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7. Bringing Up Adjacencies (建立邻接关系)

本章详细描述 OSPF 路由器如何建立和维护邻接关系（Adjacency）。邻接关系是 OSPF 协议的核心，决定了哪些路由器之间会同步链路状态数据库。

章节概述 (Chapter Overview)​

邻接关系的建立是一个多阶段过程，涉及：

  • 邻居发现
  • 双向通信确认
  • 主从关系协商
  • 数据库同步
  • 完全邻接状态达成

7.1 邻居关系 vs 邻接关系 (Neighbor vs Adjacency)​

概念区分​

概念定义状态
邻居 (Neighbor)通过 Hello 协议发现的直连路由器2-Way 或更高
邻接 (Adjacency)同步 LSDB 的邻居Full 状态

关键差异​

邻居关系

  • 所有直连路由器都会成为邻居
  • 通过 Hello 数据包维护
  • 不一定同步数据库

邻接关系

  • 仅部分邻居建立邻接
  • 进行完整的数据库交换
  • 达到 Full 状态

7.2 邻居状态机 (Neighbor State Machine)​

状态转换图​

Down → Init → 2-Way → ExStart → Exchange → Loading → Full
                ↓
             (不建立邻接)

状态详解​

1. Down (失效)​

特征

  • 初始状态
  • 未收到任何 Hello 数据包
  • 邻居不可达

2. Init (初始化)​

特征

  • 收到邻居的 Hello 数据包
  • 但 Hello 中未列出本路由器
  • 单向通信

3. 2-Way (双向通信)​

特征

  • 收到的 Hello 中包含本路由器 ID
  • 双向通信已建立
  • 决策点：是否建立邻接关系

邻接建立条件

  • 点到点网络：总是建立
  • 点到多点网络：总是建立
  • 广播网络：仅与 DR 和 BDR
  • NBMA 网络：仅与 DR 和 BDR

4. ExStart (开始交换)​

特征

  • 协商主从关系
  • Router ID 大的成为 Master
  • 确定初始 DD 序列号

数据包交换

  • 交换空的 DD 数据包
  • 仅包含 DD 头部信息
  • 协商 MTU 和选项

5. Exchange (数据库描述)​

特征

  • 交换数据库描述数据包（DD）
  • 描述本地 LSDB 内容
  • 不包含完整 LSA，仅 LSA 头部

Master/Slave 行为

  • Master 控制序列号递增
  • Slave 回应 Master 的序列号
  • 使用窗口机制控制流量

6. Loading (加载)​

特征

  • 请求缺失或过期的 LSA
  • 发送 Link State Request（LSR）
  • 接收 Link State Update（LSU）

完成条件

  • Link State Request List 为空
  • 所有请求的 LSA 已接收

7. Full (完全邻接)​

特征

  • 数据库完全同步
  • 正常运行状态
  • 可以计算路由

7.3 邻接建立决策 (Adjacency Formation Decision)​

决策矩阵​

网络类型与谁建立邻接原因
点到点所有邻居只有一个邻居
点到多点所有邻居视为多个点到点
广播DR 和 BDR减少邻接数量
NBMADR 和 BDR减少邻接数量
虚拟链路虚拟邻居特殊配置

广播和 NBMA 网络的优化​

问题：N 个路由器需要 N(N-1)/2 个邻接

解决方案：指定路由器（DR）机制

  • 选举一个 DR 和一个 BDR
  • 所有路由器仅与 DR 和 BDR 建立邻接
  • 邻接数量减少到 2(N-1)

7.4 DR 和 BDR 选举 (DR/BDR Election)​

选举算法​

选举时机

  • 接口状态从 Waiting 转到 DR 或 DROther
  • Hello 数据包触发重新计算

选举规则

  1. 优先级比较

    • Router Priority = 0：不参与选举
    • 优先级越高越优先

  2. Router ID 比较

    • 优先级相同时，Router ID 大的获胜

  3. 两阶段选举

    • 第一阶段：选举 BDR
    • 第二阶段：选举 DR

选举过程​

步骤 1: 选举 BDR
  - 排除声明自己是 DR 的路由器
  - 选择优先级最高（或 Router ID 最大）的路由器

步骤 2: 选举 DR
  - 如果有路由器声明自己是 DR，选择其中最优的
  - 否则，将 BDR 提升为 DR

步骤 3: 稳定性检查
  - 如果本路由器成为或失去 DR/BDR 角色，重复选举

DR/BDR 的职责​

DR（指定路由器）职责

  • 生成 Network-LSA
  • 作为多路访问网络的中心节点
  • 接收并转发 LSA

BDR（备份指定路由器）职责

  • 监控 DR 状态
  • 维护完整邻接关系
  • DR 失效时接管

7.5 数据库描述数据包 (Database Description Packets)​

DD 数据包格式​

头部字段

字段大小说明
Interface MTU16位接口 MTU 大小
Options8位可选能力
Flags8位I/M/MS 标志
DD Sequence Number32位序列号

标志位说明

  • I (Init): 第一个 DD 数据包
  • M (More): 后续还有 DD 数据包
  • MS (Master/Slave): 1=Master, 0=Slave

DD 交换过程​

Master 行为

  1. 发送 DD 数据包，序列号 X
  2. 等待 Slave 响应
  3. 收到响应后，发送下一个 DD（序列号 X+1）

Slave 行为

  1. 等待 Master 的 DD
  2. 响应相同序列号的 DD
  3. 等待下一个 Master DD

LSR 生成时机​

触发条件

  • Exchange 状态：发现邻居有更新的 LSA
  • Loading 状态：继续请求缺失的 LSA
  • Full 状态：偶尔请求缺失的 LSA

LSR 数据包内容​

每个请求包含：

  • LS Type：LSA 类型
  • Link State ID：LSA 标识符
  • Advertising Router：通告路由器

请求列表管理​

Link State Request List

  • 按 LS Type 排序
  • 跟踪待请求的 LSA
  • 重传机制：RxmtInterval 后重发

LSU 用途​

使用场景

  1. 响应 LSR（单播）
  2. 泛洪新 LSA（组播/广播）
  3. 定期刷新 LSA

LSU 数据包结构​

LSU 数据包
  ├── OSPF 头部
  ├── LSA 数量
  └── LSA 列表
      ├── LSA 1
      ├── LSA 2
      └── ...

可靠传输机制​

确认方式

  • 显式确认：Link State Acknowledgment 数据包
  • 隐式确认：接收到重复的 LSA

重传机制

  • 未收到确认的 LSA 加入重传列表
  • RxmtInterval（默认 5 秒）后重传

确认时机​

延迟确认

  • 接收多个 LSA 后批量确认
  • 延迟时间通常 < 1 秒
  • 减少数据包数量

立即确认

  • 接收重复的 LSA
  • 收到较旧的 LSA 实例

确认数据包格式​

LSAck 数据包
  ├── OSPF 头部
  └── LSA 头部列表（仅头部，不含完整 LSA）

7.9 邻接维护 (Adjacency Maintenance)​

Hello 协议的作用​

持续监控

  • 周期性发送 Hello 数据包
  • 监听邻居的 Hello
  • Dead Interval 内未收到 Hello 则邻居失效

Hello 间隔

  • 点到点/广播：10 秒
  • NBMA：30 秒
  • 可配置

Dead 间隔

  • 默认：Hello Interval × 4
  • 点到点/广播：40 秒
  • NBMA：120 秒

邻接失效处理​

失效检测

  1. Dead Interval 内未收到 Hello
  2. 接口状态变为 Down
  3. 收到带有空 Neighbor List 的 Hello

失效响应

  1. 邻居状态转为 Down
  2. 删除该邻居的 LSA
  3. 重新计算路由表
  4. 必要时重新选举 DR/BDR

7.10 邻接建立示例 (Adjacency Formation Examples)​

示例 1: 点到点链路​

Router A ←────────→ Router B

步骤 1: 双方发送 Hello
  A → B: Hello (邻居列表为空)
  B → A: Hello (邻居列表为空)

步骤 2: 确认双向通信
  A → B: Hello (邻居列表包含 B)
  B → A: Hello (邻居列表包含 A)
  状态: 2-Way

步骤 3: 协商主从（假设 Router ID: A > B）
  A → B: DD (I, M, MS=1, Seq=X)
  B → A: DD (I, M, MS=0, Seq=X)
  A 成为 Master

步骤 4: 交换数据库描述
  A → B: DD (M, MS=1, Seq=X+1) [LSA头部列表]
  B → A: DD (M, MS=0, Seq=X+1) [LSA头部列表]
  ...继续直到交换完成

步骤 5: 请求缺失的 LSA
  A → B: LSR [请求 LSA 1, 2, 3]
  B → A: LSU [LSA 1, 2, 3]
  A → B: LSAck [确认 1, 2, 3]

步骤 6: 达到 Full 状态
  状态: Full
  可以计算路由

示例 2: 广播网络​

网络拓扑:
  Router A (Priority 2)
  Router B (Priority 1)
  Router C (Priority 1)
  共享以太网段

步骤 1: 所有路由器发送 Hello

步骤 2: 选举 DR 和 BDR
  结果: A 成为 DR (最高优先级)
        B 成为 BDR (Router ID 大于 C)

步骤 3: 建立邻接
  B ↔ A: 建立邻接 (DROther ↔ DR)
  C ↔ A: 建立邻接 (DROther ↔ DR)
  B ↔ C: 保持 2-Way (DROther ↔ DROther)

步骤 4: A 生成 Network-LSA

7.11 性能优化考虑 (Performance Optimization)​

邻接数量控制​

目标

  • 减少不必要的邻接
  • 降低内存和 CPU 消耗
  • 加快收敛速度

策略

  • 使用 DR/BDR 机制
  • 调整路由器优先级
  • 合理规划网络拓扑

定时器调优​

定时器默认值调优建议
Hello Interval10s快速网络可减小
Dead Interval40s应为 Hello × 4
RxmtInterval5s高延迟链路增大
InfTransDelay1s高延迟链路增大

技术要点总结 (Technical Summary)​

关键机制​

  1. 状态机驱动

    • 清晰的状态转换
    • 7 个邻居状态
    • 事件驱动的行为

  2. 可靠同步

    • 序列号机制
    • 确认和重传
    • Master/Slave 协调

  3. 优化设计

    • DR/BDR 减少邻接
    • 批量确认减少流量
    • 分阶段同步数据库

故障排查要点​

常见问题

  • Hello 参数不匹配
  • MTU 不一致
  • 区域 ID 不匹配
  • 认证失败
  • 网络类型配置错误

调试命令参考

  • 查看邻居状态
  • 检查接口配置
  • 验证 Hello 参数
  • 查看 LSA 数据库

参考资料 (References)

注意 (Note)：邻接关系的建立是 OSPF 协议的基础。理解状态转换和数据包交换顺序对于故障排查至关重要。

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