专题 6 ospf 路由技术原理

路由与交换路由与交换

Routing and Switching

专题 6 OSPF 路由技术原理


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路由与交换路由与交换专题背景

1 、企业网络总部与各个分部之间的数据互通2 、大型企业网内部网络互通3 、要求动态路由收敛快，稳定，兼容性好。


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路由与交换路由与交换解决方案

OSPF 路由协议收敛快，稳定。各大厂商路由器设备均可支持。是当前

企业网规模不断扩大，设备供应厂商越来越多样化环境下的最佳选择。

OSPF


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路由与交换路由与交换课程目标

学完本课程，您应该能够：▪ 了解 OSPF 基本工作原理▪ 熟练进行单区域和多区域的 OSPF 配置

本专题重点：▪ OSPF 邻接过程▪ OSPF 的五类报文▪ OSPF 的 LSA 类型▪ OSPF 配置


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路由与交换路由与交换专题内容

主要内容▪ 4.1 链路状态路由协议概述▪ 4.2 OSPF 协议基础▪ 4.3 OSPF 邻接过程▪ 4.4 OSPF 洪泛过程▪ 4.5 OSPF 网络类型▪ 4.6 OSPF 单区域配置▪ 4.7 OSPF 多区域概述



4.1链路状态路由协议概述


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路由与交换路由与交换链路状态路由协议

链路状态路由协议建立一张完整的网络图链路状态路由器从对等路由器处获取信息，而非依照传

闻进行路由选择▪ 这些信息从一台路由器传送到另一台路由器，每台路由器都

作一份信息拷贝，但是决不改动信息。▪ 最终目的是每台路由器都有一个相同的有关互联网络的信息，

并且每台路由器可以独立地计算各自的最优路径。


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路由与交换路由与交换链路状态路由协议（ Cont. ）工作过程

▪ 每台路由器与它的邻居之间建立邻居关系▪ 每台路由器向每个邻接发送链路状态数据包 (LSP) ，每个邻接在收到

LSP 之后要依次向它的邻接转发这些 LSP( 泛洪 )

▪ 每台路由器要在数据库中保存一份它所收到的 LSA 的备份，所有路由器的数据库应该相同

▪ 依照拓扑数据库每台路由器使用 Dijkstra 算法计算出到每个网络的最短路径，并将结果输出到路由选择表中


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路由与交换路由与交换链路状态路由协议（ Cont. ）

路由表路由表

拓扑数据库拓扑数据库

SPFSPF 算法算法

最短路优先最短路优先生成树生成树

链路状态数据包链路状态数据包


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路由与交换路由与交换邻居

邻居发现是建立链路状态环境并运转的第一步▪ Hello 数据包还作为监视邻接关系的握手信号。

路由器路由器 ID ID

网络地址网络地址

邻居列表邻居列表

HelloHello 间隔间隔

线路类型描述符线路类型描述符


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路由与交换路由与交换链路状态的泛洪

在建立邻接关系之后，路由器开始发送 LSA 。通告被发送给每个邻接。

路由器保存接收到 LSA ，并依次向每个邻接转发。 LSA几乎是立刻被转发，

当网络拓扑改变时，链路状态协议收敛速度远远快于距离矢量协议。


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路由与交换路由与交换序列号


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路由与交换路由与交换序列号（ Cont. ）


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路由与交换路由与交换老化

LSA 的格式中将要包含一个通告的年龄字段，初始值为 0 随着 LSA 的扩散，每个路由器都会增加通告中的年龄。老化过程为泛洪扩散过程增加可靠性

▪ MaxAge ： LSA 驻留在数据库中则 LSA 的年龄会不断增加。如果 LSA 年龄达到 MaxAge ，那么这个 LSA 被泛洪扩散到所有邻居，邻居随即从数据库中删除相关纪录， OSPF 定义MaxAge 为 1 小时。

▪ LSRefeshTime ：定期的确认 LSA 并且在达到最大年龄之前将它的计时器复位。一旦计时器超时，路由器将向所有邻居泛洪扩散新的 LSA ，收到的邻居会把有关纪录的年龄设置为新接收到的年龄， LSRefeshTime 为 30 分钟。


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路由与交换路由与交换链路状态数据库

链路状态路由选择协议的第三个主要任务是建立链路状态数据库。

LSA 包括两类通用信息▪ 路由器链路信息—使用三元组（路由器 ID 、邻居 ID 、代价）通告路由器的邻居路由器

▪ 端网络信息—使用三元组（路由器 ID 、网络 ID 、代价）通告路由器直接连接的端网络


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路由与交换路由与交换链路状态数据库（ Cont. ）

路由器ID 邻居代价RA RB 2

RA RD 4

RA RE 4

RB RA 2

RB RC 1

RB RE 10

RC RB 5

RC RF 2

RD RA 4

RD RE 3

RD RG 5

RE RA 5

RE RB 2

RE RD 3

RE RF 2

RE RG 1

RE RH 8

RF RC 2

RF RE 2

RF RH 4

RG RD 5

RG RE 1

RH RE 8

RH RF 6


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路由与交换路由与交换 SPF 算法

SPF 算法

▪ 路由器初始化树数据库中将自己作为树的根。▪ 计算从根到每条链路的成本，成本最小的链路被移到树数据库中。

▪ 在算法终止时，一个单一的邻居 ID 表项将表示每台路由器，并且最短路径树构造完毕。



4.2 OSPF协议基础


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路由与交换路由与交换 OSPF 路由协议概述

收敛速度快支持变长子网掩码路由更新传递效率高根据链路的带宽进行最优选路支持等代价的多路负载均衡


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路由与交换路由与交换 OSPF 的操作

发送发送 HelloHello报文报文

建立邻接关系建立邻接关系

形成链路状态数据库形成链路状态数据库

SPFSPF 算法算法

形成路由表形成路由表


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路由与交换路由与交换 OSPF 路由协议的邻居和邻接

运行 OSPF 的路由器需要一个能够唯一标识自己的RouterID

路由器可以通过下面方法确定其 RouterID

▪ 使用 ROUTER-ID 命令▪ Loopback 接口上数值最高的 IP 地址 ▪ 没有配置 ip 地址的 loopback 接口，那么路由器将选

取它所有的物理接口上数值最高的 IP 地址

注意 :用作路由器 ID 的接口不一定运行 OSPF 协议


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在 Cisco 路由器上使用 show ip ospf neighbor 的命令察看ospf 的邻居

OSPF 路由协议的邻居和毗邻(Cont.)


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路由与交换路由与交换 OSPF 的 HELLO 协议

Hello 协议服务于以下几个目的：▪ 它是发现邻居路由器的方法 ▪ 通过 Hello 协议通告这两台路由器成为邻居之前必须相

互认可的几个参数 ▪ Hello报文在邻居路由器之间担当 keepalive 的角色 ▪ 它确保了邻居路由器之间的双向通信 ▪ 它用来在一个广播网络或非广播多址的网络上选取指

定路由器和备份指定路由器


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路由与交换路由与交换OSPF 的 HELLO 协议 (Cont.)

Hello

afadjfjorqpoeru39547439070713

路由器 ID Hello/无效时间间隔邻居路由器列表区域 ID 路由器的优先级指定路由器备份指定路由器认证类型和认证信息

*

* 邻居之间必须匹配的参数

Hello

AA

DD EE

CCBB

*

*


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路由与交换路由与交换影响邻居关系的因素

1 、 ROUTER ID 不能相同；2 、 HELLO 时间必须一致；3 、 DEAD 时间必须一致；4 、区域 ID必须相同；5 、认证必须相同；6 、特殊区域标志位必须相同；7 、 MTU 不匹配无法形成邻接关系（一边是 EXSTART, 一边是

EXCHANGE ）；8 、 OSPF版本号不同（目前版本为 2 ）；9 、当 OSPF 网络类型是 MA 时，要求掩码一定一致（两个邻居）。因

为会出现 DR 和 LSA-2 ，无法描述网段。10 、接口网络类型不一致

影响邻居关系的因素


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路由与交换路由与交换 OSPF 的网络类型

点到点网络

非广播多址网络点到多点网络

广播型网络

X.25Frame Relay


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路由与交换路由与交换 OSPF 的 DR 与 BDR

A CB

DE

A

B C

E

D

多路寻址网络中建立邻接关系

构成 n(n 一 1) ／ 2个邻接关系


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路由与交换路由与交换 OSPF 的 DR 与 BDR (Cont.)

A CB

DE

指定路由器（ DR ）描述了一个多路寻址网络。网络上的其他路由器都和指定路由器（ DR ）构成邻接关系，而不是它们互相之间构成邻接关系

(DR)(DR)

A

B C

E

D(DR)(DR)


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DR BDR

▪ 通过 Hello 报文选择 DR 和 BDR 来代表OSPF 网段

▪ 其他的路由器 (DRothers) 只和 DR 及 BDR路由器之间形成邻接关系


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P=1 P=0P=1

P=3 P=2

Hello

DR BDR

通过组播发送 Hello报文具有最高 OSPF 优先级的路由器会被选为 DR 如果 OSPF 优先级相同具有最高路由器 ID 的路由器会被选为 DR



4.3 OSPF邻接过程


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路由与交换路由与交换 OSPF 的邻居

要成功建立一个邻接关系，通常需要下面 4 个阶段：▪ 邻居路由器发现阶段 ▪ 双向通信阶段 (Bidirectional Communication) ▪ 数据库同步阶段 (Database Synchronization) ▪ 完全邻接阶段 (full adjacency)


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在 OSPF 协议的邻居状态机中，一个邻居路由器从失效状态到完全邻接状态所经过的一系列状态转换 .

邻居状态机


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1 、 down state ：两端还未发 HELLO

2 、 init state ：收到邻居的一个无我 HELLO 包3 、 two-way state ：收到邻居的一个有我 HELLO 包4 、 exstart state ：选出 DR 之后，收到邻居的第一个 DBD 包。开始

选主从， ROUTERID 大的为主。5 、 exchange state ：收到第二个 DBD 包，进行 DBD同步6 、 loading state ： DBD同步完成后，进行 LSA 的同步。7 、 full state ： LSA同步之后。Attempt(尝试状态 ) ：为 NBMA 网络中的一个正常过渡状态，即我发送

了 HELLO 等待对方回应，如何对方迟迟不应则会滞留在该状态。


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路由与交换路由与交换 OSPF 的包类型总结

包类型描述Hello 用于邻居路由器之间建立和维护邻接关系

数据库描述包 DBD 描述每台 OSPF 路由器的链路状态数据库的内容

链路状态请求包 LSR 请求链路状态数据库的部分内容

链路状态更新包 LSU 传送链路状态数据通告 LSA 给邻居路由器

链路状态确认包 LSAck 确认邻居发过来的 LSA已经收到


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路由与交换路由与交换 OSPF 的邻居（ Cont. ）建立一个邻接关系

A BDownDown DownDownHello(DR 0.0.0.0, Neighbors seen=0)Hello(DR 0.0.0.0, Neighbors seen=0)

InitInitHello(DR RouterB, Neighbors seen=0)Hello(DR RouterB, Neighbors seen=0) ExStartExStart

DD(Seq=x,I=1,M=1,MS=1DD(Seq=x,I=1,M=1,MS=1

)) ExStartExStart

DD(Seq=y,I=1,M=1,MS=1DD(Seq=y,I=1,M=1,MS=1

)) ExchangeExchange

DD(Seq=y,I=0,M=1,MS=0DD(Seq=y,I=0,M=1,MS=0

)) ExchangeExchangeDD(Seq=y+1,I=0,M=1,MS=1)DD(Seq=y+1,I=0,M=1,MS=1)

DD(Seq=y+1,I=0,M=1,MS=0)DD(Seq=y+1,I=0,M=1,MS=0) DD(Seq=y+n,I=0,M=0,MS=1DD(Seq=y+n,I=0,M=0,MS=1

)) DD(Seq=y+1,I=0,M=0,MS=0)DD(Seq=y+1,I=0,M=0,MS=0) LoadingLoading

FullFullLS RequestLS Request

LS UpdateLS Update

LS RequestLS Request

LS UpdateLS UpdateFullFull


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路由与交换路由与交换建立邻接关系过程总结

发送 Hello消息发送 Hello消息

接口类型为点到点接口类型为点到点

接口类型为点到多点接口类型为点到多点

接口类型为广播接口类型为广播

接口类型为 NBMA接口类型为 NBMA 选择 DR和

BDR

选择 DR和

BDR

发送 DBD发送 DBD 请求 / 发送LSR/LSU

请求 / 发送LSR/LSU

生成完整的LSDB

生成完整的LSDB

形成邻接关系形成邻接关系



4.4 OSPF洪泛过程


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路由与交换路由与交换 OSPF 路由的传播

OSPF 协议把一组通过数据链路相连的路由器看作是一组逻辑上通过邻接关系相连的节点


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路由与交换路由与交换 OSPF 路由的传播（ Cont. ）

A B

UpdateLSA1LSA2LSA3LSA4

LSA 可以在链路状态更新报文里面发送，从而穿过节点之间的邻接


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UpdateUpdate

UpdateUpdate

DROtherDROther

DROtherDROther

DROtherDROther

DRDR

BBDRDR

(224.0.0.5)(224.0.0.5)

(224.0.0.5)(224.0.0.5)

(224.0.0.5)(224.0.0.5)

(224.0.0.6)(224.0.0.6)

(224.0.0.6)(224.0.0.6)

UpdateUpdate

UpdateUpdate

DROtherDROther

DROtherDROther

DROtherDROther

DRDR

BBDRDR

(224.0.0.5)(224.0.0.5)

(224.0.0.5)(224.0.0.5)

(224.0.0.5)(224.0.0.5)

(224.0.0.6)(224.0.0.6)

(224.0.0.6)(224.0.0.6)

UpdateUpdate

(a)(a) (b)(b)

在广播型网络上， DRothers 路由器只向 DR 和 BDR 路由器发送LSA(a)；而 DR 路由器将再把这个 LSA 泛洪到所有的与之有邻接关系的邻居路由器 (b) ：


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UpdateUpdate

UpdateUpdate

DROtherDROther

DROtherDROther

DROtherDROther

DRDR

BBDRDR

(224.0.0.5)(224.0.0.5)

(224.0.0.5)(224.0.0.5)

(224.0.0.5)(224.0.0.5)

(224.0.0.6)(224.0.0.6)

(224.0.0.6)(224.0.0.6)

(c)(c)

UpdateUpdate

UpdateUpdate

UpdateUpdate

接着，所有的路由器在它们其他所有的接口上泛洪这个LSA(c)


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路由与交换路由与交换 OSPF 路由的传播（ Cont. ）

是转到

A

A

否

发送包含更新信息的 LSU 给源

序列号是否更大 ?

否

是

序列号是否相同 ?

是忽略 LSA

更新表项是否已在

链路状态数据库中 ? LSA

LSU

否

运行 SPF 算法计算出新的路由表

添加到数据库中

泛洪 LSA

发送 LSAck

给 DR

结束结束



4.5 OSPF网络类型


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路由与交换路由与交换 OSPF 的四种接口类型

POINT_TO_POINT ：　　　接口： Serial (PPP\HDLC)/ FR‘s P2P Subif /

特点：无 DR ，组播更新， HELLO 时间 10s ，自动发现邻居，三层广播

BROADCAST ：　　　　　接口： Ethernet

特点：选举 DR ，组播建邻居， HELLO 时间 10s ，自动发现邻居，三层广播


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路由与交换路由与交换 OSPF 的四种接口类型

NON_BROADCAST （ NBMA)

接口： FR's Physical / FR's MP Subif

特点：选举 DR ，单播更新（手工指邻居）， HELLO 时间 30s ，三层不广播

POINT_TO_MULTIPOINT ：接口： FR‘s Physical / FR’s MP Subif( 非默认 )

特点：无 DR ，组播更新，出现 /32 主机路由，三层广播HELLO 时间 30s ，自动发现邻居


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路由与交换路由与交换帧中继拓扑运行 OSPF

在帧中继拓扑上运行 OSPF的几种接口网络类型1 、 NBMA （默认）2 、广播型3 、点到多点


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路由与交换路由与交换四种接口网络类型

在调整 HELLO 时间的情况下▪ P-P 与 P-M 可以建立邻接关系 . 路由正常 ,▪ NBMA 与 BROADCAST 可以建立邻接关系 . 路由正常

▪ 其它的网络类型对接，则调整 HELLO 时间也不可以正常工作



4.6 OSPF单区域配置


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路由与交换路由与交换 OSPF 路由配置思路

OSPF配置步骤工程规范▪ OSPF 进程号全网统一，便于管理和维护▪ 手动配置 router-id▪ 配置参考带宽（根据具体的工程文档而定）▪ 发布 loopback 0▪ 调整接口的 OSPF参数（网络类型、开销、优先级）▪ 发布互连网段▪ 发布上连网段▪ 发布业务网段▪ 发布下连网段▪ 发布边界网段▪ 业务网段、边界网段等不需要建立 OSPF 邻居的网段一律配置

被动接口


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OSPF 路由发布工程规范 ▪ Network命令严格与接口的 IP掩码匹配。▪ 对于直连接口，若条件允许，尽量使用 network命令

发布，避免使用路由重发布。▪ 对于 OSPF 路由重发布，应统一规划外部路由类型及

开销。如：类型 1 、 Cost 1000 。▪ 在 OSPF 路由重发布时，应根据实际情况做适当的外

部路由汇总和过滤操作。▪ 在 OSPF区域边界（ ABR ），必须做区域间路由汇总

（骨干区域和非骨干区域都要做汇总），通常汇总链路地址、业务地址、网管地址，而不汇总 Loopback 地址


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OSPF 网络类型工程规范▪ 点对点以太网：调整 OSPF 网络类型为点对点。▪ FR 、 ATM 等 NMBA 链路：配置点对点子接口，

并调整子接口的 OSPF 网络类型为点对点。


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路由与交换路由与交换 OSPF单区域配置实例 10-2

RT1(config)#router ospf 1 // OSPF 进程号与邻居建立没有关系；但方便网管，需全网统一。 router-id 192.168.0.1 // 手动配置 Router id network 192.168.0.1 0.0.0.0 area 0 // 发布 Loopback 0 network 192.168.20.0 0.0.0.255 area 0 // 发布业务网段 network 192.168.21.0 0.0.0.255 area 0 // 发布业务网段 network 192.168.1.0 0.0.0.3 area 0 // 发布下连网段network 192.168.2.8 0.0.0.7 area 0 // 发布边界网段 passive-interface Ethernet0 // 为业务网段配置被动接口 passive-interface Serial3 // 为边界网段配置被动接口// network命令的作用：将 IP 地址落在该 network范围内接口启动 OSPF 。(1. 在该范围内的所有接口上发送 hello,尝试建立邻居 ;2. 将该范围内的所有直连网段发布到自己的 LSA 1 中。 3. 注意： network命令不会进行路由汇总！！！ )

// passive-interface命令的作用：不发 Hello ，即不在该接口上建立 OSPF 邻居。

// network 发布＋ passive-interface 的作用：只发布网段，不建立邻居。


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路由与交换路由与交换 OSPF单区域的配置命令 4-2

修改接口的 Cost 值 Router(config-if)#ip ospf cost number

例如： Router(config)#interface s0

Router(config-if)#ip ospf cost 1000 OSPF 路由器在接口上使用 cost 值来决定最佳路径

OSPF 路由器在接口上使用 cost 值来决定最佳路径


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配置 OSPF 计时器 Router(config-if)#ip ospf hello-interval 时间 (s)

Router(config-if)#ip ospf dead-interval 时间 (s)

例如： Router(config)#interface e0

Router(config-if)#ip ospf hello-interval 5

Router(config-if)#ip ospf dead-interval 20

为了交换信息，相邻由器必须有相同的 hello 和dead 间隔，通常 dead 时间是 hello 时间的 4倍

为了交换信息，相邻由器必须有相同的 hello 和dead 间隔，通常 dead 时间是 hello 时间的 4倍


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查看邻居列表Router#show ip ospf neighbor

查看链路状态数据库Router#show ip ospf database

查看路由表Router#show ip route

查看OSPF 的配置Router#show ip ospf

查看OSPF 接口数据结构Router#show ip ospf interface 接口



4.7 OSPF多区域概述


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路由与交换路由与交换 OSPF 的区域

OSPF 协议由于使用了多个数据库和复杂的算法，所以它将会耗费路由器更多的内存和 CPU资源。

LSA 的泛洪比 RIP 协议周期性的、全路由选择表的更新更加有效率，但是对于一个大型的互联网络来说，它依然带来了无法承受的负担。

SPF 算法本身并没有特别的解决办法。像 LSA 的泛洪和数据库的维护等这些相关的处理仍然大大加重了 CPU 的负担。

OSPF 协议可以利用区域的概念来缩小这些不利的影响


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路由与交换路由与交换 OSPF 的区域 (Cont.)

在 OSPF 协议的环境下，区域 (Area) 是一组逻辑上的 OSPF 路由器和链路

区域是通过一个 32 位的区域 ID(Area ID) 来识别的▪ 十进制的数字▪ 点分十进制的数字

区域可以有效地把一个 OSPF域分割成几个子域


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路由与交换路由与交换 OSPF 的区域 (Cont.)

在一个区域内的路由器将不需要了解它们所在区域外部的拓扑细节。在这种环境下： ▪ 路由器仅仅需要和它所在区域的其他路由器具有相同的

链路状态数据库▪ 链路状态数据库的减小也就意味着处理较少的 LSA 通

告 ▪ 大量的 LSA 泛洪被限制在一个区域里面

对于和区域相关的通信量定义了下面 3种通信量的类型：▪ 域内通信量 (Intra-Area Traffic) ▪ 域间通信量 (Inter-Area Traffic) ▪ 外部通信量 (External Traffic)


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路由与交换路由与交换 OSPF 路由器的类型内部路由器 (Internal Router)

区域边界路由器 (Area Border Routers,ABR)

骨干路由器 (Back bone Router)

自主系统边界路由器 (Autonomous System Boundary Router,ASBR)


62

路由与交换路由与交换 LSA 的类型

类型代码描述

1 路由器 LSA

2 网络 LSA

3 网络汇总 LSA

4 ASBR汇总 LSA

5 AS外部 LSA

7 NSSA外部 LSA


63

路由与交换路由与交换 LSA 类型（ Cont. ）路由器 LSA

▪ 每一台路由器都会产生路由器 LSA 通告，列出了路由器所有的链路或接口，指明它们的状态和沿每条链路方向出站的代价

▪ 这些 LSA 通告只会在始发它们的区域内部进行泛洪


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路由与交换路由与交换 LSA 类型网络 LSA (Network LSA)

▪ 每一个多路访问网络中的指定路由器 DR 将会产生网络 LSA 通告， DR 路由器可以看作一个“伪”节点，或是一个虚拟路由器

▪ 用来描绘一个多路访问网络和与之相连的所有路由器


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路由与交换路由与交换 LSA 类型（ Cont. ）网络汇总 LSA(Network Summary LSA)

▪ 是由 ABR 路由器始发的。 ABR 路由器将发送网络汇总 LSA 到一个区域，用来通告该区域外部的目的地址。

▪ 这些网络汇总 LSA就是 ABR 路由器告诉在与之相连的区域内的内部路由器它所能到达的目的地址的一种方法。


66

路由与交换路由与交换 LSA 的类型



专题总结


68

路由与交换路由与交换专题总结

1 、 OSPF概念2 、 DR 选举3 、邻接过程4 、三类 LSA

5 、 OSPF配置



课后实验


70

路由与交换路由与交换实验拓扑


71

路由与交换路由与交换实验目标

1 、实现总部和分部之间各个网段互通2 、实现与外网对接，确保总部和分部都能上网3 、严格按工程化配置方法实施实验



课后作业


73

路由与交换路由与交换课后作业

回顾 OSPF 的工作原理、邻居建立过程查找 Hello 包头部结构；不能形成 OSPF 邻居的因素有哪些？查找 LSA 的头部信息；了解 DBD 包、 LSR 、 LSU 、 LSAck报文结构；

专题 6 ospf 路由技术原理

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