OSPF协议基础
OSPF（Open Shortest Path Firs）最短路径优先路由协议是基于SPF（最短路径树）算法的IGP（内部网关协议）路由协议，应用在以太网组网中用来路由寻路，防环等作用。
在早期还有使用RIP（路由信息协议)，RIP与OSPF都是IGB的动态路由协议，最主要不同的是RIP基于跳数来选路，而OSPF基于链路状态信息进行选路。同时RIP由于其协议本身巨大的限制使得RIP已被OSPF取代。
OSPF的特点：
| 无环路 | 基于SPF最短路径树算法在设计上就无环路，例如我们的STP协议也使用了SPF树状结构，同样作为防止环路的产生。OSPF还利用区域间的连接规则保证了区域之间无路由环路 |
|---|---|
| 收敛快 | OSPF支持触发更新，能够快速检测并通告自治系统内的拓扑变化。而RIP在收敛上采用的逐跳收敛，上个设备收敛完后才会发送信息给下一个设备进行收敛。因此收敛速度完全弱于OSPF |
| 扩展性好 | 可以将一个大的以太网环境划分成多个小区域，解决因网络扩容带来的负面效果，并且分区域后便于管理与维护，同时也减少了用于同步数据的流量（lsa） |
| 支持认证 | 支持区域认证和接口认证，配置了认证的设备只能与同样配置了认证的且认证通过的设备建立OSPF关系。 |
OPSF的原理
首先运行了OSPF协议的设备之间互相建立邻居和邻接关系，然后互相发送自己的链路状态信息（LSA），每个设备都组建并维护一个自己的链路状态数据库（LSDB）里面包含了单个OSPF区域内网络链路状态信息，并根据LSDB用SPF算法来构建一个最短路径树，将有效且最优的路由条目填入最终的IP路由表中。
一条LSA包含的信息有：
| 链路的类型 |
|---|
| 接口IP地址及掩码 |
| 链路上所连接的路由器 |
| 链路的带宽（开销） |
OSPF报文种类
在讲解OSPF工作过程前先了解下OSPF的报文种类：
OSPF被封装在IP报文内部，协议号为89
按照类型分为：
| Hello报文 | 用作发现邻居以及维护邻居关系，在广播以及NBMA网络环境中还用于选定DR与BDR |
|---|---|
| DD（Database Description）报文 | 数据描述报文，用来描述自己的LSDB，DD报文中的每一条目都只包含了LSA的头部信息，这样就可以减少数据大小。 |
| LSR（Link State Request）报文 | 在互相交换DD报文后，设备之间知道自己缺少的LSA条目，然后使用LSA请求报文LSR来请求缺失的LSA条目。 |
| LSU（Link State Update）报文 | 设备收到LSR请求后，将LSA条目放入LSA更新报文LSU中发给对端。 |
| LSACK（Link State Acknowledgment）报文 | 在收到LSU报文后，设备要发一个确认信息给对端，用来告诉对端我确实收到消息。 |
HELLO报文的字段格式：
| 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。默认10s |
| Options | 标识发送此报文的OSPF路由器所支持的可选功能。 |
| Router Priority | 发送Hello报文的接口的Router Priority，用于选举DR和BDR。 |
| 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Hello Interval即40s |
| 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 | 表示已知的邻居Router ID |
Router ID用来标识设备在网络中的身份，可以手动配置，如果没有配置就会从接口中选择IP地址最大的IP地址作为自己的Router ID
邻居建立过程
然后来看下邻居与邻接关系的建立过程
这是设备运行OSPF后的状态情况
| DOWN | 表明设备刚运行OSPF的初始状态，没有收到任何HELLO报文。但自己会开始根据Hello Interval 10s间隔发送HELLO报文 |
|---|---|
| ATTEMPT | 该报文是在广播与NBMA网络环境中才使用的状态，表示设备已经发送了HELLO但是没有收到回应。 |
| Init | 表示设备收到了HELLO报文，但是邻居字段中没有自己。这时就会进入init状态并发送 |
| 2-Way | 设备收到HELLO报文后发现邻居字段中有自己的Route ID就会进入2-Way状态，此状态表明邻居关系成功建立 |
邻居关系建立过程可以参考上图所示：
RTA配置OSPF后进入Down状态并按照Hello Interval间隔发送HELLO报文，并且HELLO报文中的邻居字段为空，RTB收到后进入Init状态，同时RTB也会发送HELLO报文，RTA收到后也同样进入了Init状态，当设备收到邻居为空的HELLO报文后在下一个HELLO报文中会将对端的Router ID填入自己的邻居字段中并发送出去，对端收到后会确认邻居字段，发现是自己的Route ID就进入2-Way 状态，双方都进入了2-Way状态后邻居建立完成
LSDB同步过程
| ExStart | 在建立完邻居关系后，会开始数据库的同步，ExStart阶段会互相发送DD报文用来确认设备的主从关系（master/slave）在此状态下设备不发送DD描述信息。 |
|---|---|
| Exchange | 设备会互相发送DD报文描述自己的LSDB数据库信息 |
| Loading | 在此状态下设备会互相请求LSA条目，发送LSR,LSU,LSACK报文 |
| Full | LSDB同步完成，设备之间形成了邻接关系 |
数据库同步过程如上图所示：
进入ExStart状态后RTA与RTB会互相发送DD报文，用来确认设备间的主从关系，并且刚开始大家都觉得自己是主设备，然后会互相比较Router ID，大的一方为主设备，小的为从，这时候RTB的RouterID要大，所以RTB称为了主设备，之后RTA发送DD描述信息报文用来描述自己的LSDB数据库信息，并且进入Exchange状态，RTB也同样会发送DD报文来描述自己LSDB，之后由于RTB为主,RTA为从，后续RTA不再会发送描述DD报文，但会对RTB发来的DD报文进行确认。
LSDB同步过后，会对自己缺失的LSA发起请求，而对端会发送更新报文LSU，本端收到后要回应LSACK报文，至此邻接关系也建立完成。
OSPF支持的网络类型：
OSPF支持的网络类型有：P2P,P2MP,NBMA和广播，默认情况下OSPF认为以太网的网络类型为广播，广域网的网络类型为P2P。
| P2P网络 | 多用于广域网之间设备互连，使用PPP或HDLC数据链路层协议进行互连的网络 |
|---|---|
| 广播型网络 | 多用于局域网设备互连，通过以太网协议互连的网络 |
| NBMA网络 | 非广播多路访问网络，通过全互连的帧中继链路相连的路由器网络，在现网中很少见 |
| P2MP | 多个P2P网络的集合 |
DR/BDR的选举
DR（Designated Router）指定路由器 一个OSPF区域内选举一个DR，用来与其他非DR设备进行邻接关系建立与数据库的同步
BDR（Backup Designated Router） 备份DR用来在DR出现故障时起来成为新的DR，其他设备要与DR和BDR分别建立邻接关系。
在邻居发现完成之后，路由器会根据网段类型进行DR选举。在广播和NBMA网络上，路由器会根据参与选举的每个接口的优先级进行DR选举。优先级取值范围为0-255，值越高越优先。缺省情况下，接口优先级为1。如果一个接口优先级为0，那么该接口将不会参与DR或者BDR的选举。如果优先级相同时，则比较Router ID，值越大越优先被选举为DR。
