OSPF 状态机详解：七种邻居状态与卡在 ExStart 的排查

OSPF 状态机，指的是 OSPF 路由器为每一个邻居维护的一组状态，以及状态之间的迁移规则，定义在 RFC 2328 第 10 章。常说的“OSPF 七种状态”是 Down、Init、2-Way、ExStart、Exchange、Loading、Full，只用于 NBMA 网络的 Attempt 通常不计在内。前三种状态完成“发现邻居、确认双向通信”，后四种完成“同步链路状态数据库”；两台路由器走到 Full，才算建立了完全邻接，之后才能据此计算路由。排障时最有用的一点是：邻居停在哪个状态，就说明卡在了哪一步，每个状态对应的故障范围都很小。

OSPF 七种邻居状态一览

状态	进入条件	这一阶段收发的报文	正常情况下
Down	初始状态；或在 Dead 时间内没收到对方的 Hello	本端照常发送 Hello	邻居表里看不到对方，或对方刚断开
Init	收到对方的 Hello，但其中的邻居列表里还没有自己的 Router ID	Hello	一闪而过，通常不超过一个 Hello 间隔
2-Way	在对方的 Hello 里看到了自己的 Router ID，确认双向通信	Hello；广播网络在这一阶段选举 DR、BDR	点到点链路上一闪而过；广播网络里 DROther 之间长期停在这里是正常的
ExStart	决定建立邻接，协商主从关系和 DD 序列号	不带 LSA 摘要的空 DD 报文，I、M、MS 三个标志位置 1	一两秒
Exchange	主从确定，交换数据库摘要	携带 LSA 头部的 DD 报文；发现缺少的条目时可以开始发 LSR	数据库越大越久，通常几秒
Loading	摘要交换完毕，请求自己缺少或较旧的 LSA	LSR、LSU、LSAck	几秒
Full	请求列表清空，双方数据库一致	周期性的 Hello；拓扑变化时的 LSU、LSAck	长期稳定在这里

Attempt 只出现在 NBMA 网络：手工指定了邻居地址，本端正在向它单播 Hello，但还没收到回应。

邻居（neighbor）和邻接（adjacency）是两个概念：到 2-Way 就算邻居，从 ExStart 开始建立邻接，到 Full 才是完全邻接。只有建立邻接的路由器之间才同步数据库。

从 Down 到 Full：OSPF 邻居建立过程

以两台核心交换机为例：Core-A 的 Router ID 是 1.1.1.1，Core-B 是 2.2.2.2，用一条点到点链路互联，都在区域 0。

发现邻居：Down、Init、2-Way

1. Core-A 的接口启用 OSPF 后，每 10 秒向组播地址 224.0.0.5 发送 Hello。Hello 里带着区域号、Hello 与 Dead 间隔、网络掩码、认证信息、优先级，以及“我已经见过的邻居”列表，这时列表是空的。
2. Core-B 收到这个 Hello，先核对参数（见下文），一致就把 Core-A 加入邻居表，状态记为 Init，并在自己的下一个 Hello 里把 1.1.1.1 写进邻居列表。
3. Core-A 收到 Core-B 的 Hello，在列表里看到了自己，确认双向可达，Core-B 在它这里直接进入 2-Way；Core-A 随后发出的 Hello 里也带上了 2.2.2.2，Core-B 收到后同样进入 2-Way。
4. 点到点网络上双方总要建立邻接，2-Way 立即转入 ExStart。广播网络上，这一步要先等 DR、BDR 选举出结果，只有和 DR、BDR 之间才继续往下走。接口刚启用时，路由器会先等待一个 Dead 间隔（默认 40 秒）收集 Hello，再进行选举，所以广播网络上刚上线的邻居在 2-Way 停留几十秒是正常的。

同步数据库：ExStart、Exchange、Loading、Full

5. ExStart：双方各发一个空的 DD 报文，I（Init）、M（More）、MS（Master）三个标志位都置 1，都宣称自己是主。比较 Router ID，较大的一方为主（Master）。这里 2.2.2.2 较大，Core-A 承认 Core-B 为主，并在回应中采用 Core-B 的序列号，双方进入 Exchange。主从关系与 DR 选举无关，只决定由谁控制 DD 报文的序列号。
6. Exchange：双方用 DD 报文发送自己数据库里每一条 LSA 的头部，包括类型、链路状态 ID、通告路由器、序列号、校验和、老化时间。主方每发一个 DD，从方用相同的序列号回一个作为确认，一问一答。收到对方的摘要后，各自把“我没有的”和“我这份比较旧的”LSA 记入请求列表。
7. Loading：用 LSR 请求列表中的 LSA，对方用 LSU 发出完整内容，收到后回 LSAck 确认。请求列表清空，进入 Full。如果 Exchange 结束时请求列表本来就是空的，就跳过 Loading，直接进入 Full。
8. Full：双方数据库一致，各自更新 Router LSA，把这条邻接写进去并泛洪出去，然后运行 SPF 计算路由。

在点到点链路、数据库不大的情况下，从 Init 到 Full 一般只需要几秒钟。

OSPF 状态机怎么迁移：事件与状态对照

状态之间的跳转由事件触发。除了上面一路向前的过程，下表里的几种“回退”事件是排障时最常遇到的：

当前状态	事件	迁移到	说明
Down	HelloReceived	Init	收到对方的 Hello
Down（仅 NBMA）	Start	Attempt	开始向手工指定的邻居单播 Hello
Init	2-WayReceived	2-Way 或 ExStart	看到了自己的 Router ID；需要建立邻接的直接进入 ExStart
2-Way	AdjOK?	ExStart	DR、BDR 选出后，发现需要和对方建立邻接
ExStart	NegotiationDone	Exchange	主从关系与初始序列号协商完成
Exchange	ExchangeDone	Loading 或 Full	请求列表非空进入 Loading，为空直接 Full
Loading	LoadingDone	Full	请求的 LSA 全部收到
Exchange 及以上	SeqNumberMismatch、BadLSReq	ExStart	DD 序列号或标志位异常，或请求了对方没有的 LSA，从头协商
ExStart 及以上	AdjOK?（不再需要邻接）	2-Way	例如 DR 变化后，双方都成了 DROther
2-Way 及以上	1-WayReceived	Init	对方的 Hello 里不再有自己
任意状态	InactivityTimer	Down	Dead 时间内没收到 Hello
任意状态	KillNbr、LLDown	Down	接口关闭、链路断开、OSPF 进程重启

“回到 ExStart”的两个事件，是邻居在 ExStart、Exchange、Loading 之间来回跳的原因；InactivityTimer 则是 Full 掉回 Down 最常见的原因。

用 display ospf peer 看邻居状态

华为、H3C 用 display ospf peer，加 brief 只看概要：

<Core-A> display ospf peer brief

         OSPF Process 1 with Router ID 1.1.1.1
                  Peer Statistic Information
 ----------------------------------------------------------------------------
 Area Id          Interface                        Neighbor id      State
 0.0.0.0          Vlanif10                         2.2.2.2          Full
 0.0.0.0          Vlanif20                         3.3.3.3          ExStart
 ----------------------------------------------------------------------------

不加 brief 时，每个邻居会显示 State、主从角色（Mode）、优先级、DR 和 BDR 地址、MTU、距离 Dead 超时还剩几秒、邻居已建立多久，排障时这些字段都用得上。输出格式随设备版本略有差异。

思科用 show ip ospf neighbor：

Router# show ip ospf neighbor

Neighbor ID     Pri   State           Dead Time   Address         Interface
2.2.2.2           1   FULL/DR         00:00:35    10.0.10.2       GigabitEthernet0/0
4.4.4.4           1   2WAY/DROTHER    00:00:33    10.0.10.4       GigabitEthernet0/0
5.5.5.5           0   FULL/  -        00:00:38    10.0.12.2       GigabitEthernet0/1

State 列斜杠前是邻居状态，斜杠后是对方在这个网段上的角色：FULL/DR 表示与 DR 已完全邻接；2WAY/DROTHER 表示双方都是 DROther，正常；FULL/ - 出现在点到点网络上，没有 DR 的概念。Dead Time 是距离判定邻居失效还剩的时间，默认从 40 秒开始倒数，每收到一个 Hello 就重置一次，所以正常情况下在 30 到 40 秒之间循环；如果经常看到它明显低于 30 秒才被重置，说明有 Hello 丢失或晚到。

卡在哪个状态，对应什么故障

现象	最可能的原因	先查什么
邻居表里根本没有对方	Hello 收不到，或收到后因参数不一致被丢弃	接口是否启用 OSPF、是否被设为静默接口；Hello 参数与认证；ACL 是否拦截了协议号 89
停在 Init	单向通信：我收到了对方的 Hello，对方没收到或没接受我的	链路单向丢包、中间设备单向过滤组播、ACL 方向、对端的错误计数
停在 2-Way	广播网络上双方都是 DROther（正常）；或网段里所有路由器优先级都为 0	DR、BDR 字段与各台的优先级
停在 ExStart，或在 ExStart 与 Exchange 间反复	两端 MTU 不一致；单播的 DD 报文不通	两端接口 MTU；ACL 是否只放行了组播
停在 Loading	发出 LSR 后收不到 LSU，常见是大报文在中途被丢弃	两端之间大包能否通过；设备日志
已经 Full，却没有路由	两端网络类型不一致、路由被过滤、被其他路由覆盖	接口的网络类型、路由表

邻居不出现或停在 Init：Hello 参数与认证

收到 Hello 后，下面这些字段必须与本端接口一致，否则这个 Hello 直接丢弃：

• 区域 ID；
• 认证类型与密钥：不认证、明文、MD5 等，两端必须完全一致；
• Hello 间隔与 Dead 间隔：广播和点到点网络默认 10 秒、40 秒，NBMA 和点到多点默认 30 秒、120 秒，两端网络类型默认值不同时最容易出错；
• 网络掩码：只在广播和 NBMA 网络上检查；
• 区域类型标志：一端把区域配成了 Stub 或 NSSA，另一端没有；
• 另外，Router ID 不能重复。

注意，参数不一致或认证失败时，对方的 Hello 被丢弃，邻居表里根本不会出现对方，并不会停在 Init。真正停在 Init，意味着“我收到了你的 Hello，你却没收到我的”：链路一个方向丢包（比如一芯光纤衰减过大）、中间的二层设备或虚拟交换机过滤了一个方向的组播、ACL 只在一侧放行。少数检查不对称的情况也会造成单边 Init，例如一端是广播类型、另一端是点到点且掩码不同，只有广播一端会检查并丢弃对方的 Hello。

华为上先看本端接口参数，再看错误计数：

display ospf interface Vlanif10
display ospf error

display ospf error 隔几秒执行两次，看哪个计数在增长：Bad area id（区域号）、Bad authentication type 和 Bad authentication key（认证）、Netmask mismatch（掩码）、Hello timer mismatch 和 Dead timer mismatch（计时器）、Extern option mismatch（区域类型）、Router id confusion（Router ID 重复）。字段名以设备版本为准。

思科可以临时打开调试，R 是收到的值，C 是本端配置的值：

show ip ospf interface GigabitEthernet0/0
debug ip ospf hello
OSPF: Mismatched hello parameters from 10.0.10.2
OSPF: Dead R 120 C 40, Hello R 30 C 10  Mask R 255.255.255.0 C 255.255.255.0
debug ip ospf adj
OSPF: Rcv pkt from 10.0.10.2, GigabitEthernet0/0 : Mismatch Authentication type. Input packet specified type 0, we use type 2

认证类型 0 是不认证，1 是明文，2 是 MD5。生产设备上调试完要立即执行 undebug all。修改时两端一起改，华为在接口下用 ospf timer hello 10、ospf timer dead 40、ospf authentication-mode md5 1 cipher 密钥，思科用 ip ospf hello-interval 10、ip ospf dead-interval 40、ip ospf authentication message-digest 加 ip ospf message-digest-key 1 md5 密钥。

停在 2-Way：先确认是不是正常现象

广播网络上，一个网段有 N 台路由器，两两建立邻接需要 N(N−1)/2 条；选出 DR、BDR 后，其他路由器只和这两台建立邻接。6 台路由器两两相连要 15 条邻接，有了 DR、BDR 只要 9 条。所以 DROther 之间停在 2-Way 是设计如此。

不正常的情况有两种：一是网段里所有路由器的优先级都被设成了 0，没有 DR 可选，所有邻居都停在 2-Way，这个网段上建立不了任何邻接，经过它的路由也就学不到，至少要让一台的优先级大于 0；二是应当与 DR 建立邻接的路由器也停在 2-Way，要按 ExStart 的思路继续查。

机房里两台设备之间的以太网互联，建议两端都改为点到点类型（华为 ospf network-type p2p，思科 ip ospf network point-to-point），省去选举和等待，收敛更快。两端必须同时改，否则就成了后文的网络类型不一致。

卡在 ExStart 或 Exchange：多半是 MTU 不一致

DD 报文里带有发送接口的 MTU。按 RFC 2328，收到的 DD 里的 MTU 大于本端接口 MTU 时，本端认为自己收不下对方的大报文，拒绝这个 DD。结果是 MTU 小的一端停在 ExStart，MTU 大的一端常显示为 Exchange，双方不断重传。机房里最常见的场景，是一端为存储或虚拟化网络开了 9000 字节的巨型帧，另一端仍是 1500。

两家厂商的默认行为不同：

• 思科默认检查 MTU，debug ip ospf adj 会提示 Nbr 10.0.10.2 has larger interface MTU。正确的做法是把两端 MTU 改成一致；ip ospf mtu-ignore 只是跳过检查，大于对端 MTU 的报文照样可能在对端被丢弃，不建议长期使用。
• 华为默认在 DD 报文里把 MTU 填为 0、也不检查，所以两台华为设备 MTU 不同照样能走到 Full，display ospf peer 里看到的 MTU 为 0 就是这个原因。接口下配置 ospf mtu-enable 后才填写并检查。不检查不等于没有问题：数据库变大、LSU 报文超过对端 MTU 时，可能表现为停在 Loading。

查看接口 MTU，华为用 display interface Vlanif10，思科用 show ip interface GigabitEthernet0/0 | include MTU。

ExStart 的另一个原因是 DD 报文不通。在广播网络上，Hello 走组播，DD 和 LSR 却是发往对方接口地址的单播。中间的 ACL 或防火墙如果只放行了 224.0.0.5、224.0.0.6，Hello 正常、2-Way 正常，到 ExStart 就过不去了。

停在 Loading，或已经 Full 却没有路由

停在 Loading，说明 LSR 发出去了，对应的 LSU 迟迟收不到；如果对方收到的 LSR 请求的是它数据库里没有的 LSA，会触发 BadLSReq 事件，邻居退回 ExStart 重新协商，周而复始。先用不分片的大包测两端之间能否通过：华为 ping -f -s 1472 10.0.10.2，思科 ping 10.0.10.2 size 1500 df-bit。大包不通，回到 MTU 的思路；大包正常，看设备日志里有没有 LSA 校验相关的报错。

已经 Full 却缺路由，最典型的是两端网络类型不一致：一端广播、一端点到点，计时器默认值相同，邻居可以走到 Full，但两端对这条链路的描述方式不同，SPF 无法确认链路双向可用，路由算不出来。用 display ospf interface 或 show ip ospf interface 核对两端的网络类型。其次是路由被过滤，或同一前缀存在优先级更高的路由：华为上静态路由（优先级 60）会压过 OSPF 外部路由（150），思科上静态路由（管理距离 1）会压过 OSPF（110）。用 display ip routing-table protocol ospf 或 show ip route ospf 看 OSPF 实际装进路由表的条目，再用 display ospf lsdb 确认 LSA 是否已经收到。

在管理系统里怎么落地

OSPF 排障的大部分时间花在登录两端设备、执行 display 命令、对比配置上；而修改 MTU、计时器、网络类型这类操作，只改了一端就会把原本正常的邻居打断。Toplink DCIM 的 交换机管理 可以在浏览器里直接打开交换机的 SSH 或 Telnet 终端，每次会话全程录像并记录命令日志，事后可以回看每次会话执行过哪些命令；邻居异常时，对照会话时间就能找到是哪一次操作改动了 OSPF 参数。交换机的端口占用与上联关系也在系统里统一登记，查一条互联链路时，先在系统里确认两端的设备和端口，再分别登录核对两端的配置。