OSPF和OSPF鄰接關係的建立過程

一、OSPF的簡單介紹

       OSPF（Open Shortest Path First，開放式最短路優先）是一種典型的鏈路狀態路由協議，由IETF（Internet Engineering Task Force，Internet工程任務組）的OSPF工作小組開發，是目前應用最廣泛的IGP（Interior Gateway Protocal，內部網關協議）之一。OSPF中的“O”意爲“Open”，即開放的意思，所有的廠商的設備都可以實現OSPF，它們都要遵循公有標準。OSPF支VLSM（Variable Length Subnet Mask,可變長子網掩碼）、支持認證、支持路由彙總等，另外區域（Area）的概念引入使得OSPF能夠支持更大規模的網絡。當網絡拓撲發生變化時，OSPF能夠快速地感知並進行路由的計算和重新收斂。目前OSPF主要有兩個版本，一是OSPFv2，該版本主要針對IPv4；另外一個版本是OSPFv3，該版本主要針對IPv6。本文主要探討OSPFv2。

二、OSPF的基本概念

2.1 基本原理

       《計算機網絡》這本書中是這樣表述OSPF的“在OSPF協議中，路由器會將自己的鏈路狀態信息一次性地泛洪給其他路由器”，通俗點的理解是這樣的，每臺路由器都產生一個描述自家門口情況的通告。這些通告會泛洪到整個網絡，從而保證網絡中的每臺路由器都擁有對該網絡的一直認知。路由器將這些鏈路狀態信息存儲在LSDB(Link-State Database，鏈路狀態數據庫)之中，LSDB內的數據有助於路由器還原全網的拓撲結構。接下來，每臺路由器都基於LSDB使用相同的算法進行計算，計算的結果是得到一顆以自己爲根的、無環的最短路徑“樹”。有了這棵樹“樹”，事實上路由器就已經知道了到達網絡各個角落的最優路徑。最後，路由器將計算出來的最優路徑加載到自己的路由表。

2.2 Router-ID

       OSPF Router-ID（Router Identification，路由器標識符）是一個32bit長度的數值，通常使用點分十進制的形式表現，用於在OSPF域中唯一標識一臺OSPF路由器。OSPF要求路由器的Router-ID必須全域唯一，即在同一個域內不允許出現兩臺OSPF路由器擁有相同Router-ID的情況。

2.3 OSPF的三張表

• 鄰居表
         在OSPF交互鏈路狀態通告之前，兩臺直連路由器需建立OSPF鄰居關係。當一個接口激活OSPF後，該接口將週期性地發送OSPF Hello報文，同時也開始偵聽Hello報文從而發現直連鏈路上的鄰居。當OSPF在接口上發現鄰居後，鄰居的信息就會被寫入路由器的OSPF鄰居表，隨後一個鄰接關係的建立過程也就開始了。下圖是運行了OSPF的華爲路由器的鄰居表。從這張表中我們可以看見路由器的鄰居狀態（Full）、Router ID、主從關係（Slave）、接口IP地址等信息。
  
• 鏈路狀態數據庫
         運行鏈路狀態路由協議的路由器在網絡中泛洪鏈路狀態信息，在OSPF中，這些信息被稱 LSA（Link-State Advertisement,鏈路狀態通告），路由器將網絡中的LSA蒐集後裝載到自己的LSDB中，因此LSDB可以當作是路由器對網絡的完整認知。下圖是運行了OSPF的華爲路由器的LSDB。
  
• OSPF路由表
         OSPF根據LSDB中的數據，運行SPF算法並且得到一顆以自己爲根的、無環的最短路徑樹，基於這棵樹，OSPF能夠發現到達網絡中各個網段的最佳路徑，從而得到路由信息並將其加載到OSPF路由表中。下圖展示的是一個OSPF路由表。
  

三、報文類型及其格式

       OSPF協議基於IP運行，協議的數據報文直接採用IP封裝，在IP報文頭部中對應的協議號爲89。多數情況下，OSPF的協議報文使用組播地址作爲目的IP地址。OSPF一共定義了五種報文，各有用途下表羅列了這五種報文，以及報文的描述。

類型	報文名稱	報文描述
1	Hello	用於發現直連鏈路上的OSPF鄰居，以及維護OSPF鄰居關係
2	DD(Database Description，數據庫描述)	用於描述LSDB，該報文中攜帶的是LSDB中LSA的頭部數據
3	LSR(Link State Request,鏈路狀態請求)	用於向OSPF鄰居請求LSA
4	LSU(Link State Update,鏈路狀態更新)	用於發送LSA，該報文中攜帶的是完整的LSA數據。LSA是承載在LSU中進行泛洪的
5	LSAck(Link State Acknowledgment,鏈路狀態確認)	設備收到LSU後，LSAck用於對接收的LSA進行確認

3.1 OSPF報文頭格式

      OSPF這五種報文具有相同的報文頭格式，長度爲24字節。
                     
                                                               OSPF報文頭格式

字段	長度	含義
Version	1字節	版本，OSPF的版本號。對於OSPFv2來說，其值爲2。
Type	1字節	類型，OSPF報文的類型，有下面幾種類型：1：Hello報文；2：DD報文；3：LSR報文；4：LSU報文；5：LSAck報文。
Packet length	2字節	OSPF報文的總長度，包括報文頭在內，單位爲字節。
Router ID	4字節	發送該報文的路由器標識。
Area ID	4字節	發送該報文的所屬區域。
Checksum	2字節	校驗和，包含除了認證字段的整個報文的校驗和。
AuType	2字節	驗證類型，值有如下幾種表示， 0：不驗證；1：簡單認證；2：MD5認證。
Authentication	8字節	鑑定字段，其數值根據驗證類型而定。當驗證類型爲0時未作定義；類型爲1時此字段爲密碼信息；類型爲2時此字段包括Key ID、MD5驗證數據長度和序列號的信息。MD5驗證數據添加在OSPF報文後面，不包含在Authenticaiton字段中。

3.2 Hello報文

       Hello報文是最常用的一種報文，其作用爲建立和維護鄰接關係，週期性的在使能了OSPF的接口上發送。報文內容包括一些定時器的數值、DR、BDR以及自己已知的鄰居。
                     
                                                               OSPF Hello報文格式

字段	長度	含義
Network Mask	32比特	發送Hello報文的接口所在網絡的掩碼。
HelloInterval	16比特	發送Hello報文的時間間隔。
Options	8比特	可選項：E：允許Flood AS-External-LSAs MC：轉發IP組播報文 N/P：處理Type-7 LSAsDC：處理按需鏈路
Rtr Pri	8比特	DR優先級。默認爲1。如果設置爲0，則路由器不能參與DR或BDR的選舉。
RouterDeadInterval	32比特	失效時間。如果在此時間內未收到鄰居發來的Hello報文，則認爲鄰居失效。
Designated Router	32比特	DR的接口地址。
Backup Designated Router	32比特	BDR的接口地址。
Neighbor	32比特	鄰居，以Router ID標識。

下面是抓包圖：

3.3 DD報文

       兩臺路由器在鄰接關係初始化時，用DD報文（Database Description Packet）來描述自己的LSDB，進行數據庫的同步。
                     
                                                               OSPF DD報文格式

字段	長度	含義
Interface MTU	16比特	在不分片的情況下，此接口最大可發出的IP報文長度。
Options	8比特	可選項： E：允許Flood AS-External-LSAs；MC：轉發IP組播報文；N/P：處理Type-7 LSAs；DC：處理按需鏈路。
I	1比特	當發送連續多個DD報文時，如果這是第一個DD報文，則置爲1，否則置爲0。
M (More)	1比特	當發送連續多個DD報文時，如果這是最後一個DD報文，則置爲0。否則置爲1，表示後面還有其他的DD報文。
M/S (Master/Slave)	1比特	當兩臺OSPF路由器交換DD報文時，首先需要確定雙方的主從關係，Router ID大的一方會成爲Master。當值爲1時表示發送方爲Master。
DD sequence number	32比特	DD報文序列號。主從雙方利用序列號來保證DD報文傳輸的可靠性和完整性。
LSA Headers	可變	該DD報文中所包含的LSA的頭部信息。

下面是抓包圖：

3.4 LSR報文

      兩臺路由器互相交換過DD報文之後，知道對端的路由器有哪些LSA是本地的LSDB所缺少的和哪些LSA是已經失效的，這時需要發送LSR報文（Link State Request Packet）向對方請求所需的LSA。內容包括所需要的LSA的摘要。
                     
                                                        OSPF LSR報文格式

字段	長度	含義
LS type	32比特	LSA的類型號。
Link State ID	32比特	根據LSA中的LS Type和LSA description在路由域中描述一個LSA。
Advertising Router	32比特	產生此LSA的路由器的Router ID。

下面是抓包圖：

3.5 LSU報文

       路由器收到鄰居發送過來的LSR後，會以LSU報文進行迴應，在LSU報文中就包含了對方請求的LSA的完整信息，一個LSU可以包含多個LSA。
                     
                                                        OSPF LSU報文格式

字段	長度	含義
Number of LSAs	32比特	LSA的數量。

下面是抓包圖：

3.6 LSAck報文

       爲了確保LSA能夠可靠送達，當一臺路由器收到鄰居發送過來的LSU報文時。需要對報文中含有的LSA進行確認，這個確認行爲可以回覆一個LSAck報文。
                     
                                                        OSPF LSU報文格式

字段	長度	含義
LSAs Headers	可變	通過LSA的頭部信息確認收到該LSA。

下面是抓包圖：

四、鄰接關係及其建立

4.1 鄰接關係

       在《報文類型及其格式》一節中，我們已經知道了路由器在運行了OSPF之後會進行一系列的報文交互，最後完成LSDB的同步，路由器形成了對網絡拓撲的一致認知，並開始獨立計算路由。此時，我們稱這兩臺路由器形成了鄰接關係。接下來具體學習鄰接關係建立過程之前我們先了解8種OSPF的鄰居狀態。

狀態	狀態描述
Down(失效)	OSPF路由器的初始狀態
Init(初始)	當OSPF路由器收到直連鏈路上某個鄰居發送過來的有效Hello報文，但並未在Hello報文的鄰居字段看到自己的Router-ID
Attempt(嘗試)	該狀態只在NBMA類型的接口中出現
2-Way(雙向通信)	當OSPF路由器收到直連鏈路上某個鄰居發送過來的Hello報文，並在Hello報文的鄰居字段看到自己的Router-ID
ExStart(j交換初始)	在該狀態下路由器協商Master/Slave
Exchange(交換)	該狀態下路由器向自己的鄰居發送描述自己LSDB的DD報文，報文中含有LSA的頭部
Loading(加載)	路由器向鄰居發送LSR以便請求完整LSA
Full(全毗鄰)	LSA列表爲空，LSDB完成同步

4.2 鄰接關係的建立

              
                                          R1與R2在直連鏈路上發現彼此形成鄰居關係

       在上圖的例子中兩個路由器的對應接口都激活OSPF，R1的接口激活OSPF後開始發送組播的Hello報文，在該報文的OSPF頭部中，填寫着R1的Router-ID和區域ID，Hello報文的荷載中，填寫着其他信息（詳細見上圖）。R2在收到這個報文後，首先檢查對接方的子網掩碼、Hello間隔、路由器失效間隔是否一致，如果不一致忽略該報文。如果通過了檢查R2將R1狀態設置爲Init。接下來，R2在自己發送的Hello報文的“鄰居”字段中寫入R1的Router-ID。而當R1收到R2發送過來的Hello報文並且在“鄰居”字段中發現自己的Router-ID時，它意識到鄰居R2已經發現了自己，並且認可了自己所發送的Hello報文中的相關參數，於是它將R2添加到自己的鄰居表並且把R2的狀態設置爲2-Way。隨後R1在自己發送的Hello報文的“鄰居”字段中寫入R2的Router-ID,後者收到該報文後，在其鄰居表中將R1的狀態切換到2-Way。至此，R1與R2形成了鄰居關係。
                     
                                                 R1與R2使用DD報文描述自己的LSDB

       接下來，在ExStart狀態下R1及R2需要交互空的DD報文以便協商Master/Slave。由於R2的Router-ID更大，因此它勝出成爲Master路由器。用於協商Master/Slave的DD報文並不攜帶任何LSA頭部，而且I比特位被設爲1。然後將R2的狀態切換到Exchange併發送帶有LSA頭部的DD報文這個DD報文的DD序列號爲300(也就是R2發送過來的DD序列號)M比特位設置爲1表示後續還有更多的DD報文，而MS比特位設置爲0。接着R2收到了R1發送過來的DD報文，於是將R1的狀態切換到Exchange,隨後自己也開始發送攜帶LSA頭部的DD報文，此時DD報文的DD序列號爲301(在上一個序列號300 的基礎上加1),M及MS比特位均設置爲1。由於雙方的LSDB中都包含較多LSA,因此需交互多個DD報文，而在該過程中，Master路由器R2將DD序列號逐次加1，Slave路由器R1則使用前者的DD序列號來發送自己的DD報文，如此這般有序的進行。
                     
                                                               R1與R2達到全毗鄰狀態

       經過數次DD報文交互後，R2發送的DD序列號達到308,使用該DD序列號發送了自己最後一個DD報文，在該報文中，它將M比特位設置爲0。R2收到該DD報文後，繼續發送自己的DD報文描述剩餘LSA頭部，而恰巧這也是它的最後一個DD報文，它在該報文中將M比特位設置爲0。當該報文到達R1後，雖然此時它已經描述完了自己的LSDB,但是它依然需要確認R2所發送的最後一個DD報文，於是它向R2發送一個空的DD報文，該報文的DD序列號爲309。R1及R2收到對方發送的最後-一個DD報文後，便徹底瞭解了對方的LSDB中所包含的LSA(頭部)，此時它們需要從對方獲取感興趣的LSA的完整數據，因此R1將R2的鄰居狀態切換爲Loading,D報文，在該報文中，它將M比特位設置爲0。R2收到該DD報文後，繼續發送自己的DD報文描述剩餘LSA頭部，而恰巧這也是它的最後一個DD報文，它在該報文中將M比特位設置爲0。當該報文到達R1後，雖然此時它已經描述完了自己的LSDB,但是它依然需要確認R2所發送的最後一個DD報文，於是它向R2發送一個空的DD報文，該報文的DD序列號爲309。R1及R2收到對方發送的最後-一個DD報文後，便徹底瞭解了對方的LSDB中所包含的LSA(頭部)，此時它們需要從對方獲取感興趣的LSA的完整數據，因此R1將R2的鄰居狀態切換爲Loading,R2同理。接下來，便是數據庫同步過程，R1向R2發送LSR報文，用於請求感興趣的LSA,而R2則使用包含LSA完整數據的LSU報文進行迴應，同理，R2也向R1發送用於請求LSA的LSR報文，而後者也使用LSU報文進行迴應。雙方可能會交互多個LSR及LSU報文，直到LSDB實現同步.R1或R2收到對方發送的LSU報文後，將報文中所包含的LSA加載到自己的LSDB中，並使用LSAck確認這些LSA。當R1或R2發現自已沒有其他的LSA需要從鄰居獲取後，便將鄰居的狀態切換爲Full。