OSPF-протокол: основные термины и алгоритмы работы

OSPF расшифровывается как Open Shortest Path First. Если переводить дословно, получится что-то вроде «открытый короткий путь первым». Под названием скрывается протокол внутренней маршрутизации, который передает информацию по лучшему пути. Но, несмотря на название, он не всегда короткий. Чтобы найти лучший путь, протокол отслеживает состояние каналов, а путь рассчитывается по алгоритму Дейкстры. 

OSPF довольно просто настраивается по инструкциям, но вот объяснить порядок его работы довольно сложно. Попробуем это сделать.

Основы протокола OSPF

Чтобы объяснить работу OSPF-протокола, сначала вспомним, что такое статическая маршрутизация. Представим небольшую компанию с внутренней базой знаний, которая хранится на сервере в соседнем помещении. Когда сотрудник хочет открыть документ из базы, пакет с запросом передается на маршрутизатор. Последний обращается к таблице маршрутизации и понимает, в какую сеть отправить пакет.

Для этого администратор вручную прописывает все маршруты к сетям в таблице маршрутизации. Но когда в компании десяток департаментов и сотни маршрутизаторов, такой сценарий нереализуем (особенно при добавлении новых маршрутизаторов). Здесь на помощь приходит динамическая маршрутизация с помощью протокола OSPF. 

Протокол OSPF заполняет таблицы маршрутизации автоматически, при этом маршрутизаторы постоянно обмениваются данными о состоянии сети и актуализируют таблицу. Администратору не нужно бегать и самостоятельно переписывать таблицы.

Аналогично в случае сбоев: со статической маршрутизацией тяжело отслеживать доступность сетей. Если канал между маршрутизаторами прерван, то пакеты, которые M2 получил от M1 (см. схему ниже), никуда не отправятся.

Если сети работают на протоколе OSPF, маршруты перестроятся автоматически.

OSPF — протокол внутренней маршрутизации. «Внутренней» означает, что маршрутизаторы связаны в замкнутой системе или в одном домене. Понимание принципов работы протокола и алгоритмов облегчат настройку OSPF, поэтому о них подробнее.

Терминология

• Автономная система — это сети под общим управлением, с едиными политиками маршрутизации для всех устройств.
• Интерфейс — соединение маршрутизатора и сети. В контексте OSPF термины «интерфейс» и «канал» (link) синонимичны.
• Area, или зона, — это условная «площадка» в виде комплекса маршрутизаторов, которые обмениваются LSA друг с другом. У маршрутизаторов в этой зоне единый идентификатор.
• LSA, или Link State Advertisement, — это сообщение (объявление, пакеты) о состоянии канала между маршрутизаторами. В нем содержатся данные о каналах маршрутизатора и их состоянии — например, прерывании, маршруте, интерфейсах.
• Состояние канала, или Link State, — состояние канала между двумя маршрутизаторами, которое обновляется посредством пакетов LSA.
• LSU, или Link State Update, — это пакет, в котором передается LSA (один или несколько). 
• Link-State DataBase — это база сообщений LSA, в ней содержатся все записи о состоянии каналов. Встречается также термин «топологическая база данных» (topological database), это синоним.
• Router ID — индивидуальный и уникальный номер маршрутизатора для идентификации. Чаще всего это сетевой адрес интерфейса — 32-х битный номер.
• Маршрутизаторы, у которых интерфейс в одной зоне, называются соседями. Список всех соседей содержится в базе данных соседей.
• Для определения соседа маршрутизаторы обмениваются hello-сообщениями, или hello-пакетами. В hello-сообщениях содержатся LSA.
• Состояние смежности, или Adjacency, — взаимосвязь между определенными соседними маршрутизаторами для обмена информацией о маршрутах.
• Shortest Path First — алгоритм, который рассчитывает лучший маршрут между сетями.
• Стоимость — это условный показатель «цены» пересылки данных по каналу. В OSPF стоимость зависит от разных факторов — например, пропускной способности канала.
• Designated Router (DR) — выделенный маршрутизатор. Каждый маршрутизатор устанавливает с ним отношения, потому что DR управляет рассылкой LSA в сети и отправляет информацию остальным об изменениях в сети.
• Backup Designated Router (BDR) — резервный выделенный маршрутизатор. Маршрутизатор на случай выхода DR из строя. Каждый маршрутизатор в сети также устанавливает с ним отношения.

Алгоритм работы протокола OSPF

Примечание. Здесь мы изначально считаем, что на маршрутизаторе и интерфейсе установлен и включен OSPF.

Как работает динамическая маршрутизация OSPF? Краткое описание:

• Когда маршрутизатор включают, он выбирает Router ID, либо администратор устанавливает его значение вручную.

• Протокол ищет другие маршрутизаторы — подключенных соседей, отправляя им через определенные промежутки времени hello-пакеты с информацией о соседях и состоянии каналов. 
• Если маршрутизатор получает в ответ пакет по интерфейсу, на которых активирован OSPF, то устанавливает с ним «соседские» отношения. Если не получает, маршрутизатор считает устройство «мертвым» — не отправляет ему трафик и перестраивает маршруты.
• После того как маршрутизаторы подружились, они обмениваются LSA-сообщениями о подключенных и доступных сетях, о соседском роутере и стоимости. Эти данные нужны, чтобы построить карту сети (топологию) — она пригодится для расчетов кратчайшего пути трафика. Карта одинакова на всех маршрутизаторах.
• Маршрутизаторы синхронизируют общую базу LSDB, где хранят LSA.
• В сети могут быть сотни или тысячи маршрутизаторов. Отправка сообщений LSA от каждого устройства к каждому обязательно забьет каналы. Чтобы этого не произошло, отправкой сообщений заведует DR: через него отправляется информация об изменениях в сети ко всем маршрутизаторам — например, когда какой-то маршрутизатор упал. Если DR не прописан изначально, то им становится маршрутизатор с самым большим IP-адресом.
• Дальше запускается алгоритм SPF, который рассчитывает оптимальный маршрут к каждой сети. Процесс похож на построение дерева, где корень — маршрутизатор, а ветви — пути к доступным сетям. В общей таблице маршрутизации будут храниться лучшие пути к каждой сети.

Теперь подробнее о каждом этапе.

Запуск протокола

Для запуска OSPF-протокола нам нужно запустить процесс OSPF на маршрутизаторе подобной командой: 

selectel-gw1(config)# router OSPF 1

Мы сообщаем, что запускаем протокол, указываем, какой именно, уточняем номер процесса (в конце).

Автоматически назначается Router ID. По умолчанию это наибольший IP-адрес устройства. Но можно настроить идентификатор вручную: 

selectel-gw1(config-router)#router-id 172.16.255.1

Следующим шагом объявляем, какие сети будем передавать соседям OSPF. С помощью этой команды сообщаем, с каких интерфейсов будут отправляться hello-пакеты и какие сети хотим анонсировать другим маршрутизаторам:

selectel-gw1(config-router)#network 172.16.0.0 0.0.255.255 area 0

Первый параметр — номер сети, второй — wildcard-маска, последний — номер зоны. 

Готово! Если другие роутеры в сети настроены, то они установят соседские отношения.

Примечания. На соседских маршрутизаторах должны совпадать интервалы hello-пакетов, Dead Interval, интерфейсы и номера зон. 

Установка отношений соседства

Если есть Router ID, совпадают интерфейсы, запущен OSPF-протокол и указаны сети, которые необходимо анонсировать по OSPF, то маршрутизаторы установят отношения соседства и произойдет обмен маршрутов.

Установка отношений происходит в несколько этапов. Рассмотрим на примере, когда у нас есть четыре маршрутизатора M1, M2, M3 и M4, который считаем новым. При этом M2 выбран как DR, а M3 как BDR.

• Маршрутизатор M4 рассылает hello-сообщения на групповой адрес 224.0.0.5.

• Маршрутизаторы M1, M2 и M3 получили сообщения и добавили M4 в список соседей. Его статус они определяют как Init (состояние попытки поиска).
• Маршрутизаторы M1, M2, M3 отправляют сообщения маршрутизатору M4 с его Router ID и списком соседей. M4 добавляет их в список соседей.

• Устанавливаются симметричные соседские отношения 2-Way (состояние, когда есть обмен сообщениями, но без передачи маршрутов).

• Устройства обмениваются служебными сообщениями с кратким описанием базы данных маршрутов и LSR-сообщениями (Link State Request), запросами о неизвестных сетях. 
• Устройства обмениваются сообщениями с более подробным описанием маршрутов и синхронизируют LSDB. Статус отношений устанавливается в Full, передаются маршруты.

Отношения соседства устанавливаются со всеми маршрутизаторами, включая DR и BDR.

Распределение ролей

Выше мы писали, что в сети назначаются две важные роли: 

• Designated Router (DR) — выделенный маршрутизатор,
• Backup Designated Router (BDR) — резервный выделенный маршрутизатор. 

DB и BDR назначаются администратором вручную или автоматически во время установления отношений соседства. Вручную обычно DR/BDR ставят корневые, а автоматически выбирается маршрутизатор с самым высоким приоритетом интерфейса OSPF или с наибольшим Router ID. BDR выбирается второй маршрутизатор по приоритету. Когда DR выходит из строя, то его заменяет BDR. Далее проводится выбор нового BDR.

Обе роли нужны, чтобы уменьшить количество LSA-сообщений. Работает это так. 

Маршрутизаторы обмениваются маршрутной информацией и отправляют сообщения об изменениях в сети в DR. Он, в свою очередь, отправляет информацию остальным. Каждый маршрутизатор в сети также устанавливает с ним отношения, потому что фактически все маршрутизаторы устанавливают отношения друг с другом через DR.

После выбора DR соседи обмениваются DBD-сообщениями — они содержат описание LSDB (Link-State DataBase), чтобы синхронизироваться. Для этого за устройствами DR и BDR закрепляется групповой адрес — например, 224.0.0.5, как на схеме выше. 

Зоны OSPF: магистральная, стандартная, NSSA, stub area

OSPF позволяет делить сеть на зоны — логические объединения узлов и сетей. Зона — это набор маршрутизаторов со своей базой, LSA, топологией. Маршрутизаторы другой зоны не знают о топологии других зон. У каждой зоны есть свой идентификатор — area ID. Идентификатор может быть указан в формате IP-адреса, но это не IP-адреса. Идентификация маршрутизаторов зоны проходит с помощью Router ID.

В OSPF есть несколько зон.

Магистральная (Area 0, Backbone-area, зона 0.0.0.0). Она особенная — формирует ядро сети OSPF. Все остальные зоны подключаются к ней. Все пакеты от любой ненулевой зоны в другую ненулевую проходят через магистральную. Магистральный маршрутизатор — Backbone Router, у которого хотя бы один интерфейс принадлежит магистральной зоне. 

Стандартная (обычная, Normal). Это область без определенной цели: создается по умолчанию, принимает обновления каналов, суммарные и внешние маршруты.

Транзитная. Зона, которая используется для передачи сетевого трафика из одной смежной области в другую. Магистральная зона, например, тоже транзитная, но особого типа. 

NSSA (Not-so-stubby area). Это специфичная область, которая может инжектировать внешние маршруты сообщений в систему с помощью специального типа LSA и отправлять их в другие области. Но зона не может получать внешние маршруты из других областей.

Для передачи данных в этой зоне используется маршрутизатор ASBR, Autonomous System Boundary Router. Он применяется не только здесь, а, в целом, для получения маршрутов из внешних систем. Для передачи данных на границах зон используются пограничные маршрутизаторы ABR, или Area Border Router.

Тупикова зона (stub area). Эта зоне не принимает информацию о внешних маршрутах для автономной системы, но принимает маршруты из других зон. В тупиковой зоне не может находиться ASBR.  Для передачи сообщений за границу системы из тупиковой зоны маршрутизаторы используют маршрут по умолчанию. 

Также есть totally stub area — это «усиление» тупиковой зоны (термин внедрен компанией Cisco). В отличие от stub area в ней заменены на маршрут по умолчанию и внешние, и межзональные маршруты. 

Все маршрутизаторы, которые находятся внутри зон (магистральной тоже), называются Internal Router — внутренними. Их интерфейсы принадлежат одной зоне. У таких маршрутизаторов только одна база данных состояния каналов. 

Примечание. Маршрутизаторы могут выполнять несколько функций/ролей одновременно.

Зона не обязательно должны быть физической — соединение может быть установлено и с помощью виртуальных каналов.

Мультизона и ее преимущества

Мультизона, или мультизональность, удобна при большом количестве маршрутизаторов. Разделение позволяет:

• Сегментировать сеть, например, по отделам или департаментам.
• Снизить нагрузку на ЦПУ маршрутизаторов, потому что уменьшается количества перерасчетов по алгоритму SPF. Например, делим 100 роутеров на три зоны. При падении одного из них маршрут перестраивается не для всех, а лишь для трети роутеров.
• Снизить размер таблиц маршрутизации, потому что маршруты на границах зон суммируются.
• Снизить число пакетов LSA.

Объявления о состоянии канала — LSA

LSA, или Link State Advertisement, — это сообщение с описанием локального состояния маршрутизатора или сети. Вместе они создают базу данных состояния каналов LSDB. Есть 11 типов LSA сообщений (пакетов), у каждого своя функция. 

Рассмотрим каждый LSA type. 

LSA 1 (Router LSA). Каждый маршрутизатор создает этот тип. Он отправляется между маршрутизаторами одной зоны и дальше не идет. Содержит описание интерфейсов, как соединены маршрутизаторы и сети внутри зоны.

LSA 2 (Network). Этот тип рассылается между соседями в одной зоне, а создает его DR для описания маршрутизаторов, которые подключены к нему.

LSA 3 (Summary, Network Summary). Эти сообщения (пакеты) создает ABR, чтобы передать информацию о маршрутах соседей (из первого и второго типов) в другую область, в сокращенном виде. В сообщениях описываются подсети, стоимость маршрута, но не топология зоны. 

LSA 4 (ASBR Summary). Как третий тип, но передает маршрут до локального ASBR соседям из других зон.

LSA 5 (External) содержат информацию из внешних систем — например, из другого протокола. Сообщения создает ASBR.

LSA 6 (Group Membership LSA) разработаны для протокола Multicast OSPF (MOSPF) , который поддерживает многоадресную маршрутизацию через OSPF. Не поддерживается Cisco. 

LSA 7 (NSSA External) как пятый тип, но создает ASBR, если он находится в зоне NSSA.

Тип LSA 8 используется для передачи атрибутов BGP через сеть OSPF, а специальные типы LSA с 9 до 11 — специальные, используются для расширения возможностей, например, потоковой передачи данных. 

Типы пакетов OSPF

LSA сами по себе не передаются. Маршрутизаторы передают LSA внутри других пакетов. Например, LSU или DD (Database Description), где передается описание всех LSA, которые хранятся в LSDB маршрутизатора. Кроме них, в OSPF используется  еще три типа пакетов: Hello, Link-State Request (LSR) и Link-State Acknowledgment (LSAck).

В заголовке любого OSPF-пакета передается такая информация:

• Version — номер версии протокола OSPF.
• Type — тип OSPF-пакета, например, Hello.
• Packet length — длина пакета с заголовком в байтах.
• Router ID — идентификатор маршрутизатора.
• Area ID — 32-битный идентификатор зоны, определяет, в какой зоне создан пакет.
• Checksum — контрольная сумма, для проверки целостности пакета.
• Authentication type — тип используемой схемы аутентификации. Есть три типа: 0 (нет), 1 (есть аутентификация), 2 (MD5-аутентификация).
• Authentication — поле данных аутентификации.

Каждый тип пакета передает еще дополнительную информацию, кроме общей.

Hello. Пакеты передаются маршрутизаторами для обнаружения соседей, подтверждения их работы и построения отношения. 

Пакет выглядит примерно так.

В сообщении передаются параметры, о которых маршрутизаторы должны договориться перед тем, как станут соседями.

• Network mask — сетевая маска интерфейса.
• HelloInterval — информация о частоте отправки.
• Options — дополнительные опции, которые поддерживает маршрутизатор, например, MC-bit.
• Router Priority — приоритет маршрутизатора. Эта информация используется при выборе DR и BDR.
• RouterDeadInterval — интервал времени, после которого сосед считается «мертвым».
• Designated Router — IP-адрес DR для сети, в которую отправлен hello-пакет.
• Backup Designated Router — IP-адрес BDR.
• Neighbor — идентификаторы соседей-маршрутизаторов.

Database Description (DBD). Проверяет синхронизацию базы данных между маршрутизаторами. В пакете содержатся данные:

• Interface MTU — максимальный размер в байтах IP-дейтаграммы, которая может быть отправлена через интерфейс без фрагментации.
• I-бит — устанавливается для первого пакета в последовательности.
• M-бит — указывает наличие последующих дополнительных пакетов.
• MS-бит — устанавливается для ведущего.
• DD sequence number — уникальное значение, устанавливается в начальном пакете; в каждом следующем увеличивается на единицу, пока не будет передана вся база данных.
• LSA headers — массив заголовков базы данных состояния каналов.

Link-State Request (LSR). Предназначен для запроса части базы данных соседнего маршрутизатора. В пакете содержатся.

• LS Type — тип сообщения.
• Link State ID — идентификатор домена маршрутизации.
• Advertising Router — идентификатор маршрутизатора, который создал объявление о состоянии канала.

Link-State Update (LSU). Предназначен для рассылки записей о состоянии каналов. В нем содержится Number of LSA — количество объявлений в пакете.

Link-State Acknowledgment (LSAck). Сообщение, которое подтверждает получение других типов пакетов.

Синхронизация LSDB

Все LSA всех типов образуют LSDB. У каждого маршрутизатора есть своя копия LSDB и они синхронизируют свою LSDB с DR. 

• Каждый маршрутизатор отвечает за записи в LSDB о связях, которые исходят от него.
• Когда появляется новая связь или происходит обрыв, маршрутизатор меняет свою копию базы и извещает DR.
• Остальные будут забирать данную информацию с DR. 

За извещение отвечает Flooding protocol — все маршрутизаторы пересылают сообщения об обновлении состояния связей (LSA). Получение подтверждается сообщениями LSA с типом OSPF, о котором говорили выше. У каждой записи в LSDB есть номер версии. У следующей записи номер больше, чем у предыдущей, чтобы в базу не попадали устаревшие версии.

Выбор лучшего маршрута

За выбор лучшего маршрута отвечает алгоритм SPF. Например, у нас есть сеть в виде графа, в узлах которой маршрутизаторы, а за ними сети. Как выбрать маршрут передачи данных?

У каждого ребра — пути между соседними маршрутизаторами — есть стоимость. Чтобы рассчитать маршрут, нужно знать всю топологию сети: каждый маршрутизатор передает друг другу знания о соседях, соединении и его стоимости. 

Когда топология известна, проводится расчет по алгоритму Дейкстры (SPF) — нидерландского ученого, который разработал его еще в 1959 году. Маршрутизатор выбирает маршрут на основании наименьшего значения стоимости пути.

Стоимость рассчитывается по нескольким метрикам. Метрикой может быть загрузка канала, задержка, надежность связи или полоса пропускания канала. Например, последнюю метрику производители устройств считают каждый по своему: для маршрутизаторов Cisco это время передачи 100 Мбит данных по каналу в секундах.

Также у маршрута есть приоритет (в порядке убывания):

• Внутренние маршруты зоны.
• Маршруты между зонами.
• Внешние маршруты.

Выбирая путь, маршрутизатор будет выбирать сначала приоритетные маршруты. В первую очередь учитываются связи между маршрутизаторами и транзитными сетями, потом включаются тупиковые ветви, дальше — межзональные маршруты и маршруты к внешним сетям. 

После расчета маршрутов создается дерево SPF. 

Маршруты добавляются в таблицу маршрутизации. 

Для получения маршрута маршрутизатор обращается к таблице LSDB. При этом таблица постоянно обновляется. Но обновление означает обнуление — маршруты строятся снова, с нуля, даже если изменились параметры всего одного маршрутизатора. Этот процесс сильно нагружает CPU.

Надежная IT-инфраструктура

От серверов до сетевых услуг и оборудования.

Реализации OSPF в Cisco и Juniper

Запуск и настройка OSPF протокола на оборудовании Cisco практически ничем не отличается от стандартного, описанного выше. Мы также включаем протокол на маршрутизаторах:

ter ospf 1

Задаем Router ID, сеть и зоны:

router ospf 1
 router-id 1.1.1.1
 log-adjacency-changes
 redistribute static
 network 1.1.1.1 0.0.0.0 area 0
 network 172.16.1.0 0.0.0.255 area 0
!

Проверяем, заработала ли маршрутизация:

show ip ospf neighbors

Проверяем таблицу маршрутизации:

show ip route

Реализация OSPF-протокола на устройствах Juniper аналогична, но команды другие. Включаем OSPF, определяем интерфейсы и зоны:

set protocols ospf area 0.0.0.0 interface ge-0/0/0.0
set protocols ospf area 0.0.0.0 interface ge-0/0/1.0

Здесь мы настроили область OSPF 0 (0.0.0.0) на интерфейсах ge-0/0/0.0 и ge-0/0/1.0 для маршрутизатора.

Для примера возьмем второй роутер:

set protocols ospf area 0.0.0.0 interface ge-0/0/0.0
set protocols ospf area 0.0.0.0 interface ge-0/0/2.0

Проверяем соседа:

root@R1> show ospf neighbor

Увидим подобный ответ — значит, сосед активен:

Проверяем интерфейсы:

root@R1> show ospf interface

Проверим маршруты, таблицу:

root@R1> show route

Готово.

OSPF для IPv6

IPv6 поддерживается протоколом OSPF, но только третьей версии. Версия OSPFv2 поддерживает только IPv4. При переходе на протокол OSPFv3 почти ничего не меняется — вся теория работает и на этой версии.

В целом, настройка выглядит примерно так же:

• Включаем OSPF.
• Задаем идентификатор маршрутизатора. В OSPFv3 Router ID. Для IPv6 он настраивается только вручную, если не настроен адрес IPv4.

Как это выглядит в виде команд:

ipv6 router ospf 1
 router-id 1.0.0.0
 exit
 
interface Serial0/0/0
 ipv6 ospf 1 area 0
 exit
 
interface Serial0/0/1
 ipv6 ospf 1 area 0
 exit

Команда для проверки базы LSDB:

show ipv6 ospf database

Команда проверки соседей:

show ipv6 ospf neighbor

В контексте настроек OSPF для IPv6 остаются те же идентификаторы, те же области и зоны, так же настраиваются IP-адреса. При этом все маршрутизаторы Cisco поставляются с предварительно настроенными адресами IPv6.

Итог

OSPF — это открытый протокол для динамической маршрутизации внутренних сетей.

1. Основа OSPF — протокол SPF, вычисляющий лучший (не кратчайший) маршрут.
2. Для вычислений в протоколе реализована общая база маршрутов LSDB.
3. База синхронизируется благодаря постоянным LSA сообщениям о состоянии каналов от маршрутизаторов.
4. OSPF инкапсулируется в IP, без TCP/UDP, их замена — hello-сообщения.
5. Hello-сообщения помогают реализовать отношения соседства и смежности с другими маршрутизаторами. Это позволяет протоколу проверять состояния канала и автоматически перестраивать маршруты, используя SPF-алгоритм.
6. Перестройка маршрутов происходит локально, поэтому быстро, но затратно для процессора и оперативной памяти.
7. Протокол поддерживает иерархические структуры зон, а значит — масштабирование.
8. Есть несколько версий протокола, чаще используется вторая, а третья поддерживает IPv6.