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CCNP4：OSPF的【數據包、狀態機、工作過程、接口網絡類型、建立鄰接關係的條件】
OSPF：開放式最短路徑最短優先協議
| OSPF | 開放式最短路徑最短優先協議 |
|---|---|
| ① | 無類別鏈路狀態路由協議。 |
| ② | 組播更新，組播更新地址224.0.0.5、224.0.0.6 點到點網絡中： 使用224.0.0.5進行更新 MA網絡中： DR、BDR使用224.0.0.5進行發送，使用224.0.0.6進行監聽 DRother使用224.0.0.6進行發送，使用224.0.0.5進行監聽 |
| ③ | 管理距離110 |
| ④ | 存在觸發更新，週期更新（30min） |
| ⑤ | 跨層封裝至3層，協議號89。 |
| ⑥ | 基於拓撲型協議，選擇路徑佳 |
| ⑦ | 默認值：hello time 10s，dead time 40s NBMA 網絡：hello time 30s，dead time 120s |
OSPF基於LSA更新，這就導致更新量很大。由於它需要爲中大型網絡服務，因此它需要結構化部署（區域劃分、地址規劃）
結構化部署：
（1）區域劃分（在一個單區域內部傳拓撲，兩個拓撲之間傳路由。兩個區域拓撲計算所得結果進行共享，也就是路由）
（2）地址規劃
一、數據包：
| 數據包 | 全名 | 特點 |
|---|---|---|
| Hello | Hello包 | 鄰居的發現、建立、保活 |
| DBD | 數據庫描述包 | 數據庫目錄信息 |
| LSR | 鏈路狀態請求 | 用於請求未知的LSA |
| LSU | 鏈路狀態更新 | 攜帶各種LSA |
| LSack | 鏈路狀態確認 | 用於確認LSR、LSU |
OSPF報頭格式：上面的包會被放在IP報頭之後的OSPF Packet Types 這部分。
| OSPF Packet | 註解 |
|---|---|
| Version Number | 版本號2（IPv4）、3（IPv6） |
| Type | 編號代表包的類型： |
| Packet Length | 包長度 |
| Router ID | 每臺設備唯一的名字 |
| Area ID | 區域ID |
| Check-sum | 校驗和 |
| Authentication-Type | 認證類型（空、明文、密文） |
| Authentication | 攜帶明文或密文密碼 |
| Data | 攜帶Hello、DBD、LSR、LSU或LSack的數據 |
1、Hello包：
Hello包所獨有的是：
| Data | 註解 |
|---|---|
| Hello and dead intervals | 生成、死亡時間 |
| Neighbors | 當圖中的A發出Hello包的時候，包中就會攜帶BCED的RouterID |
| Router priority | 路由器的優先級 |
| DR IP address | DR的IP地址 |
| BDR IP address | BDR的IP地址 |
| Stub area flag | 區域末梢標記 |
我們觀察到Hello包中有幾項數據是被標記爲*的，這表明鄰居間Hello包中這4個參數完成一致，否則無法建立鄰居關係。
①Hello、dead time
②區域ID
③認證字段
④末梢區域標記
2、DBD包：
R1#debug ip ospf adj 查看OSPF建鄰過程
R1#clear ip ospf process 重啓ospf進程，可以查看建鄰過程
R1#un all 關閉Debug
它出現在exstart、exchange均出現，exstart狀態時，沒有攜帶目錄信息，僅用於主從關係選舉。
（1） DBD包中攜帶MTU，強制要求鄰接間MTU值必須一致。否則將卡在 exstart、exchange狀態。如果不一致，導致數據包被多次的分段，佔用的資源將會更多。
（2） 在exstart狀態的DBD時，使用的隱形確認（基於序列號），該包基於序列號，從使用主的DBD序號來確認主的信息。
打開OSPF重建鄰居的Debug，然後重建鄰居關係，之後關閉Debug。下圖就是緊鄰過程的部分截取，通過使用主的序列號用來確認主的信息。
（3）標記位：
下圖是我抓取的OSPF的一個DBD包：
| 標記位 | 註解 |
|---|---|
| I | 爲1標識本地發出的第一個DBD包 |
| M | 爲0標識本地發出的最後一個DBD包 |
| MS | 爲1標識主，爲0標識從 |
一般情況下：
而圖中顯示的是第二次已經是最後一次發出的DBD包了。之後的0x0都只是作爲應答，表示其接收到了來自主的DBD。
二、OSPF的狀態機：
| 狀態機 | 意義 |
|---|---|
| Down | 一旦本地發出hello包就進入下一個狀態 |
| Init （初始化） |
本地接收到的hello包中，若存在本地RID，那麼進入下一狀態 |
| 2way （雙向通信） |
鄰居關係建立的標誌 |
條件匹配：點到點網絡直接進入下一狀態，MA網絡中將進行DR/BDR選舉（40s）非DR/BDR間不得進入下一狀態
| Exstart （預啓動） |
類hello的DBD，進行主從關係選舉，RID數字爲大者爲主，優先進入下一狀態，該階段進行的主從關係選舉主要解決誰先發消息誰後發消息，該階段還會協商MTU。 |
|---|---|
| Exchange （準交換） |
使用真正的DBD包，進行數據庫目錄的共享，需要ACK確認，用於發現自己缺少的LSA信息 |
| Loading （加載） |
使用LSR/LSU/LSack來獲取未知的LSA信息 |
| Full （轉發） |
鄰接關係建立的標誌 |
除上述狀態機外，還存在一個Attempt：
Attempt：這種狀態僅僅適用於NBMA網絡上的鄰居，表示最近沒有從鄰居收到信息，但仍需作出進一步的嘗試，用以與鄰居聯繫。這時按Hello time的間隔向鄰居發送Hello包
總結一下就是：
①該狀態只有NBMA網絡中才會出現，
②該狀態爲了建立鄰居關係會按hello time的間隔向鄰居發送Hello包
三、OSPF的工作過程：
| 序號 | 註解 |
|---|---|
| 1 | 啓動配置完成後，本地使用組播（224.0.0.5、224.0.0.6）發送hello包到所有鄰居處，若收集到其他鄰居的hello包，那麼建立鄰居關係，生成鄰居表 |
| 2 | 緊接着和所有鄰居間進行 條件匹配 ： ①若失敗將停留於鄰居關係，僅hello包週期保活即可。 ②若匹配成功，將建立鄰接（毗鄰）關係（需要DBD共享數據庫目錄），鄰接關係將使用DBD／LSR／LSU／LSack來獲取未知的LSA信息，當收集齊所有的LSA信息後，本地生成LSDB（鏈路狀態數據庫也就是數據庫表） |
| 3 | 之後在本地基於LSDB計算到達所有未知網段的最佳路徑，然後將其加載到路由表。 |
| 4 | 收斂完成後，hello包週期保活鄰居、鄰接關係；每過30min週期性的使用DBD比對數據庫。 |
| 5 | 若結構突變： ①新增、斷開網段時，直連新增或斷開的設備使用DBD告知鄰居，鄰居再使用LSR、LSU、LSack獲取 ②設備斷電無法溝通，dead time到時後斷開鄰居關係。 |
名詞註解：
LSA：鏈路狀態通告，或者說是拓撲或路由。
LSDB：鏈路狀態數據庫，用於存放所有的LSA集合。
OSPF協議的收斂被稱作LSA洪泛、LSDB同步
1、狀態排錯：
首先，上面也說過Hello包中必須匹配的有四個參數：Hello和dead time、區域ID、認證類型和祕鑰、特殊區域標記，除此之外RID不能一致。
| 所卡狀態 | 狀態分析 | 卡住原因 |
|---|---|---|
| init | hello包出現問題 | 網絡擁塞，或者Hello包協商失敗 |
| two-way | 鄰居關係正常 | 鄰接關係若卡在該狀態，可能因爲優先級爲0，沒有DR |
| exstart | 雙方MTU不匹配 | |
| loading | LSU更新數據丟失 | ①LSDB總數超量（最大10000條LSA） ②設置了LSA最大接收數量，導致卡住 |
| attempt | NBMA網絡中指定錯誤的鄰居地址 |
2、OSPF鄰居關係建立的條件：
| 序號 | 條件 |
|---|---|
| ① | hello time、dead time 一致 |
| ② | mtu 一致 |
| ③ | 認證類型、認證數據相同 |
| ④ | 具有相同的 區域ID |
| ⑤ | 特殊區域標識（末梢、nssa）相同 |
| ⑥ | 雙方網絡掩碼一致（MA網絡可以不一致） |
| ⑦ | RID不同 |
補充：
（1）若MA網絡中僅存在DR或BDR，其餘路由器的接口優先級均爲0，那麼重啓OSPF進程之後，則依然可以建立鄰居關係。
（2）若MA網絡中所有路由器的接口優先級均爲0，它們均會卡在Two-way狀態
（3）若A、B、C三臺路由器連成線，它們的RID均配置爲相同的RID，那麼它們的鄰居表將不會有任何鄰居顯示。
（4）若R1、R2、R3三臺路由器連成線，R1與R3的RID配置爲一樣，那麼B可以在鄰居表中看到兩個鄰居，雖然能夠正常建立鄰居關係，但是鄰居關係及其不穩定，R2只能ping通一邊的環回，之後便中斷了，之後又能夠ping 通了。（我這裏用的是WebIOU模擬器，之後有機會我會拿真機去測試）
（5）如下配置：
| 測試結果 |
|---|
| R1 ping 不通 3.3.3.3，其餘均可ping 通 |
| R3 ping 只能ping通 本地環回3.3.3.3 |
| R2 ping 不通 1.1.1.1，3.3.3.3，但有時能 ping 通 4.4.4.4，有時不能 |
| R4 同R2 |
3、SPF算法：
OSPF算法使用的是迪傑斯卡拉算法，這裏不具體說。只說下它大概過程，這個算法可以算出最短的路徑，最後成樹狀結構。接口開銷值越小，則路徑越優。
整個OPSF的收斂過程總共使用了兩次SPF算法，第一次生成樹狀結構，然後第二次檢索出每個節點的最短路徑。
根據建鄰，收集的信息完閉之後會生成LSDB，然後運行SPF算法，從而生成最短路徑樹狀圖，樹狀圖具備無環，然後到達其它節點也是最短路徑。
之後第二次檢索到達每個路由器網段的路徑，這個路徑一定是最短路徑，之後就可以生成路由信息了。
四、OSPF的配置：
1、啓動、宣告：
接下來的配置我會以下圖爲例，IP如下，宣告省略：
R1(config)#router ospf 1 啓動時需要配置進程號，僅具有本地意義
R1(config-router)#router-id 1.1.1.1
router-id全網唯一，優先級從高到底按下面排列：
手工配置 > 環回接口上最大數值的IP地址 > 物理接口最大數值 > 無進程
宣告的作用：①激活接口 ②傳遞拓撲 ③區域劃分
R1(config-router)#network 1.1.1.1 0.0.0.0 area 0
R1(config-router)#network 12.1.1.1 0.0.0.0 area 0
OSPF在宣告時，必須攜帶反掩碼。
區域劃分規則：
1、星型結構：所有非骨幹必須直連到骨幹區域，區域0爲骨幹，大於0爲非骨幹。
2、ABR：區域邊界路由器，一臺設備同時工作在兩個區域之間，用於實現路由的共享。
2、鄰居表：
表中包含了鄰居ID、優先級、狀態機、死亡時間、鄰居的IP、出接口
3、數據庫表：
查看OSPF的數據庫表（目錄），關於目錄的詳細信息我會在下一次講。
R2#show ip ospf database 查看數據庫的目錄
R2#show ip ospf database router 1.1.1.1 具體查看某條LSA
(router 爲類別，1.1.1.1 爲番號)
4、路由表：
ABR：區域邊界路由器，它位於OSPF區域邊界上，將OSPF的非骨幹區域連接到了OSPF的骨幹區域。
ASBR：自治系統邊界路由器，它位於OSPF自主系統和非OSPF網絡之間，ASBR可以同時運行着多種協議。
| 標識 | 註解 |
|---|---|
| O | 標識OSPF本區域內通過拓撲計算所得路由。 |
| O IA | 標識其它區域路由器通過ABR導入所得 |
| O E1/2 | 標識其它協議或其它進程產生後，通過ASBR重發布進入 |
| O N1/2 | 標識其它協議或其它進程產生後，通過ASBR重發布進入，同時本地處於NSSA特殊區域。 |
管理距離爲110，度量爲cost開銷值：
注意：當接口帶寬大於參考帶寬時，度量爲1，可能導致選路不佳，因此可以修改默認的參考帶寬，但要求整個網絡所有設備參考帶寬需一致。
R1(config-router)#router ospf 1
R1(config-router)#auto-cost reference-bandwidth 1000
注意：它的單位是Mbits
五、OSPF的鄰居建立成爲鄰接關係的條件：
1、基於網絡類型：
（1）點到點 ：
在點到點網絡中，鄰居關係必須成爲鄰接關係，否則無法正常收斂。
（2）MA多路訪問：
在MA網絡若全網均爲鄰接關係，那麼將可能出現大量重複性的LSA洪泛。爲避免該現象，將進行DR/BDR的選舉，所有的非DR/BDR間不得建立成爲鄰接關係。
2、選舉規則：
（1）先比較接口優先級：默認爲1，數值越大越優選，0標識不參選，點到點接口默認爲0。
（2）優先級相同，比較設備的RID，數值越大越優選。
3、干涉選舉的方法：
（1）修改DR最大優先級，BDR次大。
R1(config)#interface fastEthernet 0/0
R1(config-if)#ip ospf priority 3
注意：DR選舉爲非搶佔，故修改優先級後必須重啓設備的OSPF進程，必須在40s之內修改完成。
R1#clear ip ospf process
Reset ALL OSPF processes? [no]: yes
（2）修改DR最大優先級，BDR次大，剩餘所有設備優先級修改爲0。
這種方式不需要重啓設備的進程，切記不得將所有設備優先級修改爲0，至少必須存在DR。
六、OSPF的接口網絡類型：
OSPF的接口網絡類型：指OSPF協議在不同網絡類型下的接口上，不同的工作方式。
| 網絡類型 | 名稱 | 特點 | 其它 |
|---|---|---|---|
| 環回 | Loopback | 無Hello包 | 以32位主機掩碼發送路由 |
| 點到點 （HDLC、PPP) |
point_to_point | hello time 10s | 不選DR |
| BMA 以太網 |
Broadcast | hello time 10s | 選DR |
| NBMA （幀中繼、MGRE） |
point_to_point | hello time 10s | 不選DR |
除上述4種網絡類型外，OSPF還存在點到多點模式，這個本文最後將會提到，還存在虛鏈路，這個我會在下一節講。
注：點到點的工作方式，僅適用於一個網段兩個節點的網絡。
因此：在MGRE環境下若適用tunnel口默認的工作方式，那麼一個網段內若存在兩個以上節點將出現鄰居關係翻滾。
想了解MGRE可以看我這篇博客：CCNP2：二層技術、PPP、HDLC、GRE（Tunnel）、MGRE技術
如果需要解決鄰居關係的翻滾，可以使用以下方法：
1、所有節點修改網絡類型尾以太網類型Broadcast
R1(config)#interface tunnel 0
R1(config-if)#ip ospf network broadcast
注：
①若MGRE環境下，不同接口處於不同的網絡類型，若hello time 一致將建立鄰居關係，但工作機制的不同，導致LSA更新出現問題，因此必須所有節點處於相同的工作方式。
②在MGRE環境下，若構建的OSPF工作環境不是一個全連結構（網段內所有設備間均建立鄰居關係），那麼一旦使用Broadcast工作方式，就必須將DR固定在中心站點的位置，否則導致DR位置混亂，網絡將無法正常收斂。
2、所有節點修改爲點到多點模式
點到多點是Cisco爲OSPF協議額外設置的工作方式，處在MGRE下的所有鄰居之間都應該修改爲相同的網絡類型。
R1(config)#interface tunnel 0
R1(config-if)#ip ospf network point-to-multipoint
點到多點的工作：hello time 30s，無DR選舉，生成訪問各個節點的精確路由。