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[网络协议]OSPF协议-HCIA

链路状态路由协议 - OSPF - HCIA

文章目录

链路状态路由协议 - OSPF - HCIA

前言

开放式最短路径优先OSPF（Open Shortest Path First）协议是IETF定义的一种基于链路状态的内部网关路由协议。
RIP是一种基于距离矢量算法的路由协议，存在着收敛慢、易产生路由环路、可扩展性差等问题，目前已逐渐被OSPF取代。

OSPF概述

大中型网络上使用最为广泛的IGP协议
链路状态路由协议
为无类别协议
使用组播(224.0.0.5和224.0.0.6)
收敛较快
以开销(Cost)作为度量值
- 每一个激活OSPF的接口都有一个cost值。OSPF接口cost=100M/接口带宽，其中100M为OSPF的参考带宽（reference-bandwidth）。
- 一条OSPF路由的cost由该路由从路由的起源一路到达本地的所有入接口cost值的总和。
采用SPF算法可以有效的避免环路
触发式更新（以较低的频率（每30分钟）发送定期更新，被称为链路状态泛洪）
区域的设置使得OSPF能够支持更大规模的网络
通过LSA的形式发布路由
不支持自动汇总，支持手动汇总
无环路
扩展性好
支持认证

OSPF区域

概述

AS 是自治区域系统

区域类型

在不同区域的接口上，使用 network [网络地址] 命令来告诉路由器这个接口属于那个区域

OSPF路由类型

ASBR 是连接不同的路由协议的路由器，接口两边给不是同一种协议，使用引入的方式导入路由信息

OSPF核心工作流程

发现并建立邻居
传播LSA(区别于距离矢量的路由表更新)

a. Link Statr Advertisement,链路状态宣告（路况信息）

b. 链路：路由器接口

c. 状态：描述接口信息（地址、掩码、开销、网络类型、邻居关系等）
将LSA泛洪到区域中的所有的OSPF路由器，而不仅是直连的路由器
收集LSA创建LSDB(链路状态数据库、地图)
使用SPF算法计算到每个目标网络的最短距离，并将其置于路由表中

发现邻居

泛洪建立数据库

根据信息计算最短路径

生成路由表信息

具体流程图

建立的三张表

Router ID

运行OSPF协议前，必须选取一个RID
用来唯一标识一台OSPF路由器
RID可以手动配置，也可以自动生成

如果 Router ID 没有选取，则默认为 0.0.0.0，没有启动成功

重新配置ospf Routre ID 之后需要重新启动ospf进程

Router ID 配置规则

如果要运行OSPF协议，必须存在Router ID。Router ID是一个32比特无符号整数，是一台路由器在自治系统中的唯一标识。

Router ID的设定有两种方式：
- 通过命令行手动配置，在实际网络部署中，建议手工配置OSPF的Router ID，因为这关系到协议的稳定。
- 通过协议自动选取。
  
  如果没有手动配置Router ID，设备会从当前接口的IP地址中自动选取一个作为Router ID。其选取顺序是：
  1. 优先从Loopback地址中选择最大的IP地址作为Router ID。
  2. 如果没有配置Loopback接口，则在接口地址中选取最大的IP地址作为Router ID。
在路由器运行了OSPF并确定了Router ID后，如果该Router ID对应的接口Down或者接口消失（例如执行了undo interface loopback loopback-number）或者出现更大的IP地址，OSPF将仍然保持原Router ID。只有重新配置系统的Router ID或者OSPF的Router ID，并且重新启动OSPF进程后，才会进行Router ID的重新选取。

OSPF数据包结构和类型

ospf协议封装在IP协议之上，IP的协议号为89

Hello 数据包包头

Version 版本
Message Type 数据包类型
Packet Length 长度
Source OSPF Router 源IP
Area ID 地区号
Auth Type Auth Data 身份验证

Network Mask：发送Hello报文的接口的网络掩码。
Hello Interval：发送Hello报文的时间间隔，单位为秒。
Options：标识发送此报文的OSPF路由器所支持的可选功能。具体的可选功能已超出这里的讨论范围。
Router Priority：发送Hello报文的接口的Router Priority，用于选举DR和BDR。即优先级
Router Dead Interval：失效时间。如果在此时间内未收到邻居发来的Hello报文，则认为邻居失效；单位为秒，通常为四倍HelloInterval。
Designated Router：发送Hello报文的路由器所选举出的DR的IP地址。如果设置为0.0.0.0，表示未选举DR路由器。
Backup Designated Router：发送Hello报文的路由器所选举出的BDR的IP地址。如果设置为0.0.0.0，表示未选举BDR。
Neighbor：邻居的Router ID列表，表示本路由器已经从这些邻居收到了合法的Hello报文。

OSPF 数据包类型

Hello 报文 Hello报文用来发现和维持OSPF邻居关系邻居关系具有超时时间
DD（Database Description）报文使用DD报文来对比双方的数据库中的信息，DD报文包含LSA的头部信息，用来描述LSDB的摘要信息。
LSR（LSA Request）报文 LSR用于向对方请求所需的LSA，从上面的对比当中发现自身没有的路由信息，可以使用LSR向对方请求详细信息。
LSU（LSA Update）报文 LSU用于向对方发送其所需要的LSA。
LSACK（Link State Acknowledgment）报文 LSACK用于向对方发送收到LSA的确认。

Hello 数据包

Database Description(DD) 数据包及包含信息

数据包

模拟器数据库中信息

数据包信息

Link State Update(LSU) 数据包

Link State Ackonwledge(LSAck) 数据包

OSPF 状态机制

前四个状态都是在发送Hello报文, 5-8四个状态建立邻接关系

Down：这是邻居的初始状态，表示没有从邻居收到任何信息。
Attempt：此状态只在NBMA（帧中继）网络上存在，表示没有收到邻居的任何信息，但是已经周期性的向邻居发送报文，发送间隔为HelloInterval。如果RouterDeadInterval间隔内未收到邻居的Hello报文，则转为Down状态。
Init：在此状态下，路由器已经从邻居收到了Hello报文，但是自己不在所收到的Hello报文的邻居列表中，尚未与邻居建立双向通信关系。
2-Way：在此状态下，双向通信已经建立，但是没有与邻居建立邻接关系。这是建立邻接关系以前的最高级状态。
ExStart：这是形成邻接关系的第一个步骤，邻居状态变成此状态以后，路由器开始向邻居发送DD报文。主从关系是在此状态下形成的，初始DD序列号也是在此状态下决定的。在此状态下发送的DD报文不包含链路状态描述。
Exchange：此状态下路由器相互发送包含链路状态信息摘要的DD报文，描述本地LSDB的内容。
Loading：相互发送LSR报文请求LSA，发送LSU报文通告LSA。
Full：路由器的LSDB已经同步。

邻居（Neighbor）：

OSPF路由器启动后，便会通过OSPF接口向外发送Hello报文用于发现邻居。收到Hello报文的OSPF路由器会检查报文中所定义的一些参数，如果双方的参数一致，就会彼此形成邻居关系。
邻接（Adjacency）：

形成邻居关系的双方不一定都能形成邻接关系，这要根据网络类型而定。只有当双方成功交换DD报文，并能交换LSA之后，才形成真正意义上的邻接关系。
路由器在发送LSA之前必须先发现邻居并建立邻居关系。

运行OSPF的路由器之间需要交换链路状态信息和路由信息，在交换这些信息之前路由器之间首先需要建立邻接关系。

OSPF启动流程 - 模拟器显示过程

OSPF工作流程

数据包和状态的切换过程

OSPF第一阶段是使用Hello包建立双向通信的过程，成为邻居关系，当经历了OSPF前三个状态，则表示正式建立邻居关系

建立邻居关系之后进入到Exstart 状态，此时会确定路由的主从关系

前两个DD报文格式如下：
- Init: Set 表示是否是第一个报文
- More: Set 表示后面是否还有报文
- Master: Yes 表示是主人还是仆人(Yes为主，No为从)
发出包之后路由器之间根据Route ID 的大小来确认主路由器和从路由器，大的为主路由器，小的为从路由器

邻居关系之后路由器之间的DD报文交换如下，确定主从路由:

l = 1表示第一个包 M = 1 表示后边还有更多的包 MS = 1表示我是主人

OSPF的第二阶段是通过交换LSA达到LSDB同步，建立邻接关系

OSPF 邻居建立的条件

建立邻居关系必须是三层直连

建立条件

Router ID 唯一
Hell0/Dead 时间间隔一致 (Hello包的发送间隔和Dead死亡间隔一般是四倍关系，ospf建立邻居关系时，路由器之间的Hello和Dead间隔必须一致，否则无法建立邻居关系)
区域ID一致
认证（如果启用了认证）一致
链路MTU大小一致（默认不开启检查，思科默认开启检查）,如果不一致ospf会卡在 Exstart - Exchange 两个状态之间
子网掩码一致（以太网环境）,子网掩码不一致时，ospf会自动down掉，如下图
网络地址一致
末梢区域设置一致(Option)

OSPF网络类型 - 基于接口

网络类型通过下面两层决定

下面是广播类型网络 BMA

下面为非广播类型 - 非广播多路访问(NBMA)即帧中继网

DR和BDR

DR和BDR的选举，代表着被选举路由器的在某一个对应的网络区域的网络接口，在这个网络区域中是DR或者是BDR，是基于接口的。

模拟器接口信息

多路访问网络根据接口，以太网接口就是多路访问网络
通过选举DR和BDR来减少邻接关系
除了DR和BDR其他的路由器即普通路由器之间都只保持在邻居关系即 2-way状态

下面是模拟器建立关系之后的数据图

选举规则

模拟器演示图1，DR路由器路由信息发生变化，发送数据包

模拟器演示图2，DRother路由器路由信息发生变化，发送数据包

OSPF 度量值(Cost) - 开销

注：华为的回环口的默认开销为0，思科的回环口的默认开销为1

注: serial接口的默认cost 开销值为 48

每一个运行OSPF的接口上，都维护着一个接口Cost
Cost = 10^8/BW(bps) = 100Mbps/BW = 接口带宽参考值/接口带宽 (如果结果小于1，那么默认值为1)
到一个目标网络的度量值 =
- 从源到目标所有出站接口的Cost累加(数据方向) 即数据发送方向
- 从源到本路由器沿途所有入站接口的Cost值累加（路由方向）即路由学习方向

OSPF配置

基本配置

system-view 进入系统视图

ospf [进程号] router-id [id号] 开启ospf进程，并配置router-id

area [地区号] 配置区域

network [网络地址]注：这里可以写网络地址也可以写网络号，主要是根据后面的反掩码的区分网络地址的反掩码就是 0.0.0.0 网络号的反掩码就是对应的掩码取反 [反掩码] 连接相应的网络地址，并设置反掩码（反掩码就是掩码的取反）

ospf timer hello 10 修改Hello 包发送间隔

ospf timer dead 40 修改hello 包超时时间

ospf dr-priority 100 修改优先级，修改之间得先进入相应的接口

bandwidth-reference 100 调整带宽参考是，默认为100Mbps，需要在整个网络当中统一进行调整

重启

进入用户试图

reset ospf process 重置ospf,即重启ospf 进程

查看命令

display ospf lsdb 查看ospf数据库

display ospf peer 查看邻居

display ospf peer brief 查看ospf 邻居接口信息

display ospf interface [接口号] 查看某个接口的ospf信息

修改cost值

先进入到相关的接口

ospf cost [度量值]

或进入到ospf进程

bandwidth-reference [度量值] Mbit/s

路由认证

技术背景

OSPF认证命令

注：配置认证时，当前网络中所有的路由器对需要配置一样的认证

OSPF认证
      ospf认证解决安全隐患，只要通过认证的ospf路由器才能正常建立邻居关系、交互信息

            认证模式：不认证null（默认）；明文simple认证；MD5认证
            OSPF的认证方式
        **接口认证**
             [R1-GigabitEthernet0/0/2]ospf authentication-mode simple cipher 123
             //进入配置进程的接口配置认证方式为明文 密码123
                cipher加密仅表示在查看命令时加密显示，而报文在传输过程中密码是明文显示。
            [R1-GigabitEthernet0/0/2] ospf authentication-mode md5 1 cipher 123         // MD5认证，1为key id，密码为123，cipher表示报文在传输过程中通过MD5算法加密      
        **区域认证**
            Ospf 
            area 0 
            authentication-mode simple cipher 123 
            明文认证，密码为123， cipher加密仅表示在查看命令时加密显示，而报文在传输过程中密码是明文显示。
            authentication-mode md5 1 cipher 123  
            MD5认证，1为key id，密码为123，cipher表示报文在传输过程中通过MD5算法加密

            注意：当simple和MD5都存在时，优先使用接口认证方式
            两台设备之间 要么两端都不配置认证 要么两端都都配置simple认证 要么两端都都配置md5认证