OSPF動態路由協議筆記之(二) : 基本原理(下)
本筆記承接上一節，繼續對OSPF報文的報文頭部和報文類型進行詳盡的介紹，接着介紹OSPF建立鄰接關系的過程（即LSDB同步的過程），最后補充上一節筆記中提及的DR和BDR選舉的過程。
OSPF報文類型及作用
（1）OSPF協議報文頭部
RIP路由器之間是基於UDP 520的報文進行通信，OSPF也有其規定的通信標准。OSPF使用IP承載其報文，IP報文頭部協議號為89。
在OSPF Packet部分，所有的OSPF報文均使用相同的OSPF報文頭部。報文頭部各字段含義如下：
① Version（1個字節）：版本。對於當前所使用的OSPFv2，該字段的值為2。
② Type（1個字節）：類型。OSPF報文類型。其值分別代表以下幾種報文類型：
l 1：Hello報文；
l 2：DD報文；
l 3：LSR報文；
l 4：LSU報文；
l 5：LSAck報文。
③ Packet length（2個字節）：數據包長度。表示整個OSPF報文的長度，單位是字節。
④ Router ID（4個字節）：發送該報文的路由器標識。表示生成此報文的路由器的Router ID。
⑤ Area ID（4個字節）：發送該報文的所屬區域。表示此報文需要被通告到的區域。
⑥ Checksum（2個字節）：校驗和。用於校驗報文的完整性，其校驗的范圍是整個OSPF報文，包括OSPF報文頭部。
⑦ Auth Type（2個字節）：驗證類型。
為0時表示不認證；為1時表示簡單的明文密碼認證；為2時表示加密（MD5）認證。
⑧ Authentication（8個字節）：鑒定字段。認證所需的信息，該字段的內容隨AuType（驗證類型）的值不同而不同。
當驗證類型為0時未作定義；類型為1時此字段為密碼信息；類型為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報文后面，不包含在Authenticaiton字段中。
（2）OSPF報文類型
OSPF的報文頭部定義了OSPF路由器之間的通信的標准與規則，基於這個標准OSPF報文需要實現什么功能呢？
Type=1為Hello報文，用來建立和維護鄰居關系，鄰居關系建立之前，路由器之間需要進行參數協商。
Type=2為數據庫描述報文（DD），用來向鄰居路由器描述本地鏈路狀態數據庫，使得鄰居路由器識別出數據庫中的LSA是否完整。
Type=3為鏈路狀態請求報文（LSR），路由器根據鄰居的DD報文，判斷本地數據庫是否完整，如不完整，路由器把這些LSA記錄進鏈路狀態請求列表中，然后發送一個LSR給鄰居路由器。
Type=4為鏈路狀態更新報文（LSU），用於響應鄰居路由器發來的LSR，根據LSR中的請求列表，發送對應LSA給鄰居路由器，真正實現LSA的泛洪與同步。
Type=5為鏈路狀態確認報文（LSAck），用來對收到的LSA進行確認，保證同步過程的可靠性。
DD、LSR、LSU、LSAck與LSA的關系：
DD報文中包含LSA頭部信息，包括LS Type、LS ID、Advertising Router 、LS Sequence Number、LS Checksum。
LSR中包含LS Type 、LS ID和Advertising Router 。
LSU中包含完整的LSA信息。
LSAck中包含LSA頭部信息，包括LS Type、LS ID、Advertising Router、LS Sequence Number、LS Checksum。
五種報文可以高效地完成LSA的同步，那么實際的報文交互過程是什么呢？
（3）OSPF報文功能需求
Hello機制動態發現並維護鄰居前文已介紹，不再贅述。
RIP設置了Request和Response兩種報文來完成路由信息的同步，OSPF路由器之間為了完成LSA的同步，可以直接把本地所有LSA發給鄰居路由器，但是鄰居路由器直接同步LSA並不是最好的方式。
更快速、更高效的方式是先在鄰居路由器之間傳送關鍵信息，路由器基於這些關鍵信息識別出哪些LSA是沒有的、哪些是需要更新的，然后向鄰居路由器請求詳細的LSA內容。對於OSPF來說，需要有比RIP更高效、更可靠的方式來完成路由器之間的信息同步。
OSPF建立鄰接關系
OSPF協議主要分為建立鄰居關系和鄰接關系兩個步驟。在上一節筆記中，已經介紹了OSPF在兩台路由器中進行完兩次Hello報文交互之后，建立鄰居關系的過程，其中經歷從Down狀態到2-way狀態的過程。接下來將會繼續介紹建立鄰接關系的詳細過程。
建立鄰接關系，指在兩台路由器中進行完鏈路狀態數據庫（LSDB）同步之后，建立起來的最終狀態。其中經歷了從ExStart狀態到Full狀態的過程，最終同步顯示的狀態是Full。
建立鄰接關系的狀態含義：
Ⅰ ExStart：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。
Ⅱ Exchange：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
Ⅲ Loading：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。
Ⅳ Full：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。
LSDB同步過程如下：
Step 1：RTA和RTB的Router ID分別為1.1.1.1和2.2.2.2並且二者已建立了鄰居關系，兩者的狀態均為2-way狀態。當RTA的鄰居狀態變為ExStart后，RTA會發送第一個DD報文。
此報文中，DD序列號（Seq）被隨機設置為X，I-bit設置為1，表示這是第一個DD報文，M-bit設置為1，表示后續還有DD報文要發送，MS-bit設置為1，表示RTA宣告自己為Master（主）。
Step 2：當RTB的鄰居狀態變為ExStart后，RTB會發送第一個DD報文。收到該DD報文后，RTA會產生一個Negotiation-Done事件，並將鄰居狀態從ExStart變為Exchange。
此報文中，DD序列號（Seq）被隨機設置為Y（I-bit=1，M-bit=1，MS-bit=1，含義同上）。由於RTB的Router ID較大，所以RTB將成為真正的Master（主）。
Step 3：當RTA的鄰居狀態變為Exchange后，RTA會發送一個新的DD報文，此報文中包含了LSDB的摘要信息，收到此DD報文后，RTB會產生一個Negotiation-Done事件，並將鄰居狀態從ExStart變為Exchange。
此報文中，DD序列號（Seq）設置為RTB在步驟2中使用的序列號Y，I-bit=0，表示這不是第一個DD報文，M-bit=0，表示這是最后一個包含LSDB摘要信息的DD報文，MS-bit=0，表示RTA宣告自己為Slave（從）。
Step 4：當RTB的鄰居狀態變為Exchange后，RTB會發送一個新的DD報文，此報文包含了LSDB的摘要信息。
此報文中，DD序列號（Seq）設置為Y+1, MS-bit=1，表示RTB宣告自己為Master（主）。
Step 5：雖然RTA不需要發送新的包含LSDB摘要信息的DD報文，但是作為Slave，RTA需要對Master發送的每一個DD報文進行確認。所以，RTA向RTB發送一個新的DD報文。發送完此報文后，RTA產生一個Exchange-Done事件，將鄰居狀態變為Loading。
此報文中，DD序列號（Seq）設置為Y+1，該報文內容為空。
Step 6：RTB收到此報文后，假設在RTB的LSDB是最新最全的，不需要向RTA請求更新的情況下，會直接將鄰居狀態變為Full。
LSDB同步過程
當RTA作為Slave（從），當發現從Master（主）路由器發過來的DD報文中，包含了本地LSDB不存在的鏈路狀態信息摘要，那么RTA需要向RTB請求更新。此時過程又是如何呢？
Step 1：RTA開始向RTB發送LSR（Link State Request）報文，請求那些在Exchange狀態下通過DD報文發現的、並且在本地LSDB中沒有的鏈路狀態信息。
Step 2：RTB向RTA發送LSU（Link State Update）報文，LSU報文中包含了那些被請求的鏈路狀態的詳細信息。RTA在完成LSU報文的接收之后，會將鄰居狀態從Loading變為Full。
Step 3：RTA向RTB發送LSAck（Link State Acknowledge）報文，作為對LSU報文的確認。RTB收到LSAck報文后，雙方便建立起了完全的鄰接關系。
OSPF鄰居狀態機
從建立鄰居關系到同步LSDB的過程較為復雜，錯誤的配置或設備鏈路故障都會導致無法完成LSDB同步。為了快速排障，最關鍵的是要理解不同狀態之間切換的觸發原因。
這是形成鄰居關系的過程和相關鄰居狀態的變換過程。
① Down：這是鄰居的初始狀態，表示沒有從鄰居收到任何信息。在NBMA網絡上，此狀態下仍然可以向靜態配置的鄰居發送Hello報文，發送間隔為PollInterval，通常和Router DeadInterval間隔相同。
② Attempt：此狀態只在NBMA網絡上存在，表示沒有收到鄰居的任何信息，但是已經周期性的向鄰居發送報文，發送間隔為HelloInterval。如果Router DeadInterval間隔內未收到鄰居的Hello報文，則轉為Down狀態。
③ Init：在此狀態下，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，表示尚未與鄰居建立雙向通信關系。在此狀態下的鄰居要被包含在自己所發送的Hello報文的鄰居列表中。
④ 2-Way Received：此事件表示路由器發現與鄰居的雙向通信已經開始（發現自己在鄰居發送的Hello報文的鄰居列表中）。Init狀態下產生此事件之后，如果需要和鄰居建立鄰接關系則進入ExStart狀態，開始數據庫同步過程，如果不能與鄰居建立鄰接關系則進入2-Way。
⑤ 2-Way：在此狀態下，雙向通信已經建立，但是沒有與鄰居建立鄰接關系。這是建立鄰接關系以前的最高級狀態。
⑥ 1-Way Received：此事件表示路由器發現自己沒有在鄰居發送Hello報文的鄰居列表中，通常是由於對端鄰居重啟造成的。
⑦ ExStart：這是形成鄰接關系的第一個步驟，鄰居狀態變成此狀態以后，路由器開始向鄰居發送DD報文。主從關系是在此狀態下形成的；初始DD序列號是在此狀態下決定的。在此狀態下發送的DD報文不包含鏈路狀態描述。
⑧ Exchange：此狀態下路由器相互發送包含鏈路狀態信息摘要的DD報文，描述本地LSDB的內容。
⑨ Loading：相互發送LS Request報文請求LSA，發送LS Update通告LSA。
⑩ Full：兩台路由器的LSDB已經同步。
LSA（鏈路狀態信息通告）頭部
LSA（Link State Advertisement）是路由器之間鏈路狀態信息的載體。LSA是LSDB的最小組成單位，也就是說LSDB由一條條LSA構成的。
所有的LSA都擁有相同的頭部，關鍵字段的含義如下：
① LS age（2個字節）：此字段表示LSA已經生存的時間，單位是秒。
② LS type（1個字節）：此字段標識了LSA的格式和功能。常用的LSA類型有五種。
③ Link State ID（4個字節）：此字段是該LSA所描述的那部分鏈路的標識，例如Router ID等。
④ Advertising Router（4個字節）：此字段是產生此LSA的路由器的Router ID。
⑤ LS sequence number（4個字節）：此字段用於檢測舊的和重復的LSA。
LS type，Link State ID和Advertising Router的組合共同標識一條LSA。
LSDB中除了自己生成的LSA，另一部分是從鄰居路由器接收的。鄰居路由器之間相互更新LSA必然需要一個“通道”。
DR與BDR的選舉及作用
在運行OSPF的MA網絡包括廣播型和NBMA網絡，會存在兩個問題：
① 在一個有n個路由器的網絡，會形成(n×(n−1))/2 個鄰接關系。管理復雜。
② 鄰居間LSA的泛洪擴散混亂，相同的LSA會被復制多份。如RTA向其鄰居RTB、RTC、RTD分別發送一份自己的LSA，同樣其他路由器也會分別向網絡內所有鄰居發送一份LSA。重復的LSA泛洪，造成資源浪費。
這樣的工作效率顯然是很低的，消耗資源的。最為高級的路由協議，OSPF是怎樣解決這些問題的呢？
（1）DR和BDR的作用
DR（Designated Router）即指定路由器，其負責在MA網絡建立和維護鄰接關系並負責LSA的同步。
DR與其他所有路由器形成鄰接關系並交換鏈路狀態信息，其他路由器之間不直接交換鏈路狀態信息。這樣就大大減少了MA網絡中的鄰接關系數量及交換鏈路狀態信息消耗的資源。
DR一旦出現故障，其與其他路由器之間的鄰接關系將全部失效，鏈路狀態數據庫也無法同步。此時就需要重新選舉DR，再與非DR路由器建立鄰接關系，完成LSA的同步。為了規避單點故障風險，通過選舉備份指定路由器BDR（Backup Designated Router），在DR失效時快速接管DR的工作。
偽節點是一個虛擬設備節點，其功能需要某台路由器來承載，下面將介紹DR/BDR的選舉規則。
（2）DR和BDR的選舉
選舉規則：DR/BDR的選舉是基於接口的。
Step 1：接口的DR優先級越大越優先。
Step 2：接口的DR優先級相等時，Router ID越大越優先。
Tips：DRother不參與選舉，可通過命令進行指定路由器為DRother。
1、下列哪些選項屬於OSPF報文類型？
A）Hello
B）Database Description
C）Link State Request
D）Link State DD
E）Link State Advertisement
答：ABC
2、OSPF的網絡類型包括（ ）？
答：P2P，P2MP，NBMA，BMA