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• 【计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）】：开放最短路径优先OSPF的基本工作原理

一：OSPF概述

（1）概述

开放最短路径优先OSPF：是为了克服RIP的缺点在1989年提出来的协议

• 开放： ：是指OSPF协议不受某一家厂商控制，而是公开发表的
• 最短路径优先： 是指使用了Dijkstra所提出的最短路径算法SPF

具体特点如下

• OSPF是基于链路状态的，而不像RIP那样是基于距离向量的-
• OSPF采用SPF算法计算路由，从算法.上保证了不会产生路由环路
• OSPF不限制网络规模，更新效率高，收敛速度快

（2）细节阐述

A：链路状态和代价

链路状态是指本路由器都和哪些路由器相邻，以及相应链路的“代价”(cost)

• "代价”用来表示费用、距离、时延、带宽,等等。这些都由网络管理人员来决定

例如下图，思科路由器中OSPF计算代价的方法是：用100Mbps除以链路带宽

• 如果计算结果小于1则仍然记为1
• 如果计算结果大于1则舍去小数，只保留整数部分

B：问候分组和邻居表

OSPF相邻路由器之间通过交互问候(Hello) 分组，建立和维护邻居关系。因此，每个路由器都会建立一张邻居表。问候分组需要封装在IP数据报中发送，发往组播地址224.0.0.5

• IP数据报中协议号字段取值应该为89，表明IP数据报的数据载荷为OSPF分组
  

• 问候分组的发送周期为10s，若40s还未收到来自邻居路由器的Hello分组，则认为该邻居分组不可达

例如下图

• R2是R1的一个邻居路由器，于是在R1的邻居表中“邻居ID”就记为R2，“接口”记为1，“死亡倒计时”目前还剩36s，若在“死亡倒计时”到达0之前再次收到了R2的问候分组，则重新启动针对该邻居条目的40s“死亡倒计时”；否则，当“死亡倒计时 ”为0时判定该R2不可达
• R4是R1的一个邻居路由器，于是在R1的邻居表中“邻居ID”就记为R4，“接口”记为0，“死亡倒计时”目前还剩18s，若在“死亡倒计时”到达0之前再次收到了R4的问候分组，则重新启动针对该邻居条目的40s“死亡倒计时”；否则，当“死亡倒计时 ”为0时判定该R4不可达

C：链路状态通告LSA

使用OSPF的每个路由器都会产生链路状态通告LSA。LSA中包含以下内容

• 直连网络的链路状态信息
• 邻居路由器的链路状态信息

例如下图，N1是路由器R4的直连网络，则R4的LSA应包含R4与该直连网络的链路状态信息，还应该包含其邻居路由器R1的链路状态信息和邻居路由器R3的链路状态信息

LSA被封装在链路状态更新分组LSU中，采用洪泛法发送。收到LSU的路由器，将从自己其他所有接口转发该分组，也就是进行洪泛转发

例如下图

D：链路状态数据库LSDB

使用OSPF的每个路由器都有一个链路状态数据库LSDB，用于存储LSA。通过各路由器洪泛发送封装有自己LSA的LSU分组，各路由器的LSDB最终将达到一致

例如下图，R2的LSDB中记录有各路由器的LSA

E：最短路径优先SPF

使用OSPF的各路由器基于LSDB进行最短路径优先SPF计算，构建出各自到达其他各路由器的最短路径，即构建各自的路由表

例如下图的网络拓扑，各链路旁的数字表示代价，通过各路由器洪泛法发送封装有自己LSA的LSU：各路由器最终会得到相同的LSDB，由LSDB可以得出带权有向图，对该图进行基于Dijkstra的最短路径优先算法就可以得出以路由器为根的最短路径

（3）五种分组类型

OSPF的五种分组类型：

• 问候(Hello) 分组： 用来发现和维护邻居路由器的可达性
• 数据库描述(Database Description)分组： 向邻居路由器给出自己的链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息
• 链路状态请求(Link State Request)分组： 向邻居路由器请求发送某些链路状态项目的详细信息
• 链路状态更新(Link State Update)分组： 使用这种分组将其链路状态进行洪泛发送，即用洪泛法对全网更新链路状态
• 链路状态确认(Link State Acknowledgment)分组： 是对链路状态更新分组的确认分组

二：OSPF基本工作过程

如下图，相邻路由器之间周期性发送问候分组，以便建立和维护邻居关系建立邻居关系后，给邻居路由器发送数据库描述分组，也就是将自己的链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息发送给邻居路由器。例如

• R1收到R2的数据库描述分组后，发现自己缺少其中的某些链路状态项目，于是就给R2发送链路状态请求分组
• R2收到后，将R1所缺少的链路状态项目的详细信息封装在链路状态更新分组中发送给R1
• R1收到后，将这些所缺少的链路状态项目的详细信息添加到自己的链路状态数据库中，并给R2发送链路状态确认分组
• 最终，R1和R2的链路状态数据库将达到一致，也就是链路状态数据库达到同步

每30min或链路状态发生变化时，路由器都会发送链路状态更新分组，收到该分组的其他路由器将洪泛转发该分组，并给该路由器返回链路状态确认分组。这称之为新情况下链路状态数据库同步

三：其他问题

（1）多点接入网络中存在的大量多播分组

当OSPF路由器在多点接入网络中建立邻居关系时，如果不采用其他机制，将会产生大量的多播分组

例如下图，5台路由器连接在同一个多点接入网络中，它们周期性地发送问候分组以建立和维护邻居关系。这些路由器中的任意两个路由器都互为邻居关系，邻居关系的数量为$\frac{n(n-1)}{2}$，其中$n$为路由器数量，这样每个路由器要向其他$n-1$个路由器发送问候分组和链路状态更新分组

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为了减少所发送分组的数量，OSPF采用选举指定路由器DR和备用指定路由器BDR的方法，所有的非DR/BDR都只与DR/BDR建立邻居关系，非DR/BDR之间必须通过DR/BDR交换信息。若DR出现问题则由BDR顶替，

例如下图，假设已经选举好了DR和BDR，由于所有的非DR/BDR都只与DR/BDR建立邻居关系，因此之前的邻居关系数量降低为$2(n-2)+1$

（2）区域

为了使OSPF能够用于规模很大的网络，OSPF把一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域(Area)。划分区域的好处就是把利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每一个区域而不是整个自治系统，这样就减少了整个网络上的通信量

例如下图是一个规模很大的网络，将其划分为一个自治系统。在该自治系统内，所有路由器都使用OSPF协议

OSPF将该自治系统再划分为4个更小的区域，每个区域都有一个32比特区域标识符，可以用点分十进制表示。例如主干区域标识符必须为0，也即0.0.0.0，主干区域用于连通其他区域，其他区域标识符不能为0且互补相同。每个区域的规模不应该太大，一般所包含的路由器不应超过200个

如果路由器的所有接口都在同一个区域内，则该路由器称其为区域内路由器。为了本区域可以和自治系统内的其他区域连通，每个区域会设置一个区域边界路由器（R3,R4,R7），其一个接口用于连接自身所在区域，另一个接口用于连接主干区域。主干区域内的路由器称之为主干路由器