OSPF协议是怎么工作的？怎么把路由计算出来的？我相信这是学习路由协议的同学经常会思考的问题。那么今天我们就来一起学习一下，OSPF协议的工作原理以及基本的概念。
一、OSPF概述
1、OSPF是典型的链路状态路由协议，是目前业内使用非常广泛的IGP协议之一。
2、目前针对IPv4协议使用的是OSPF Version 2（RFC2328）；针对IPv6协议使用OSPF Version 3（RFC2740）。如无特殊说明本章后续所指的OSPF均为OSPF Version 2。
3、运行OSPF路由器之间交互的是LS（Link State，链路状态）信息，而不是直接交互路由。LS信息是OSPF能够正常进行拓扑及路由计算的关键信息。
4、OSPF路由器将网络中的LS信息收集起来，存储在LSDB中。路由器都清楚区域内的网络拓扑结构，这有助于路由器计算无环路径。
5、每台OSPF路由器都采用SPF算法计算达到目的地的最短路径。路由器依据这些路径形成路由加载到路由表中。
6、OSPF支持VLSM（Variable Length Subnet Mask，可变长子网掩码），支持手工路由汇总。
7、多区域的设计使得OSPF能够支持更大规模的网络。
二、基本概念
1、OSPF区域
①OSPF Area用于标识一个OSPF的区域。
②区域是从逻辑上将设备划分为不同的组，每个组用区域号（Area ID）来标识。
2、Router-ID
①Router-ID（Router Identifier，路由器标识符），用于在一个OSPF域中唯一地标识一台路由器。
②Router-ID的设定可以通过手工配置的方式，或使用系统自动配置的方式。
③在实际项目中，通常会通过手工配置方式为设备指定OSPF Router-ID。请注意必须保证在OSPF域中任意两台设备的Router-ID都不相同。通常的做法是将Router-ID配置为与该设备某个接口（通常为Loopback接口）的IP地址一致。
3、OSPF区域
①OSPF Area用于标识一个OSPF的区域。
②区域是从逻辑上将设备划分为不同的组，每个组用区域号（Area ID）来标识。
③OSPF的区域ID是一个32bit的非负整数，按点分十进制的形式（与IPv4地址的格式一样）呈现，例如Area0.0.0.1。为了简便起见，我们也会采用十进制的形式来表示。
4、cost值
一条OSPF路由的Cost值可以理解为是从目的网段到本路由器沿途所有入接口的Cost值累加。
OSPF使用Cost（开销）作为路由的度量值。每一个激活了OSPF的接口都会维护一个接口Cost值，缺省时接口Cost值=。其中100 为OSPF指定的缺省参考值，该参考值值是可配置的。也可以通过手工命令的方式配置接口的COST值，手工配置接口COST值由于系统自动计算的值。
5、五种类型的协议报文
6、三大表项
OSPF有三张重要的表项，OSPF邻居表、LSDB表和OSPF路由表。
①OSPF的邻居表：
OSPF在传递链路状态信息之前，需先建立OSPF邻居关系。
OSPF的邻居关系通过交互Hello报文建立。
OSPF邻居表显示了OSPF路由器之间的邻居状态，使用display ospf peer查看。
②OSPF的LSDB表：
LSDB会保存自己产生的及从邻居收到的LSA信息，本例中R1的LSDB包含了三条LSA。
Type标识LSA的类型，AdvRouter标识发送LSA的路由器。
使用命令行display ospf lsdb查看LSDB表。
③OSPF的路由表：
OSPF路由表和路由器路由表是两张不同的表项。本例中OSPF路由表有三条路由。
OSPF路由表包含Destination、cost和NextHop等指导转发的信息。使用命令display ospf routing查看OSPF路由表。
7、DR/BDR
①为优化MA网络中OSPF邻接关系，OSPF指定了三种OSPF路由器身份，DR（Designated Router，指定路由器）、BDR（Backup Designated Router，备用指定路由器）和DRother路由器。
②只允许DR、BDR与其他OSPF路由器建立邻接关系。DRother之间建立邻居关系，双方停滞在2-way状态。
③BDR会监控DR的状态，并在当前DR发生故障时接替其角色。
④选举规则：OSPF DR优先级更高的接口成为该MA的DR，如果优先级相等（默认为1），则具有更高的OSPF Router-ID的路由器（的接口）被选举成DR，并且DR具有非抢占性。
8、OSPF网络类型
9、OSPF邻居状态机
Down：这是邻居的初始状态，表示没有从邻居收到任何信息。在NBMA网络上，此状态下仍然可以向静态配置的邻居发送Hello报文，发送间隔为PollInterval，通常和Router DeadInterval间隔相同。
Attempt：此状态只在NBMA网络上存在，表示没有收到邻居的任何信息，但是已经周期性的向邻居发送报文，发送间隔为HelloInterval。如果Router DeadInterval间隔内未收到邻居的Hello报文，则转为Down状态。
Init：在此状态下，路由器已经从邻居收到了Hello报文，但是自己不在所收到的Hello报文的邻居列表中，表示尚未与邻居建立双向通信关系。在此状态下的邻居要被包含在自己所发送的Hello报文的邻居列表中。
2-Way Received：此事件表示路由器发现与邻居的双向通信已经开始（发现自己在邻居发送的Hello报文的邻居列表中）。Init状态下产生此事件之后，如果需要和邻居建立邻接关系则进入ExStart状态，开始数据库同步过程，如果不能与邻居建立邻接关系则进入2-Way。
2-Way：在此状态下，双向通信已经建立，但是没有与邻居建立邻接关系。这是建立邻接关系以前的最高级状态。
1-Way Received：此事件表示路由器发现自己没有在邻居发送Hello报文的邻居列表中，通常是由于对端邻居重启造成的。
ExStart：这是形成邻接关系的第一个步骤，邻居状态变成此状态以后，路由器开始向邻居发送DD报文。主从关系是在此状态下形成的；初始DD序列号是在此状态下决定的。在此状态下发送的DD报文不包含链路状态描述。
Exchange：此状态下路由器相互发送包含链路状态信息摘要的DD报文，描述本地LSDB的内容。
Loading：相互发送LS Request报文请求LSA，发送LS Update通告LSA。
Full：两台路由器的LSDB已经同步。
10、LSA
LSA是OSPF进行路由计算的关键依据。常见的LSA类型有：
三、OSPF工作过程
OSPF工作过程主要分为三步：邻居发现，建立邻接关系、同步LSDB，优选路径计算、OSPF路由计算。
1、邻居发现
OSPF路由器启动后，便会通过OSPF接口向外发送Hello报文用于发现邻居。收到Hello报文的OSPF路由器会检查报文中所定义的一些参数，如果双方的参数一致，就会彼此形成邻居关系，状态到达2-way 即可称为建立了邻居关系。
Hello报文用来发现和维持OSPF邻居关系。
Hello报文的作用：
邻居发现：自动发现邻居路由器。
邻居建立：完成Hello报文中的参数协商，建立邻居关系。
邻居保持：通过Keepalive机制，检测邻居运行状态。
邻居建立过程如下：
①RTA和RTB的Router ID分别为1.1.1.1和2.2.2.2。当RTA启动OSPF后，RTA会发送第一个Hello报文。此报文中邻居列表为空，此时状态为Down，RTB收到RTA的这个Hello报文，状态置为Init。
②RTB发送Hello报文，此报文中邻居列表为空，RTA收到RTB的Hello报文，状态置为Init。
③RTB向RTA发送邻居列表为1.1.1.1的Hello报文，RTA在收到的Hello报文邻居列表中发现自己的Router ID，状态置为2-way。
④RTA向RTB发送邻居列表为2.2.2.2的Hello报文，RTB在收到的Hello报文邻居列表中发现自己的Router ID，状态置为2-way。
因为邻居都是未知的，所以Hello报文的目的IP地址不是某个特定的单播地址。邻居从无到有，OSPF采用组播的形式发送Hello报文（目的地址224.0.0.5）。
对于不支持组播的网络可以通过手动配置实现邻居的发现与维护。
2、建立邻接关系、同步LSDB
形成邻居关系的双方不一定都能形成邻接关系，这要根据网络类型而定。
如果两台邻居路由器之间的网络类型是P2P网络或P2MP网络，则这两台邻居路由器直接进入LSDB同步的过程；如果两台邻居路由器之间的网络类型是broadcast网络或NBMA网络，则选举DR与BDR，然后DR与BDR之间、DRothers与DR之间、DRothers与BDR之间的LSDB同步的过程。
当双方成功交换DD报文，并同步LSDB后，才形成真正意义上的邻接关系。
LSDB同步过程如下：
①RTA和RTB的Router ID分别为1.1.1.1和2.2.2.2并且二者已建立了邻居关系。当RTA的邻居状态变为ExStart后，RTA会发送第一个DD报文。此报文中，DD序列号被随机设置为X，I-bit设置为1，表示这是第一个DD报文，M-bit设置为1，表示后续还有DD报文要发送，MS-bit设置为1，表示RTA宣告自己为Master。
②当RTB的邻居状态变为ExStart后，RTB会发送第一个DD报文。此报文中，DD序列号被随机设置为Y（I-bit=1，M-bit=1，MS-bit=1，含义同上）。由于RTB的Router ID较大，所以RTB将成为真正的Master。收到此报文后，RTA会产生一个Negotiation-Done事件，并将邻居状态从ExStart变为Exchange。
③当RTA的邻居状态变为Exchange后，RTA会发送一个新的DD报文，此报文中包含了LSDB的摘要信息，序列号设置为RTB在步骤2中使用的序列号Y，I-bit=0，表示这不是第一个DD报文，M-bit=0，表示这是最后一个包含LSDB摘要信息的DD报文，MS-bit=0，表示RTA宣告自己为Slave。收到此报文后，RTB会产生一个Negotiation-Done事件，并将邻居状态从ExStart变为Exchange。
④当RTB的邻居状态变为Exchange后，RTB会发送一个新的DD报文，此报文包含了LSDB的摘要信息，DD序列号设置为Y+1, MS-bit=1，表示RTB宣告自己为Master。
⑤虽然RTA不需要发送新的包含LSDB摘要信息的DD报文，但是作为Slave，RTA需要对Master发送的每一个DD报文进行确认。所以，RTA向RTB发送一个新的DD报文，序列号为Y+1，该报文内容为空。发送完此报文后，RTA产生一个Exchange-Done事件，将邻居状态变为Loading。RTB收到此报文后，会将邻居状态变为Full（假设RTB的LSDB是最新最全的，不需要向RTA请求更新）。
⑥RTA开始向RTB发送LSR报文，请求那些在Exchange状态下通过DD报文发现的、并且在本地LSDB中没有的链路状态信息。
⑦RTB向RTA发送LSU报文，LSU报文中包含了那些被请求的链路状态的详细信息。RTA在完成LSU报文的接收之后，会将邻居状态从Loading变为Full。
⑧RTA向RTB发送LSAck报文，作为对LSU报文的确认。RTB收到LSAck报文后，双方便建立起了完全的邻接关系。
3、优选路径计算与OSPF路由计算
同一区域内的OSPF路由器拥有完全一致的LSDB，在区域内部，OSPF采用SPF算法完成路由计算。
OSPF路由计算包括区域内部路由、区域间路由及外部路由的计算过程。
①区域内OSPF路由计算
同一区域的OSPF路由器拥有完全一致的LSDB。在只有一个区域的情况下，区域内部主要存在两种类型的LSA，即Router-LSA和Network-LSA。
每台路由器都会产生Router-LSA，描述了路由器的直连接口信息。
在MA网络中，DR会产生Network-LSA来描述接入该MA网络的所有路由器的Router-ID（其中包括DR自身），以及这个网络的掩码。
②区域间OSPF路由计算
OSPF区域间路由信息传递是通过ABR产生的Network Summary LSA（3类LSA）实现的。
以192.168.1.0/24路由信息为例：
R2依据Area 1内所泛洪的Router LSA及Network LSA计算得出192.168.1.0/24路由（区域内路由），并将该路由通过Network Summary LSA通告到Area 0。R3根据该LSA可计算出到达192.168.1.0/24的区域间路由。
R3重新生成一份Network Summary LSA通告到Area 2中，至此所有OSPF区域都能学习到去往192.168.1.0/24的路由。
OSPF使用3类LSA来描述区域间的路由信息。
为了避免出现区域间路由环路，OSPF设计了多个规则。
OSPF Virtual Link是一种虚拟的、逻辑的链路，被部署在两台OSPF路由器之间，它穿越某个非骨干区域，用于实现另一个非骨干区域与Area0的连接。Virtual Link应该始终作为一种临时的技术手段来解决非骨干区域没有与Area0直接相连的情况。
③外部路由的计算
在一个大规模网络中，可能存在多种不同的路由协议，OSPF支持将AS外部路由引入本AS，使得AS内的路由器能够获知到达AS外部的路由。
ASBR将外部路由引入OSPF后，使用5类LSA描述它们，与ASBR同属一个区域的路由器能够根据5类LSA以及区域内的1类、2类LSA完成外部路由计算；与ASBR不在同一个区域的路由器还需借助4类LSA才能完成外部路由计算。
OSPF将外部路由引入OSPF后，可以设置路由的度量值类型：Metric-Type-1或Metric-Type-2，不同度量值类型的外部路由，其开销的计算方式不同，其路由的优先级也不相同，Metric-Type-1路由的优先级高于Metric-Type-2路由。
AS-external LSA（5类LSA）：由ASBR产生，描述到达AS外部的路由，该LSA会被通告到所有的区域（除了Stub区域和NSSA区域）。
ASBR-Summary LSA（4类LSA）：由ABR产生，描述到ASBR的路由，通告给除ASBR所在区域的其他相关区域。
OSPF外部路由的2种度量值类型：
本文给大家介绍了关于OSPF的一些基本概念以及工作原理，从中我们可以了解到OSPF协议的设计理念、掌握其路由计算过程。这些知识可以为以后深入学习OSPF知识打下良好的基础。
OSPF协议应用广泛，也是从业者经常遇到的“老朋友”，在不断的学习进取中，我们对OSPF的认知会越来越深。