CCNA学习指南 -开放最短路径优先OSPF(多区域部分)

时间：2022-12-23 20:09:40

在之前的介绍中，可以看到单区域OSPF对于古老的RIP的优点：

  • 路由选择更新流量减小
  • 使用与大型网络和链路速度不一样的网络

OSPF能够在LSDB中呈现网络拓扑结构，这使得它汇聚的速度远快于RIP。

但是，单区域的OSPF存在严重的可拓展性问题，首先单区域内的路由器众多，存在的链路数目也是非常多，那么当链路状态发送改变的时候，就需要全部的路由器重新计算LSDB，这无疑是复杂而又繁琐的，占用了大量的路由器CPU时间和内存。此外不要忘记，还有路由表，这使得内存更加不堪重负。
考虑到这些，单区域OSPF不适用于大型网络的原因就是它的可拓展性的限制。它将所有的路由器划分到一个区域中，使得每一台路由器都要处理大量LSA。

如何解决这个问题呢？好在OSPF也提供对网络分区域的方法，它支持将一个大型互联网络划分成易于管理的小块。

OSPF分区域的优点：耗用内存小，处理器开销小，路由表规模小，汇聚更快，可拓展性好。

  • 区域内部的路由器不要再计算和存储整个网络的拓扑结构，即不用再计算整个网络的LSDB。因为它们只需要知道当前区域内的链路状态信息，这极大的降低了使用的内存。
  • 对于区域内部的路由器来说，当别的区域链路发生变化的时候，不用重新计算LSDB；当且仅当所属区域的拓扑发生变化的时候，才需要重新计算。这样做降低了处理器的开销。
  • 由于可以在区域边界汇总路由，所以路由器的路由选择表规模比使用单区域的时候小的多。

多区域OSPF简介

在多区域的OSPF中路由器的各种类型：主干路由器，内部路由器，区域边界路由器(ABR)，自主系统边界路由器(ASBR)。

链路状态通告LSA，描述了路由器及其直接相连的网络，路由器彼此交换LSA以获悉完整的网络拓扑，这让所有路由器的拓扑数据库LSDB都一样。利用LSA建立LSDB之后，将LSDB的内容作为Dijkstra算法的输入，计算得到最短路/最佳路径，添加到路由表项中。

建立邻居关系的条件

发现邻居之后，必须建立邻居关系，这样才能够与邻居交换路由信息LSA。需要经过以下两个步骤：

  • 双向通信，这是使用Hello协议进行的。
  • 数据库同步，在此期间交换三种分组：1)数据库描述分组(DD); 2)链路状态请求分组(LSR); 3)链路状态更新分组(LSU)。

数据库同步之后，就建立了邻居关系。

相邻路由器想要建立邻居关系，以下的内容必须相同：

  • 区域ID
  • 子网
  • Hello定时器和失效定时器
  • 身份验证方法(如果配置了)

何时建立邻居关系取决于网络类型，如果是点对点的，只要两台路由器配置了正确的信息，那么就将建立邻居关系。
如果是 广播多路访问网络，那么OSPF只与DR或者是BDR建立邻居关系。

OSPF路由器类型

所有接口都属于同一个区域的，我们称之为内部路由器，它们所有的接口都属于同一个区域。
配置多区域路由器的时候，必须配置一个主干区域，即区域0.在区域0内的路由器称为主干路由器，有的完全属于区域0，有的则是 ASBR，ABR 这种不完全属于区域0的。

注意！为什么要设置区域0：

第一：区域防环，OSPF在区域内防环机制是靠SPF路由算法（树型），那OSPF区域间防环如何做的呢？？那如果没有一个骨干区域，路由就可能会从一个区域传出去，再从这个区域传进来，这样环路就无法防止了。骨干区域就是实现这个功能，可以理解为“OSPF 的毒向逆转”，即路由从一个区域传过来的，绝不会从该区域再出去。
第二：路由优化，很容易想像有AREA 0，所有常规区域的路由必须从骨干区域获得更新，而常规区域之间是不会交互LSA更新。即不用形成一个FULL MESH的结构，以减少路由表的size。

ABR

当一个路由器的不同接口，连接到两个不同区域的时候，这样的路由器称为 区域边界路由器ABR。
ABR 属于多个OSPF区域，它在拓扑数据库LSDB中维护来自所有直连区域的信息。但不在区域间分享拓扑信息。
ABR 会将路由选择信息从一个区域转发到另外一个区域(通过第三第四类LSA)，这里的核心概念是：ABR 分隔LSA泛洪区(即LSA泛洪只在区域内进行)，是主要的区域地址汇总点，通常提供默认路由，同时维护其连接的每个区域的链路状态数据库(也就是说，它的LSDB中拥有来自多个区域的LSA路由更新)。

ASBR

当一个路由器的不同接口，连接到两个或两个以上不同自治系统的时候，这样的路由器称为 自治系统边界路由器ASBR。
ASBR至少有一个接口连接到外部网络(其它的AS)。
运行的路由器选择协议不是OSPF的网络，被称为外部网络。ASBR通过将其从外部网络获取的选择信息，注入OSPF(通过第五类LSA)。
ASBR 并不会自动在 OSPF路由选择进程 和 外部网络的路由选择进程 之间进行路由选择学习的交换。这种路由选择是通过重分发进行的。

链路状态通告LSA

路由器的LSDB链路状态数据库由链路状态通过组成。LSA大致分为5类(其实不止)。

LSA的分类

第一类LSA：称为路由器链路通告(RLA)，由每台路由器向其所属区域的其他路由器发送。包含路由器所连接的当前区域的链路状态。如果路由器有多个接口连接到不同的区域，那么它将分别发送针对各个区域的一类LSA。
第二类LSA：称为网络链路通告(NLA)，是由指定路由器DR生成的，DR使用它来发送网络中其他路由器的状态信息。注意：2类LSA被洪泛到当前区域，但不会洪泛到其他的区域，也就是说，ABR分割LSA洪泛区。
第三类LSA：称为汇总链路通告(SLA)，是由边界区域路由器ABR产生的，ABR将它发送到ABR连接的其他区域，3类LSA通告网络，并通告前往主干区域 区域0的区域间路由。
第四类LSA：有区域边界路由器ABR生成，专门用于告诉其他的OSPF区域如何前往ASBR.
第五类LSA：称为外部链路通告，由自主系统边界路由器发送，用于通告前往OSPF自助系统外的路由，将传遍整个OSPF自主系统。

明白各种LSA及其用途很重要，由上面的介绍可以知道：

  • 第一类第二类用于区域内的路由器进行传播。
  • ABR边界区域路由器 1)维护它连接的每个区域的LSDB 2)用于 从区域M获悉到的 路由汇总信息 通告给区域0 或者相反。
  • 在接收到 ASBR 通告的 第5类LSA 之后，ABR 将 第四类LSA 洪泛到区域0，让区域内的所有路由器都知道如何前往ASBR。

OSPF Hello协议

Hello协议向邻居提供大量的信息，默认的情况下，邻居每个10s就交换以下信息：

  • 路由器ID：RID，最大活动IP地址，如果配置了loopback interface，则为最大的 interface address；否则使用最大的物理接口地址。
  • Hello间隔和失效间隔：Hello时间指的是Hello分组发送的时间间隔，一般默认为10s。失效时间指的是，时隔多长时间没有收到来自邻居的Hello报文之后确认邻居失效，默认为Hello时间的四倍。
  • 邻居列表：发送Hello分组的路由器 的所有邻居的 RID。一般存储于邻居关系数据库内。邻居的定义是：属于同一个子网，使用同一个子网掩码。
  • 区域ID：所属区域。
  • 路由器的优先级：一个8bit的值，用于选举DR和BDR，在点到点链路上不设置。
  • DR的IP地址
  • BDR的IP地址
  • 身份验证信息(如果配置了)

注意，每个OSPF路由器维护两个数据库，一个是我们经常提到的LSDB，另外一个是 邻居关系数据库：当路由器接收到另外一个路由器发送的Hello报文的时候，将Hello内的信息加入邻居关系数据库。

之前有提到，在邻居发送的Hello分组中，如果想要建立 邻居关系，以下信息必须相同：

  • Hello定时器值
  • 失效定时器值
  • 区域ID
  • OSPF区域类型
  • 子网和身份验证信息(如果配置了的话)

否则不能建立邻居关系。

邻居状态

对OSPF进行配置验证以及故障排除，必须了解OSPF在建立 邻居关系 的时候经历的各种状态。

我认为可以大致的分为两个部分，一个是使用Hello协议 通过组播地址 建立起普通的关系，即2WAT状态；一个是交换LSA，含LSDB的信息 来 同步数据库，即FULL状态。

假设此时有两台路由器A与B 想要建立起邻接关系，那么它们之间将会有八种状态：

第一步：进入2WAY状态

一开始，两台路由器都属于DOWN状态。
A先发送Hello报文，B接收了它，把A和Hello内的信息加入邻居关系数据库。
B进入INIT状态，并向A发送Hello报文。
A收到来自B的Hello报文，加入邻居关系数据库，双方进入 2WAY状态。

INIT状态：B已经收到了A的Hello报文，将A加入邻居关系数据库，但是此时A发送的Hello报文尚未有B的信息(B的RID)，这表明还未建立双向联系。

建立双向联系之后，在广播多路访问网络中，开始选举DR和BDR。

当two-way关系建立以后，路由器之间会考虑是否建立邻接关系，这决定于邻居路由器的状态 以及网络的类型。如果网络的类型是广播或者非广播，那么仅仅会在DR和BDR路由器之间建立邻接关系。在其他类型的网络中（NBMA），邻接关系只会在邻居路由器之间建立。

第二步：进入FULL状态

选举完DR和BDR之后，进入 预启动EXSTART状态，为发现有关互联网络的链路状态信息(LSA) 并为创建LSDB做好了准备。
在预启动阶段，DR和BDR已经和区域中的其他路由器建立了邻居关系。在每台路由器和DR(BDR)之间，建立的是 主从关系：RID 较大的为主，主动发起交换。交换完DBD(数据库描述)分组之后，路由器 进入EXCHANGE交换状态。

此时，A向DR发送了第一个DB报文，B向DR发送了第二个DB报文，DB报文中的RID较大的那个(比如 A的RID > B的RID)成为Master，A将主动发起同B的交换。

处于交换状态的时候，A和B 使用 DD/DBD数据库描述分组 进行交换 路由选择信息，还可能发送链路状态请求LSR，和链路状态更新。
当路由器A开始发送LSR之后，进入加载状态(LOADING).

当A路由器 处在LOADING状态的时候，向邻居B 发送 链路状态请求(LSR)分组 ，请求对方发送在交换期间遗漏或者受损的LSA。邻居B 使用 LSU链路状态更新分组 进行回应，当前路由器A 则使用LSAck链路状态确认分组进行确认。
在B收到所有A的LSR的应答之后，A和B的 链路数据库便完全同步了，进入FULL状态。

整个过程：

(1)A ---(Hello)---> B; B -> INIT
(2)B ---(Hello)---> A
(3)A,B -> 2WAY
----------------------------------
(4)
A <-> DR; 
B <-> DR; 
A,B -> EXSTART

(5)
Judge: [A_RID > B_RID] 
-> Master: A

(6)
A ---(DBD/DD)---> B; 
A,B -> EXCHANGE

(7)
B ---(DBD/DD)---> A; 
······
A ---(LSR)---> B; 
A,B -> LOADING

(8)
B ---(LSU)---> A;
A ---(LSAck)---> B;
······

(9)
A,B ---> FULL

2WAY -> 主从关系确定；预准备阶段 -> 交换链路信息(DD/DBD)阶段 -> 加载阶段，用于补全缺失的LSA -> 发送LSAck，代表同步结束 -> FULL。

注意，只有在进入FULL状态之后，也就是同步了所有LSA的信息之后，建立了邻居关系，OSPF路由选择才能正常运行。
路由器的最终状态，要么是2WAY，要么是FULL，其他状态都属于过渡状态。路由器在其他状态不应该停留过久。

2016/8/30

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