前言
•由于靜態路由由網絡管理員手工配置，因此當網絡發生變化時，靜態路由需要手動調整，這制約了靜態路由在現網大規模的應用。
•動態路由協議因其靈活性高、可靠性好、易于擴展等特點被廣泛應用于現網。在動態路由協議之中，OSPF（Open Shortest Path First，開放式最短路徑優先）協議是使用場景非常廣泛的動態路由協議之一。
•OSPF在RFC2328中定義，是一種基于鏈路狀態算法的路由協議。
•本課程將初步介紹OSPF基本概念、工作原理和基礎配置。
為什么需要動態路由協議？
•靜態路由是由工程師手動配置和維護的路由條目，命令行簡單明確，適用于小型或穩定的網絡。靜態路由有以下問題：
?無法適應規模較大的網絡：隨著設備數量增加，配置量急劇增加。
?無法動態響應網絡變化：網絡發生變化，無法自動收斂網絡，需要工程師手動修改。
動態路由協議的分類
•BGP使用一種基于距離矢量算法修改后的算法，該算法被稱為路徑矢量（Path Vector）算法。因此在某些場合下，BGP也被稱為路徑矢量路由協議。
距離矢量路由協議
•運行距離矢量路由協議的路由器周期性的泛洪自己的路由表。通過路由的交互，每臺路由器都從相鄰的路由器學習到路由，并且加載進自己的路由表中。
•對于網絡中的所有路由器而言，路由器并不清楚網絡的拓撲，只是簡單的知道要去往某個目的方向在哪里，距離有多遠。這即是距離矢量算法的本質。
鏈路狀態路由協議 - LSA泛洪
•與距離矢量路由協議不同，鏈路狀態路由協議通告的的是鏈路狀態而不是路由表。運行鏈路狀態路由協議的路由器之間首先會建立一個協議的鄰居關系，然后彼此之間開始交互LSA（Link State Advertisement，鏈路狀態通告）。
•鏈路狀態通告，可以簡單的理解為每臺路由器都產生一個描述自己直連接口狀態（包括接口的開銷、與鄰居路由器之間的關系等）的通告。
鏈路狀態路由協議 - LSDB組建
•每臺路由器都會產生LSAs，路由器將接收到的LSAs放入自己的LSDB（Link State DataBase，鏈路狀態數據庫）。路由器通過LSDB，掌握了全網的拓撲。
鏈路狀態路由協議 - SPF計算
•每臺路由器基于LSDB，使用SPF（Shortest Path First，最短路徑優先）算法進行計算。每臺路由器都計算出一棵以自己為根的、無環的、擁有最短路徑的“樹”。有了這棵“樹”，路由器就已經知道了到達網絡各個角落的優選路徑。
•SPF是OSPF路由協議的一個核心算法，用來在一個復雜的網絡中做出路由優選的決策。
鏈路狀態路由協議 - 路由表生成
•最后，路由器將計算出來的優選路徑，加載進自己的路由表（Routing Table）。
鏈路狀態路由協議總結
•鏈路狀態路由協議有四個步驟：
?第一步是建立相鄰路由器之間的鄰居關系。
?第二步是鄰居之間交互鏈路狀態信息和同步LSDB。
?第三步是進行優選路徑計算。
?第四步是根據最短路徑樹生成路由表項加載到路由表。
OSPF簡介
•OSPF是典型的鏈路狀態路由協議，是目前業內使用非常廣泛的IGP協議之一。
•目前針對IPv4協議使用的是OSPF Version 2（RFC2328）；針對IPv6協議使用OSPF Version 3（RFC2740）。如無特殊說明本章后續所指的OSPF均為OSPF Version 2。
•運行OSPF路由器之間交互的是LS（Link State，鏈路狀態）信息，而不是直接交互路由。LS信息是OSPF能夠正常進行拓撲及路由計算的關鍵信息。
•OSPF路由器將網絡中的LS信息收集起來，存儲在LSDB中。路由器都清楚區域內的網絡拓撲結構，這有助于路由器計算無環路徑。
•每臺OSPF路由器都采用SPF算法計算達到目的地的最短路徑。路由器依據這些路徑形成路由加載到路由表中。
•OSPF支持VLSM（Variable Length Subnet Mask，可變長子網掩碼），支持手工路由匯總。
•多區域的設計使得OSPF能夠支持更大規模的網絡。
OSPF在園區網絡中的應用
OSPF基礎術語：區域
•OSPF Area用于標識一個OSPF的區域。
•區域是從邏輯上將設備劃分為不同的組，每個組用區域號（Area ID）來標識。
OSPF基礎術語：Router-ID
•Router-ID（Router Identifier，路由器標識符），用于在一個OSPF域中唯一地標識一臺路由器。
•Router-ID的設定可以通過手工配置的方式，或使用系統自動配置的方式。
•在實際項目中，通常會通過手工配置方式為設備指定OSPF Router-ID。請注意必須保證在OSPF域中任意兩臺設備的Router-ID都不相同。通常的做法是將Router-ID配置為與該設備某個接口（通常為Loopback接口）的IP地址一致。
OSPF的基礎術語：度量值
•OSPF使用Cost（開銷）作為路由的度量值。每一個激活了OSPF的接口都會維護一個接口Cost值，缺省時接口Cost值="100 Mbit/s " /"接口帶寬" 。其中100 "Mbit/s"為OSPF指定的缺省參考值，該值是可配置的。
•籠統地說，一條OSPF路由的Cost值可以理解為是從目的網段到本路由器沿途所有入接口的Cost值累加。
OSPF協議報文類型
•OSPF有五種類型的協議報文。這些報文在OSPF路由器之間交互中起不同的作用。
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報文名稱 |
報文功能 |
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Hello |
周期性發送，用來發現和維護OSPF鄰居關系。 |
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Database Description |
描述本地LSDB的摘要信息，用于兩臺設備進行數據庫同步。 |
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Link State Request |
用于向對方請求所需要的LSA。設備只有在OSPF鄰居雙方成功交換DD報文后才會向對方發出LSR報文。 |
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Link State Update |
用于向對方發送其所需要的LSA。 |
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Link State ACK |
用來對收到的LSA進行確認。 |
OSPF三大表項 - 鄰居表
OSPF有三張重要的表項，OSPF鄰居表、LSDB表和OSPF路由表。對于OSPF的鄰居表，需要了解：
OSPF在傳遞鏈路狀態信息之前，需先建立OSPF鄰居關系。
OSPF的鄰居關系通過交互Hello報文建立。
OSPF鄰居表顯示了OSPF路由器之間的鄰居狀態，使用display ospf peer查看。
•OSPF鄰居表有很多關鍵信息，例如可以查看對端設備的Router ID和接口地址。更多詳細信息在第二小結”OSPF協議工作原理”展開。
OSPF三大表項 - LSDB表
•對于OSPF的LSDB表，需要了解：
?LSDB會保存自己產生的及從鄰居收到的LSA信息，本例中R1的LSDB包含了三條LSA。
?Type標識LSA的類型，AdvRouter標識發送LSA的路由器。
?使用命令行display ospf lsdb查看LSDB表。
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OSPF三大表項 - OSPF路由表
•對于OSPF的路由表，需要了解：
?OSPF路由表和路由器路由表是兩張不同的表項。本例中OSPF路由表有三條路由。
?OSPF路由表包含Destination、Cost和NextHop等指導轉發的信息。
?使用命令display ospf routing查看OSPF路由表。
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OSPF路由器之間的關系
•關于OSPF路由器之間的關系有兩個重要的概念，鄰居關系和鄰接關系。
•考慮一種簡單的拓撲，兩臺路由器直連。在雙方互聯接口上激活OSPF，路由器開始發送及偵聽Hello報文。在通過Hello報文發現彼此后，這兩臺路由器便形成了鄰居關系。
•鄰居關系的建立只是一個開始，后續會進行一系列的報文交互，例如前文提到的DD、LSR、LSU和LS ACK等。當兩臺路由器LSDB同步完成，并開始獨立計算路由時，這兩臺路由器形成了鄰接關系。
初識OSPF鄰接關系建立過程
OSPF完成鄰接關系的建立有四個步驟，建立鄰居關系、協商主/從、交互LSDB信息，同步LSDB。
OSPF鄰接關系建立流程 - 1
•當一臺OSPF路由器收到其他路由器發來的首個Hello報文時會從初始Down狀態切換為Init狀態。
•當OSPF路由器收到的Hello報文中的鄰居字段包含自己的Router ID時，從Init切換2-way狀態。
OSPF鄰接關系建立流程 - 2&3
•鄰居狀態機從2-way轉為Exstart狀態后開始主從關系選舉：
?R1向R2發送的第一個DD報文內容為空，其Seq序列號假設為X。
?R2也向R1發出第一個DD報文，其Seq序列號假設為Y。
?選舉主從關系的規則是比較Router ID，越大越優。R2的Router ID比R1大，因此R2成為真正的主設備。主從關系比較結束后，R1的狀態從Exstart轉變為Exchange。
•R1鄰居狀態變為Exchange后，R1發送一個新的DD報文，包含自己LSDB的描述信息，其序列號采用主設備R2的序列號。R2收到后鄰居狀態從Exstart轉變為Exchange。
•R2向R1發送一個新的DD報文，包含自己LSDB的描述信息，序列號為Y+1。
•R1作為從路由器需要對主路由R2發送的每個DD報文進行確認，回復報文的序列號與主路由R2一致。
•發送完最后一個DD報文后，R1將鄰居狀態切換為Loading。
OSPF鄰接關系建立流程 - 4
•鄰居狀態轉變為Loading后，R1向R2發送LSR報文，請求那些在Exchange狀態下通過DD報文發現的，但是在本地LSDB中沒有的LSA。
•R2收到后向R1回復LSU。在LSU報文中包含被請求的LSA的詳細信息。
•R1收到LSU報文后，向R2回復LS ACK報文，確認已接收到，確保信息傳輸的可靠性。
•此過程中R2也會向R1發送LSA請求。當兩端LSDB完全一致時，鄰居狀態變為Full，表示成功建立鄰接關系。
OSPF鄰居表回顧
•如圖所示輸入display ospf peer命令之后，各項參數含義如下：
?OSPF Process 1 with Router ID 1.1.1.1：本地OSPF進程號為1與本端OSPF Router ID為1.1.1.1
?Router ID：鄰居OSPF路由器ID
?Address：鄰居接口地址
?GR State：使能OSPF GR功能后顯示GR的狀態（GR為優化功能），默認為Normal
?State：鄰居狀態，正常情況下LSDB同步完成之后，穩定停留狀態為Full
?Mode：用于標識本臺設備在鏈路狀態信息交互過程中的角色是Master還是Slave
?Priority：用于標識鄰居路由器的優先級（該優先級用于后續DR角色選舉）
?DR：指定路由器
?BDR：備份指定路由器
?MTU：鄰居接口的MTU值
?Retrans timer interval：重傳LSA的時間間隔，單位為秒
?Authentication Sequence：認證序列號
OSPF網絡類型簡介
在學習DR和BDR的概念之前，需要首先了解OSPF的網絡類型。
OSPF網絡類型是一個非常重要的接口變量，這個變量將影響OSPF在接口上的操作，例如采用什么方式發送OSPF協議報文，以及是否需要選舉DR、BDR等。
接口默認的OSPF網絡類型取決于接口所使用的數據鏈路層封裝。
如圖所示，OSPF的有四種網絡類型，Broadcast、NBMA、P2MP和P2P。
[R1-GigabitEthernet1/0/0] ospf network-type ?
broadcast Specify OSPF broadcast network
nbma Specify OSPF NBMA network
p2mp Specify OSPF point-to-multipoint network
p2p Specify OSPF point-to-point network
OSPF網絡類型 (1)
一般情況下，鏈路兩端的OSPF接口網絡類型必須一致，否則雙方無法建立鄰居關系。
OSPF網絡類型可以在接口下通過命令手動修改以適應不同網絡場景，例如可以將BMA網絡類型修改為P2P。
OSPF網絡類型 (2)
DR與BDR的背景
MA（Multi-Access）多路訪問網絡有兩種類型：廣播型多路訪問網絡（BMA）及非廣播型多路訪問網絡（NBMA）。以太網（Ethernet）是一種典型的廣播型多路訪問網絡。
在MA網絡中，如果每臺OSPF路由器都與其他的所有路由器建立OSPF鄰接關系，便會導致網絡中存在過多的OSPF鄰接關系，增加設備負擔，也增加了網絡中泛洪的OSPF報文數量。
當拓撲出現變更，網絡中的LSA泛洪可能會造成帶寬的浪費和設備資源的損耗。
DR與BDR
為優化MA網絡中OSPF鄰接關系，OSPF指定了三種OSPF路由器身份，DR（Designated Router，指定路由器）、BDR（Backup Designated Router，備用指定路由器）和DRother路由器。
只允許DR、BDR與其他OSPF路由器建立鄰接關系。DRother之間不會建立全毗鄰的OSPF鄰接關系，雙方停滯在2-way狀態。
BDR會監控DR的狀態，并在當前DR發生故障時接替其角色。
•選舉規則：OSPF DR優先級更高的接口成為該MA的DR，如果優先級相等（默認為1），則具有更高的OSPF Router-ID的路由器（的接口）被選舉成DR，并且DR具有非搶占性。
OSPF域與單區域
OSPF域（Domain）：一系列使用相同策略的連續OSPF網絡設備所構成的網絡。
OSPF路由器在同一個區域（Area）內網絡中泛洪LSA。為了確保每臺路由器都擁有對網絡拓撲的一致認知，LSDB需要在區域內進行同步。
如果OSPF域僅有一個區域，隨著網絡規模越來越大，OSPF路由器的數量越來越多，這將導致諸多問題：
LSDB越來越龐大，同時導致OSPF路由表規模增加。路由器資源消耗多，設備性能下降，影響數據轉發。
基于龐大的LSDB進行路由計算變得困難。
當網絡拓撲變更時，LSA全域泛洪和全網SPF重計算帶來巨大負擔。
OSPF多區域
•OSPF引入區域（Area）的概念，將一個OSPF域劃分成多個區域，可以使OSPF支撐更大規模組網。
•OSPF多區域的設計減小了LSA泛洪的范圍，有效的把拓撲變化的影響控制在區域內，達到網絡優化的目的。
•在區域邊界可以做路由匯總，減小了路由表規模。
•多區域提高了網絡擴展性，有利于組建大規模的網絡。
•區域的分類：區域可以分為骨干區域與非骨干區域。骨干區域即Area0，除Area0以外其他區域都稱為非骨干區域。
•多區域互聯原則：基于防止區域間環路的考慮，非骨干區域與非骨干區域不能直接相連，所有非骨干區域必須與骨干區域相連。
OSPF路由器類型
•OSPF路由器根據其位置或功能不同，有這樣幾種類型：
?區域內路由器（Internal Router）
?區域邊界路由器ABR（Area Border Router）
?骨干路由器（Backbone Router）
?自治系統邊界路由器ASBR（AS Boundary Router）
•區域內路由器（Internal Router）：該類路由器的所有接口都屬于同一個OSPF區域。
•區域邊界路由器ABR（Area Border Router）：該類路由器的接口同時屬于兩個以上的區域，但至少有一個接口屬于骨干區域。
•骨干路由器（Backbone Router）：該類路由器至少有一個接口屬于骨干區域。
•自治系統邊界路由器ASBR（AS Boundary Router）：該類路由器與其他AS交換路由信息。只要一臺OSPF路由器引入了外部路由的信息，它就成為ASBR。
OSPF單區域&多區域典型組網
•中小型企業網絡規模不大，路由設備數量有限，可以考慮將所有設備都放在同一個OSPF區域。
•大型企業網絡規模大，路由設備數量很多，網絡層次分明，建議采用OSPF多區域的方式部署。
OSPF基礎配置命令 (1)
1.（系統視圖）創建并運行OSPF進程
[Huawei] ospf [ process-id | router-id router-id ]
porcess-id用于標識OSPF進程，默認進程號為1。OSPF支持多進程，在同一臺設備上可以運行多個不同的OSPF進程，它們之間互不影響，彼此獨立。router-id用于手工指定設備的ID號。如果沒有通過命令指定ID號，系統會從當前接口的IP地址中自動選取一個作為設備的ID號。
2.（OSPF視圖）創建并進入OSPF區域
[Huawei] area area-id
area命令用來創建OSPF區域，并進入OSPF區域視圖。
area-id可以是十進制整數或點分十進制格式。采取整數形式時，取值范圍是0～4294967295。
3. （OSPF區域視圖）指定運行OSPF的接口
[Huawei-ospf-1-area-0.0.0.0] network network-address wildcard-mask
network命令用來指定運行OSPF協議的接口和接口所屬的區域。network-address為接口所在的網段地址。wildcard-mask為IP地址的反碼，相當于將IP地址的掩碼反轉（0變1，1變0），例如0.0.0.255表示掩碼長度24 bit。
•Router ID的選擇順序是：優先從Loopback地址中選擇最大的IP地址作為設備的ID號，如果沒有配置Loopback接口，則在接口地址中選取最大的IP地址作為設備的ID號。
4. （接口視圖）配置OSPF接口開銷
[Huawei-GE1/0/1] ospf cost cost
ospf cost命令用來配置接口上運行OSPF協議所需的開銷。缺省情況下，OSPF會根據該接口的帶寬自動計算其開銷值cost取值范圍是1～65535。
5. （OSPF視圖）設置OSPF帶寬參考值
[Huawei-ospf-1] bandwidth-reference value
bandwidth-reference命令用來設置通過公式計算接口開銷所依據的帶寬參考值。value取值范圍是1～2147483648，單位是Mbit/s，缺省值是100Mbit/s。
6. （接口視圖）設置接口在選舉DR時的優先級
[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] ospf dr-priority priority
ospf dr-priority命令用來設置接口在選舉DR時的優先級。priority值越大，優先級越高，取值范圍是0～255。
OSPF配置案例
案例描述：
有三臺路由器R1、R2和R3，其中R1和R3分別連接網絡1.1.1.1/32和3.3.3.3/32（LoopBack 0模擬），現需要使用OSPF實現這兩個網絡的互通。具體拓撲如下：
配置過程分為三個步驟：配置設備接口、配置OSPF和驗證結果。
OSPF配置案例 - 配置接口
根據規劃配置R1、R2和R3接口IP地址。
#配置R1的接口
[R1] interface LoopBack 0
[R1-LoopBack0] ip address 1.1.1.1 32
[R1-LoopBack0] interface GigabitEthernet 0/0/0
[R1-GigabitEthernet0/0/0] ip address 10.1.12.1
•配置R2的接口
?[R2] interface GigabitEthernet 0/0/0
[R2-GigabitEthernet0/0/0] ip address 10.1.12.2 30
[R2-GigabitEthernet0/0/0] interface GigabitEthernet 0/0/1
[R2-GigabitEthernet0/0/1] ip address 10.1.23.1 30
#配置R3的接口
[R3] interface LoopBack 0
[R3-LoopBack0] ip address 3.3.3.3 32
[R3-LoopBack0] interface GigabitEthernet 0/0/1
[R3-GigabitEthernet0/0/1] ip address 10.1.23.2 30
R2配置GE0/0/0和GE0/0/1接口IP地址，詳細配置參見備注。
OSPF配置案例 - 配置OSPF (1)
OSPF參數規劃：OSPF進程號為1。R1、R2和R3的Router ID分別為1.1.1.1、2.2.2.2和3.3.3.3。
配置步驟：
創建并運行OSPF進程
創建并進入OSPF區域
指定運行OSPF的接口
OSPF配置案例 - 配置OSPF (2)
OSPF多區域的配置請注意在指定區域下通知相應的網段。
#配置R2 OSPF協議
[R2] ospf 1 router-id 2.2.2.2
[R2-ospf-1] area 0
[R2-ospf-1-area-0.0.0.0] network 10.1.12.0 0.0.0.3
[R2-ospf-1-area-0.0.0.0] area 1
[R2-ospf-1-area-0.0.0.1] network 10.1.23.0 0.0.0.3
#配置R3 OSPF協議
[R3] ospf 1 router-id 3.3.3.3
[R3-ospf-1] area 1
[R3-ospf-1-area-0.0.0.1] network 3.3.3.3 0.0.0.0
[R3-ospf-1-area-0.0.0.1] network 10.1.23.0 0.0.0.3
OSPF配置案例 – 結果驗證 (1)
在路由器R2上查看OSPF鄰居表：
OSPF配置案例 – 結果驗證 (2)
在路由器R1上查看路由表，并執行從源1.1.1.1 ping 3.3.3.3。
•OSPF是現網中使用廣泛的路由協議之一，本章節幫助您初步了解OSPF的基本概念、應用場景和基礎配置。
•Router ID、區域、OSPF鄰居表、LSDB表和OSPF路由表是OSPF的基本概念。能夠闡述OSPF的鄰居和鄰接關系建立過程，可以幫助您更好的理解鏈路狀態路由協議。
•OSPF有更多有趣的細節，例如LSA的類型、SPF的計算過程和OSPF的特殊區域等。如果您對更多的OSPF知識感興趣，請繼續學習華為HCIP-DataCom認證。
