路由器与ospf协议的深入了解。

编程知识更新时间:2023-05-02 04:36:08

什么是路由器？

具有路由，转发机制的网络设备。

什么是路由，什么是转发？

决定数据包从来源端到目的端所经过的路由路径（host到host之间的佳传输路径），这个过程称为路由。

将路由器输⼊端的数据包移送至适当的路由器输出端（在路由器内部进行）这个过程称为转发。

路由器的基本工作原理

在网络层使用路由方式转发数据包，实现异种网络的互连。

路由器的发展阶段

第一代：固定接口，集中转发。

满足低速网络互联需求，集中式转发，处理能力是最大的瓶颈；接口种类少，固定配置。

第二代：集中转发，模块化接口。

满足低速网络互联需求；接口种类多，配置灵活，集中式转发，一次查表多次路由，直接在网卡层面处理数据包，网卡自带内存与cache，数据不经过cpu与内存，直接走系统总线。处理能力依然是最大瓶颈。

第三代：分布式软件转发。

分布式转发，处理能力较强，接口种类多，配置灵活，交换结构路由层面与转发层面分开。共享总线的容量直接限制了路由器的吞吐率，成为系统无法避免的瓶颈。

第四代：基于asic与交换矩阵

IP处理能力出现突破，端口丰富且容量大，实现了无阻塞交换，接口拥有cam芯片，不依赖于网卡。但对QOS,MPLS VPN,组播，IPV6的支持能力较弱。

第五代：全业务路由器

集成了众多功能的路由设备，具有高性能NP芯片，线速转发，拥有物理层处理链路层处理，合法性检查，表查找，流分类处理，QOS处理，入队列处理，切片处理等功能，实现了高速无阻塞交换，支持组播交换。

第六代：多级交换网结构路由器。

多级交换结构、严格意义上的无阻塞结构，由多个交换单元互连起来，多级结构在操作上较复杂，但是可以扩展到成百上千个端口，这对于下一代 Internet核心路由系统是绝对必要的。

NP与ASIC的比较

性能更高：内部集成数十个CPU及硬件协处理器，硬件加速器，在实现复杂的拥塞管理，队列调度等QOS功能前提下，仍能保持线速转发，实现“硬转发”；

扩展更灵活：预留的用户接口可编程，扩展灵活；业务支持能力强；对新的增值业务（MPLS,QOS,组播等）迅速支持；

管理灵活，开发方便，大大缩短了二次开发周期；预留IPv6接口，可通过软件平滑升级；

可靠性高：芯片转产前通过了严格的疲劳性测试，适合开发电信级设备。

控制路径：处理目的地址是本路由器的高层协议报文，特别是各种路由协议报文。不是路由器的关键路径，但是负责完成路由信息的交互，从而保证了数据路径上的报文沿着最优的路径转发。

数据路径：处理目的的地址不似乎本路由器而需要转发的报文，因此数据路径是整个路由器的关键路径，他直接影响路由器的整体性能。

控制报文给路由引擎，转发报文给转发引擎。

路由功能：用于转发表，包括IP地址/子网/下一跳

转发表：由源地址到目的地址和接口标记组成

转发芯片：asic芯片

新转发表：三元匹配：0 ，1，不关心的其他。

Cam芯片：二元匹配芯片。一种ASIC芯片，分析转发表时一次性工作即可找到地址（快）

Tcam芯片：三元匹配芯片。表排列精确在上不精确在下。用于ip路由器和acl，qos（路由匹配，策略匹配，防火墙匹配，最长匹配原则）

输入端口处理：物理层接受数据包，识别信号脉冲转化为01代码，发送至数据链路层，网络层分组转发。

OSPF

SPF(short
path first d.j算法)

建立过程：路由器以自己为根构建最短路径树，第一步通过d.j算法在考虑路由器和传输网络之间的连接下，根据连接状态数据库子集形成树。第二步，考虑存根网络连接，作为叶子加入树。

OSPF的状态机：邻居间关系的各个阶段

Down：一旦本地发出hello包进行下一状态

Init
初始化：接收到的hello包中若存在本地的RID，那么进入下一状态

2way双向通信：邻居关系建立的标志

条件匹配：

1、点到点网络直接进入下一状态

2、MA网络将进行DR/BR选举（40S），非DR/BDR间不能进入下一状态；

Exstart
预启动：使用类似hello
的DBD包来进行主从关系选举，RID数值大为主；优先进入下一状态。

Exchange
准交换：使用真实的DBD来共享数据库目录，需要ACK确认；

Loading加载：使用LSR/LSU/LAack来获取未知的LSA信息；

Full转发：邻接关系建立的标志；

Lsa加载不完全时，会卡在loading状态。

卡在建邻状态的情况有：

1相同的route id

2认证

3区域id 不同

4区域标志不同

5优先级都为0时

6 mtu不一致

7 包交互问题

8 lsa加载不完整

9 hello时间不一致

10 ma网络类型会检测接口地址的掩码，不一致会出问题

11 abr出接口包不通

1类lsa的网络类型（构建拓扑）

Point to point 两台路由器经由两条有向线段直接相连，每个方向一条。

连接两个接口的网段被表示成Stub网段。

Transit 多路一种ma网络网段有能力转发既不是本网段产生的，也不以本网段做为目的地的数据。

有至少两台路由器的广播型网段或NBMA网段就是一种Transit网段。

Stub 网段表示该网段只有数据入口，例如一个Loopback接口就是一个Stub网段。

virtual link
路由器lsa由区域内所有路由器产生。

2，网络lsa由区域内的DR或BDR产生，网络lsa也仅仅在产生这条网络的lsa的区域内部进行宏泛。

3，网络汇总lsa由abr产生，可以通知本区域内的路由器通往区域外的路由信息。在一个区域外部但仍然在一个OSPF自治系统内部的缺省路由也可以通过这种LSA来通告。如果一台ABR路由器经过骨干区域从其他的ABR路由器收到多条网络汇总LSA，那么这台始发的ABR路由器将会选择这些LSA通告中代价最低的LSA，并且将这个LSA的最低代价通告给与它相连的非骨干区域。

4，ASBR汇总LSA　也是由ABR产生，但是它是一条主机路由，指向ASBR路由器地址的路由。

5，自治系统外部LSA　由ASBR产生，告诉相同自治区的路由器通往外部自治区的路径。　　自治系统外部LSA是惟一不和具体的区域相关联的LSA通告，将在整个自治系统中进行泛洪。

6，组成员LSA 目前不支持组播OSPF （MOSPF协议）

7，NSSA外部LSA由ASBR产生，几乎和LSA 5通告是相同的，但NSSA外部LSA通告仅仅在始发这个NSSA外部LSA通告的非纯末梢区域内部进行宏泛。

在NSSA区域中，当有一个路由器是ASBR时，不得不产生LSA 5报文，但是NSSA中不能有LSA
5报文，所有ASBR产生LSA 7报文，发给本区域的路由器。

Type-3 LSA及Type-4 LSA的防环

OSPF要求所有的非0区域必须与骨干区域直接相连，区域间路由需经由骨干区域中转。

OSPF要求所有的非0区域必须与骨干区域直接相连，区域间（Inter-Area Route）路由需经由骨干区域中转。这个要求使得区域间的路由传递不能发生在两个非0的区域之间，这在很大程度上规避了区域间路由环路的发生，也使得OSPF的区域架构在逻辑上形成了一个类似星型的拓扑

ABR只能够将其所连接的区域的区域内部路由注入到Area0，但是可以将区域内部路由及区域间的路由注入到非0常规区域。ABR从非骨干区域收到的Type-3)LSA不能用于区域间路由的计算。

OSPF对ABR有着严苛的要求，区域间的路由传递的关键点在于ABR对Summary LSA的处理。

当一台ABR在非Area0的区域中收到Type-3
LSA时，虽然它会将其装载进LSDB，但是该路由器不会使用这些Type-3
LSA进行路由计算，当然它更不会将这些Type-3 LSA再注入回Area0中。

ABR不会将描述一个Area内部的路由信息的Type-3
LSA再注入回该区域中。

实际上，OSPF区域间路由的传递行为，很有点距离矢量路由协议的味道。以下图为例，在Area1中，R1及R2都会泛洪Type-1 LSA、Type-2 LSA，两台路由器都能够根据这些LSA计算区域内路由，而R2作为ABR还担负着另一个责任，就是向Area0通告区域间的路由，实际上它是向Area0中注入用于描述Area1内路由的Type-3 LSA，而这些Type-3 LSA是不会发回Area1的——是的，类似水平分割行为对吧？接下来R3利用这些Type-3 LSA计算出了区域间的路由，并且为Area2注入新的Type-3 LSA用于描述区域间的路由，而这些Type-3 LSA同样的不会被注入回Area0。

R2在向Area0通告Type-3 LSA，为每条区域间路由携带上Cost值，这个值就是它自己到达各个目标网段的Cost，而R3收到这些Type-3
LSA并计算路由时，路由的Cost就是在R2所通告的Cost值的基础上，加上R3自己到R2的Cost值，然后，R3向R4通告这些区域间的路由时也携带者自己到达目标网段的Cost，而R4到达目标网段的Cost则是在R3的通告值基础上累加自己到R3的Cost——典型的距离矢量行为。

Type-3 LSA还涉及了DN比特位，用于在MPLS VPN环境下的环路规避

DN位：PE生成Type3 、Type5与Type7
LSAs（cisco设备是按照RFC4577，只对Type3 LSA置位，华为type5也置位）发布给CE 时，将标志位DN置位，其他类型LSA 的DN 值为0。PE 路由器的OSPF进程在进行SPF计算时，忽略DN 置位的Type3、Type5 和Type7
LSAs。

DN
bit的作用是为防止路由环路。当PE收到DN bit置位的LSA不会进行处理，这样就防止了在CE双归的场景下，由于一个PE从CE学到另一个PE产生的LSA而产生的环路。

域外防环

1）利用type-4 LSA防环

当一台OSPF路由器将外部路由引入OSPF域后，它就成为了一台ASBR，被引入的外部路由以Type-5 LSA在整个OSPF域内泛洪。一台路由器使用Type-5 LSA计算出路由的前提是两个，其一是要收到Type-5 LSA，其二是要知道产生这个Type-5 LSA的ASBR在哪里。与ASBR接入同一个区域的路由器能够根据该区域内泛洪的Type-1 LSA及Type-2 LSA计算出到达该ASBR的最短路径，从而计算出外部路由。而其他区域的路由器就没有这么幸运了，因为ASBR产生的Type-1 LSA只能在其所在的区域内泛洪，所以才需要Type-4 LSA。因此其他区域的路由器在获取Type-4 LSA后便能计算出到达ASBR的最短路径，进而利用该ASBR产生的Type-5 LSA计算出外部路由。Type-5 LSA将会被泛洪到整个OSPF域，表面上看，它本身并不具有什么防环的能力，但是实际上，它并不需要，因为它可以依赖Type-1 LSA及Type-4 LSA来实现防环。

2）type-5 LSA中 external route tag防环

五类LSA Route-tag与DN位置位都存在时（思科dn不置位），首先根据Route-tag值来判断是否引入该路由，如果Route-tag值中的AS号信息与引入的BGP的AS号一致，则拒绝引入该路由。

7类转5类时，如果有两个bdr，使用route id 大的bdr转

如果想做分点自动扩张，应选择ma或者点到多点网络

Mgre伪广播（广播映射）也可以

一般而言，最好的方案是点到多点，可以通过mgre改良可以克服分支与分支连接要经过stub的缺点

五类比三类多个FA地址（forward address）

FA的表示全零或有地址0.0.0.0

有地址时覆盖原asbr，fa地址做下一跳

FA的接口必须是ma网络类型

Fa会引起路由表的递归查找，不是o，整个路由表会消失，（路由不加表现像）

Fa本质上是下一跳