一劍開天門系列-OSPF協商過程

上篇講到OSPF協議基礎，簡單總結為 “三表五包七狀態”；今天我們來談談OSPF協商過程；OSPF協商過程還是圍繞OSPF五種數據包和七種狀態來細化展開。
<blockquote>狀態與包分解
</blockquote>
 在中，提到OSPF協議五個包，分別是Hello、DBD、LSR、LSU、LSAck；下面將分析協商過程中七狀態如何結合五個包進行整個OSPF建立的協商交互過程。
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如上圖所示，OSPF啟動開始使用Hello報文確定相互連接的鄰居是否可以通信，如下圖：
<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-92c24e92df0b1438.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":37991,"height":705,"width":1080}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
</div>PS：OSPF的選路，是通過SPF算法計算出來的，而計算就有個計算方法，具體的計算方法后面張開說明，這里需要說明的是根據鏈路的開銷值(Cost)和協議的優先級來選擇路由路徑的。
關于帶寬參考值說明：路由選擇最優路徑是根據開銷值在選擇，默認是根據接口鏈路帶寬來計算的(可手動設置cost值)，如OSPF有個默認帶寬參考值100Mbps，而如果實際鏈路是1G，那么Cost值就是1，計算公式為：接口cost=帶寬參考值/接口帶寬，取計算結果的整數部分作為接口cost值，cost越小越優先。在這里可以修改鏈路帶寬參考值，現在企業內部網絡帶寬最少也是千兆鏈路，可修改帶寬為10000Mbps為帶寬參考值，如果是千兆鏈路cost值就是10，萬兆鏈路就是1。

OSPF支持的網絡類型<ol><li>P2P--點到點網絡</li><li>P2MP--點到多點網絡</li><li>MA--廣播多路訪問網絡</li><li>NBMA--非廣播多路訪問網絡</li></ol>
詳細請了解該文章：OSPF支持的網絡類型


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上圖所示，OSPF 協議啟動后，先尋找網絡中的鄰居（ Neighbor ），也就是通過 Hello 報文確認可以雙向通信，Hello報文交換，確定鄰居關系。Down 失效狀態：這是鄰居的初始狀態，表示路由器還沒有從鄰居收到任何信息。<ol><li>停滯于此狀態表明路由器沒有從鄰居處接收到Hello報文。</li></ol>
Attempt 嘗試狀態：此狀態只在NBMA網絡上存在，表示路由器沒有收到鄰居的任何信息，但是已經周期性地向鄰居發送了Hello報文；如果在Router Dead Interval的時間間隔內未收到鄰居的Hello報文，則轉為Down狀態。<ol><li>停滯于此狀態表明路由器向已配置的鄰居發送了單播Hello報文，但沒有收到該鄰居的Hello報文。</li></ol>
Init 初始狀態：表示路由器已經從鄰居收到了Hello報文，但是自己不在所收到的Hello報文的鄰居列表中。這說明自己尚未與鄰居建立起雙向通信關系。<ol><li>停滯于此狀態表明路由器收到了鄰居的Hello報文，但Hello報文中沒有包含接收路由器的OSPF RID（Router ID）。</li></ol>
前面三個階段都是Hello報文的交互作用：下面簡單說下Hello報文結構和作用

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字段長度含義Network Mask32比特發送Hello報文的接口所在網絡的掩碼。HelloInterval16比特發送Hello報文的時間間隔。Options8比特可選項：<ol><li>E：允許FloodAS-External-LSAs</li><li>MC：轉發IP組播報文</li><li>N/P：處理Type-7 LSAs</li><li>DC：處理按需鏈路</li></ol>Rtr Pri8比特DR優先級。默認為1。如果設置為0，則路由器不能參與DR或BDR的選舉。RouterDeadInterval32比特失效時間。如果在此時間內未收到鄰居發來的Hello報文，則認為鄰居失效。Designated Router32比特MA網絡中DR的接口地址。若不存在則為0.0.0.0Backup Designated Router32比特MA網絡中BDR的接口地址。若不存在則為0.0.0.0Neighbor32比特鄰居，以Router ID標識。
2-Way 雙向通信狀態：表示路由器與鄰居的雙向通信關系已經建立（即已經建立起了鄰居關系），但是尚未建立起鄰接關系。<ol><li>停滯于此狀態表明路由器彼此都收到了對方的Hello報文，并且都從Hello報文中發現了自己的OSPF RID。對于以太網鏈路上的非DR/BDR路由器來說，這種狀態是可以接受的。</li></ol>
可以查看下wireshark抓包下的Hello報文：
<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-8d33d1ef93c75151.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":82797,"height":626,"width":1058}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
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綜上原理可得Hello報文作用：用于發現鄰居和維護鄰居關系

PS：在MA網絡中，鄰居狀態在 2-Way 后，會進行 DR 和 BDR 選舉。什么是MA網絡？MA 網絡，即多路訪問網絡，是在同一個共享介質中連接多個設備的網絡。網絡中的任意兩臺設備都能直接進行二層通信。MA 網絡有兩種，一種是 BMA 網絡，即廣播型多路訪問網絡，比如以太網，典型場景就是一臺以太網交換機連接著多臺路由器，如果有一個廣播數據發出來，整個網絡中的路由器都能收到。另一種是 NBMA 網絡，即非廣播型多路訪問網絡，比如幀中繼，只是幀中繼不支持廣播。
在 MA 網絡中，n 臺路由器都兩兩建立鄰接關系，那么就有 n(n-1)/2 個鄰接關系，會消耗大量的路由器資源，增加網絡中 LSA 的泛洪數量。為了優化鄰接關系數量，減少不必要的協議流量，OSPF 會在每一個 MA 網絡中選舉一個 DR（指定路由器）和一個 BDR（備用指定路由器）。
既不是 DR 也不是 BDR 的路由器叫做 DROther ，MA網絡中所有 DROther 只和 DR 及 BDR 建立 OSPF 鄰接關系，BDR 也和 DR 建立鄰接關系，DROther 之間只停留在 2-Way 狀態。這樣，就有 2(n-2)+1 個鄰接關系，數量得到優化。
<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-bc17f2f980d7cf2e.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":68746,"height":1155,"width":667}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
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DR 會偵聽網絡中的拓撲變化信息，并將變更信息通知給其它路由器。BDR 會監控 DR 狀態，當 DR 發生故障時就接替它的工作。
DR 、BDR 的選舉通過 Hello 報文實現，發生在 2-Way 狀態之后。Hello 報文有路由器接口的 DR 優先級，取值范圍是 0 ~ 255 ，默認值為 1 ，DR 優先級為 0 的接口沒有 DR 和 BDR 的選舉資格。
當接口激活 OSPF 后，它會查看網絡中是否存在 DR ，如果有就使用已經存在的 DR ，也就是 DR 不可搶占，否則選擇最高優先級的路由器成為 DR ，當優先級相等時，選擇 Router-ID 最大的路由器成為 DR 。之后還會進行 BDR 的選舉，選舉過程與 DR 類似。
需要注意的是，DR 和 BDR 是一個接口級別的概念。某臺路由器是 DR ，這種說法不準確，嚴謹的說法是：某臺路由器的某個接口在這個 MA 網絡中是 DR 。<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-31a5e53f1dc42269.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":26770,"height":291,"width":789}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
</div>
在一個 MA 網絡中，DR 要確保網絡中的所有路由器有相同的 LSDB ，也就是確保 LSDB 同步。DR 使用組播地址 224.0.0.5 向網絡中發送 LSU 報文，所有 OSPF 路由器都會偵聽這個組播地址，并同步自己的 LSDB 。而 DROther 感知到拓撲變化時，向 224.0.0.6 發送 LSU 報文通告這個變化，DR 和 BDR 會偵聽這個組播地址。
鄰居已經發現，接下來就是ExStart和Exchange的過程，也就是鏈路狀態信息傳遞過程，在這個過程，鄰居之間交互DD報文。
ExStart 信息交換初始狀態：鄰居狀態變成此狀態以后，路由器開始向鄰居發送DD報文。Master/Slave關系是在此狀態下形成的，初始DD序列號也是在此狀態下確定的。在此狀態下發送的DD報文不包含鏈路狀態描述。<ol><li>停滯于此狀態表明鄰居路由器之間的MTU不匹配或OSPF RID重復。</li></ol>
DD報文的主從選擇
<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-247ed18778b5d495.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":27396,"height":439,"width":601}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
</div>
Exchange 信息交換狀態：在此狀態下，路由器與鄰居之間相互發送包含鏈路狀態信息摘要的DD報文。<ol><li>停滯于此狀態表明鄰居路由器之間的MTU不匹配。</li></ol>
路由器進入 Exchange 狀態，向鄰居發送描述自己 LSDB 的 DD 報文，DD 報文中包含 LSA 頭部。DD 報文逐個發送，每個報文中都有 DD 序列號，DD 序列號由 Master 路由器決定，序列號在 DD 報文的交互過程中遞增，確保交互過程的有序性和可靠性。
DD 報文用于描述 LSDB ，攜帶 LSDB 中 LSA 的頭部數據，而非完整的 LSA 內容。在路由器鄰接關系的建立過程中，先用空的 DD 報文協商 Master/Slave ，然后用 DD 報文描述各自的 LSDB ，這種 DD 報文包含 LSDB 里的 LSA 頭部。路由器可以使用多個 DD 報文來描述 LSDB ，為了保證 DD 報文傳輸的順序和可靠，Master 路由器使用序列號字段遞增的方式，主導整個 LSDB 描述過程。
<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-fd13763d872e35a0.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":37429,"height":759,"width":619}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
</div>
DD報文結構：<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-5af972213add1dde.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":45987,"height":362,"width":816}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
</div>
<ol><li>Interface MTU：16位，此接口最大可發出IP報文的長度，華為默認不填充為0。</li><li>Options：含義同OSPF報文頭一致。</li><li>I位：1位，當連續發送多個DD報文時，是第一個DD報文時為1，否則為0。</li><li>M位：1位，當連續發送多個DD報文時，后續沒有LSA頭要傳時，則為0。</li><li>M/S位：1位，當兩臺路由器交換DD報文需選舉主從，RouterID大的為主，當值位1則為Master。</li><li>DDS equence Number：32位，DD報文序列號，主從交互DD利用序列號保證DD報文傳輸的可靠性和穩定性。</li><li>LSA Headers：本地LSDB的頭部信息。</li></ol>
DD報文抓包
<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-dc2a39bae460e744.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":43168,"height":458,"width":1080}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
</div>DD報文作用：用來描述本地LSDB的摘要信息,用于同步數據庫
Loading 信息加載狀態：在此狀態下，路由器與鄰居之間相互發送LSR報文、LSU報文、LSAck報文。<ol><li>停滯于此狀態表明可能存在硬件故障或硬件故障或MTU不匹配。</li></ol>
接下來，路由器進入 Loading 狀態，路由器向鄰居發送 LSR 請求 LSA 的完整信息。鄰居使用 LSU 進行回應，LSU 報文里有 LSA 的完整信息。在收到 LSU 報文后，路由器需要發送 LSAck 對 LSA 進行確認。
LSR報文格式：用于向鄰居請求完整的LSA。{注意：只會請求自己沒有的LSA}
<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-e6863feffff6e632.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":43344,"height":383,"width":775}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
</div>
<ol><li>LS type：32位，LSA的類型</li><li>Link State ID：32位，根據LSA中的LSA Type和LSA Description在路由域中描述一個LSA。</li><li>Advertising Router：32位，產生此LSA的路由器Router ID。</li></ol>
LSA常見的類型：type-1=Router LSAtype-2=Network LSAtype-3=Network Summary LSAtype-4=ASBR Summary LSAtype-5=AS External LSAtype-6=Group Membership LSAtype-7=NSSA LSA
日常使用的有1、2、3、4、5、7后續文章講詳細講解LSA

<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-b1a96bc7899c850d.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":97542,"height":674,"width":896}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
</div>
LSU報文格式：LSU報文包含的是完整的LSA信息，用于回復LSR報文。并且當路由器感知到網絡發生變化時也會泛洪LSU。PS：注意：非DR/BDR路由器的LSU報文是發送給224.0.0.6地址的，而DR收到這個報文后又會把它發送給224.0.0.5[所有的OSPF路由器]。這樣就大大的減少的網絡開支，有利于網絡的優化。<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-2cae20d41fe6ffc1.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":38363,"height":316,"width":750}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
</div>
<ol><li>Number of LSAs：32位，表示此Update中包含的LSA數量。</li><li>LSAs：多個完整的LSA內容。</li></ol>

<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-7cb2698ce9496cdd.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":145097,"height":844,"width":906}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
</div>
LSAck報文格式：鏈路狀態確認報文，用于確認LSU報文；為了保障每條LSA可達，需要LSAck來對每天收到的LSA進行確認。<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-56f90924e1809dc5.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":34619,"height":285,"width":763}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
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LSA Headers：LSA頭列表，OSPF通過LSA頭對完整的LSA做確認，一份LSA可以對多份LSU中的LSA做確認。
<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-2b1a2daa04935da7.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":84850,"height":816,"width":1030}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
</div>
Full 完全鄰接狀態：表示LSDB同步過程完成，路由器與鄰居之間形成了完全的鄰接關系。
整個狀態變化的報文交互情況：
<div class="image-package"><img src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/2084007-82bc56e7cdf31e7c.jpeg" img-data="{"format":"jpeg","size":65066,"height":742,"width":739}" class="uploaded-img" style="min-height:200px;min-width:200px;" width="auto" height="auto"/>
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