OSPF的原理与配置

第1章 OSPF[1] 

本章阐述了OSPF协议的特征、术语，OSPF的路由器类型、网络类型、区域类型、LSA类型，OSPF报文的具体内容及作用，描述了OSPF的邻居关系，通过实例让读者掌握OSPF在各种场景中的配置。

本章包含以下内容：

1. OSPF的基本概念
2. 配置单区域的OSPF
3. 配置OSPF的网络类型
4. 配置多区域OSPF

1.1 OSPF概述

开放式最短路径优先（Open Shortest Path First，OSPF）是IETF(The Internet Engineering Task Force， 国际互联网工程任务组)开发的一个基于链路状态的内部网关协议（Interior Gateway Protocol）。目前，针对IPv4协议使用的是OSPF Version 2（RFC2328）；针对IPv6协议使用的是OSPF Version 3（RFC2740）。如无特殊说明，本文中所指的OSPF均为OSPF Version 2。[2] 

1.1.1 OSPF特征

1. OSPF把自治系统（Autonomous System，AS）[3] 划分成逻辑意义上的一个或多个区域。
2. OSPF通过LSA（Link State Advertisement）[4] 的形式发布路由。
3. OSPF依靠在OSPF区域内各设备间交互OSPF报文来达到路由信息的统一。
4. OSPF报文封装在IP报文内，可以采用单播或组播的形式发送。

1.1.2 OSPF术语

1. Router ID：用于在自治系统中唯一标识一台运行OSPF的路由器，每台运行OSPF的路由器都有一个Router ID。
2. 链路：路由器的接口。
3. 链路状态：对接口及接口与相邻路由器的关系的描述。例如接口的信息包括接口的IP地址、掩码、所连接的网络的类型、连接的邻居等。所有这些链路状态的集合形成链路状态数据库。
4. COST：OSPF使用COST作为路由器的度量值，

1. 每一个激活OSPF的接口都有一个COST值。OSPF接口COST=100M/接口带宽[5] ，其中100M为OSPF的参考带宽（reference-bandwidth[6] ）。
2. 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。

1. 区域：共享链路状态信息的一组路由器。在同一个区域内的路由器有相同的链路状态数据库。
2. 自治系统：采用同一种路由协议交换路由信息的路由器及其网络构成一个自治系统
3. LSA：用来描述路由器和链路的状态，LSA包含的信息有路由器接口的状态和所形成的邻接状态，不同类型的LSA的功能不同。
4. 邻居：如果两台路由器共享一条公共数据链路，并且能够协商Hello数据包中所指定的一些参数，它们就开成邻居关系。
5. 邻接：相互交换LSA的OSPF邻居关系建立的关系。
6. DR[7] （Designated Router）：指定路由器。
7. BDR（Backup Designated Router）：备份指定路由器。

1.1.3 OSPF路由器类型

OSPF的路由器类型如图1-1所示。

                             图1-1路由器类型

1. Backbone Router（骨干路由器）[8] ：至少有一个接口属于骨干区域。
2. Internal Router（区域内路由器）：所有接口都属于同一个OSPF区域
3. ABR（Area Border Router，区域边界路由器）[9] ：可以同时属于两个以上的区域，但其中一个必须是骨干区域。
4. ASBR（AS Boundary Router，自治系统边界路由器）：只要一台OSPF设备引入了外部路由的信息，它就成为ASBR。

1.1.4 OSPF网络类型

OSPF的网络类型见表1-1

                          表1-1 OSPF的网络类型

                                           

1.1.5 OSPF区域类型

OSPF的区域类型包括普通区域、Stub区域、NSSA区域，见表2-1所示。

                          表1-2 OSPF的区域类型

                                           

1.1.6 OSPF LSA类型

LSA是OSPF进行路由计算的关键依据，OSPF的LSU报文可以携带多种不同类型的LSA，各种类型的LSA拥有相同的报文头部。报文格式见表1-3。

                      表1-3 LSA的报文头部格式

以下是对报文头部的解释。

• LS Age（链路状态老化时间）：此字段表示LSA已经生存的时间，单位是秒。LSA的最大年龄是3600s，每隔1800s更新一次。[15] 
• Options（可选项）：每一个bit都对应了OSPF所支持的某种特性。
• LS type（链路状态类型）：指示本LSA的类型。
• Link State ID（链路状态ID）：不同的LSA，对该字段的定义不同。
• Advertising Router（通告路由器）：产生该LSA的路由器的Router ID。
• LS Sequence Number（链路状态序列号）：当LSA每次有新的实例产生时，序列号就会增加。序列号范围是从0X80000001至0X7FFFFFFF，序列号越大代表越新。[16] 
• LS Checksum（校验和）：用于保证数据的完整性和准确性。
• Length：是一个包含LSA头部在内的LSA的总长度值。

OSPF中对路由信息的描述都是封装在链路状态通告LSA（Link State Advertisement）中发布出去的，常用的LSA见表1-4。

                           表1-4 LSA的类型

                                                     

1.1.7 OSPF数据报文类型

OSPF用IP报文直接封装协议报文，协议号为89。OSPF分为5种报文：Hello报文、DD报文、LSR报文、LSU报文和LSAck报文，见表1-5。

                        表1-5 OSPF报文类型

                                                         

1.1.8 路由类型

AS区域内和区域间路由描述的是AS内部的网络结构，AS外部路由则描述了应该如何选择到AS以外目的地址的路由。OSPF将引入的AS外部路由分为Type1和Type2两类。见表1-6

                          表1-6 OSPF路由类型

                                                     

1.1.9 OSPF 邻居关系

1. Down：邻居会话的初始阶段，表明没有在邻居失效时间间隔内收到来自邻居路由器的Hello数据包。
2. Attempt：该状态仅发生在NBMA网络中，表明对端在邻居失效时间间隔（dead interval）超时前仍然没有回复Hello报文。此时路由器依然每发送轮询Hello报文的时间间隔（poll interval）向对端发送Hello报文。
3. Init：收到Hello报文后状态为Init。
4. 2-way：收到的Hello报文中包含有自己的Router ID，则状态为2-way；如果不需要形成邻接关系则邻居状态机就停留在此状态，否则进入Exstart状态。
5. Exstart：开始协商主从关系，并确定DD的序列号，此时状态为Exstart。
6. Exchange：主从关系协商完毕后开始交换DD报文，此时状态为Exchange。
7. Loading：DD报文交换完成即Exchange done，此时状态为Loading。
8. Full：LSR重传列表为空，此时状态为Full。

1.2 OSPF的基本配置

1.2.1实验1：配置单区域OSPF[17] 

1.实验目的

1. 实现单区域OSPF的配置
2. 描述OSPF在多路访问网络中邻居关系建立的过程

2.实验拓扑

单区域的OSPF实验拓扑如图1-2所示。

                          图1-2 配置单区域OSPF

3.实验步骤

1. IP地址的配置[18] 

R1的配置

system-view

[Huawei]undo info-center enable

[Huawei]sysname R1

[R1]interface g0/0/0

[R1-GigabitEthernet0/0/0]ip address 12.1.1.1 24

[R1-GigabitEthernet0/0/0]quit

[R1]interface LoopBack 0

[R1-LoopBack0]ip address 1.1.1.1 24

[R1-LoopBack0]quit

R2的配置

system-view

[Huawei]undo info-center enable

[Huawei]sysname R2

[R2]interface g0/0/1

[R2-GigabitEthernet0/0/1]ip address 12.1.1.2 24

[R2-GigabitEthernet0/0/1]quit

[R2]interface g0/0/0

[R2-GigabitEthernet0/0/0]ip address 23.1.1.2 24

[R2-GigabitEthernet0/0/0]quit

[R2]interface LoopBack 0

[R2-LoopBack0]ip address 2.2.2.2 24

[R2-LoopBack0]quit

R3的配置

system-view

[Huawei]undo info-center enable

[Huawei]sysname R3

[R3]interface g0/0/1

[R3-GigabitEthernet0/0/1]ip address 23.1.1.3 24

[R3-GigabitEthernet0/0/1]quit

[R3]interface LoopBack 0

[R3-LoopBack0]ip address 3.3.3.3 32

[R3-LoopBack0]quit

1. 运行OSPF[19] 

R1的配置

[R1]ospf router-id 1.1.1.1   //启用OSPF，设置它的ROUTER-ID 1.1.1.1

[R1-ospf-1]area 0  //区域0

[R1-ospf-1-area-0.0.0.0]network 12.1.1.0 0.0.0.255  //宣告网络12.1.1.0

[R1-ospf-1-area-0.0.0.0]network 1.1.1.0 0.0.0.255  //宣告网络1.1.1.0

[R1-ospf-1-area-0.0.0.0]quit

R2的配置

[R2]ospf router-id 2.2.2.2

[R2-ospf-1]area 0

[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 12.1.1.0 0.0.0.255

[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 23.1.1.0 0.0.0.255

[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 2.2.2.0 0.0.0.255

[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]quit

R3的配置

[R3]ospf router-id 3.3.3.3

[R3-ospf-1]are

[R3-ospf-1]area 0

[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]net

[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]network 23.1.1.0 0.0.0.255

[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]net

[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]network 3.3.3.0 0.0.0.255

[R3-ospf-1-area-0.0.0.0]quit

【技术要点1】进程ID

OSPF的进程ID的编号范围为1-65535，只在本地有效，不同路由器的进程ID号可以不同

【技术要点2】Router ID

1. Router ID用于在自治系统中唯一标识一台运行OSPF的路由器，它是一个32位的无符号整数。
2. Router ID选举规则如下：[20] 

• 手动配置OSPF路由器的Router ID（建议手动配置）
• 如果没有手动配置Router ID，则路由器使用Loopback接口中最大的IP地址作为Router ID
• 如果没有配置Loopback接口，则路由器使用物理接口中最大的IP地址作为Router ID

4.实验调试

1. [21] 在R1上查看当前设备所有激活OSPF的接口信息

display ospf interface all

         OSPF Process 1 with Router ID 1.1.1.1  //OSPF的进程为1，router-id为1.1.1.1

                 Interfaces

 Area: 0.0.0.0          (MPLS TE not enabled)   //OSPF的区域为0

 Interface: 12.1.1.1 (GigabitEthernet0/0/0)

 Cost: 1       State: DR        Type: Broadcast    MTU: 1500 

 Priority: 1  //g0/0/0的开销为1，它是DR，网络类型为广播，MTU为1500，优选级为1

 Designated Router: 12.1.1.1   //DR为12.1.1.1

 Backup Designated Router: 12.1.1.2  //BDR为12.1.1.2

 Timers: Hello 10 , Dead 40 , Poll  120 , Retransmit 5 , Transmit Delay 1

 Interface: 1.1.1.1 (LoopBack0)

 Cost: 0       State: P-2-P     Type: P2P       MTU: 1500 

 Timers: Hello 10 , Dead 40 , Poll  120 , Retransmit 5 , Transmit Delay 1

1. [22] 在R1上查看当前设备的邻居状态

display ospf peer

         OSPF Process 1 with Router ID 1.1.1.1

                 Neighbors

 Area 0.0.0.0 interface 12.1.1.1(GigabitEthernet0/0/0)'s neighbors

 Router ID: 2.2.2.2          Address: 12.1.1.2       

   State: Full  Mode:Nbr is  Master  Priority: 1  //邻居状态为full，邻居为Master

   DR: 12.1.1.1  BDR: 12.1.1.2  MTU: 0   

   Dead timer due in 34  sec

   Retrans timer interval: 5

   Neighbor is up for 00:29:56    

   Authentication Sequence: [ 0 ]

1. 在R1上查看当前设备的LSDB

display ospf lsdb

         OSPF Process 1 with Router ID 1.1.1.1

                 Link State Database

                         Area: 0.0.0.0

 Type      LinkState ID    AdvRouter          Age  Len   Sequence   Metric

 Router    2.2.2.2         2.2.2.2            109  60    8000000A       1

 Router    1.1.1.1         1.1.1.1            169  48    80000007       1

 Router    3.3.3.3         3.3.3.3            114  48    80000005       1

 Network   23.1.1.2        2.2.2.2            109  32    80000003       0

 Network   12.1.1.1        1.1.1.1            169  32    80000003       0

1. 在R1上查看当前设备的OSPF路由表

display ospf routing

         OSPF Process 1 with Router ID 1.1.1.1

                  Routing Tables

 Routing for Network

 Destination        Cost  Type       NextHop         AdvRouter       Area

 1.1.1.1/32         0     Stub       1.1.1.1         1.1.1.1         0.0.0.0

 12.1.1.0/24        1     Transit    12.1.1.1        1.1.1.1         0.0.0.0

 2.2.2.2/32         1     Stub       12.1.1.2        2.2.2.2         0.0.0.0

 3.3.3.3/32         2     Stub       12.1.1.2        3.3.3.3         0.0.0.0

 23.1.1.0/24        2     Transit    12.1.1.2        2.2.2.2         0.0.0.0

 Total Nets: 5 

 Intra Area: 5  Inter Area: 0  ASE: 0  NSSA: 0

1. 在R1上开启以下命令，观察OSPF的状态机

terminal debugging   //使能终端显示Debug信息功能

terminal monitor   //使能终端显示信息中心发送信息的功能

debugging ospf event  //用来查看OSPF协议工作过程中的所有事件

debugging ospf packet  //用来查看OSPF协议工作过程中的所有的报文

system-view 

[R1]interface g0/0/0

[R1-GigabitEthernet0/0/0]shutdown

[R1-GigabitEthernet0/0/0]quit

[R1]interface g0/0/0

[R1-GigabitEthernet0/0/0]undo shutdown

[R1-GigabitEthernet0/0/0]quit

[R1]info-center enable

Sep  2 2022 15:13:00-08:00 R1 %%01IFPDT/4/IF_STATE(l)[0]:Interface GigabitEthernet0/0/0 has turned into UP state.

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00-08:00 R1 %%01IFNET/4/LINK_STATE(l)[1]:The line protocol IP on the interface GigabitEthernet0/0/0 has entered the UP state.

[R1]

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.7-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:

 FileID: 0xd017802c Line: 1295 Level: 0x20

  OSPF 1: Intf 12.1.1.1 Rcv InterfaceUp State Down -> Waiting. 

//接口UP后，OSPF状态从Down进入到Waiting状态。[23] 

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.8-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:

 FileID: 0xd0178025 Line: 559 Level: 0x20

 OSPF 1: SEND Packet. Interface: GigabitEthernet0/0/0

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.9-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Source Address: 12.1.1.1

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.10-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Destination Address: 224.0.0.5

[R1]

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.11-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Ver# 2, Type: 1 (Hello)

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.12-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Length: 44, Router: 1.1.1.1

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.13-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Area: 0.0.0.0, Chksum: fa9c

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.14-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  AuType: 00

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.15-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Key(ascii): * * * * * * * *

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.16-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Net Mask: 255.255.255.0

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.17-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Hello Int: 10, Option: _E_

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.18-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Rtr Priority: 1, Dead Int: 40

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.19-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  DR: 0.0.0.0

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.20-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  BDR: 0.0.0.0

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.21-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  # Attached Neighbors: 0

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.22-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG: 

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.191.23-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:

 FileID: 0xd017802c Line: 1409 Level: 0x20

  OSPF 1 Send Hello Interface Up on 12.1.1.1 //R1在接口上发送Hello包

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.1-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:

 FileID: 0xd0178024 Line: 2236 Level: 0x20

 OSPF 1: RECV Packet. Interface: GigabitEthernet0/0/0

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.2-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Source Address: 12.1.1.2

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.3-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Destination Address: 224.0.0.5

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00-08:00 R1 %%01OSPF/4/NBR_CHANGE_E(l)[2]:Neighbor changes event: neighbor status changed. (ProcessId=256, NeighborAddress=2.1.1.12, NeighborEvent=HelloReceived, NeighborPreviousState=Down, NeighborCurrentState=Init)

//从邻居收到Hello包，状态从Down进入到Init

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.5-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Ver# 2, Type: 1 (Hello)

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.6-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Length: 44, Router: 2.2.2.2

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.7-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Area: 0.0.0.0, Chksum: f89a

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.8-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  AuType: 00

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.9-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Key(ascii): * * * * * * * *

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.10-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Net Mask: 255.255.255.0

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.11-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Hello Int: 10, Option: _E_

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.12-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  Rtr Priority: 1, Dead Int: 40

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.13-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  DR: 0.0.0.0

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.14-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  BDR: 0.0.0.0

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.15-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:  # Attached Neighbors: 0

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.16-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG: 

[R1]

Sep  2 2022 15:13:00.641.17-08:00 R1 RM/6/RMDEBUG:

 FileID: 0xd017802d Line: 1136 Level: 0x20

  OSPF 1: Nbr 12.1.1.2 Rcv HelloReceived State Down -> Init.

[R1]

Sep  2 2022 15:13:10-08:00 R1 %%01OSPF/4/NBR_CHANGE_E(l)[3]:Neighbor changes event: neighbor status changed. (ProcessId=256, NeighborAddress=2.1.1.12, NeighborEvent=2WayReceived, NeighborPreviousState=Init, NeighborCurrentState=2Way)

//从邻居收到的Hello包，并在Hello包中看到了自己的ROUTER-ID[24] ，状态从Init进到2way

[R1]

Sep  2 2022 15:13:39-08:00 R1 %%01OSPF/4/NBR_CHANGE_E(l)[4]:Neighbor changes event: neighbor status changed. (ProcessId=256, NeighborAddress=2.1.1.12, NeighborEvent=AdjOk?, NeighborPreviousState=2Way, NeighborCurrentState=ExStart)

//发送DD报文，进入到ExStart状态

[R1]

Sep  2 2022 15:13:44-08:00 R1 %%01OSPF/4/NBR_CHANGE_E(l)[5]:Neighbor changes event: neighbor status changed. (ProcessId=256, NeighborAddress=2.1.1.12, NeighborEvent=NegotiationDone,NeighborPreviousState=ExStart,NeighborCurrentState=Exchange)  //交互DD报文并发送LSR、LSU进入到Exchange

[R1]

Sep  2 2022 15:13:44-08:00 R1 %%01OSPF/4/NBR_CHANGE_E(l)[6]:Neighbor changes event: neighbor status changed. (ProcessId=256, NeighborAddress=2.1.1.12, NeighborEvent=ExchangeDone,NeighborPreviousState=Exchange,NeighborCurrentState=Loading)  //交互完毕进入到Loading状态

[R1]

Sep  2 2022 15:13:44-08:00 R1 %%01OSPF/4/NBR_CHANGE_E(l)[7]:Neighbor changes event: neighbor status changed. (ProcessId=256, NeighborAddress=2.1.1.12, NeighborEvent=LoadingDone, NeighborPreviousState=Loading, NeighborCurrentState=Full

)

//LSA同步完成进入Full状态

本文出自作者的《华为认证HCIP-datacom认证实验指南》