OSPF

开放式最短路径优先（英语：Open Shortest Path First，缩写为 OSPF）是一种基于IP协议的路由协议。它是大中型网络上使用较为广泛的IGP协议。OSPF是对链路状态路由协议（英语：Link-state routing protocol）的一种实现，运作于自治系统内部。OSPF分为OSPFv2和OSPFv3两个版本：OSPFv2定义于RFC 2328（1998），支持IPv4网络；而OSPFv3定义于RFC 5340（2008），支持IPv6网络。它采用戴克斯特拉算法来计算最短路径树。它使用“代价（Cost）”作为路由度量。链路状态数据库（LSDB）用来保存当前网络拓扑结构，路由器上属于同一区域的链路状态数据库是相同的（属于多个区域的路由器会为每个区域维护一份链路状态数据库）。OSPF提出了“区域（Area）”的概念，一个网络可以由单一区域或者多个区域组成。其中，一个特别的区域被称为骨干区域（Backbone Area），该区域是整个OSPF网络的核心区域，并且所有其他的区域都与之直接连接。所有的内部路由都通过骨干区域传递到其他非骨干区域。所有的区域都必须直接连接到骨干区域，如果不能创建直接连接，那么可以通过虚链路（virtual link）和骨干区域创建虚拟连接。同一个广播域（Broadcast Domain）的路由器或者一个点对点（Point To Point）连接的两端的路由器，在发现彼此的时候，创建邻接（Adjacencies）。多路访问网络以及非广播多路访问网络的路由器会选举指定路由器（Designated Router, DR）和备份指定路由器（Backup Designated Router, BDR），DR和BDR作为网络的中心负责路由器之间的信息交换从而降低了网络中的信息流量。OSPF协议同时使用单播（Unicast）和组播（Multicast）来发送Hello包和链路状态更新（Link State Updates），使用的组播地址为224.0.0.5和224.0.0.6。与RIP和BGP不同的是，OSPF协议不使用TCP或者UDP协议而是直接承载在IP协议之上，IP协议号为89。一个OSPF网络分为多个区域。区域将网络中的路由器在逻辑上分组并以区域为单位向网络的其余部分发送汇总路由信息。区域编号由一个长度为32位的字段所定义，区域编号有两种表示方法，一种为点分十进制（如Area 1.1.1.1，写法规则同IPv4地址）；另外一种为十进制数字格式（如Area 1，注意Area 1不等于Area 1.1.1.1，而是0.0.0.1）。根据 RFC2328 描述，区域编号通常使用 32 bits的点分十进制表示。区域编号不是IP地址，用于IPv6网络的OSPFv3也使用同样的（形似IPv4地址的）区域编号格式。区域是以接口（Interface）为单位来划分的，所以一台多接口路由器可能属于多个区域。相同区域内的所有路由器都维护一份相同的链路状态数据库（LSDB），如果一台路由器属于多个区域，那么它将为每一个区域维护一份LSDB。 将一个网络划分为多个区域有以下优点：OSPF有多种区域类型，其中定义了几种特殊的区域：骨干区域（Backbone Area），Area 0（点分十进制表示为0.0.0.0），是整个OSPF域的核心区域。所有其他非骨干区域必须和骨干区域直接或间接相连。骨干区域的功能是在不同的非骨干区域之间分发路由信息。骨干区域必须是唯一而且连续的，但不需要在物理上连续：它可以使用虚拟连接。传送区域连接至少2个其他区域，它将通告从一个区域传送到另一个区域。末梢区域（Stub Area）是一个不允许AS外部路由通告（AS External LSA，即类型5 LSA）在其内部进行洪泛扩散的区域。末梢区域的ABR会通告一条默认路由（default route）到该区域内所有路由器，任何发往AS外部网络的数据流都将依据默认路由来转发。非纯末梢区域（Not-So-Stubby Area，NSSA）允许引入AS外部路由并且扩散到其他区域，但是NSSA仍旧不允许其他区域通告的AS外部路由进入该区域。为了使NSSA能够引入AS外部路由，OSPF定义了新的LSA类型，即NSSA External LSA（类型7 LSA）。NSSA ASBR将产生类型7 LSA，并在NSSA区域内洪泛。NSSA ABR将会把类型7 LSA转换成5类LSA，并洪泛到其他区域。完全末梢区域（Totally Stubby Areas）是Cisco私有的一种区域类型。完全末梢区域不仅不允许AS外部路由通告在其内部洪泛，还不允许区域间汇总路由（Network Summary LSA ，即类3 LSA）在其内部洪泛。同末梢区域一样，完全末梢区域ABR也会向该区域内所有路由器通告一条默认路由，任何发往其他区域以及AS外部网络的数据流都将依据默认路由来转发。将区域设置为完全末梢区域可以显著的降低路由表条目的数量。完全非纯末梢区域（Totally NSSA）也是Cisco私有的区域类型，该种区域除了拥有和NSSA相同的特性外，还不允许类型3 LSA在该区域内部洪泛。完全非纯末梢区域ABR也会向该区域内所有路由器通告一条默认路由。将区域设置为完全非纯末梢区域也会显著的降低路由表条目的数量。OSPF定义了以下4种路由器类型：一台路由器可以同时属于多种类型，如右图所示，R2同时属于多种类型路由器。每一台OSPF路由器都有一个路由器标识符（Identifier），一般写作路由器ID。路由器ID由一个长度为32 bits的字段所定义，通常用IPv4地址格式来表示（如1.2.2.2）。如果没有显式的设置路由器ID，则该路由器上最大的活跃逻辑接口IP地址将成为路由器ID；如果路由器不存在逻辑接口，则最大的活跃物理接口IP地址将成为路由器ID。注意，不要将路由器类型和指定路由器（Designated Router，DR）、备份指定路由器（Backup Designated Router，BDR）混淆，DR和BDR是路由器接口属性，而不是整个路由器的属性。如果一台路由器上所有启用了OSPF的接口都在同一区域，那么这台路由器就是内部路由器。骨干路由器是指至少有一个启用了OSPF的接口是和骨干区域（Area 0）相连的路由器。一台骨干路由器也可以同时是ABR或ASBR，如上图中的R2和R3。区域边界路由器是指连接一个或者多个区域的路由器。区域边界路由器为每一个与之相连的区域维护一份链路状态数据库，因此区域边界路由器需要比内部路由器更多的内存资源和更高性能的处理器。自治系统边界路由器（ASBR）用来把从其他路由协议（如BGP、EIGRP、其他进程号的OSPF等）学习到的路由以路由重分发的方式注入到OSPF进程中，从而使得整个OSPF域内的路由器都可以学习到这些路由（除了末梢区域内的路由器）。一台ASBR可以是OSPF域内非末梢区域的任何路由器，它可以是内部路由器、区域边界路由器、骨干路由器。OSPF定义了以下4种网络类型：点到点网络，例如E1、SONET，是单独连接一对路由器的网络。点到点网络上的一对OSPF路由器形成完全邻接关系（Full Adjacency），并且不进行DR和BDR的选举。点到点网络上的路由器使用组播地址224.0.0.5发送OSPF协议数据包。广播网络即可以同时连接多于两台设备的网络，如以太网、令牌环网、FDDI。广播网络上的路由器发送的组播/广播数据包会被其他与之相连的路由器收到。在广播网络上的OSPF路由器会选举一台指定路由器（DR）和一台备份指定路由器（BDR）。所有始发于DR和BDR的OSPF数据包使用目的地址224.0.0.5，以组播方式发送到所有其他OSPF路由器，所有其他的路由器都将使用目的地址224.0.0.6，以组播方式发送OSPF数据包到DR和BDR。所有其他的路由器只与DR和BDR创建完全邻接关系。NBMA网络，诸如X.25、帧中继、ATM等，可以同时连接两台以上的路由器，但是这种网络没有广播数据包的能力。一台处于NBMA网络上的路由器发送的组播/广播数据包将不能被其他与之相连的路由器收到。在NBMA网络上需要选举DR和BDR，并且所有的OSPF数据包都是单播发送的。点到多点网络是NBMA网络的一个特殊设置，可以看作是一群点到点链路的集合，因此在该种网络上不必选举DR和BDR。点到多点网络上OSPF的行为和点到点网络OSPF的行为一样，也使用组播地址224.0.0.5发送OSPF协议数据包。虚链路被路由器认为是没有编号的点到点网络的一种特殊设置，在虚链路上OSPF数据包是以单播方式发送的。不能人工设置一个接口的网络类型为虚链路。此外还有一种特殊的网络类型，称之Loopback类型。OSPF路由器上的环回接口在默认状态下均为此类型。不能人工设置一个接口的网络类型为Loopback。在广播多路访问网络和NBMA网络上会选举DR和BDR。所有其他路由器只与DR和BDR创建完全邻居关系，其他路由器之间的邻居状态停留在2-Way状态。所有其他路由器使用组播目的地址224.0.0.6向DR和BDR发送链路状态更新。如果在多路访问网络中不选举DR，所有路由器之间都创建完全邻接关系，会产生很多不必要的LSA。假设一个多路访问网络上有n台路由器，那么就会创建n(n-1)/2个邻接关系。每台路由器都会产生n-1条LSA到与之创建邻接关系的路由器，再加上1条网络LSA，最终这个网络上会产生n²条LSA，并且其中很多都是重复的LSA副本。DR完成以下工作：DR本后的概念是将多路访问网络看作一个“伪节点（Pseudo Node）”。当SPF进行计算的时候，把链路看作一个节点，与该链路相连的路由器也是连接到这个节点上的。从与伪节点相连的路由器到这个伪节点的代价是该路由器与这个多路访问网络相连的接口的出站代价，从伪节点到任何与之相连的路由器的代价都为0。一台路由器可能连接到多个多路访问网络，该路由器可能是它所连接的其中一个多路访问网络的DR，也可能不是它所连接的另一个多路访问网络的DR，也就是说，DR是路由器接口的属性，而不是整个路由器的属性。为了避免因DR失效导致的单点故障，多路访问网络上还将选举BDR。DR失效时，BDR将成为DR，由于网络上其他路由器已经和BDR形成了完全邻接关系，因此可以将DR失效对网络的影响降至最低。DR和BDR的相关选举规则如下：在OSPF路由器之间互相交换信息之前，必须先创建邻接关系。两台OSPF路由器要创建完全邻接关系，以下参数必须相同：一般来说，创建OSPF完全邻接时会经过以下状态：OSPFv2定义了以下5种协议数据包类型：5种OSPF消息有共通的24字节的头部结构。其结构如下：Hello包的OSPF包类型为1。这些包被周期性的从各个接口（包括虚链路）发出，用来创建和维护邻居关系。另外，在支持组播或广播的物理网络上，Hello包使用组播地址（通常为224.0.0.5)发送。 Hello包的发送间隔由HelloInterval指定（通常为10s），路由器将会先发出不包含邻居字段的空Hello包，当收到邻接路由器的Hello包之后，将对方的路由器标识放入本机的Hello包中进行组播，这种包含邻居字段的包，也被称为HelloSeen包。假如在间隔达到RouterDeadInterval所规定的时长（通常为40s）内仍未收到一个已创建连接的路由器的Hello包，路由器将会终止这一连接。将对方的状态转为Down。 Hello包的格式如下：数据库描述包（Database Description）的OSPF包类型为2。当邻接关系初始化后，便开始交换这些数据包。它们描述了链路状态数据库的摘要信息（只包含LSA的头部信息）。数据库描述包包含两种，即空数据库描述包和包含LSA头部信息的数据库描述包。当两个路由器互相收到HelloSeen包之后，他们将会开始互相发送空数据库描述包，空数据库描述包被用来进行主从关系的确定。 通常以路由标识较大的为Master，当主从关系确立之后，从机将会使用主机的序号向主机发送第一个包含LSA头部信息的数据库描述包。主机将会在收到从机的数据库描述包之后发送自己的序号加一的数据库描述包，作为对于从机的收到确认。在这样的交互过程中，只有主机可以更改序号(DD sequence number)，从机使用主机序号。数据库描述包的格式如下：链路状态请求包（Link State Request）的OSPF包类型为3。在交换数据库描述包之后，路由器便知道其自身链路状态数据库缺少哪些LSA，以及哪些LSA是过期的。这时就可以发送链路状态请求包来请求对方发送缺少的LSA和最新的LSA。链路状态请求包格式如下：链路状态更新包（Link State Update）的OSPF包类型为4。LSA的洪泛就是由此类型的包实现的。每一个链路状态更新包可能包含多条LSA信息。这里的LSA信息是完整的，而不像数据库描述包只包含LSA的头部信息。链路状态更新包的格式如下：链路状态确认包（Link State Acknowledgement）的OSPF包类型为5。为了确保LSA的洪泛是可靠的，LSA信息必须被显式的确认。链路状态确认包的格式如下：OSPF定义了11种LSA，所有类型的LSA都以一个20字节的通用LSA头部开始。这些不同类型的LSA共同描述了OSPF域内的网络拓扑结构。所有的LSA都保存在LSDB中。SPF算法根据LSDB中的信息计算出最佳路径。RFC2370定义了3种新的LSA，称作不透明LSA（Opaque LSA）。这3种新的LSA为OSPF的扩展性提供了通用的机制。它们可以携带用于OSPF的信息，也可以直接携带应用的信息。 当前有以下3种不透明LSA，它们的区别主要是洪泛范围不同：OSPF使用“开销（Cost）”作为路由的度量值（Metric），路径的度量值越低，说明该路径越好，具有最低度量值的路径将装入路由表。开销是根据接口所配置的带宽来计算的，带宽越高，开销越低。在Cisco路由器上，默认情况下使用公式10^8/带宽（10^8是基准值，可以调整；带宽的单位是bit/s）来计算代价。例如，接口带宽为100Mbit/s，则开销为1；接口带宽为1000Mbit/s，计算所得的开销还是1（如果计算所得的开销小于1，则按1计算）。 OSPF有以下4种路由类型，优先级由高到低排序如下：因此如果有多条去往相同目的地的路由具有相同的度量值，那么将比较它们的路由类型。假设有两条去往相同目的地的路由A和路由B的度量值都是30，A是内部路由，B区域间路由，则A将会被装入路由表。如果有多条去往相同目的地的路由具有相同的类型，相同的度量值，则它们都将被装入路由表，并在不同路由之间进行负载均衡。大多数运行OSPF的路由器具有一种被称为(fight back)的安全机制。即当一个路由器收到关于自己的虚假或者不正确的LSA信息时，它将立刻发出一个包含自己正确的LSA的LSU报文，这一机制被称为反击或者自反击。 不过需要注意的是，反击机制并不是OSPF协议官方规定的安全机制。在RFC2328中，没有对此机制的任何描述。