1. OSPF的理论与实践

Yefimov
73 阅读6分钟

基本知识

1.1 OSPF基本概念

  • 定义：OSPF（Open Shortest Path First）是 IGP（域内网关协议），基于 链路状态 思想与 Dijkstra SPF 算法，按 区域（Area） 划分，收敛快、可扩展性好。
  • 协议号：IPv4 的 IP Protocol = 89，组播地址 224.0.0.5（AllSPFRouters） 、224.0.0.6（AllDRouters） 。
  • 设备角色：
    • 内部路由器（Internal Router） ：所有接口都在同一 Area 内。
    • ABR（Area Border Router） ：连接两个或多个 Area（其中必含 Area 0）。
    • ASBR（AS Boundary Router） ：与外部路由域交互（重分发），产生外部路由。
  • 报文类型（五大控制报文） ：
    1. Hello：发现/维持邻居，DR/BDR 选举。
    2. DD/DBD（Database Description） ：邻接建立时的数据库目录摘要。
    3. LSR（Link State Request） ：向对端请求缺失/过期的 LSA。
    4. LSU（Link State Update） ：携带具体 LSA 内容。
    5. LSAck（Link State Acknowledgment） ：对 LSU 的确认，确保可靠泛洪。

1.2 邻居与邻接（Neighbor vs. Adjacency）

  • 邻居：在同一链路上互相收发 Hello 并满足参数匹配（Area-ID、Hello/Dead、网络类型、认证、Stub 标志、MTU 等）的路由器。
  • 邻接：在邻居基础上进一步完成数据库同步（DD/LSR/LSU/LSAck），达到 Full 状态；并非所有网络类型/邻居都会形成邻接（如广播网段上非 DR/BDR 与非 DRother 之间通常不全邻接）。
  • 邻接状态机（FSM） ：
    • Down → （收到 Hello）→ Init（我看见你）→ 2-Way（彼此看见，各自的 Router-ID 都出现在对方 Hello 的邻居列表里）→（若需邻接，如与 DR/BDR 或在 P2P）→ ExStart（协商主从/MTU）→ Exchange（交换 DBD）→ Loading（LSR/LSU 同步细节）→ Full。
    • 常见卡点：
      • 2-Way 停滞：可能是广播网段上非 DR/BDR 之间的正常现象；或 Stub 标志不一致。
      • ExStart 卡住：多为 MTU 不匹配；或 DD 序列协商异常。

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，唯一不同的是不需要选举DR和BDR，DD报文是组播发送的。

1.3 DR/BDR 与网络类型

  • 为什么需要 DR/BDR：在多访问链路（广播或 NBMA）上，若所有路由器彼此全邻接，将导致 N×(N−1)/2 的邻接关系与泛洪风暴。DR/BDR 作为中心节点，其他 DRother 与 DR/BDR 建立邻接，显著降低复杂度。
  • 选举规则（同一网段内）：
    1. 接口优先级（Priority） 高者胜（0 表示不参与选举）。
    2. 优先级相同，则 Router-ID 大者胜。
    3. 非抢占：已当选者不会被后来更优者替换，除非重置/中断。
  • 网络类型与默认 Hello/Dead（常见）
    • Broadcast（以太网） ：Hello/Dead 常见为 10s/40s，有 DR/BDR。
    • Point-to-Point（P2P） ：Hello/Dead 常见为 10s/40s，无 DR/BDR，形成全邻接。
    • NBMA：默认常见 30s/120s，有 DR/BDR，需要手工邻居；可调为 P2MP/P2P 以简化。
    • P2MP：逻辑多点，通常无 DR/BDR。
  • 以太网上的 P2P：很多厂商支持把以太口改为 network-type p2p，可绕过 DR/BDR，适合两点直连链路或核心收敛优化。

1.4 LSA 类型与作用域（OSPFv2 常用）

LSA（Link-State Advertisement）是 OSPF 的“数据库记录”，通过可靠泛洪在相应作用域内传播。

  • Type 1：Router-LSA（路由器自身在某 Area 的连接/开销）→ 仅在本 Area 内有效。
  • Type 2：Network-LSA（由 DR 产生，描述多访问网段与连接其上的路由器）→ 仅在本 Area 内。
  • Type 3：Summary-LSA（ABR 产生，把一个 Area 的前缀摘要到另一个 Area）→ 跨 Area，但不出 AS。
  • Type 4：ASBR-Summary-LSA（ABR 发布 ASBR 的可达性）→ 跨 Area，但不出 AS。
  • Type 5：AS-External-LSA（ASBR 注入的外部路由，如从 BGP/静态重分发）→ 整个 OSPF 域内传播（Stub/NSSA 除外） 。
  • Type 7：NSSA-External-LSA（NSSA 内的外部路由，由 NSSA ABR 翻译为 Type 5）→ NSSA 内本地，出区后变 Type 5。
  • （扩展/不常用）Type 9/10/11：Opaque LSA（流量工程/扩展用途）。
  • 老化与刷新：
    • LSA Refresh 通常 30 分钟；MaxAge 通常 3600 秒。
    • 序列号、年龄与 LSAck 确保一致性与环路避免。

1.5 路由选择逻辑（简化顺序）

  1. 前缀匹配（最长匹配优先）。
  2. OSPF 路由类型优先级（常规认知）：
    • Intra-Area（区域内）
    • Inter-Area（区域间 / 来自 Type 3/4）
    • External：E1/N1（把链路代价叠加进来）优先于 E2/N2（只看外部度量）。
  4. 同等级比较：比较 累计 Cost；再比较 Router-ID 等细粒度规则（厂商实现略有差异）。
  5. 等价负载分担（ECMP） ：多条相同度量的路径可被同时安装（数量上限与策略由设备决定）。
  • Cost 计算：通常是 参考带宽 / 接口带宽，结果为整数，接口/进程均可手工设定；为避免千兆/万兆接口都为 1 的“扁平化”，需把 参考带宽 调到更大（如 100G）。

1.6 区域（Area）与分层设计

  • Area 0（Backbone） ：所有非 0 区域必须与 Area 0 连通（物理或通过 虚链路），跨区流量必须经由骨干。
  • 分层意义：
    • 控制 LSA 泛洪范围，降低每台设备的 LSDB 规模，提升收敛与稳定性。
    • 在 ABR 做 路由汇总，隔离故障与变动。
  • 虚链路（Virtual Link） ：当某个非 0 区域与 Area 0 不连续时，可在一条 非 Stub 的传输区 上在两台 ABR 之间建立虚链路，逻辑上把该 ABR 接入 Backbone。设计上应 少用，更偏向过渡方案。

实验

2.1 拓扑图

2.2 各机器配置

A MSR36-20_1

#
interface LoopBack0
 ip address 1.1.1.1 255.255.255.255
#
interface LoopBack1
 ip address 1.1.2.1 255.255.255.255
#
interface GigabitEthernet0/0
 port link-mode route
 combo enable copper
 ip address 200.200.200.1 255.255.255.0
#
interface GigabitEthernet0/1
 port link-mode route
 combo enable copper
#              
interface GigabitEthernet0/2
 port link-mode route
 combo enable copper
 ip address 100.100.100.1 255.255.255.0
#

#
ospf 1 router-id 1.1.1.1
 area 0.0.0.0
  network 1.1.2.1 0.0.0.0
  network 200.200.200.0 0.0.0.255
 area 0.0.0.1
  network 1.1.1.1 0.0.0.0
  network 100.100.100.0 0.0.0.255
#
return

B MSR36-20_2

#
interface LoopBack0
 ip address 2.2.2.2 255.255.255.255
#
interface LoopBack1
 ip address 2.2.1.2 255.255.255.255
#
interface GigabitEthernet0/0
 port link-mode route
 combo enable copper
 ip address 200.200.200.2 255.255.255.0
#          
interface GigabitEthernet0/2
 port link-mode route
 combo enable copper
 ip address 130.130.130.2 255.255.255.0
#

#
ospf 1 router-id 2.2.2.2
 area 0.0.0.0
  network 2.2.2.2 0.0.0.0
  network 200.200.200.0 0.0.0.255
 area 0.0.0.2
  network 2.2.1.2 0.0.0.0
  network 130.130.130.0 0.0.0.255
#
return

C MSR36-20_3

#
interface LoopBack0
 ip address 3.3.3.3 255.255.255.255
#
interface GigabitEthernet0/0
 port link-mode route
 combo enable copper
#
interface GigabitEthernet0/1
 port link-mode route
 combo enable copper
 ip address 10.10.10.254 255.255.255.0
#
interface GigabitEthernet0/2
 port link-mode route
 combo enable copper
 ip address 100.100.100.3 255.255.255.0
#

#
ospf 1 router-id 3.3.3.3
 area 0.0.0.1
  network 3.3.3.3 0.0.0.0
  network 10.10.10.0 0.0.0.255
  network 100.100.100.0 0.0.0.255
#
return

D MSR36-20_4

#
interface LoopBack0
 ip address 4.4.4.4 255.255.255.255
#
interface GigabitEthernet0/1
 port link-mode route
 combo enable copper
 ip address 20.20.20.254 255.255.255.0
#
interface GigabitEthernet0/2
 port link-mode route
 combo enable copper
 ip address 130.130.130.4 255.255.255.0
#

#
ospf 1 router-id 4.4.4.4
 area 0.0.0.2
  network 4.4.4.4 0.0.0.0
  network 20.20.20.0 0.0.0.255
  network 130.130.130.0 0.0.0.255
#
return

F PC

2.3 实验结果

A peer

各路由器和自己所在区域的路由器建立起邻居关系。

B 路由表

C PC ping通

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