OSPF为什么要有网络类型的划分？

深入理解 OSPF 网络类型的必要性

OSPF（开放最短路径优先）作为一种广泛应用的内部网关路由协议，其设计精妙之处在于对不同网络拓扑的适应性和效率优化。其中，网络类型的划分是 OSPF 实现这些目标的核心机制。简单来说，网络类型的划分是为了让 OSPF 能够更有效地在各种连接方式的网络中运行，从而达到收敛速度快、资源消耗少、管理维护便捷的目的。

我们不妨从以下几个角度来深入剖析 OSPF 为何需要网络类型的划分：

1. 适配不同的物理和逻辑网络结构

现实世界中的网络连接方式多种多样，从最常见的点对点以太网到广播域巨大的多路访问网络，再到需要特定配置的 NBMA (非广播多路访问) 网络。如果 OSPF 不加区分地对待所有网络，就必然会遇到很多兼容性和效率问题。

点对点 (PointtoPoint) 网络: 这是最简单的网络类型，通常连接两个路由器。在这样的网络中，OSPF 的运行非常直接。两端路由器直接建立邻居关系，交换链路状态信息。不需要考虑 DR/BDR 的选举，也不会产生不必要的 LSA (链路状态通告)。这非常高效。

多路访问 (MultiAccess) 网络: 例如以太网。在一个共享的广播域中，可能连接着多个路由器。如果所有的路由器都像点对点网络一样互相发送 LSA，会造成大量的重复报文和不必要的计算，浪费带宽和 CPU 资源。更严重的是，如果一方的 LSA 更新失败，可能导致其他路由器无法及时收到信息，影响路由的准确性。

非广播多路访问 (NBMA) 网络: 如帧中继 (Frame Relay) 或 ATM。这类网络虽然可以连接多个路由器，但它们不具备广播能力。OSPF 原本是基于广播设计的，如何在不广播的情况下进行邻居发现和 LSA 交换，就是一个挑战。同时，NBMA 网络也可能存在成本不一致的问题，需要特殊的处理机制。

2. 解决多路访问网络中的“邻居爆炸”问题和效率瓶颈

想象一下在一个以太网段上有 10 台路由器。如果每台路由器都主动向其他所有路由器发送 LSA，那么每台路由器需要维护 9 个邻居关系，并频繁地发送和接收 LSA。这不仅会消耗大量的 CPU 和内存资源，还可能导致路由信息在网络中产生“风暴”效应，降低收敛速度，甚至引起不稳定。

为了解决这个问题，OSPF 在多路访问网络中引入了 DR (Designated Router，指定路由器) 和 BDR (Backup Designated Router，备份指定路由器) 的概念。

DR 的作用: DR 负责代表整个广播域的路由器进行 LSA 的交换。其他路由器只需要与 DR 建立邻居关系，并将自己的 LSA 提交给 DR。DR 会将收到的 LSA 汇总后，以一个 LSA 的形式发送给网络中的其他路由器。这样，在一个拥有 N 台路由器的广播域中，每台路由器只需要维护一个邻居关系（与 DR 和 BDR），而不是 N1 个。

BDR 的作用: BDR 是 DR 的备份。当 DR 发生故障时，BDR 会立即接管 DR 的职责，保证路由信息的连续性，从而提高了网络的可用性。

这种 DR/BDR 机制极大地减少了 OSPF 邻居的数量和 LSA 的泛洪量，尤其是在大型多路访问网络中，其效率提升是显著的。

3. 优化 NBMA 网络中的 OSPF 运行

NBMA 网络本身不具备广播能力，OSPF 依赖广播来发现邻居和泛洪 LSA。因此，在 NBMA 网络中直接运行 OSPF 会遇到困难。OSPF 提供了几种网络类型来适配 NBMA：

NBMA Network Type (例如 Frame Relay 的 `ip ospf network nbma`): 在这种配置下，路由器会主动尝试与配置了相同 PVC (Permanent Virtual Circuit，永久虚拟电路) 的其他 OSPF 路由器建立邻居关系。然而，它仍然需要 DR/BDR 机制来解决多路访问的问题，通常需要手动指定 DR 和 BDR。

PointtoMultipoint Network Type (例如 Frame Relay 的 `ip ospf network pointtomultipoint`): 这种类型将 NBMA 网络视为多个点对点连接的集合。每个 PVC 都被视为一个单独的点对点链路。这样可以避免 DR/BDR 的选举，因为每个“链路”的邻居关系是直接建立的。但是，缺点是每个路由器都需要与连接到它的所有路由器建立独立的邻居关系，在 PVC 数量较多时，可能依然会产生大量的邻居关系。

PointtoMultipoint NonBroadcast Network Type (例如 Frame Relay 的 `ip ospf network pointtomultipoint nonbroadcast`): 这是一种对 PointtoMultipoint 的改进，它在非广播网络上模拟点对点连接，但无需显式配置邻居。但同样需要人工配置静态邻居。

Broadcast Network Type (例如 Frame Relay 的 `ip ospf network broadcast`): 这种类型将 NBMA 网络视为一个广播网络，并强制执行 DR/BDR 的选举。但由于 NBMA 本身没有广播能力，通常需要通过配置静态的邻居关系，以模拟广播通信。

通过这些不同的 NBMA 配置，OSPF 可以选择最适合特定 NBMA 技术的运行方式，以最小的开销实现路由信息的交换。

4. 简化配置和管理

不同网络类型的划分，也使得 OSPF 的配置更加清晰和有针对性。管理员可以根据实际的网络连接情况，为每个接口选择最合适的 OSPF 网络类型。

当在一个普通的以太网接口上配置 OSPF 时，通常默认会使用 `broadcast` 类型，并自动进行 DR/BDR 的选举，这大大简化了管理。
在点对点链路（如串口连接）上，默认使用 `pointtopoint` 类型，不需要任何额外配置。
对于复杂的 NBMA 网络，管理员可以根据具体需求选择最合适的类型，并进行必要的邻居配置，使得网络更加稳定和易于管理。

总结一下，OSPF 网络类型的划分是其核心设计理念之一，其重要性体现在：

高效性: 通过引入 DR/BDR 机制，极大地降低了多路访问网络中的邻居数量和 LSA 交换的负担，提高了收敛速度和资源利用率。
适应性: 为不同物理和逻辑网络结构（点对点、多路访问、NBMA）提供了定制化的解决方案，确保 OSPF 能够在各种环境下正常运行。
灵活性: 允许管理员根据实际网络情况选择最适合的配置，优化路由协议的性能。
稳定性: 通过 BDR 等机制，提高了网络的可用性，即使 DR 发生故障也能快速恢复路由服务。
易管理性: 使得 OSPF 的配置和维护更加直观和便捷。

可以说，没有网络类型的划分，OSPF 难以在如此广泛的网络环境中高效、稳定地运行。这正是 OSPF 作为一种成熟的路由协议，能够经久不衰的关键所在。

OSPF最关键的一步就是如何发现自己的邻居，对于P2P和broadcast这两种链路这不是什么难题，只要往接口上发送224.0.0.5 组播，即然大家都加入了224.0.0.5这个组，很容易就可以互相找到对方，接下来就需要互相建立OSPF session了，这对于P2P来说最自然不过。

但是对于broadcast接口有点扩展性的小问题，如果有10台路由器处于同一网段（broadcast域），如果两两一对建立session，则需要建立10*9/2=45个session，太多的session没有必要，也浪费资源，于是就选举出DR，BDR（备份），大家都和这两个角色建立session，那只要9+9-1= 17 session 就足够了。所以先要区分这两种接口类型，于是就有了P2P，broadcast 网络类型。

有时网络拓扑采用的是HUB-Spoke的方式，即spoke和HUB有物理连接，而spoke之间没有物理连接，如果采用P2P，即HUB和每个spoke 之间用P2P网络类型，即使采用/30掩码，也要浪费两个IP地址，如果有13对，则浪费26个IP地址，而如果他们采用P2MP这种网络类型，即大家在同一个网段，使用一个/28掩码，最多浪费两个IP地址。spoke 之间的流量需要HUB做转发，只要路由的下一跳是HUB就可以满足流量的转发。

而对于Frame Relay，由于大多也采用HUB-Spoke 的方式互联，HUB通过PVC来区别各个spoke，一方面希望他们在同一个网段，节省IP地址空间，另一方面如果采用静态配置邻居，而不是动态发现邻居，则可以大大减少发现邻居的流量，于是就有了一个新的网络类型：Non Broadcast Multiple Access，即NBMA网络类型。