开放式最短路径优先

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开放式最短路径优先（英語：，缩写为 OSPF）是广泛使用的一种路由协议，它属于链路状态路由协议，具有路由变化收敛速度快、无路由环路、支持变长子网掩码（VLSM）和汇总、层次区域划分等优点。

OSPF是一种基于IP协议的路由协议。它是大中型网络上使用较为广泛的IGP协议。OSPF是对链路状态路由协议的一种实现，运作于自治系统内部。OSPF分为OSPFv2和OSPFv3两个版本：OSPFv2定义于RFC 2328（1998），支持IPv4网络；而OSPFv3定义于RFC 5340（2008），支持IPv6网络。

它采用戴克斯特拉算法来计算最短路径树。它使用“开销（Cost）”作为路由度量。链路状态数据库（LSDB）用来保存当前网络拓扑结构，路由器上属于同一区域的链路状态数据库是相同的（属于多个区域的路由器会为每个区域维护一份链路状态数据库）。

OSPF提出了“区域（Area）”的概念，一个网络可以由单一区域或者多个区域组成。其中，一个特别的区域被称为骨干区域（Backbone Area），该区域是整个OSPF网络的核心区域，并且所有其他的区域都与之直接连接。所有的内部路由都通过骨干区域传递到其他非骨干区域。所有的区域都必须直接连接到骨干区域，如果不能建立直接连接，那么可以通过虚链路（virtual link）和骨干区域建立虚拟连接。

同一个广播域（Broadcast Domain）的路由器或者一个点对点（Point To Point）连接的两端的路由器，在发现彼此的时候，建立邻接（Adjacencies）^{[註 1]}。多路访问网络以及非广播多路访问网络的路由器会选举指定路由器（Designated Router, DR）和备份指定路由器（Backup Designated Router, BDR），DR和BDR作为网络的中心负责路由器之间的信息交换从而降低了网络中的信息流量。OSPF协议同时使用单播（Unicast）和群播（Multicast）来发送Hello包和链路状态更新（Link State Updates），使用的群播地址为224.0.0.5和224.0.0.6。与RIP和BGP不同的是，OSPF协议不使用TCP或者UDP协议而是直接承载在IP协议之上，IP协议号为89。

区域

一个OSPF网络分为多个区域。区域将网络中的路由器在逻辑上分组并以区域为单位向网络的其余部分发送汇总路由信息。区域编号由一个长度为32位的字段所定义，区域编号有两种表示方法，一种为点分十进制（如Area 1.1.1.1，写法规则同IPv4地址）；另外一种为十进制数字格式（如Area 1，注意Area 1不等于Area 1.1.1.1，而是0.0.0.1）。根據 RFC2328 描述，區域編號通常使用 32 bits的點分十進位表示。区域编号不是IP地址，用于IPv6网络的OSPFv3也使用同样的（形似IPv4地址的）区域编号格式。

区域是以接口（Interface）为单位来划分的，所以一台多接口路由器可能属于多个区域。相同区域内的所有路由器都维护一份相同的链路状态数据库（LSDB），如果一台路由器属于多个区域，那么它将为每一个区域维护一份LSDB。 将一个网络划分为多个区域有以下优点：^{[來源請求]}

• 某一区域内的路由器只需要维护该区域的链路状态数据库，而不用维护整个OSPF网络的链路状态数据库。
• 将某一区域网络拓扑变化的影响限制在该区域内，不会影响到整个OSPF网络，从而减小OSPF计算的频率。
• 将链路状态通告（LSA）的洪泛限制在本区域内，从而降低OSPF协议产生的数据量。
• 划分区域可以对网络进行层次化结构设计。
• 划分区域有利于资源合理调配，核心区域部署性能较好的设备资源，边缘区域部署性能较差的设备资源即可。

OSPF有多种区域类型，其中定义了几种特殊的区域：

OSPF路由器类型

OSPF定义了以下4种路由器类型：

• 内部路由器（Internal Router）
• 骨干路由器（Backbone Router）
• 区域边界路由器（Area Border Router，ABR）
• 自治系统边界路由器（Autonomous System Boundary Router，ASBR）

一台路由器可以同时属于多种类型，如右图所示，R2同时属于多种类型路由器。

每一台OSPF路由器都有一个路由器标识符（Identifier），一般写作路由器ID。路由器ID由一个长度为32 bits的字段所定义，通常用IPv4地址格式来表示（如1.2.2.2）。如果没有显式的设置路由器ID，则该路由器上最大的活跃逻辑接口IP地址将成为路由器ID；如果路由器不存在逻辑接口，则最大的活跃物理接口IP地址将成为路由器ID。注意，不要将路由器类型和指定路由器（Designated Router，DR）、备份指定路由器（Backup Designated Router，BDR）混淆，DR和BDR是路由器接口属性，而不是整个路由器的属性。

OSPF网络类型

OSPF定义了以下4种网络类型：^[1]

• 点到点网络（point-to-point）
• 广播网络（broadcast）
• 非广播多路访问网络（non-broadcast multi-access，NBMA）
• 点到多点网络（Point-to-MultiPoint）

虚链路

虚链路被路由器认为是没有编号的点到点网络的一种特殊设置，在虚链路上OSPF数据包是以单播方式发送的。不能人工设置一个接口的网络类型为虚链路。

此外还有一种特殊的网络类型，称之Loopback类型。OSPF路由器上的环回接口在默认状态下均为此类型。不能人工设置一个接口的网络类型为Loopback。

指定路由器和备份指定路由器

在广播多路访问网络和NBMA网络上会选举DR和BDR。所有其他路由器只与DR和BDR建立完全邻居关系，其他路由器之间的邻居状态停留在2-Way状态。所有其他路由器使用群播目的地址224.0.0.6向DR和BDR发送链路状态更新。

如果在多路访问网络中不选举DR，所有路由器之间都建立完全邻接关系，会产生很多不必要的LSA。假设一个多路访问网络上有n台路由器，那么就会建立n(n-1)/2个邻接关系。每台路由器都会产生n-1条LSA到与之建立邻接关系的路由器，再加上1条网络LSA，最终这个网络上会产生n²条LSA，并且其中很多都是重复的LSA副本。

DR完成以下工作：

• 描述该多路访问网络和与其相连的路由器。
• 管理该多路访问网络上的LSA洪泛扩散过程。

DR本后的概念是将多路访问网络看作一个“伪节点（Pseudo Node）”。当SPF进行计算的时候，把链路看作一个节点，与该链路相连的路由器也是连接到这个节点上的。从与伪节点相连的路由器到这个伪节点的代价是该路由器与这个多路访问网络相连的接口的出站代价，从伪节点到任何与之相连的路由器的代价都为0。一台路由器可能连接到多个多路访问网络，该路由器可能是它所连接的其中一个多路访问网络的DR，也可能不是它所连接的另一个多路访问网络的DR，也就是说，DR是路由器接口的属性，而不是整个路由器的属性。

为了避免因DR失效导致的单点故障，多路访问网络上还将选举BDR。DR失效时，BDR将成为DR，由于网络上其他路由器已经和BDR形成了完全邻接关系，因此可以将DR失效对网络的影响降至最低。

DR和BDR的相关选举规则如下：

• 如果一台OSPF路由器的接口优先级（Priority）为0，那么这台路由器永远不能成为DR或BDR。
• 具有最高优先级的路由器将会选举为DR，具有次高优先级的路由器将会选举为BDR。
• 如果同时有多台路由器具有相同的优先级，那么具有最高路由器ID的路由器将会选举为DR。
• 当DR失效时，BDR将成为DR，并将重新选举一个BDR。
• 优先级的取值范围为0-255，更高的优先级意味着路由器有更大的机会成为DR。
• 如果一台具有更高优先级的路由器在选举完DR和BDR之后接入网络，该路由器将不会成为DR或BDR，直到DR和BDR失效，当DR失效，具有更高优先级的路由器也只会成为BDR。即DR和BDR的选举不是抢占式的。

OSPF邻接关系

在OSPF路由器之间互相交换信息之前，必须先建立邻接关系。

两台OSPF路由器要建立完全邻接关系，以下参数必须相同：

1. Hello时间间隔
2. Dead时间间隔
3. 区域编号
4. 认证（如果启用了认证）
5. 链路MTU大小
6. 子网掩码
7. 子网号
8. 末梢区域设置

一般来说，建立OSPF完全邻接时会经过以下状态：

1. 失效状态（Down）：这是邻居会话的初始状态，表示最近没有从邻居收到信息。在NBMA网络上，可能仍然会以较低频率向处于Down状态的邻居发送Hello数据包。
2. 尝试状态（Attempt）：该状态仅仅适用于连接在NBMA网络上的邻居。该状态表示最近没有从邻居收到信息，但仍需要作进一步的尝试，来联系邻居。这时按某一特定间隔向邻居发送Hello数据包。
3. 初始状态（Init）:在此状态下，表示最近收到了从邻居发来的Hello数据包。但是，仍然没有和邻居建立双向通信（Bidirectional Communication），例如，路由器自身并没有出现在邻居发送的Hello数据包中。
4. 双向通信状态（2-Way）：此状态意味着两台路由器之间建立了双向通信。在此状态下还将进行DR和BDR的选举（只有处于2-Way状态的路由器才有资格参选DR和BDR）
5. 信息交换初始状态（ExStart）：这个状态是建立邻接关系的第一步。该状态的目标是决定信息交换时路由器的主从关系，并确定初始数据库描述（DD）数据包的序列号。具有最高路由器ID的路由器将成为主路由器。
6. 信息交换状态（ExChange）：在此状态的路由器通过向邻居发送DD数据包来描述其完整的链路状态数据库。每一个DD数据包都有一个序列号，并且需要被显式的确认。在任何时候，每次只能发送一个DD数据包。在此状态下，路由器也可以发送链路状态请求数据包，用来向邻居请求最新的LSA。实际上，这些状态的邻接关系完全有能力发送和接收所有类型的OSPF协议数据包。
7. 信息加载状态（Loading）：在此状态下，路由器将会向邻居路由器发送链路状态请求数据包，用来请求信息交换状态发现的最新的LSA。
8. 完全邻接状态（Full）：在此状态下，邻居路由器形成完全邻接关系。这些邻接关系将会在路由器LSA和网络LSA中被描述。

OSPFv2数据包类型和格式

OSPFv2定义了以下5种协议数据包类型：

1. Hello包 HELLO
2. 数据库描述包 DBD
3. 链路状态请求包 LSR
4. 链路状态更新包 LSU
5. 链路状态确认包 LSAck

LSA类型

OSPF定义了11种LSA，所有类型的LSA都以一个20字节的通用LSA头部开始。这些不同类型的LSA共同描述了OSPF域内的网络拓扑结构。所有的LSA都保存在LSDB中。SPF算法根据LSDB中的信息计算出最佳路径。

1. 路由器LSA（Router-LSA）：路由器LSA的类型为1。每一台OSPF路由器生成一条路由器LSA。该LSA描述了路由器的接口状态，以及每一个接口的出站代价。路由器LSA只能在始发他们的OSPF区域内进行洪泛，不能洪泛到其他区域。
2. 网络LSA（Network-LSA）：网络LSA的类型为2。网络LSA是DR为了描述连接到多路访问网络并且和DR建立了完全邻接关系的路由器而生成的，包括DR本身。和路由器LSA一样，网络LSA也只能在始发这条LSA的区域内进行洪泛。
3. 汇总LSA（Summary-LSA）：汇总LSA的类型为3。此类LSA描述了区域间的网络，由ABR生成。对于末梢区域，汇总LSA同样被用于描述默认路由。
4. ASBR汇总LSA（ASBR Summary-LSA）：ASBR汇总LSA的类型为4，也是由ABR生成。ASBR汇总LSA通告的是一台区域外部的ASBR路由器，而不像汇总LSA通告的是区域外的网络。
5. 自治系统外部LSA（AS-External-LSA）：自治系统外部LSA的类型为5，由ASBR生成。此类LSA描述AS外部的网络，并可以洪泛到所有非末梢区域中去。
6. 组成员LSA（Group-Membership-LSA ）：组成员LSA类型为6。组成员LSA是对标准OSPF的一个扩展，使其支持群播路由功能，扩展后的OSPF称之Multicast Open Shortest Path First（MOSPF）。
7. NSSA外部LSA（NSSA-External-LSA）：NSSA外部LSA类型为7。此类LSA由NSSA区域内的ASBR生成，也用来描述AS外部的网络。NSSA外部LSA仅仅在始发他们的NSSA区域内进行洪泛，而不像自治系统外部LSA可以洪泛到所有非末梢区域。
8. 链路本地LSA（Link-Local LSA）：链路本地LSA类型为8。该LSA专门用于OSPFv3（用于IPv6网络的OSPF）。链路本地LSA包含了每一个接口的链路本地地址和一个IPv6地址列表。

RFC2370定义了3种新的LSA，称作不透明LSA（Opaque LSA）。这3种新的LSA为OSPF的扩展性提供了通用的机制。它们可以携带用于OSPF的信息，也可以直接携带应用的信息。 目前有以下3种不透明LSA，它们的区别主要是洪泛范围不同：

• 类型9不透明LSA：洪泛范围仅仅是本地链路。
• 类型10不透明LSA：洪泛范围是始发该LSA的区域。
• 类型11不透明LSA：洪泛范围是整个OSPF域。

OSPF路径选择

OSPF使用“开销（Cost）”作为路由的度量值（Metric），路径的度量值越低，说明该路径越好，具有最低度量值的路径将装入路由表。开销是根据接口所配置的带宽来计算的，带宽越高，开销越低。在Cisco路由器上，默认情况下使用公式10^8/带宽（10^8是基准值，可以调整；带宽的单位是bit/s）来计算代价。例如，接口带宽为100Mbit/s，则开销为1；接口带宽为1000Mbit/s，计算所得的开销还是1（如果计算所得的开销小于1，则按1计算）。 OSPF有以下4种路由类型，优先级由高到低排序如下：

1. 内部路由：去往区域内部网络的路由。
2. 区域间路由：去往不同区域网络的路由。
3. 类型1的外部路由：去往OSPF域外的路由，类型1的外部路由的度量值包括了外部路由的度量值和到ASBR的度量值。
4. 类型2的外部路由：去往OSPF域外的路由，类型2的外部路由的度量值只包括了外部路由的度量值。

因此如果有多条去往相同目的地的路由具有相同的度量值，那么将比较它们的路由类型。假设有两条去往相同目的地的路由A和路由B的度量值都是30，A是内部路由，B区域间路由，则A将会被装入路由表。如果有多条去往相同目的地的路由具有相同的类型，相同的度量值，则它们都将被装入路由表，并在不同路由之间进行负载均衡。

OSPF的反击机制

大多数运行OSPF的路由器具有一种被称为(fight back)的安全机制。即当一个路由器收到关于自己的虚假或者不正确的LSA信息时，它将立刻发出一个包含自己正确的LSA的LSU报文，这一机制被称为反击或者自反击。 不过需要注意的是，反击机制并不是OSPF协议官方规定的安全机制。在RFC2328中，没有对此机制的任何描述。

注释

参考文献

相關條目

• 中间系统到中间系统 - Intermediate system to intermediate system (IS-IS)
• IEEE 802.1aq - Shortest Path Bridging (SPB)
• 高级综合
• 网状网络
• 路由
• 最短路问题

外部連結

• IETF OSPF Working Group
• Zebra （页面存档备份，存于） free router software which supports OSPF
• Quagga （页面存档备份，存于） a fork of Zebra
• OSPF Design Guide On Cisco.com （页面存档备份，存于）
• RFC 5187 OSPF Version 3 Graceful Restart, Juni 2008
• RFC 2740 OSPF Version 3, Dezember 1999
• RFC 2370 OSPF Opaque LSA Option, Juli 1998
• RFC 2328 OSPF Version 2, April 1998
• RFC 1850 OSPF Version 2 MIB, November 1995
• RFC 1793 Extending OSPF to Support Demand Circuits, April 1995
• RFC 1587 OSPF NSSA Option, März 1994
• RFC 1253 OSPF Version 2 MIB, August 1991, ersetzt durch RFC 1850
• RFC 1247 OSPF Version 2, Juli 1991, ersetzt durch RFC 2370
• RFC 1131 OSPF Version 2, Juli 1991, ersetzt durch RFC 1247