举条件：

选取最后宣告进OSPF的loopback口地址，如果不存在loopback口，选取最后启用OSPF的物理接口地址。
可通过命令配置ASBR，7转5时不带Forward address。

R1(config-router)#area 1 nssa translate type7 suppress-fa

cost计算时参考的不是去往ASBR距离，是去往FA地址的距离。

OSPF虚链路：

  • 虚链路OSPF类型点到点
  • 虚链路连接两个不连续的区域0（骨干）
  • 虚链路解决非骨干不和骨干相连
  • 虚链路建立时发送Hello，之后按需更新，不发Hello，虚链路学到的路由不老化（DNA (DO NOT AGE)）。
  • 虚链路metric计算：两台建立虚链路路由器之间的加上各自通告的。
  • 虚链路无法穿越stub区域
  • 建立虚链路的两台路由器必须互相可达。
  • 源自于骨干，非骨干区域不能将3类通告给骨干。
  • 配置：
Route(config-router)#area 虚链路穿越的区域 virtual-link 对方ABR的route-ID 双向都要做
  • 开启虚链路认证：
Route(config-router)#area 虚链路穿越的区域 virtual-link 对方ABR的route-ID authentication message-digest
Route(config-router)#area 虚链路穿越的区域 virtual-link 对方ABR的route-ID authentication message-digest message-digest-key 1 md5 cisco

源自于非骨干传到骨干，骨干再次下放到非骨干，下发之前先校验执行下发的路由器中有没有这条路由的一类LSA，如果有，则不发送，目的是防环。

R2和R4建立虚链路， R4会变成区域0，R3的ABR为R2和R4，R3到R5的路由下一跳R4，R3到R1的路由下一跳R2，R2给R4的路由R4不会给R3，相反如此。

OSPF认证：

OSPF明文认证：

R1(config-if)#ip ospf authentication（开启认证）
R1(config-if)#ip ospf authentication-key 密码
  • 在区域下开启认证：
R1(config-router)#area 0 authentication（等于在所有area0接口下开启）

OSPF MD5认证：

  • Key ID和Key都需要相同
R1(config-if)#ip ospf authentication message-digest（开启MD5认证）
R1(config-if)#ip ospf message-digest-key 1 md5 密码
  • 在区域下开启认证：
R1(config-router)#area 0 authentication message-digest（等于在所有area0接口下开启）
  • 明文验证排错：
R1#debug ip ospf adj

设备更换key：

两台设备更换key时，不必因为key不同出现瞬即down邻居，可以在接口下添加新key，设备会使用两个key同时发报文，两台设备用新key建立邻居后，就会使用新key，如果不匹配，则会一直使用两个key发送报文。

OSPF V3（ipv6 OSPF）


V2基于子网连接 V3 基于Link连接，可以AB之间建立，不受其他干扰

OSPFv3 LSA：

Router-ID依然为IPV4地址表达
OI 区域间
ON1 ON2 区域外

  • LSA类型：
    重新定义8、9类。
  1. 2类只描述拓扑，描述路由为9类LSA。

配置：

  • Router(config)#ipv6 ospf 100 area 0
  • IPV6 OSPF V3认证：
    接口下配置：
Route(config-if)#ipv6 ospf authentication ipsec spi 256 sha1 0 12345678
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OSPF

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