OSPF数据包及工作过程

一、OSPF 数据包类型详解

OSPF（开放最短路径优先）协议通过以下五种核心数据包实现邻居维护、数据库同步和路由计算：

---

1. Hello 数据包（类型 1）

• 功能

  • 发现邻居并维护邻接关系（周期性发送）。
  • 确保双向通信（通过邻居列表验证）。
  • 在广播网络中选举 DR（指定路由器）和 BDR（备份指定路由器）。

• 关键字段

  • 网络掩码：(Network Mask):一旦路由器的某个接口激活了OSPF，该接口即开始发送Hello报文，该字段填充的是该接口的网络掩码。两台OSPF 路由器如果通过以太网接口直连，那么双方的直连接口必须配置相同的网络掩码，否则影响邻居关系建立

  • Hello间隔（默认10（P2P）/30秒（P2MP））(Hello Interval):接口周期性发送Hello报文的时间间隔(单位为s)。两台直连路由器要建立OSPF邻居关系，需确保接口的Hello Interval相同，否则邻居关系无法正常建立。

  • Dead间隔（4倍Hello时间）（Router Dead Interval):在邻居路由器被视为无效前，需等待收到对方Hello报文的时间（单位为s)。两台直连路由器要建立OSPF 邻居关系，需确保双方直连接口的Router Dead Interval相同，否则邻居关系无法正常建立。缺省情况下，OSPF路由器接口的Router Dead Interval为该接口的Hello Interval的4倍。。

  • 可选项（Options):该字段一共8bit，每个比特位都用于指示该路由器的某个特定的OSPF 特性。Options字段中的某些比特位会被检查，这有可能会直接影响到OSPF邻接关系的建立。（特殊区域的标记）

  • 指定路由器(Designated Router):网络中DR的接口IP地址。如果该字段值为0.0.0.0，则表示没有DR，或者DR尚未选举出来

  • 备份指定路由器（Backup Designated Router):网络中 BDR的接口IP地址。如果该字段值为0.0.0.0，则表示网络中没有BDR，或者BDR尚未选举出来。

  • 邻居(Neighbor)。在直连链路上发现的有效邻居，此处填充的是邻居的Router-iD，如果发现了多个邻居，则包含多个邻居字段。

    

• 交互规则

  • 组播地址 224.0.0.5。
  • 参数不匹配（如区域ID不一致）则无法建立邻居。

---

2. 数据库描述包（DBD，类型 2）

• 功能

  • 通过摘要（LSA头部）同步链路状态数据库（LSDB）。
  • 使用主从（Master/Slave）机制控制同步顺序。

• 关键字段

  • 接口最大传输单元(Interface Maximum Transmission Unit):接口的MTU。

  • 可选项(Options):路由器支持的OSPF可选项

  • l DD报文置位符：

    ​ I：init位，I=1，这是第一个DD报文

    ​ M:more位，M=1表示后续还有DD报文

    ​ MS:master位，MS=1,表示本端为主

  • DD序列号(DD Sequence Number): DD报文的序列号，在DD报文交互的过程中，DD序列号被逐次加1，用于确保DD报文传输的有序和可靠性。值得注意的是，DD序列号必须是由Master路由器来决定的，而Slave路由器只能使用Master路由器发送的DD序列号来发送自己的DD报文。（route id大的设备会成为master）

  • l LSA头部(LSA Header):当路由器使用DD报文来描述自己的LSDB时，LSA的头部信息被包含在此处。一个DD报文可能包含一条或多条LSA的头部。

  

• 交互流程

  • 邻居进入 ExStart 状态协商主从角色。
  • 主路由器发送第一个DBD包启动同步。

---

3. 链路状态请求包（LSR，类型 3）

• 功能

  • 请求缺失或过期的完整LSA条目。

• 触发条件

  • 收到DBD包后，若本地LSDB缺少某些LSA或版本较旧。

• 关键字段

  • 请求的LSA类型、链路状态ID、通告路由器ID ---- “LSA三元组” — 通过这三个参数可以唯一的标识出一条LSA。
  • 

---

4. 链路状态更新包（LSU，类型 4）

• 功能

  • 携带完整LSA信息，用于响应LSR或主动通告网络变化。

• 触发条件

  • 当路由器感知到网络发生变化时，也可以触发LSU报文的泛洪，以便将该变化通知给网络中的其他OSPF 路由器。
  • 在MA网络中，非 DR、BDR路由器（DRother）向224.0.0.6这个组播地址发送LSU报文，而DR及 BDR会侦听这个组播地址，DR在接收LSU报文后向224.0.0.5发送LSU报文，从而将更新信息泛洪到整个OSPF区域，所有的OSPF 路由器都会侦听224.0.0.5这个组播地址。

• 关键字段

  • 包含一个或多个LSA（如Router LSA、Network LSA等）。

    

• 交互规则

  • 普通路由器使用组播地址 224.0.0.5。
  • DR/BDR 使用 224.0.0.6 接收更新。

---

5. 链路状态确认包（LSAck，类型 5）

• 功能

  • 确认已收到LSU包，确保可靠传输。
  • 报文中包含着路由器所确认的LSA的头部（每个LSA头部的长度为20byte)

  

• 交互方式

  • 单播或组播发送，包含被确认LSA的头部信息。
  • 未收到确认时，LSU会重传（最大重传次数后判定邻居失效）。

---

通用数据包头部（24字节）

所有OSPF数据包共享一个24字节的头部，包含以下字段：

字段	描述
版本	OSPF版本（v2用于IPv4，v3用于IPv6）。
类型	数据包类型（1~5）。
数据包长度	包括头部在内的总字节数。
Router ID	发送路由器的唯一标识（通常为最大IP地址）。
区域ID	数据包所属区域（骨干区域为0.0.0.0）。
校验和	校验数据包完整性。
认证字段	认证类型（0-无认证，1-明文，2-MD5）及密钥。

---

交互流程示例

1. 邻居发现
   • R1发送Hello包 → R2回复Hello包（包含R1的Router ID）→ 进入 2-Way 状态。
2. 数据库同步
   • 交换DBD包协商主从 → 进入 Exchange 状态 → 对比LSA摘要。
3. 请求缺失LSA
   • 发送LSR请求缺失条目 → 邻居回复LSU → 进入 Loading 状态。
4. 完成同步
   • 所有LSA确认后进入 Full 状态 → 触发SPF计算生成路由表。

---

关键区别

数据包	传输内容	可靠性机制	组播地址
Hello	邻居参数	周期性发送	224.0.0.5
DBD	LSDB摘要	主从协商+序列号	单播
LSR	请求的LSA标识	显式请求	单播
LSU	完整LSA	LSAck确认	224.0.0.5/6
LSAck	确认的LSA头部	无	单播或组播

注：OSPF通过序列号（Sequence Number）、老化时间（Age）和校验机制确保LSA的准确性和一致性。

二、OSPF DR/BDR 选举机制详解

DR（Designated Router，指定路由器）和BDR（Backup Designated Router，备份指定路由器）是OSPF在广播型多路访问网络（如以太网）和非广播多路访问网络（如帧中继）中优化LSA泛洪的关键角色。以下是其选举过程的核心逻辑：

---

1. 为什么需要DR/BDR？

• 减少邻接关系数量：在N台路由器的网络中，若不使用DR/BDR，需建立 N(N-1)/2 个邻接关系，而使用DR/BDR后仅需 2(N-1) 个。
• 抑制泛洪风暴：所有非DR/BDR路由器（DROther）仅与DR/BDR交换LSA，避免全网泛洪。

---

2. 选举规则

核心参数

参数	描述
接口优先级	范围 0-255，默认值 1。0表示不参与选举。
Router ID	全网唯一的32位标识符，通常为最大环回口或物理接口IP地址。

选举优先级顺序

1. 最高优先级：比较所有参与选举的路由器接口优先级，值最大者胜出。
2. 最大Router ID：若优先级相同，Router ID最大的路由器当选。

---

3. 选举流程

步骤1：初始Hello包交互

• 路由器启动后，通过组播地址 224.0.0.5 发送Hello包，包含：
  • 自身接口优先级
  • 当前已知的DR/BDR信息（初始为空）

步骤2：等待邻居发现

• 路由器进入 2-Way 状态后，检查邻居的Hello包中的DR/BDR字段：
  • 若网络中已有DR/BDR，新加入的路由器接受现有角色（非抢占式）。
  • 若无DR/BDR（如首次启动），触发选举。

步骤3：选举DR/BDR

1. 候选列表：所有接口优先级 >0 的路由器参与选举。
2. 选举DR：
   • 从候选列表中选出优先级最高的路由器作为DR。
   • 若存在多个相同优先级，选择Router ID最大的。
3. 选举BDR：
   • 在剩余候选路由器中，选出优先级最高的作为BDR。
   • 若优先级相同，同样比较Router ID。

步骤4：角色确认

• 选举结果通过Hello包通告给所有邻居：
  • DR和BDR的IP地址写入Hello包的 DR 和 BDR 字段。
  • 其他路由器（DROther）不再尝试成为DR/BDR。

---

4. 非抢占式选举机制

• 关键特性：一旦DR/BDR选举完成，即使新加入的路由器优先级更高，也不会立即抢占现有角色。
• 触发重新选举的条件：
  • DR故障：BDR自动升级为DR，重新选举BDR。
  • BDR故障：直接选举新的BDR。
  • 同时DR和BDR故障：触发全新选举。

三、OSPF 工作过程详解

OSPF 协议通过分层状态机实现邻居发现、拓扑同步和路由计算，其核心流程如下：

---

1. 邻居发现与关系建立

• 数据包：Hello 包（类型1）
• 关键步骤：
  1. 初始状态（Down）：接口启用OSPF后，开始发送Hello包。
  2. 单向通信（Init）：收到邻居的Hello包但未在对方邻居列表中发现自己。
  3. 双向通信（2-Way）：在邻居Hello包中发现自己的Router ID，进入2-Way状态。
• 特殊场景：
  • 在广播/NBMA网络中，此时触发 DR/BDR选举（优先级 > Router ID）。
  • 点对点网络直接进入下一步。

---

2. 数据库同步（LSDB同步）

a. 主从协商（ExStart状态）

• 数据包：空的DBD包（类型2），携带I，M，MS标志位，协商主从
• 作用：确定主（Master）和从（Slave）角色，控制DBD包传输顺序。
• 规则：Router ID大的成为Master。

b. 摘要交换（Exchange状态）

• 数据包：携带LSA摘要的DBD包
• 作用：双方交换LSDB中LSA的头部信息（类型、链路ID、序列号等）。
• 结果：对比摘要后，标记本地缺失或过期的LSA。

c. 请求与更新（Loading/Full状态）

• 数据包：LSR（类型3）、LSU（类型4）、LSAck（类型5）
• 流程：
  1. 发送LSR请求缺失的LSA。
  2. 邻居回复LSU携带完整LSA。
  3. 接收方通过LSAck确认LSU。
  4. 所有LSA同步完成后，进入Full状态（完全邻接）。

---

3. 路由计算（SPF算法）

• 触发条件：
  • 初次进入Full状态。
  • 网络拓扑变化（如收到LSU更新）。
• 步骤：
  1. 基于LSDB构建有向图（Shortest Path Tree）。
  2. 使用Dijkstra算法计算到达各网络的最短路径。
  3. 更新路由表，标记最优路径。

---

4. 拓扑维护与更新

• 周期性维护：
  • Hello包保活（默认10秒/30秒）（周期保活）。
  • LSA每30分钟刷新（防止序列号溢出）（周期更新）。
• 事件驱动更新：
  • 链路故障：立即发送LSU通告失效LSA。
  • 新邻居加入：触发局部LSDB同步。
• 泛洪机制：
  • LSU通过组播（224.0.0.5/6）扩散。
  • 每跳路由器确认（LSAck）并转发，直至全网同步。

---

5. 状态机转换表

状态	描述	触发条件
Down	未检测到邻居	接口初始化或邻居失效超时
Init	收到邻居Hello但未双向通信	收到Hello包且未在对方邻居列表
2-Way	双向通信建立	双方Hello包中包含彼此的Router ID
ExStart	主从角色协商	开始DBD交换
Exchange	交换LSA摘要	主从角色确定后
Loading	请求缺失LSA	发现本地LSDB不完整
Full	完全邻接，路由计算就绪	所有LSA同步完成

---

6. 关键注意事项

• 网络类型影响：
  • 广播/NBMA网络依赖DR/BDR转发LSU。
  • 点对点网络直接泛洪，无需DR/BDR。
• 收敛优化：
  • 增量SPF（iSPF）仅计算变化部分。
  • 路由抑制（Throttling）防止高频SPF计算。
• 认证机制：所有OSPF包需通过认证（明文/MD5），否则丢弃。

四、OSPF状态机详解

OSPF 邻居关系通过状态机（Finite State Machine）管理，定义了路由器从发现邻居到建立完全邻接的全过程。以下是各状态的转换逻辑及关键行为：

---

1. Down（稳定状态）

• 描述：初始状态，表示未收到任何来自邻居的Hello包。
• 触发动作：
  • 主动发送Hello包（组播地址 224.0.0.5）。
  • 若为NBMA网络，转为 Attempt 状态（需手动指定邻居）。

---

2. Attempt（仅NBMA网络）

• 描述：在NBMA网络中，路由器尝试通过单播与配置的邻居建立连接。
• 触发条件：
  • 管理员手动配置了邻居IP地址。
• 退出条件：
  • 收到邻居回复的Hello包 → 进入 Init 状态。
  • 超时未收到回复 → 回到 Down 状态。

---

3. Init

• 描述：已收到邻居的Hello包，但未在对方Hello包的邻居列表中发现本机Router ID。
• 关键行为：
  • 继续周期性发送Hello包。
  • 若后续Hello包中邻居列表包含本机Router ID → 进入 2-Way 状态。

---

4. 2-Way（稳定状态）

• 描述：双向通信确认，双方均将对方加入邻居列表。
• 关键逻辑：
  • 广播/NBMA网络：
    • 检查DR/BDR角色：
      • 若本机或邻居为DR/BDR → 进入 ExStart 状态。
      • 若双方均为DROther → 保持2-Way（不建立邻接）。
  • 点对点网络：直接进入 ExStart 状态。
• 2-Way的前提：
  • Router-id无冲突，修改router-id需要重置ospf进程使生效；
  • 掩码长度一致（MA网络中）；
  • 区域ID一致；
  • 验证密码一致；
  • hello-time一致；
  • dead-time一致；
  • 特殊区域类型一致；

---

5. ExStart

• 描述：交换开始状态（主从协商），通过交换空的DBD包协商主从（Master/Slave）关系。
• 协商规则：
  • Router ID较大者成为Master，控制DBD包的序列号递增（slave只能使用master发送的seq）。
• 退出条件：
  • 主从角色确定 → 进入 Exchange 状态。

---

6. Exchange

• 描述：交换携带LSA摘要的DBD包，同步LSDB摘要信息。
• 关键行为：
  • Master优先发送DBD包，Slave根据Master的序列号回复。
  • 对比本地与邻居的LSA摘要，标记缺失或过期的LSA。
• 退出条件：
  • 所有摘要交换完成 → 进入 Loading 或 Full 状态。

---

7. Loading

• 描述：请求并接收完整的LSA条目。
• 交互流程：
  1. 发送LSR（Link State Request）请求缺失的LSA。
  2. 邻居回复LSU（Link State Update）携带完整LSA。
  3. 接收方通过LSAck确认 → 重复至所有LSA同步完成。
• 退出条件：所有LSA同步 → 进入 Full 状态。

---

8. Full（稳定状态）

• 描述：完全邻接状态，LSDB完全同步，触发SPF计算生成路由表。

• full的前提：

  • 两端MTU一致，否则可能卡在EXSTART\Exchange状态

• 计算路由的前提：

  • 两端网络类型一致，否则邻居状态full,但无法学习路由

• 后续行为：

  • 周期性发送Hello包维持邻居关系。
  • 网络变化时通过LSU泛洪更新，重新同步LSDB。

---

状态转换触发总结

当前状态	触发条件	下一状态
Down	发送Hello包	Init
Init	收到Hello包且本机Router ID出现在邻居列表中	2-Way
2-Way	DR/BDR角色确认或点对点网络	ExStart
ExStart	主从协商完成	Exchange
Exchange	DBD摘要交换完成，无缺失LSA	Full
Exchange	DBD摘要交换完成，发现缺失LSA	Loading
Loading	所有LSR请求的LSA已确认	Full

---

关键注意事项

1. 非抢占式选举：DR/BDR一旦选举完成，除非故障否则不重新选举。
2. 网络类型影响：
   • 广播/NBMA网络：DROther间保持2-Way，仅与DR/BDR建立Full邻接。
   • 点对点网络：直接建立Full邻接。
3. 常见故障点：
   • 卡在Init：Hello参数（区域ID、认证、掩码）不匹配。
   • 卡在ExStart：MTU不一致或组播通信故障。
   • 卡在Loading：LSAck未确认导致LSU重传失败。

---

验证命令示例（Cisco）

show ip ospf neighbor          # 查看邻居状态及角色
show ip ospf interface gi0/1  # 检查接口状态和DR/BDR选举
debug ip ospf adj             # 实时跟踪邻接建立过程（慎用）