深入探讨OSPF环路问题
前言：
OSPF是我们每一个网络工程师都非常熟悉的一个IGP协议，因为其自身的优点（配置简单，分层设计，网络类型丰富等）使得OSPF在现有的网络中部署的非常之多，各种讨论OSPF的文章及案例也层出不穷，所以我就在想，如果我要以OSPF为题写一篇技术型文章，到底写什么样的内容才会让你们有观看的***，绞尽脑汁最后把思路聚焦于环路的问题上。
我们都知道OSPF是基于SPF算法的动态路由协议，SPF算法有一个最大的优点是可以保证网络的绝对无环，但因为OSPF采用的是分区域设计，每一个区域都单独的维护各自的数据库，执行各自的SPF算法，所以SPF可以保证OSPF无环的前提条件是在同一个区域内，即在同一个区域内，OSPF构建的网络是一个绝对无环的网络。但OSPF区域间信息的传递是依靠3 类lsa，而3类lsa里面携带的其实就是路由，所以我们说OSPF在区域间是存在失量形为(直接传递路由的形为称为失量形为)的，因为失量形为的存在，也就导致了OSPF的环路问题。
接下来，我会带领大家进入OSPF环路的世界，也会让大家见识到当初设计OSPF协议的工程师是如何费尽心思的解决OSPF环路问题的。
环路场景：
场景一：OSPF区域间环路
我们都知道，OSPF在设计区域结构的时候有两个非常重要的规则：
规则一、所有非骨干区域都必须与骨干区域相连
规则二、骨干区域不能被分割
因为有这两个规则的存在，说实话大大的限制了OSPF在部署时的灵活性，那协议开发者为什么要设计这两个规则出来呢？ 如果没有这两个规则又会带来什么问题？带着这此问题，我们来看两个拓扑：
如图一所示(假定没有所有非骨干区域都必须与骨干区域相连这条规则)：
1、R6上有一个loopback接口，地址为：6.6.6.6/32，宣告进了Area 4.
2、R6会产生关于6.6.6.6的1类lsa，类型为stub，并传递给R2。
3、因为R2位于区域边界，连接两个不同的区域，所以会把1类lsa中描述路由信息的stub转换为3类lsa，并在其它区域传递。
4、在图一中，R1;R3;R4也都位于区域边界，所以当R1收到这份3类lsa时，会传递给R3，R3此时又传递给R7，R7传递给R4，R4同理也会传递给R2。
5、此时R2会认为去往6.6.6.6这个网段有两条路径可达，一条是直接走R6，另一条是走R4，如果R2选择了R4去往6.6.6.6，那就产生了R2-R4-R7-R3-R1-R2这个环路。
总结：因为有了以上环路的风险，所以开发者在设计OSPF时必须解决这个问题，也就有了规则一(所有非骨干区域都必须与骨干区域相连)，那协议的设计者是如何保证规则一不被打破的呢？ 要明白这个问题，首先需要明白一个非常重要的概念：ABR(区域边界路由器)，需要满足以下三个条件才能成为一台真正意义上的ABR：
1、至少连接两个区域
2、连接的区域中有一个是区域零(骨干区域)
3、在区域零中至少有一个活跃的邻居
而定义ABR的作用就在于：只有ABR才能产生3类lsa，如图一所示，R3与R4都连接了两个区域，但他们却都不是ABR(不满足第2第3条)，也就是说当R1这台ABR把描述6.6.6.6这条路由的3类LSA传递给R3时，因为R3不是ABR，所以不会把该条3类LSA传递给R7，R4在区域3中也就收不到这份3类lsa，同理R2也不会从区域2中收到关于6.6.6.6网段的3类LSA，也就防止了环路的产生。
接下来我们来研究一下第二个规则的必要性：
如图二所示：(假定骨干区域能被分割)
1、R2上有一个loopback接口，地址为2.2.2.2/32，宣告进了区域3。
2、R2作为区域2的ABR，所以会向区域2内产生关于2.2.2.2网段的3类LSA
3、R4从区域2中学习到此条3类LSA，因为R4也是一台ABR，所以R4也会向区域0中产生关于2.2.2.2网段的3类LSA。
4、R3从区域0中学习到此条3类LSA，因为R3也是一台ABR，所以R3也会向区域1中产生关于2.2.2.2网段的3类LSA。
5、R1从区域1中学习到此条3类LSA，因为R1也是一台ABR，所以R1也会向区域0中产生关于2.2.2.2网段的3类LSA。
6、此时R2学习到了两条关于2.2.2.2的路由，一条是自己产生的，另一条是R1发过来的，当R2自己产生的2.2.2.2不可达时，就会优选从R1过来的路由，所以就会导致R2访问2.2.2.2时出现R2-R1-R3-R4-R2这样一条环路。
总结：有了环路，一定要想办法规避，所以针对图二的环路问题，协议开发者制定了规则二(骨干区域不能被分割)，为了保证规则二不会被打破，OSPF规定：从非骨干区域收到的3类LSA，ABR能接收但不会使用这条3类LSA(此条规定也可以称为OSPF的水平分割原则)。所以在上述的第三步中，R4作为一台ABR，从非骨干区域（Area 2）中收到一条3类LSA，R4是不会处理的（不会参与路由计算，不会泛洪），在上图中R4与R3都无法访问2.2.2.2网段，从而避免了环路。
场景二：OSPF外部路由引起的环路
OSPF的路由可以分为两种，一种是内部路由，由1类，2类，3类LSA形成的路由都是内部路由，即network产生的路由。另外一种是外部路由，由5类，7类LSA形成的称为外部路由，即import产生的路由。内部路由的环路问题可以通过场景一的内容解决，那外部路由是否会有环路问题？以及我们的解决办法又是什么呢？ 在正式讲外部路由引起的环路问题时，需要先科普一下OSPF的一些相关知识点：
1、特殊区域：OSPF为了能适应各种环境及路由器的组网，开发了特殊区域这一概念，OSPF的特殊区域可分为两种类型：
A、stub区域：stub区域拒绝5类lsa进入，即拒绝外部路由进入本区域，也不能在本区域下面引入外部路由，区域内的路由器通过ABR下发的默认路由来访问外部网络。
B、NSSA区域：这是一种特殊的stub区域，它保持了stub区域拒绝5类lsa的特点，但是它能允许在该区域引入外部路由，外部路由以7类lsa的形式存在于本区域中，nssa区域的ABR会向其它区域把此7类LSA翻译(转换)成5类LSA(俗称7转5)，使其它区域的路由器可以访问此外部路由。
2、外部路由类型：ospf外部路由有两种类型
A、Type 1：也称为E1。路由器在计算type1路由的Cost时，会把此路由的外部cost(ASBR到达目标网段的cost)与内部cost(本路由器到达ASBR的cost)相加。
B、Type 2：也称为E2，引入路由时默认为此类型，路由器在计算type2路由的cost时，只计算外部cost，而忽略内部cost。但当一台路由器收到两条相同的type2路由时，首先会对比外部cost的值，如果一样再对比内部cost值。
3、FA地址：FA的全称为forwarding address，是5类lsa与7类lsa中的一个字段，FA字段可以影响路由器的选路，所以它的作用是用于解决次优与环路。(FA作为OSPF协议中的一个重点与难点，要讲的东西可以有很多，因为本文章我们主要讲解环路，所以FA只会以结论的形式引入)。
4、外部路由的选路问题：大致可分为两种情况
情况一：外部路由中未包含FA地址：此时路由器计算去往ASBR的路径。
情况二：外部路由中包含FA地址：此时路由器直接计算去往FA的路径。
回顾了以上知识点后，我们来看这样一张拓扑图：
如图三所示：区域1为NSSA区域，各链路的cost如图所示：
1、在R1上把1.1.1.1引入OSPF，此时R1会产生关于1.1.1.1网段的7类LSA。
2、R2与R3作为Area1的ABR，都有责任进行7转5的动作，但OSPF规定默认情况下只有R-ID大的才能进行7转5，R2与R3的R-ID如图所示，即R3会进行7转5的动作，由R3产生关于1.1.1.1的5类lsa,并在Area0中泛洪。
3、R4从Area 0中收到此5lsa，并泛洪给R2。
4、我们来分析R4如何去往1.1.1.1，此时会有两种情况：
情况一：R4收到的这条5类LSA中FA地址为0.0.0.0
根据OSPF外部路由的选路规则，当5类LSA中FA地址为0时，则计算去往ASBR的路径。
1、此时产生此条5类LSA的是R3，所以R3为ASBR，R4可直接通过Area 0到达ASBR（R3）。
2、R3是通过Area 1学习到的1.1.1.1网段，所以R3可通过Area1去往1.1.1.1，即把数据包发送给R2。
3、此时R2可通过两条LSA学习到1.1.1.1的路由
第一条：R1产生的7类LSA。类型为Type2，外部Cost为1（外部cost默认都为1），内部cost为10(内部cost，本路由器到ASBR的cost)
第二条：R3产生的5类LSA，由R4泛洪给R2(参考上面第二步)，类型为Type 2，外部Cost为1，内部Cost为2（R2-R4-R3的cost）
4、R2执行选路规则，两条LSA同为Type2类型，先对比外部cost值，都为1，然后对比内部cost值，第一条为10，第二条为2，所以R2会优选第二条(R3产生的5类lsa)，即会把数据包转发给R4。
5、环路形成：R4-R3-R2-R4
情况二：R4收到的这条5类LSA中FA地址为10.1.12.1(R1与R2的互联接口)
根据OSPF外部路由的选路规则，当5类LSA中FA地址为非0时，直接计算去往FA地址的路径。
1、在此图中R4收到的5类LSA中FA地址为10.1.12.1，关于10.1.12.1这个地址，R4是通过3类LSA学习到的(10.1.12.1位于Area 1中，R2与R3都为ABR，都会产生关于10.1.12.0网段的3类lsa)，R4此时其实可以收到两条10.1.12.0的3类LSA，一条R2产生，一条R3产生，通过计算cost后发现，选择R2去往10.1.12.1更近，所以R4会把数据包转发给R2。
2、R2同样执行选路计算，计算去往FA地址10.1.12.1的路径，此地址是R2的一个直连路由，所以R2会把数据包转发给R1。
3、此时全程的路径为：R4-R2-R1，解决了环路问题。
总结：OSPF针对外部路由可以通过FA地址来防环，7类LSA中一般情况下都会携带FA地址，在执行7转5后FA地址会默认保留，所以在默认情况下面不会出现环路问题。如果我们在做7转5时把FA地址抵制了，就有可能出现上述的环路问题。5类LSA FA地址的填充需要满足一些条件，有机会我再整理一篇文章来单独讲FA地址。
场景三：OSPF Vlink导致的环路问题
我们在场景一的时候讨论过设计区域的两个规则，因为有这两个规则的存在，大大降低了网络部署的灵活性，为了解决这个灵活性问题协议开发者开发了Vlink这个技术。
使用Vlink技术可以很好的解决区域被分割的问题，但Vlink却是一把双刃剑，配置好了可以修复区域分割，但配置错了的话也会导致环路，接下来我们就一起来讨论一下Vlink导致环路的问题。
如图四所示：此拓扑中Area 2没有与Area 0相连，打破了OSPF区域设计时所有非骨干区域都需要与骨干区域相连的规则，所以在正常情况下，区域0与区域2中的路由器是不能互访的，为了能使这两个区域互访，我们可以在R2与R4之间建立一条Vlink，使得区域2能使用R2与R4之间的这条虚链路连接到区域0，此时我们一步一步的分析下这个拓扑所产生的问题。
1，R5上有一个loopback接口，地址为5.5.5.5/32，宣告进了区域2。
2，R4作为区域2中的ABR（R2与R4之间的Vlink建立起来后，R4就成为了一台ABR），会产生关于5.5.5.5网段的3类LSA，并向区域1与区域0泛洪。
3，此时区域1中的关于5.5.5.5网段的这条3类LSA会传递给R3，R3在区域1中传递给R2。
4，区域0中的关于5.5.5.5网段的这条3类LSA会通过Vlink传递给R2(Vlink使用单播传递LSA)，R2经区域0传递给R1，R1经区域0传递给R3(注意R2并不能直接把这条3类LSA传递给R3，因为R2与R3之间的链路在区域1中)。
5，这个时候我们来分析下R3的情况，经第三步与第四步可得知，R3能收到两条关于5.5.5.5网段的3类LSA：
A：由R4产生，在区域0中由R4-R2-R1-R3传递过来
B：由R4产生，在区域1中由R4-R3传递过来
6，根据场景一中所讲的规定，从非骨干区域收到的3类LSA，ABR能接收但不会使用这条3类LSA，即R3虽然能收到两条关于5.5.5.5网段的3类LSA，但它能使用的只有第一条，即由区域0传递过来的这条3类LSA。
7，因为只能使用R1传递给R3的3类LSA，所以当R3要访问5.5.5.5时，会先把数据包转发给R1，R1转发给R2，R2知道去往5.5.5.5的数据包是要转发到R4的，但R2去往R4只能经过区域1传递给R3，所以此时产生了R3-R2-R1-R3的环路。
总结：在华为设备上此环路的解决办法为修改Vlink的邻居建立路由器，在R3与R4之间配置Vlink就可以避免环路。
在思科设备上，除了修改建立邻居的路由器外，还可以通过no capability transit(默认启用)命令来解决此环路。
no capability transit命令解释:
首先得明白transit，transit是指Vlink所建立的区域，在上图中区域1为transit区域。使能这条命令后，当R3在区域0中收到一条3类lsa时，发现此3类LSA的ADV(通知者)为R4，并且R4在transit区域中可达，此时R3会计算从transit区域中去往此ADV-Router的Cost,如果计算结果为经过transit区域去往R4要比走区域0近，那就会选择从transit区域去往目标。如图四所示，R3此时会选择走transit区域去往目标网段，还不走区域0，从而避免了环路。
场景四：OSPF选路规则导致的环路（RFC2328、RFC1583）
OSPF的选路规则对于每一个网络工程师来说都应该能说出几点，选路规则的设计原本是为了让路由器能选择出更好的路由，那为什么会产生环路呢，在探讨这个问题之前，我们先来复习一下OSPF的选路规则有哪些：
1、域内路由优于域间路由：即由1类或者2类lsa生成的路由是优先于3类lsa生成的路由的。
2、域间路由优于外部路由：即由3类lsa产生的路由是优于5类或者是7类产生的路由。
3、如果同为外部路由，则先比较路由的Type，Type1优于Type2
4、如果同为Type1：则比较路由的外部cost与内部cost之和，选择选小的。
5、如果同为Type2：则先比较路由的外部cost值，相同再比较路由的内部cost值，不一样就选择小的。(详情见上篇文章的场景二)。
知道如上选路规则后，再给你们介绍一下OSPF的开发历史：OSPF由IETF在20世纪80年代末期开发，最初的OSPF规范体是在RFC1131中描述的，这称为OSPF的第一个版本，但因为这个OSPF版本1有很多不成熟的地方，所以很快就被新开发的标准所替代，这个新的标准在RFC1247文档中进行描述，RFC1247在稳定性和功能性方面都有了实质性的改进，所以称为OSPF版本2，在后续的发展中，又针对了这个OSPF版本有许多更新文档出现，每一个更新都是对是OSPF的精心改进，这些更新文档包括RFC1583、2178和2328中。目前我们所学习与使用的OSPF版本2中的各种特性都在RFC2328中进行了描述。
有了以上历史知识后，回到我们这个场景主要讨论的两个标准：RFC1583与RFC2328，RFC1583与RFC2328存在着诸多的不一样，这里我们主要讨论下这两个RFC标准中选路规则所涉及的问题：
RFC1583规定：外部路由选路时只需要对比cost值，cost值小的优先，如果cost值相同则负载。
RFC2328规定：外部路由选路时只需要对比区域号大小，而不需要对比cost值，区域号大的将优先使用。
有了以上理论知识后，我们来分析一个拓扑图：
深入探讨OSPF环路问题（二）-2656969-1
如图五所示：假设R2上运行的OSPF是执行RFC2328的选路规则，其它路由器执行RFC1583选路规则。
1、R3上有一个loopback接口，地址为10.1.3.3，引入进OSPF，产生5类LSA，ASBR为R3。
2、当R2收到这条5类LSA后，经计算会有3条路径去往ASBRR3，分别为：
A、R2-R1-R3：经过区域0，内部cost值为11（如果不清楚内部cost与外部cost区域，请参考场景二）
B、R2-R3：经过区域0，内部cost值为1。
C、R2-R4-R3：经过区域1，内部cost值为21。
3、根据RFC2328的选路规则，只比较路径的区域号大小，不比较cost值，所以R2会优先C路径去往R3。此时R2会将数据发送给R4。
4、R4也需要计算到达ASBRR3的路径，此时R4上也有两条路径可达到R3。
A、R4-R1-R3：经过区域0，内部cost值为11。
B、R4-R3：经过区域1，内部cost值为20。
5、根据RFC1583的选路规则，只比较路径的cost值，不比较区域号，所以R4会优选cost值小的路径A。此时R4将数据发送给R1。
6、R1也需要计算到达ASBRR3的路径，此时R1上也有两条路径可达到R3。
A、R1-R3：经过区域0，内部cost值为10。
B、R1-R2-R3：经过区域0，内部cost值为2。
7、根据外部路由选路规则，如果从同一区域收到，则直接比较cost，cost值小的优先，所以R4会优选B路径到达R3，此时数据包会转发给R2。
8、此时环路产生：R2-R4-R1-R2。
由环路现象可知，此环路产生的原因是由于R2上执行的是RFC2328选路规则，而R4上执行的是RFC1583选路规则所致，有环路就必须要有解决此环路的办法，针对此处我们能想到的最简单的办法应该是修改ospf路由器的选路规则，使全网保持一致。这样修改完成后确实可以解决此问题，但是你到底是修改成2328呢还是1583，因为他们都有各自的特点，2328考虑到了骨干区域的负载问题，但没有考虑到cost，而1583考虑到了cost，又没有考虑到区域的问题。如果有一种技术能把这两种选路规则结合起来，那肯定就是最完美的解决方案。其实协议开发者早就想到了这个问题，并且也确实设计了这种完美的解决方案，那就是RFC1583的兼容模式。
默认情况下，华为的设备启用OSPF后都工作在RFC1583兼容模式，此模式的特点为：当一台路由器收到能从不同的路径去往目标外部路由，会先比较路径的cost值，只有在cost值相同的情况下才会进一步比较区域号。如果cost值与区域号都相同，才会形成负载。
华为设备上面可以设置关闭RFC1583的兼容模式：命令为：undo rfc1583 compatible。关闭后将执行RFC2328的选路标准，在上述拓扑中，R2上就是执行了此条命令，所以才出现了环路。
场景五：OSPF在MPLS_v*n中的环路（DN位，Domain-tag）
要看明白此场景，需要各位对MPLS_v*n有一定的认识，MPLS_v*n作为数通的一个难点内容，学习起来确实有一定的难度，我这里尽量会使用一些通俗的语言去解释MPLS_v*n中的技术名词，因篇幅有限，所以不能非常详细的讲解MPLS_v*n中的技术，下次我会写一篇MPLS_v*n的专题，在文章中再详细的介绍相关技术。
对MPLS_v*n熟悉的人都知道，PE与CE之间可运行多种路由协议，如RIP、OSPF、ISIS、BGP并且静态路由也可以使用，在如此多的协议之间到底选择何种协议进行部署，是每个网络工程师都需要慎重考虑的问题，而在众多的协议之中，OSPF因为大众对它的熟悉，及在部署时有非常完善的防环特性而受到广泛的使用，所以我们这个场景就来讨论一下，在PE与CE之间运行OSPF所遇到的环路问题，及解决方法。
如上图所示：这是一个双PE的组网环境，整个网络已经提前配置好了MPLS_v*n的基础配置，两台PE的关键配置如下：
1、R3与R4连接的实例为site1，在site1里添加一条静态路由：ip route-static v*n-instance site1 30.30.30.30 255.255.255.255 NULL0 preference 200，下一跳指向Null0，优先级修改为200。此时路由表显示如下：
2、进入R3的BGP配置下，把30网段network进v*n-instance，配置如下：
bgp 10
ipv4-familyv*n-instance site1
network30.30.30.30 255.255.255.255
import-route ospf1
3、因为R3与R4建立了v*nv4邻居，所以此时30网段的v*nv4路由会传递给R4，在R4上经过路由交叉(mpls-v*n技术名词，简单说是把路由接收进实验路由表)后可以R4的实例路由表查看到此条路由，下一跳为10.1.3.3，通过IBGP学到。
4、进入R4的实例OSPF中，输入命令：import-route bgp permit-ibgp，默认情况下在PE设备上引入IBGP路由是不需要加入permit-ibgp，但此时我们的设备上配置了一条：v*n-instance-capability simple，此条命令会导致运行OSPF的PE设备丧失PE特性（具体命令细节稍后会介绍），因为在非PE设备上，import-route bgp只能引入ebgp路由（为了防环，有机会再给大家整理一篇BGP环路介绍），所以此处在引入时一定要加入permit-ibgp参数。命令如下：
5、因R4与R7建立了ospf邻居，所以此时在R7上查看路由表，可查看到R7已经学习到了一条30网段的路由，下一跳指向R4，并为ase路由。
6、因R7与R6建立了ospf邻居，继续前往R6上查看路由表，发现R6也学习到了一条30网段路由，下一跳指向R7：
7、因R6与R3建立了OSPF邻居，继续前往R3上查看site1实例路由表，可发现此时实例表中出现的一条ase的30网段路由，优先级为150。回顾第一步的路由表显示可知，此时R3会有两条去往30网段的路由，一条是通过OSPF学习到的优先级为150的ase路由，另外一条是第一步添加的优先为200的静态路由。所以此时R3会优先选择优先级小的ospf路由。
8、此时就需要了一个R3-R4-R7-R6-R3的路由环路，数据环路则是R3-R6-R7-R4-R1-R3
从以上分析可知，此环路形成的原因为R3使用了本来就属于R3发送出去的30网段路由，从而形成了环路，为了解决此种路由回灌的问题，OSPF协议开发者在开发协议时设计了两种防环机制：DN位与Route tag。
DN位位于ospf lsa头部的option中，主要用于mpls_v*n场景中3类，5类，7类Lsa的防环，OSPF规定当一条路由从PE发往CE时，LSA中的DN位就会被置位，当一条LSA的DN位被置位了，PE设备将会忽略此条LSA。在以上场景中R4通过v*nv4从R3学习到30网段路由，并且发送给CE-R7，此时DN位就会被置位，当30网段的这条lsa发送回给R3时，R3发现此LSA的DN被置位，所以不会使用此条LSA，从而避免了环路的产生。在上述场景中因为在PE上面配置了v*n-instance-capability simple命令，所以此时PE设备将忽略DN检测，也就导致了上述环路的产生。
Route tag同样位于ospf lsa里，但只存在于5类与7类lsa中，即Route tag只能用于5类与7类的防环。当PE给CE发送LSA时，会在5类与7类lsa中添加tag值，此tag值会以PE设备上BGP的AS号来计算，当此条填充的tag值的lsa传入对端PE时，PE设备会检测此tag中的AS号与本地的AS号是否一致，如一致则会忽略此lsa条目。在上述场景中PE上面配置的v*n-instance-capabilitysimple命令也同样会使PE设备忽略Route tag的检测，从而导致了上述的环路。
当PE与CE之间运行了ospf时，会自动启用这两种防环机制，默认情况下PE设备是会检测DN位与Route-tag的，也就是说默认情况下v*n-instance-capability simple命令并未使能，即默认情况就不会有环路产生。
v*n-instance-capabilitysimple命令详细介绍：
A、在PE上配置v*n-instance-capabilitysimple命令后，如果OSPF没有配置骨干区域0，则该MCE不会成为ABR。（关于此问题需要重新写文章才能详细介绍）
B、配置v*n-instance-capability simple命令后，OSPF进程不可以引入IBGP路由。（所以需要在引入时加入permit-ibgp参数）
C、配置v*n-instance-capability simple命令后，BGP引入的OSPF路由中不会携带OSPFDomain ID、OSPF Route-tag和OSPFRouter ID。（所以在CE上面看到的路由都是以ase的外部路由存在，关于OSPF的RT属性，也需要重新写文章才能详细介绍）
此外要在PE上面关闭DN位检测还可以用如下命令：
dn-bit-checkdisable summary 关闭3类lsa中的dn位检查
dn-bit-checkdisable ase 关闭5类lsa中的dn位检查
dn-bit-checkdisable nssa 关闭7类lsa中的dn位检查