OSPＦ路由协议概念及工作原理
１.概述
OSPF路由协议是一种典型的链路状态（Link－stａte）的路由协议，一般用于同一个路由域内。在这里，路由域是指一个自治系统（Ａutonomous Sｙｓｔem)，即AS，它是指一组通过统一的路由政策或路由协议互相交换路由信息的网络。在这个AＳ中,所有的OSPF 路由器都维护一个相同的描述这个AS结构的数据库，该数据库中存放的是路由域中相应链路的状态信息，OSPF路由器正是通过这个数据库计算出其OSPF路由表的。
作为一种链路状态的路由协议,OSＰF将链路状态广播数据包ＬSA（ＬinｋＳtatｅAdv ｅrtisemｅnt)传送给在某一区域内的所有路由器,这一点与距离矢量路由协议不同。运行距离矢量路由协议的路由器是将部分或全部的路由表传递给与其相邻的路由器。
2.数据包格式
在OSPF路由协议的数据包中,其数据包头长为24个字节，包含如下8个字段：
* Versiｏn ｎｕｍbｅr－定义所采用的OＳPF路由协议的版本。?* Type－定义OＳPF数据包类型。OＳPＦ数据包共有五种：
* Hello-用于建立和维护相邻的两个OSＰF路由器的关系,该数据包是周期性地发送的。*Dａtaｂase Desｃripｔion－用于描述整个数据库，该数据包仅在ＯSPF初始化时发送。?* Liｎk sｔate ｒequest-用于向相邻的OSPF路由器请求部分或全部的数据，这种数据包是在当路由器发现其数据已经过期时才发送的。
＊Lｉｎk statｅupdate-这是对liｎk stａte请求数据包的响应，即通常所说的LSA 数据包。?* Lｉnｋｓtaｔｅacｋnowlｅｄgｍent-是对ＬＳA数据包的响应。
* Packｅt lenｇth－定义整个数据包的长度。?* Roｕter ID－用于描述数据包的源地址,以IP地址来表示。
* ＡreａＩＤ－用于区分OSPＦ数据包属于的区域号，所有的OSＰF数据包都属于一个特定的OSＰF区域。
* Checkｓum-校验位，用于标记数据包在传递时有无误码。?* Authenticatioｎｔ
ｙｐｅ-定义ＯSPF验证类型。?＊Autheｎｔication-包含OSＰF验证信息,长为8个字节。
3.OＳPF基本算法
3.1ＳPF算法及最短路径树
SPＦ算法是OSＰＦ路由协议的基础。SPＦ算法有时也被称为Dijkｓtra算法,这是因为最短路径优先算法SPF是Dijkstrａ发明的。SPF算法将每一个路由器作为根(ROＯT)来计算其到每一个目的地路由器的距离，每一个路由器根据一个统一的数据库会计算出路由域的拓扑结构图，该结构图类似于一棵树，在SPF算法中，被称为最短路径树。在ＯSPF路由协议中,最短路径树的树干长度,即ＯＳPＦ路由器至每一个目的地路由器的距离,称为ＯSPF 的Ｃｏst,其算法为:Cost = 100×106/链路带宽
在这里，链路带宽以bps来表示。也就是说,OSPF的Cｏst 与链路的带宽成反比，带宽越高，Cosｔ越小,表示OSＰF到目的地的距离越近。举例来说,FＤDI或快速以太网的Ｃｏs ｔ为1，２M串行链路的Cｏst为48,1０M以太网的Coｓt为１０等。
3.2 链路状态算法
作为一种典型的链路状态的路由协议，ＯSＰF还得遵循链路状态路由协议的统一算法。链路状态的算法非常简单,在这里将链路状态算法概括为以下四个步骤:
当路由器初始化或当网络结构发生变化(例如增减路由器,链路状态发生变化等)时,路由器会产生链路状态广播数据包LSA（Lｉnk-Ｓｔaｔe Aｄverｔisement)，该数据包里包含路由器上所有相连链路，也即为所有端口的状态信息。
所有路由器会通过一种被称为刷新（Floodiｎg)的方法来交换链路状态数据。Floodiｎg是指路由器将其ＬSA数据包传送给所有与其相邻的OSPF路由器，相邻路由器根据其接收到的链路状态信息更新自己的数据库,并将该链路状态信息转送给与其相邻的路由器,直至稳定的一个过程。当网络重新稳定下来，也可以说OSＰF路由协议收敛下来时，所有的路由器会根据其各自的链路状态信息数据库计算出各自的路由表。该路由表中包含路由器到每一个可到达目的地的Cosｔ以及到达该目的地所要转发的下一个路由器（next-hop)。
第４个步骤实际上是指OSPF路由协议的一个特性。当网络状态比较稳定时，网络中传递的链路状态信息是比较少的，或者可以说,当网络稳定时,网络中是比较安静的。这也正是链路状态路由协议区别与距离矢量路由协议的一大特点。
4．OSPＦ路由协议的基本特征
前文已经说明了ＯSPＦ路由协议是一种链路状态的路由协议,为了更好地说明OSＰF路由协议的基本特征，我们将OSPＦ路由协议与距离矢量路由协议之一的ＲIP（Ｒoｕｔiｎg In ｆormａtion Ｐｒotoｃol)作一比较，归纳为如下几点:
RＩP路由协议中用于表示目的网络远近的唯一参数为跳(HＯＰ）,也即到达目的网络所要经过的路由器个数。在RＩP路由协议中，该参数被限制为最大１5，也就是说RＩＰ路由信息最多能传递至第16个路由器；对于OSＰF路由协议,路由表中表示目的网络的参数为Coｓｔ，该参数为一虚拟值，与网络中链路的带宽等相关，也就是说OＳPF路由信息不受物理跳数的限制。并且,ＯSPF路由协议还支持ＴOS(Type of Sｅｒvicｅ)路由，因此，OＳＰF比较适合应用于大型网络中。
RＩＰ路由协议不支持变长子网屏蔽码（VLSM）,这被认为是RIＰ路由协议不适用于大型网络的又一重要原因。采用变长子网屏蔽码可以在最大限度上节约IＰ地址。ＯＳＰF路由协议对ＶLＳM有良好的支持性。
ＲＩP路由协议路由收敛较慢。RＩＰ路由协议周期性地将整个路由表作为路由信息广播至网络中,该广播周期为30秒。在一个较为大型的网络中，RIP协议会产生很大的广播信息,占用较多的网络带宽资源；并且由于ＲIP协议30秒的广播周期,影响了ＲＩＰ路由协议的收敛，甚至出现不收敛的现象。而ＯSPF是一种链路状态的路由协议,当网络比较稳定时，网络中的路由信息是比较少的,并且其广播也不是周期性的,因此OSＰF路由协议即使是在大型网络中也能够较快地收敛。
在RIＰ协议中，网络是一个平面的概念,并无区域及边界等的定义。随着无级路由CＩDR 概念的出现,RIP协议就明显落伍了。在OＳPＦ路由协议中，一个网络,或者说是一个路由域可以划分为很多个区域area,每一个区域通过OSPF边界路由器相连,区域间可以通过路由总结（Sｕｍmａｒy）来减少路由信息,减小路由表，提高路由器的运算速度。
OSPF路由协议支持路由验证,只有互相通过路由验证的路由器之间才能交换路由信息。并且ＯSPF可以对不同的区域定义不同的验证方式,提高网络的安全性。
一、基本概念和术语
１. 链路状态
OSPＦ路由器收集其所在网络区域上各路由器的连接状态信息,即链路状态信息（Liｎk－S ｔate)，生成链路状态数据库(Link-Ｓtate Dataｂａse）。路由器掌握了该区域上所有路由器的链路状态信息,也就等于了解了整个网络的拓扑状况。OSＰF路由器利用“最短路径优先算法(Shortest Ｐath Ｆiｒst, ＳPＦ)”，独立地计算出到达任意目的地的路由。? 2. 区域
OＳPF协议引入“分层路由”的概念,将网络分割成一个“主干”连接的一组相互独立的部分，这些相互独立的部分被称为“区域”（Aｒeａ)，“主干”的部分称为“主干区域”。每个区域就如同一个独立的网络，该区域的OＳPF路由器只保存该区域的链路状态。每个路由器的链
3.OS 路状态数据库都可以保持合理的大小,路由计算的时间、报文数量都不会过大。?
ＰＦ网络类型?根据路由器所连接的物理网络不同，OSPＦ将网络划分为四种类型：广播多路访问型（Bｒoadｃａst ｍuｌｔiAｃcess）、非广播多路访问型（Noｎe Brｏａd ｃasｔMｕltiAｃcesｓ，NBＭＡ）、点到点型(Point－to-Ｐoinｔ)、点到多点型(Point-t ｏ-ＭulｔiＰoint)。?广播多路访问型网络如:Ｅthｅrnet、TokeｎＲinｇ、ＦＤDＩ。NＢMA型网络如:Fraｍe Relａｙ、Ｘ.２5、ＳMDS。Poiｎｔ-ｔo-Ｐoinｔ型网络如:P
4. 指派路由器(DR)和备份指派路由器(BDR）?在多路访问网络上可能ＰP、HDLC。?
存在多个路由器,为了避免路由器之间建立完全相邻关系而引起的大量开销,OSPF要求在区域中选举一个DR。每个路由器都与之建立完全相邻关系。DR负责收集所有的链路状态信息,并发布给其他路由器。选举ＤR的同时也选举出一个BDＲ,在DR失效的时候,BDR担负起DR的职责。
点对点型网络不需要DR，因为只存在两个节点，彼此间完全相邻。协议组成ＯＳPＦ协议由Heｌlo协议、交换协议、扩散协议组成。本文仅介绍Hello协议,其他两个协议可参考RFC232８中的具体描述。?当路由器开启一个端口的OSPF路由时,将会从这个端口发出一个Heｌｌｏ报文，以后它也将以一定的间隔周期性地发送Hｅllo报文。OＳＰF路由器
用Heｌlo报文来初始化新的相邻关系以及确认相邻的路由器邻居之间的通信状态。?对广播型网络和非广播型多路访问网络,路由器使用Heｌlo协议选举出一个DR。在广播型网络里，Ｈello报文使用多播地址224.0.0.５周期性广播，并通过这个过程自动发现路由器邻居。在ＮＢMA网络中,DR负责向其他路由器逐一发送Heｌｌｏ报文。?二、协议操作
第一步:建立路由器的邻接关系
所谓“邻接关系”(Ａdｊaceｎｃy）是指OSＰF路由器以交换路由信息为目的，在所选择的相邻路由器之间建立的一种关系。?路由器首先发送拥有自身IＤ信息（Ｌoopbacｋ端口或最大的IＰ地址)的Heｌlo报文。与之相邻的路由器如果收到这个Hellｏ报文，就将这个报文内的ID信息加入到自己的Ｈello报文内。?如果路由器的某端口收到从其他路由器发送的含有自身ＩD信息的Hello报文，则它根据该端口所在网络类型确定是否可以建立邻接关系。
在点对点网络中,路由器将直接和对端路由器建立起邻接关系，并且该路由器将直接进入到第三步操作:发现其他路由器。若为ＭultiAｃcesｓ网络，该路由器将进入选举步骤。第二步：选举DＲ/BDＲ
不同类型的网络选举DR和BDＲ的方式不同。?MultiAccesｓ网络支持多个路由器,在这种状况下,OSPＦ需要建立起作为链路状态和LSA更新的中心节点。选举利用Hｅllｏ报文内的ＩＤ和优先权(Pｒiｏｒｉｔy）字段值来确定。优先权字段值大小从０到2５5,优先权值最高的路由器成为DR。如果优先权值大小一样,则ID值最高的路由器选举为DＲ,优先权值次高的路由器选举为BDR。优先权值和ＩD值都可以直接设置。
第三步:发现路由器
在这个步骤中,路由器与路由器之间首先利用Hello报文的ID信息确认主从关系,然后主从路由器相互交换部分链路状态信息。每个路由器对信息进行分析比较,如果收到的信息有新的内容,路由器将要求对方发送完整的链路状态信息。这个状态完成后，路由器之间建立完全相邻(Full Aｄｊａcencｙ）关系，同时邻接路由器拥有自己独立的、完整的链路状态数据库。?在MuｌtiAcceｓs网络内,DR与BＤR互换信息,并同时与本子网内其他路由器交换链路状态信息。?Pｏint－to-Pｏｉｎｔ或Point-to-MultiＰoint网络中,相邻路由器之间信息。
第四步: 选择适当的路由器?当一个路由器拥有完整独立的链路状态数据库后，它将采用SＰF算法计算并创建路由表。OＳＰＦ路由器依据链路状态数据库的内容，独立地用SPＦ
算法计算出到每一个目的网络的路径,并将路径存入路由表中。?ＯＳＰF利用量度（Cｏst)计算目的路径，Ｃoｓt最小者即为最短路径。在配置OSPF路由器时可根据实际情况,如链路带宽、时延或经济上的费用设置链路Cｏst大小。Cｏst越小，则该链路被选为路由的可能性越大。?第五步:维护路由信息
当链路状态发生变化时，OSPF通过Fｌooding过程通告网络上其他路由器。OＳPF路由器接收到包含有新信息的链路状态更新报文，将更新自己的链路状态数据库，然后用SPF 算法重新计算路由表。在重新计算过程中，路由器继续使用旧路由表,直到ＳPF完成新的路由表计算。新的链路状态信息将发送给其他路由器。值得注意的是,即使链路状态没有发生改变，OＳPF路由信息也会自动更新，默认时间为３0分钟。
OＳＰF路由器之间使用链路状态通告(ＬSA）来交换各自的链路状态信息,并把获得的信息存储在链路状态数据库中。各OＳPF路由器独立使用SPF算法计算到各个目的地址的路由。OＳPF协议支持分层路由方式,这使得它的扩展能力远远超过RIP协议。当OSPＦ网络扩展到１００、50０甚至上千个路由器时,路由器的链路状态数据库将记录成千上万条链路信息。为了使路由器的运行更快速、更经济、占用的资源更少，网络工程师们通常按功能、结构和需要把OSPＦ网络分割成若干个区域，并将这些区域和主干区域根据功能和需要相互连接从而达到分层的目的。
一、OSPF分层路由的思想?ＯSPF把一个大型网络分割成多个小型网络的能力被称为分层路由，这些被分割出来的小型网络就称为“区域”（Aｒｅａ）。由于区域内部路由器仅与同区域的路由器交换LSA信息,这样LSＡ报文数量及链路状态信息库表项都会极大减
少,SPF计算速度因此得到提高。多区域的OSPＦ必须存在一个主干区域，主干区域负责收集非主干区域发出的汇总路由信息,并将这些信息返还给到各区域。?OＳPF区域不能随意划分，应该合理地选择区域边界,使不同区域之间的通信量最小。但在实际应用中区域的划分往往并不是根据通信模式而是根据地理或政治因素来完成的。?二、OSPF中的四种路由器?在ＯＳPF多区域网络中,路由器可以按不同的需要同时成为以下四种路由器中的几种:
1．内部路由器:所有端口在同一区域的路由器，维护一个链路状态数据库。?2.主干
3. 区域边界路由器(ABＲ)：?具有连接多路由器:具有连接主干区域端口的路由器。?
区域端口的路由器，一般作为一个区域的出口。AＢR为每一个所连接的区域建立链路状态数据库,负责将所连接区域的路由摘要信息发送到主干区域,而主干区域上的ＡBＲ则负责将
4. 自治域系统边界路由器(AＳＢR):
这些信息发送到各个区域。?
至少拥有一个连接外部自治域网络(如非OSPＦ的网络)端口的路由器，负责将非ＯSPF网
络信息传入OSPF网络。?三、OSPF链路状态公告类型
OSＰF路由器之间交换链路状态公告(LSＡ)信息。OSPＦ的ＬSA中包含连接的接口、使
用的Metric及其他变量信息。OSPF路由器收集链接状态信息并使用SPＦ算法来计算到各节点的最短路径。ＬSA也有几种不同功能的报文，在这里简单地介绍一下: ?LSA TYPE 1:由每台路由器为所属的区域产生的ＬＳA,描述本区域路由器链路到该区域的状态和代价。一个边界路由器可能产生多个ＬSA TYPＥ1。?ＬＳA TYPE2：由ＤＲ产生,含有连接某个区域路由器的所有链路状态和代价信息。只有DR可以监测该信息。?LSA TYPE ３:由ABＲ产生，含有ABR与本地内部路由器连接信息，可以描述本区域到主干区域的链路
信息。它通常汇总缺省路由而不是传送汇总的OSＰF信息给其他网络。?LSA ＴＹPＥ４：由ABR产生,由主干区域发送到其他AＢR, 含有ＡSBR的链路信息,与LSA ＴYPE 3的区别在于TＹＰE 4描述到OSPF网络的外部路由，而TYPE 3则描述区域内路由。?LSA TYP Ｅ5:由ＡＳBR产生，含有关于自治域外的链路信息。除了存根区域和完全存根区域,LSA ＴYＰE 5在整个网络中发送。?LSＡTYPＥ6：多播OSPF(MOＳF),MＯＳF可以
让路由器利用链路状态数据库的信息构造用于多播报文的多播发布树。
LSA TYＰE 7:由ASBR产生的关于NSSA的信息。ＬＳＡTYPE 7可以转换为LSＡTYPE 5。?四、OＳPF区域类型
前述的四种路由器可以构成五种类型的区域，这五种区域的主要区别在于它们和外部路由器间的关系：
标准区域: 一个标准区域可以接收链路更新信息和路由总结。?主干区域（传递区域):主
干区域是连接各个区域的中心实体。主干区域始终是“区域0”，所有其他的区域都要连接到这个区域上交换路由信息。主干区域拥有标准区域的所有性质。
存根区域:存根区域是不接受自治系统以外的路由信息的区域。如果需要自治系统以外的路由,它使用默认路由0．0.0.0。?完全存根区域:它不接受外部自治系统的路由以及自治
系统内其他区域的路由总结。需要发送到区域外的报文则使用默认路由：0．0.０．0。完
全存根区域是Cｉｓｃo自己定义的。?不完全存根区域（NＳAA)：它类似于存根区域,但是允许接收以LＳA Type7发送的外部路由信息,并且要把ＬSＡＴype ７转换成LSA Tyｐｅ５。
区分不同OSＰF区域类型的关键在于它们对外部路由的处理方式。外部路由由AＳBＲ传入自治系统内,ＡＳBR可以通过ＲIＰ或者其他的路由协议学习到这些路由。?五、报文在OＳPF多区域网络中发送的过程
首先,区域内部的路由器最初使用LSA TYPＥ１或LSA TＹＰE2对本区域内的路径信息进行交换并计算出相应的路由表项。当路由器的链路信息在区域内部路由达到统一后,ABR 才能发送LＳA摘要报文(LSA TYＰE 3或LSA ＴＹPE 4）给其他区域。其他区域路由器可以根据这些摘要信息计算相应到达本区域以外的路由表项。最后，除了存根区域，所有路由器根据ＡSBＲ所发送的LSA ＴYPＥ5计算出到达自治域外的路由表项。?为减少LSA报文，LＳA摘要信息可以通过合理地分配IＰ地址和配置路由摘要提高效率。?在OSＰF多区域网络中，主干区域必须保持全连通状态，即每个其他区域必须直接与主干区域Aｒeａ0有连接才能交换区域间的路由信息。但在实际应用中，因为各种原因很难避免有些区域无法直接与Arｅa0相连，为了解决这个问题，OSPF协议中定义了虚链路的概念使一个连接主干的区域连接第三方区域。在图2中，Areａ４3与Area0的连接就是Lａｂ_C通过虚链路与Lab_B实现的。