ПРОТОКОЛ OSPF

Спецификация протокола OSPF (Open Shortest Path First) описана в документе RFC 1247. Протокол принят в 1991 году. Он ориентирован на применение в больших распределенных сетях. OSPF вычисляет маршруты в сетях IP, работая совместно с другими протоколами обмена маршрутной информацией. Протокол OSPF основан на алгоритме состояния канала. Суть этого алгоритма состоит в том, что он должен вычислить кратчайший путь. При этом «кратчайший» не означает, что путь физически самый короткий. Имеется в виду, что информация пройдет по этому пути быстрее, чем по другим. Маршрутизатор, работающий с этим протоколом, отправляет запросы всем соседним маршрутизаторам, находящимся в одном с ним домене маршрутизации, для выявления состояния каналов до них и далее от них. Состояние канала при этом характеризуется несколькими параметрами, которые называются метриками. Метрикой может быть пропускная способность канала, его загрузка на текущий момент, задержка информации при ее прохождении по этому каналу и т. д. Обобщив полученные сведения, этот маршрутизатор сообщает их всем соседям. После этого им строится ориентированный граф, который повторяет топологию домена маршрутизации. Каждому ребру этого графа назначается оценочный параметр (метрика). После построения графа используется алгоритм Дейкстры, который по двум заданным узлам находит набор ребер с наименьшей суммарной стоимостью, то есть, по сути, выбирает оптимальный маршрут. По совокупной информации (полученной и найденной в результате вычислений) создается таблица маршрутизации.

Сообщения протокола OSPF передаются в IP-дейтаграммах с полем «Протокол» равным 89.

Протокол OSPF отвечает за IP-маршрутизацию и относится к классу протоколов IGP. Он может заменить протокол маршрутизации RIP в больших и сложных сетях.

Протокол OSPF решает многие из перечисленных выше проблем, присущих протоколу RIP. Кроме того:

q Протокол OSPF обладает большей скоростью сходимости, что предотвращает возникновение петель маршрутизации;

q При работе протокола не генерируется большой сетевой трафик;

q Информация, которой обмениваются маршрутизаторы, проходит процедуру аутентификации. Это позволяет участвовать в процессе маршрутизации только авторизованным маршрутизаторам. Аутентификация устраняет возможность случайного или преднамеренного искажения маршрутной информации;

q Протокол OSPF использует групповую передачу вместо широковещательной. Такой подход позволяет исключить передачу маршрутной информации тем устройствам, которым она не нужна;

q Протокол поддерживает распределение нагрузки (load balancing) по мар­шрутам, имеющим одинаковые стоимости;

q Протокол поддерживает маски подсетей переменной длины (VLSM). Данные о масках подсетей передаются в сообщениях LSA (Link-State Advertisement,- объявление о состоянии канала), таким образом маршрутизаторы получают эту информацию динамически, что позволяет более гибко использовать выделенное организации адресное пространство;

q Протокол поддерживает области маршрутизации. Это позволяет администраторам разделять автономную системуна отдельные части с изоляцией сетевого трафика и маршрутизации;

q Протокол OSPF поддерживает передачу внешней маршрутной информации через автономные системы.

Протокол OSPF хорошо подходит для современных, больших, динамически изменяющихся сетей.

Например, в отличие от протокола RIP, который по умолчанию рассылает всю свою таблицу маршрутизации каждые 30 с, протокол OSPF посылает информацию о состоянии каналов каждые 30 мин.

При обнаружении изменения сетевой топологии протокол OSPF сразу же посылает небольшие (порядка 75 байт) сообщения.

В начале работы каждый маршрутизатор передает сообщения LSA на все свои порты. Эти сообщения позволяют однозначно идентифицировать передающий маршрутизатор и определить состояние всех его портов: IP-адрес, маску подсети, метрику, присвоенную каналу связи порта, и статус канала связи.

Сообщение LSA передается во всем домене маршрутизации. Поэтому маршрутизаторы обладают информацией о состоянии каналов других маршрутизаторов в домене. Каждый маршрутизатор на основе сообщений LSA формирует базу данных состояния каналов (Link-State Database). Эта база данных одна и та же на всех маршрутизаторах в одном домене. Алгоритм маршрутизации поддерживает синхронизацию этих баз данных.

После того как все базы данных синхронизированы, каждый маршрутизатор начинает создавать свою таблицу маршрутизации. Эта таблица базируется на информации, содержащейся в базе данных состояния каналов.

Сначала создается карта сетевой топологии. Непосредственно связанные маршрутизаторы по терминологии протокола OSPF называются соседями. Каждый маршрутизатор хранит информацию о том, в каком состоянии, по его мнению, находится сосед. Маршрутизатор полагается на соседние маршрутизаторы и передает им дейтаграммы только в том случае, если он уверен, что они полностью работоспособны.

После создания карты сетевой топологии маршрутизатор формирует дерево кратчайших путей ко всем возможным получателям.

Рис. 10.1 Множество сетей

Это дерево строится таким образом, чтобы путь от корня — маршрутизатора, формирующего дерево, — до конечных объектов — целевых сетей — имел наименьшую стоимость. На рис.10.1 показано множество сетей, для которого формируется дерево кратчайших путей, изображенное на рис. 10.2. Мы считаем, что метрики пути до каждой из сетей равны 10.

 

Рис. 10.2 Дерево кратчайших путей

После того как дерево построено, маршрутизаторы формируют локальные таблицы маршрутизации. Дерево путей показывает, что маршрутизатор Ml напрямую подключен к сетям #2 и #3. В таблицу маршрутизации для сетей, подключенных напрямую, в качестве значения метрики заносится 0. В табл.10.1 показаны данные таблицы маршрутизации для маршрутизатора Ml.

Таблица10.1.

Таблица маршрутизации маршрутизатора М1

Сеть	Следующий маршрутизатор в сети	Метрика маршрута
Сеть #1	Маршрутизатор М5
Сеть #2	Подключена напрямую
Сеть #З	Подключена напрямую
Сеть #4	Маршрутизатор М2
Сеть #5	Маршрутизатор М4

Так как маршрут в сеть #4 состоит из двух путей (от маршрутизатора Ml к М2, а затем от М2 к сети #4), а метрика каждого пути равна 10, то метрика маршрута до сети #4 равна 20. Аналогично вычисляются метрики остальных маршрутов. Следует отметить, что к сети #5 от маршрутизатора Ml имеются два пути — через маршрутизаторы М4 и М2. Путь через маршрутизатор М4 имеет метрику 20, а путь через маршрутизатор М2 — 30. Алгоритм состояния канала будет всегда выбирать кратчайший маршрут в целевую сеть. В результате в таблицу маршрутизации в качестве следующего маршрутизатора в пути будет включен маршрутизатор М4.

Если маршрутизатор обнаружит изменения в состоянии одного из подключенных к нему каналов, он должен разослать сообщения LSA всем своим соседям, которые ретранслируют их далее по всему домену маршрутизации. С момента посылки сообщения базы данных маршрутизаторов теряют синхронизацию и, следовательно, должны быть синхронизованы вновь. После выполнения синхронизации каждый маршрутизатор должен заново построить карту сетевой топологии, дерево кратчайших путей и таблицу маршрутизации.

Хотя протокол OSPF решает все проблемы, присущие RIP, он тоже далек от идеала. В очень больших сетях протокол OSPF порождает чрезвычайно много маршрутной информации. Например, в распределенной сети с сотнями маршрутизаторов изменение состояния одного канала (скажем, обрыв линии связи) вызывает распространение тысяч сообщений LSA через всю сеть. База данных состояния канала в таких сетях может достигать нескольких мегабайт.

В то же время, при изменениях в сетевой топологии все маршрутизаторы должны заново сформировать таблицу маршрутизации. Поэтому в очень больших сетях время сходимости может значительно возрасти (хотя медленная сходимость неизбежна в больших распределенных сетях при любом протоколе маршрутизации). Кроме того, значительный объем вычислений предъявляет серьезные требования к аппаратным ресурсам маршрутизатора (скорости обработки и объему памяти).

Частично протокол OSPF решает эти проблемы, вводя понятие области маршрутизации, иначе называемые областями OSPF. Тем самым большая сеть как бы разбивается на несколько областей с независимой маршрутизацией. Такой областью может быть сеть в одном здании, корпусе и т. д. В сети может существовать практически неограниченное число областей маршрутизации.

Маршрутизаторы внутри одной области OSPF не обмениваются информацией с маршрутизаторами другой области. Это уменьшает объем служебного трафика между маршрутизаторами и сокращает размер баз данных маршрутизаторов. Например, в большой распределенной сети, состоящей из 500 маршрутизаторов, создание. 10 областей, в каждой из которых работает 50 маршрутизаторов, означает, что каждому маршрутизатору необходимо поддерживать информацию о состоянии каналов только для 50 маршрутизаторов, а не для 500.

Области OSPF связываются друг с другом с помощью специально выделенных маршрутизаторов, которые должны содержать базу данных с информацией об обеих областях. Эти маршрутизаторы называются граничными маршрутизаторами областей (Area Border Routers). Они работают как фильтры для сообщений маршрутизации, не выпуская их из области. Граничные маршрутизаторы взаимодействуют между собой, используя специальные сообщения LSA, которые содержат краткую информацию об IP-адресах, содержащихся в области. Граничные маршрутизаторы сохраняют эти сообщения в специальной базе данных, которая используется для определения маршрута между областями (такой способ взаимодействия называется inter-аrеа). Граничные маршрутизаторы должны быть достаточно мощными.

В протоколе OSPF введено понятие автономных систем маршрутизации, которые представляют собой домены маршрутизации, находящиеся под общим административным управлением и использующие единый протокол маршрутизации. Маршрутизатор, соединяющий две автономные системы, одна из которых использует протокол маршрутизации, отличный от OSPF, называется пограничным маршрутизатором автономной системы — ASBR(Autonomous System Boundary Router). Внешние маршруты обрабатываются в два этапа. Сначала маршрутизатор выбирает оптимальный внешний маршрут. Если таких маршрутов несколько (то есть метрики этих маршрутов примерно одинаковы), то выбирается маршрут, который имеет наименьшую стоимость внутреннего пути до ASBR.

Протокол OSPF поддерживает настраиваемые метрики, предоставляя администратору возможность присваивать метрику маршрута, основываясь на различных характеристиках, таких как стоимость передачи, надежность, задержка или количество переходов. Число, используемое в качестве метрики пути, может быть задано произвольным образом. По умолчанию в качестве метрики используется время передачи бита, измеряемое в десятках наносекунд. Так линии Ethernet назначается значение 10, а линии со скоростью 56 Кбит/с — 1785. Вычисляемая протоколом OSPF метрика маршрута представляет собой сумму метрик по всему маршруту.

 

Рис. 10.3 Топология с настраиваемыми метками

Рассмотрим пример (рис. 10.3). Предположим, что станции А необходимо передать данные станции Б и администратор вручную настроил метрики для протокола OSPF. Протокол RIP не учитывает при выборе маршрута скорость каналов связи. Поэтому при использовании протокола RIP данные будут передаваться через низкоскоростной (56 Кбит/с) канал связи, так как он имеет наименьшее количество переходов. В отличие от протокола RIP протокол OSPF принимает во внимание скорость канала связи (если она выбрана в качестве метрики). Поэтому будут задействованы именно высокоскоростные каналы, так как их суммарная стоимость составит 20.

Протокол OSPF способен работать в сетях следующих типов:

q Сети точка-точка. Используются для связи двух маршрутизаторов. Обычно, для организации такой связи используются коммутируемые или выделенные каналы связи;

q Широковещательные сети. Примером может служить Ethernet. В этой сети с помощью широковещательной адресации можно передавать информацию одновременно всем маршрутизаторам.

q Нешироковещательные сети (NBMA, Non-Broadcast Multiple Access Networks, нешироковещательные сети со множественным доступом). Примером таких сетей могут служить Х.25, Frame Relay или ATM.

При включении маршрутизатору необходимо синхронизовать свою базу данных со всеми маршрутизаторами локальной сети. Так как база данных на всех маршрутизаторах одинакова, достаточно провести синхронизацию с одним из них. Этот маршрутизатор называется назначенным маршрутизатором — Designated Router (DR). Его «заместитель» называется резервным назначенным маршрутизатором — Backup Designated Router (BDR). При этом DR и BDR будут единственными маршрутизаторами, с которыми новый маршрутизатор должен синхронизировать свою базу. После синхронизации базы с назначенным маршрутизатором, новый маршрутизатор будет синхронизован со всеми маршрутизаторами данной сети. Кроме того, назначенный маршрутизатор делает объявления о сетевых связях, перечисляя своих соседей по подсети. Остальные маршрутизаторы просто объявляют о своей связи с назначенным маршрутизатором. BDR занимает место DR в тех случаях, когда последний выходит из строя. Достоинство этого метода в том, что после назначения DR значительно уменьшается количество маршрутной информации, передаваемой по сети. Протокол OSPF состоит из трех внутренних протоколов: Hello,Exchange и Flooding.

Протокол Hello использует сообщения Hello. Периодически маршрутизаторы обмениваются между собой этими сообщениями. Сообщение Hello посылается через все порты маршрутизатора и содержит следующую информацию:

q приоритет маршрутизатора, который используется для выбора DR и BDR;

q интервал между сообщениями Hello в секундах;

q интервал ожидания сообщения;

q список маршрутизаторов, от которых недавно были получены сообщения Hello;

q маршрутизаторы, которые в настоящий момент являются DR и BDR.

Наиболее важны интервал между сообщениями Hello и интервал ожидания сообщения. В сообщениях Helloмаршрутизатор передает некоторые сведения о себе и говорит о том, кого он рассматривает в качестве своих ближайших соседей. Маршрутизаторы с разными рабочими параметрами игнорируют сообщения Hello друг от друга, поэтому маршрутизаторы с некорректно настроенными параметрами не влияют на остальные. Маршрутизаторы посылают сообщения Hello всем своим соседям, по крайней мере, один раз на протяжении интервала времени Hello. Если интервал ожидания сообщения истек, а сообщение Hello от соседа не пришло, то считается, что сосед неработоспособен, и рассылается объявление о сетевых каналах, для того чтобы в сети произошел пересчет маршрутов. На рис. 10.4 показан формат сообщения Hello.

Общий заголовок OSPF (поле «Тип» равно)
Маска подсети (32 бита)
Интервал Hello (32 бита)	Опции (8 бит)	Приоритет (8 бит)
Интервал Dead (32 бита)
DR 32 бита)
BDR (32 бита)
Сосед (32 бита)
Сосед (32 бита)

Рис. 10.4 Формат сообщения Hello

 

Поле «Маска подсети» указывает маску подсети порта, через который посылается сообщение. Это поле устанавливается в шестнадцатеричное значение %FF000000 для сетей класса A, %FFFF0000 для сетей класса В и %FFFFFF00 для сетей класса С.

Значения «Интервал Hello» и «Интервал Dead» устанавливаются администратором. Поле «Приоритет» используется при выборе DR и BDR. Каждому маршрутизатору назначается приоритет в пределах от 0 до 255. Выбирается маршрутизатор, имеющий наибольший приоритет. Если маршрутизатор с наибольшим приоритетом выходит из строя или просто отключен, выбирается другой маршрутизатор с наибольшим приоритетом. Он будет оставаться маршрутизатором DR, даже если старый DR вновь будет функционировать. Но маршрутизаторы, у которых приоритет равен нулю, никогда не будут избраны DR. В сетях точка-точка выбор DR не производится.

Начальная синхронизация баз данных нового маршрутизатора и DR выполняется с помощью протоколаExchange. Работу данного протокола можно разделить на два этапа. На первом этапе определяются роли двух маршрутизаторов: один становится доминирующим, другой — доминантным. После этого на втором этапе происходит взаимный обмен базами данных с помощью пакетов DDP (Database Description Packet, пакет описания базы данных). После начальной синхронизации с помощью протокола Exchange ответственность за поддержку синхронизации баз данных состояния каналов связи всех маршрутизаторов несет протокол Flooding.

В широковещательных сетях и сетях точка-точка сообщения Hello посылаются соседям с использованием групповой IP-адресации. В этом случае соседние маршрутизаторы обнаруживаются динамически. В сети, в которой широковещательная передача не поддерживается, сообщения Hello посылаются по списку адресов маршрутизаторов в сети. Данный список ведется на каждом маршрутизаторе, который может (потенциально) стать DR.

Для распространения по сети данных о состоянии каналов связи маршрутизаторы обмениваются специальными сообщениями LSA, называемыми Network Links Advertisement (объявления о каналах сети, NLA), — объявлениями о каналах и их состоянии. Маршрутизаторы обмениваются не только своими, но и чужими объявлениями о каналах, получая, в конце концов, информацию о состоянии всех каналов в сети. По этой информации строится ориентированный граф связей сети (он один и тот же для маршрутизаторов). Кроме информации о соседях маршрутизаторы в своих объявлениях перечисляют IP-подсети, с которыми они связаны непосредственно. Маршрутизатор вычисляет путь не до подсети, а до маршрутизатора, к которому эта подсеть подключена. Каждый маршрутизатор имеет уникальный идентификатор, который передается в объявлении о состоянии каналов.

Для обмена маршрутной информацией протокол OSPF использует групповую адресацию. В этих целях зарезервированы два IP-адреса классаD:

q 224.0.0.5 — все маршрутизаторы, работающие по протоколу OSPF, должны поддерживать передачу и получение дейтаграмм по этому групповому адресу;

q 224.0.0.6 — все DR и BDR должны поддерживать получение дейтаграмм с данным групповым адресом.

В соответствии с уже рассмотренными правилами преобразования групповых адресов протокола IP в физические адреса канального уровня используемые групповые адреса преобразуются в следующие физические адреса (табл. 10.2).

Таблица 10.2.

Соответствие между групповыми и физическими адресами протокола OSPF

Адрес класса D	Физический адрес
224.0.0.5	%01-00-5Е-00-00-05
224.0.0.6	%01-00-5Е-00-00-06

Необходимо отметить, что протокол OSPF не использует групповую передачу в сетях NBMA. Все сообщения протокола OSPF начинаются со стандартного заголовка (рис.10.5).

Версия (8 бит)	Тип (8 бит)	Длина сообщения (16 бит)
Идентификатор маршрутизатора (32 бита)
Идентификатор области (32 бита)
Контрольная сумма (16 бит)	Идентификатор алгоритма аутентификации (16 бит)
Аутентификация (32 бита)
Аутентификация (продолжение предыдущего поля — 32 бита)

Рис. 10.5. Формат заголовка сообщений OSPF

Поля в заголовке имеют следующие значения:

q «Версия» указывает на версию протокола OSPF. Текущая версия — 2;

q «Тип» указывает на тип сообщения протокола OSPF;

q «Длина сообщения» — длина сообщения в байтах;

q «Идентификатор маршрутизатора» — это может быть IP-адрес, выбранный для идентификации маршрутизатора;

q «Идентификатор области» используется для указания области. Общей практикой является выбор IP-адресов в качестве идентификаторов;

q «Контрольная сумма» вычисляется для всего сообщения, исключая 8- байтовое поле «Аутентификация»;

q «Идентификатор алгоритма аутентификации» может принимать только два значения: 0 — аутентификация не используется, 1 — простая аутентификация.

При простой аутентификации поле «Аутентификация» содержит пароль, состоящий из восьми символов. Администратор может задать различные пароли для каждой сети. Это является хорошей гарантией защиты от случайных ошибок, например, от некорректной настройки маршрутизатора. Однако этонеочень надежный метод защиты от намеренного вмешательства.

Практика показывает, что не существует сетей, в которых используется ис­ключительно протокол OSPF. Совместно с ним применяются протоколы EGP, BGP, RIP IP или фирменные протоколы производителей.