1.概述

——OSPF路由協(xié)議是一種典型的鏈路狀態(tài)（Link-state）的路由協(xié)議，一般用于同一個路由域內(nèi)。在這里，路由域是指一個自治系統(tǒng)（Autonomous System），即AS，它是指一組通過統(tǒng)一的路由政策或路由協(xié)議互相交換路由信息的網(wǎng)絡(luò)。在這個AS中，所有的OSPF路由器都維護(hù)一個相同的描述這個AS結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫中存放的是路由域中相應(yīng)鏈路的狀態(tài)信息，OSPF路由器正是通過這個數(shù)據(jù)庫計算出其OSPF路由表的。

——作為一種鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，OSPF將鏈路狀態(tài)廣播數(shù)據(jù)包LSA（Link State Advertisement）傳送給在某一區(qū)域內(nèi)的所有路由器，這一點與距離矢量路由協(xié)議不同。運(yùn)行距離矢量路由協(xié)議的路由器是將部分或全部的路由表傳遞給與其相鄰的路由器。

2.數(shù)據(jù)包格式

——在OSPF路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包中，其數(shù)據(jù)包頭長為24個字節(jié)，包含如下8個字段：

* Version number-定義所采用的OSPF路由協(xié)議的版本。
* Type-定義OSPF數(shù)據(jù)包類型。OSPF數(shù)據(jù)包共有五種：
* Hello-用于建立和維護(hù)相鄰的兩個OSPF路由器的關(guān)系，該數(shù)據(jù)包是周期性地發(fā)送的。
* Database Description-用于描述整個數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)包僅在OSPF初始化時發(fā)送。
* Link state request-用于向相鄰的OSPF路由器請求部分或全部的數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)包是在當(dāng)路由器發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)已經(jīng)過期時才發(fā)送的。
* Link state update-這是對link state請求數(shù)據(jù)包的響應(yīng)，即通常所說的LSA數(shù)據(jù)包。
* Link state acknowledgment-是對LSA數(shù)據(jù)包的響應(yīng)。
* Packet length-定義整個數(shù)據(jù)包的長度。
* Router ID-用于描述數(shù)據(jù)包的源地址，以IP地址來表示。
* Area ID-用于區(qū)分OSPF數(shù)據(jù)包屬于的區(qū)域號，所有的OSPF數(shù)據(jù)包都屬于一個特定的OSPF區(qū)域。
* Checksum-校驗位，用于標(biāo)記數(shù)據(jù)包在傳遞時有無誤碼。
* Authentication type-定義OSPF驗證類型。
* Authentication-包含OSPF驗證信息，長為8個字節(jié)。

3.OSPF基本算法

3.1 SPF算法及最短路徑樹

——SPF算法是OSPF路由協(xié)議的基礎(chǔ)。SPF算法有時也被稱為Dijkstra算法，這是因為最短路徑優(yōu)先算法SPF是Dijkstra發(fā)明的。SPF算法將每一個路由器作為根（ROOT）來計算其到每一個目的地路由器的距離，每一個路由器根據(jù)一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫會計算出路由域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)圖類似于一棵樹，在SPF算法中，被稱為最短路徑樹。在OSPF路由協(xié)議中，最短路徑樹的樹干長度，即OSPF路由器至每一個目的地路由器的距離，稱為OSPF的Cost，其算法為：Cost = 100×106/鏈路帶寬

——在這里，鏈路帶寬以bps來表示。也就是說，OSPF的Cost 與鏈路的帶寬成反比，帶寬越高，Cost越小，表示OSPF到目的地的距離越近。舉例來說，F(xiàn)DDI或快速以太網(wǎng)的Cost為1，2M串行鏈路的Cost為48，10M以太網(wǎng)的Cost為10等。

3.2 鏈路狀態(tài)算法

——作為一種典型的鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，OSPF還得遵循鏈路狀態(tài)路由協(xié)議的統(tǒng)一算法。鏈路狀態(tài)的算法非常簡單，在這里將鏈路狀態(tài)算法概括為以下四個步驟：

當(dāng)路由器初始化或當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（例如增減路由器，鏈路狀態(tài)發(fā)生變化等）時，路由器會產(chǎn)生鏈路狀態(tài)廣播數(shù)據(jù)包LSA（Link-State Advertisement），該數(shù)據(jù)包里包含路由器上所有相連鏈路，也即為所有端口的狀態(tài)信息。

所有路由器會通過一種被稱為刷新（Flooding）的方法來交換鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)。Flooding是指路由器將其LSA數(shù)據(jù)包傳送給所有與其相鄰的OSPF路由器，相鄰路由器根據(jù)其接收到的鏈路狀態(tài)信息更新自己的數(shù)據(jù)庫，并將該鏈路狀態(tài)信息轉(zhuǎn)送給與其相鄰的路由器，直至穩(wěn)定的一個過程。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)重新穩(wěn)定下來，也可以說OSPF路由協(xié)議收斂下來時，所有的路由器會根據(jù)其各自的鏈路狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫計算出各自的路由表。該路由表中包含路由器到每一個可到達(dá)目的地的Cost以及到達(dá)該目的地所要轉(zhuǎn)發(fā)的下一個路由器（next-hop）。

第4個步驟實際上是指OSPF路由協(xié)議的一個特性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)比較穩(wěn)定時，網(wǎng)絡(luò)中傳遞的鏈路狀態(tài)信息是比較少的，或者可以說，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時，網(wǎng)絡(luò)中是比較安靜的。這也正是鏈路狀態(tài)路由協(xié)議區(qū)別與距離矢量路由協(xié)議的一大特點。

4.OSPF路由協(xié)議的基本特征

——前文已經(jīng)說明了OSPF路由協(xié)議是一種鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，為了更好地說明OSPF路由協(xié)議的基本特征，我們將OSPF路由協(xié)議與距離矢量路由協(xié)議之一的RIP（Routing Information PRotocol）作一比較，歸納為如下幾點：

——RIP路由協(xié)議中用于表示目的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)近的唯一參數(shù)為跳（HOP），也即到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)所要經(jīng)過的路由器個數(shù)。在RIP路由協(xié)議中，該參數(shù)被限制為最大15，也就是說RIP路由信息最多能傳遞至第16個路由器；對于OSPF路由協(xié)議，路由表中表示目的網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)為Cost，該參數(shù)為一虛擬值，與網(wǎng)絡(luò)中鏈路的帶寬等相關(guān)，也就是說OSPF路由信息不受物理跳數(shù)的限制。并且，OSPF路由協(xié)議還支持TOS（Type of Service）路由，因此，OSPF比較適合應(yīng)用于大型網(wǎng)絡(luò)中。

——RIP路由協(xié)議不支持變長子網(wǎng)屏蔽碼（VLSM），這被認(rèn)為是RIP路由協(xié)議不適用于大型網(wǎng)絡(luò)的又一重要原因。采用變長子網(wǎng)屏蔽碼可以在最大限度上節(jié)約IP地址。OSPF路由協(xié)議對VLSM有良好的支持性。

——RIP路由協(xié)議路由收斂較慢。RIP路由協(xié)議周期性地將整個路由表作為路由信息廣播至網(wǎng)絡(luò)中，該廣播周期為30秒。在一個較為大型的網(wǎng)絡(luò)中，RIP協(xié)議會產(chǎn)生很大的廣播信息，占用較多的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源；并且由于RIP協(xié)議30秒的廣播周期，影響了RIP路由協(xié)議的收斂，甚至出現(xiàn)不收斂的現(xiàn)象。而OSPF是一種鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定時，網(wǎng)絡(luò)中的路由信息是比較少的，并且其廣播也不是周期性的，因此OSPF路由協(xié)議即使是在大型網(wǎng)絡(luò)中也能夠較快地收斂。

——在RIP協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)是一個平面的概念，并無區(qū)域及邊界等的定義。隨著無級路由CIDR概念的出現(xiàn)，RIP協(xié)議就明顯落伍了。在OSPF路由協(xié)議中，一個網(wǎng)絡(luò)，或者說是一個路由域可以劃分為很多個區(qū)域area，每一個區(qū)域通過OSPF邊界路由器相連，區(qū)域間可以通過路由總結(jié)（Summary）來減少路由信息，減小路由表，提高路由器的運(yùn)算速度。

——OSPF路由協(xié)議支持路由驗證，只有互相通過路由驗證的路由器之間才能交換路由信息。并且OSPF可以對不同的區(qū)域定義不同的驗證方式，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。

——OSPF路由協(xié)議對負(fù)載分擔(dān)的支持性能較好。OSPF路由協(xié)議支持多條Cost相同的鏈路上的負(fù)載分擔(dān)，目前一些廠家的路由器支持6條鏈路的負(fù)載分擔(dān)。

5.區(qū)域及域間路由

——前文已經(jīng)提到過，在OSPF路由協(xié)議的定義中，可以將一個路由域或者一個自治系統(tǒng)AS劃分為幾個區(qū)域。在OSPF中，由按照一定的OSPF路由法則組合在一起的一組網(wǎng)絡(luò)或路由器的集合稱為區(qū)域（AREA）。

——在OSPF路由協(xié)議中，每一個區(qū)域中的路由器都按照該區(qū)域中定義的鏈路狀態(tài)算法來計算網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這意味著每一個區(qū)域都有著該區(qū)域獨立的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。對于每一個區(qū)域，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在區(qū)域外是不可見的，同樣，在每一個區(qū)域中的路由器對其域外的其余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也不了解。這意味著OSPF路由域中的網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)廣播被區(qū)域的邊界擋住了，這樣做有利于減少網(wǎng)絡(luò)中鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)包在全網(wǎng)范圍內(nèi)的廣播，也是OSPF將其路由域或一個AS劃分成很多個區(qū)域的重要原因。

——隨著區(qū)域概念的引入，意味著不再是在同一個AS內(nèi)的所有路由器都有一個相同的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，而是路由器具有與其相連的每一個區(qū)域的鏈路狀態(tài)信息，即該區(qū)域的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，當(dāng)一個路由器與多個區(qū)域相連時，我們稱之為區(qū)域邊界路由器。一個區(qū)域邊界路由器有自身相連的所有區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。在同一個區(qū)域中的兩個路由器有著對該區(qū)域相同的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。

——我們可以根據(jù)IP數(shù)據(jù)包的目的地地址及源地址將OSPF路由域中的路由分成兩類，當(dāng)目的地與源地址處于同一個區(qū)域中時，稱為區(qū)域內(nèi)路由，當(dāng)目的地與源地址處于不同的區(qū)域甚至處于不同的AS時，我們稱之為域間路由。

OSPF的骨干區(qū)域及虛擬鏈路（Virtual-link）

——在OSPF路由協(xié)議中存在一個骨干區(qū)域（Backbone），該區(qū)域包括屬于這個區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的路由器，骨干區(qū)域必須是連續(xù)的，同時也要求其余區(qū)域必須與骨干區(qū)域直接相連。骨干區(qū)域一般為區(qū)域0，其主要工作是在其余區(qū)域間傳遞路由信息。所有的區(qū)域，包括骨干區(qū)域之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)情況是互不可見的，當(dāng)一個區(qū)域的路由信息對外廣播時，其路由信息是先傳遞至區(qū)域0(骨干區(qū)域)，再由區(qū)域0將該路由信息向其余區(qū)域作廣播。

——在實際網(wǎng)絡(luò)中，可能會存在backbone不連續(xù)的或者某一個區(qū)域與骨干區(qū)域物理不相連的情況，在這兩種情況下，系統(tǒng)治理員可以通過設(shè)置虛擬鏈路的方法來解決。

——虛擬鏈路是設(shè)置在兩個路由器之間，這兩個路由器都有一個端口與同一個非骨干區(qū)域相連。虛擬鏈路被認(rèn)為是屬于骨干區(qū)域的，在OSPF路由協(xié)議看來，虛擬鏈路兩端的兩個路由器被一個點對點的鏈路連在一起。在OSPF路由協(xié)議中，通過虛擬鏈路的路由信息是作為域內(nèi)路由來看待的。下面我們分兩種情況來說明虛擬鏈路在OSPF路由協(xié)議中的作用。

1.當(dāng)一個區(qū)域與area0沒有物理鏈路相連時

——前文已經(jīng)提到，一個骨干區(qū)域Area 0必須位于所有區(qū)域的中心，其余所有區(qū)域必須與骨干區(qū)域直接相連。但是，也存在一個區(qū)域無法與骨干區(qū)域建立物理鏈路的可能性，在這種情況下，我們可以采用虛擬鏈路。虛擬鏈路使該區(qū)域與骨干區(qū)域間建立一個邏輯聯(lián)接點，該虛擬鏈路必須建立在兩個區(qū)域邊界路由器之間，并且其中一個區(qū)域邊界路由器必須屬于骨干區(qū)域。

——在上面所示的例子中，區(qū)域1與區(qū)域0并無物理相連鏈路，我們可以在路由器A及路由器B之間建立虛擬鏈路，這樣，將區(qū)域2作為一個穿透網(wǎng)絡(luò)（Transit-network），路由器B作為接入點，區(qū)域1就與區(qū)域0建立了邏輯聯(lián)接。

2.當(dāng)骨干區(qū)域不連續(xù)時

——OSPF路由協(xié)議要求骨干區(qū)域area0必須是連續(xù)的，但是，骨干區(qū)域也會出現(xiàn)不連續(xù)的情況，例如，當(dāng)我們想把兩個OSPF路由域混合到一起，并且想要使用一個骨干區(qū)域時，或者當(dāng)某些路由器出現(xiàn)故障引起骨干區(qū)域不連續(xù)的情況，在這些情況下，我們可以采用虛擬鏈路將兩個不連續(xù)的區(qū)域0連接到一起。這時，虛擬鏈路的兩端必須是兩個區(qū)域0的邊界路由器，并且這兩個路由器必須都有處于同一個區(qū)域的端口。

——在上面的例子中，穿過區(qū)域1的虛擬鏈路將兩個分為兩半的骨干區(qū)域連接到一起，路由器A與B之間的路由信息作為OSPF域內(nèi)路由來處理。

——另外，當(dāng)一個非骨干區(qū)域的區(qū)域分裂成兩半時，不能采用虛擬鏈路的方法來解決。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時，分裂出的其中一個區(qū)域?qū)⒈黄溆嗟膮^(qū)域作為域間路由來處理。 殘域（Stub area）

——在OSPF路由協(xié)議的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中，可以包括AS外部鏈路狀態(tài)信息，這些信息會通過flooding傳遞到AS內(nèi)的所有OSPF路由器上。但是，在OSPF路由協(xié)議中存在這樣一種區(qū)域，我們把它稱為殘域（stub area），AS外部信息不答應(yīng)廣播進(jìn)/出這個區(qū)域。對于殘域來說，訪問AS外部的數(shù)據(jù)只能根據(jù)默認(rèn)路由（default-route）來尋址。這樣做有利于減小殘域內(nèi)部路由器上的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的大小及存儲器的使用，提高路由器計算路由表的速度。

——當(dāng)一個OSPF的區(qū)域只存在一個區(qū)域出口點時，我們可以將該區(qū)域配置成一個殘域，在這時，該區(qū)域的邊界路由器會對域內(nèi)廣播默認(rèn)路由信息。需要注重的是，一個殘域中的所有路由器都必須知道自身屬于該殘域，否則殘域的設(shè)置沒有作用。另外，針對殘域還有兩點需要注重：一是殘域中不答應(yīng)存在虛擬鏈路；二是殘域中不答應(yīng)存在AS邊界路由器。

6.OSPF協(xié)議路由器及鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)包分類

6.1 OSPF路由器分類

——當(dāng)一個AS劃分成幾個OSPF區(qū)域時，根據(jù)一個路由器在相應(yīng)的區(qū)域之內(nèi)的作用，可以將OSPF路由器作如下分類：

——內(nèi)部路由器：當(dāng)一個OSPF路由器上所有直聯(lián)的鏈路都處于同一個區(qū)域時，我們稱這種路由器為內(nèi)部路由器。內(nèi)部路由器上僅僅運(yùn)行其所屬區(qū)域的OSPF運(yùn)算法則。

——區(qū)域邊界路由器：當(dāng)一個路由器與多個區(qū)域相連時，我們稱之為區(qū)域邊界路由器。區(qū)域邊界路由器運(yùn)行與其相連的所有區(qū)域定義的OSPF運(yùn)算法則，具有相連的每一個區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并且了解如何將該區(qū)域的鏈路狀態(tài)信息廣播至骨干區(qū)域，再由骨干區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)至其余區(qū)域。

——AS邊界路由器：AS邊界路由器是與AS外部的路由器互相交換路由信息的OSPF路由器，該路由器在AS內(nèi)部廣播其所得到的AS外部路由信息；這樣AS內(nèi)部的所有路由器都知道至AS邊界路由器的路由信息。AS邊界路由器的定義是與前面幾種路由器的定義相獨立的，一個AS邊界路由器可以是一個區(qū)域內(nèi)部路由器或是一個區(qū)域邊界路由器。