Mathmech wiki

Сети. Лекция 17. OSPF

7 min read

Классификация протоколов маршрутизации

graph TD
    A[Dynamic Routing Protocols] --> B[Interior Gateway Protocols<br/>IGPs]
    A --> C[Exterior Gateway Protocols<br/>EGPs]
    
    B --> D[Distance Vector<br/>Routing Protocols]
    B --> E[Link-State<br/>Routing Protocols]
    C --> F[Path-Vector<br/>Routing Protocol]
    
    D --> G[RIPv1]
    D --> H[IGRP]
    G --> I[RIPv2]
    H --> J[EIGRP]
    
    E --> K[OSPF]
    E --> L[IS-IS]
    
    F --> M[BGP]
    
style E fill:#a5d6a7,stroke:#388e3c,stroke-width:2px

Рассматриваем протоколы состояния канала

Link-State Routing Protocols

Каждый маршрутизатор, участвующий в процессе маршрутизации, используя протокол по состоянию канала:

  1. Получает сведения о каждой из своих непосредственно подключённых сетей
  2. Отвечает за отправку hello-сообщений соседним устройствам в рамках напрямую подключённых сетей
  3. Создаёт пакет состояния канала (LSP), в котором содержатся данные о состоянии каждого из напрямую подключённых каналов
  4. Выполняет лавинную рассылку пакетов состояния канала всем соседним устройствам, которые затем сохраняют полученные пакеты в базу данных
  5. Использует базу данных для создания общей топологической схемы и рассчитывает оптимальный путь к каждой сети назначения

Будем рассматривать работу протоколов состояния канала на примере следующей сети от лица маршрутизатора R1:

Изучение непосредственно подключенных сетей

При подключении R1 пытается выяснить информацию о сетях, к которым он непосредственно подключен. А именно (основное):

  • Network адрес и маску сети
  • IP address свой IP-адрес в непосредственно подключенной сети
  • Type of network тип сети (по типу среды*)
  • Cost of link стоимость канала (задается автоматически, вычислением из пропускной способности канала, либо вручную)
  • Neighbors IP-адреса соседних маршрутизаторов, работающих на том же протоколе маршрутизации и находящиесяв этой же сети

Для нахождения соседей маршрутизатор рассылает Hello сообщения во все интерфейсы, настроенные для работы протокола и дожидается ответа. Если ответ получен, считается, что сосед есть. В процессе работы протокола сообщения будут периодически отсылаться повторно. Если ответ не последует после нескольких отправок, считается, что сосед стал недоступен

После обнаружения всех соседей, маршрутизатор отправляет им List-State packets (LSP). В таких пакетах содержится (основное)

LSP:

  • Type of network тип сети, к которой подключен маршрутизатор
  • Network адрес и маска сети, к которой подключен маршрутизатор
  • Cost of link стоимость канала, чтобы добраться до сообщаемой сети

На примере R1: каждому своему соседу (R2, R3, R4) R1 отправит 4 LSP:

LSPType of networkNetworkCost
1Ethernet10.1.0.0/162
2Serial point-to-point10.2.0.0/1620
3Serial point-to-point10.3.0.0/165
4Serial point-to-point10.4.0.0/1620

Лавинная рассылка LSP

  • В свою очередь каждый маршрутизатор, получив LSP должен переслать этот пакет свои соседям (исключая соседа, от которого пришел LSP). В этом суть лавинной рассылки.
  • Чтобы понимать, получал ли маршрутизатор пришедший LSP ранее, в LSP передается его порядковый номер и метка времени

Такие правила гарантируют, что каждый маршрутизатор в сети получит информацию об изменении топологии сети, если она произошла

Рассылка LSP создает большую нагрузку на сеть. Поэтому она делается не часто, а только при изменении топологии сети

Обработка LSP

Помимо рассылки LSP каждый маршрутизатор, получив LSP, сохраняет эту информацию в свою базу данных Link-State Database

В итоге после обмена LSP, каждый маршрутизатор владее информацию обо всех маршрутизаторах в сети и их связи между друг-другом. То есть имеет полную топологию сети. Эта информация хранится в Link-State Database

На примере R1 его Link-State Database в “стабилизированном” (схождение протокола) состоянии выглядит следующим образом:

R1 Link-states:

  • Connected to network 10.1.0.0/16, cost = 2
  • Connected to R2 on network 10.2.0.0/16, cost = 20
  • Connected to R3 on network 10.3.0.0/16, cost = 5
  • Connected to R4 on network 10.4.0.0/16, cost = 20

R2 Link-states:

  • Connected to network 10.5.0.0/16, cost = 2
  • Connected to R1 on network 10.2.0.0/16, cost = 20
  • Connected to R5 on network 10.9.0.0/16, cost = 10

R3 Link-states:

  • Connected to network 10.6.0.0/16, cost = 2
  • Connected to R1 on network 10.3.0.0/16, cost = 5
  • Connected to R4 on network 10.7.0.0/16, cost = 10

R4 Link-states:

  • Connected to network 10.8.0.0/16, cost = 2
  • Connected to R1 on network 10.4.0.0/16, cost = 20
  • Connected to R3 on network 10.7.0.0/16, cost = 10
  • Connected to R5 on network 10.10.0.0/16, cost = 10

R5 Link-states:

  • Connected to network 10.11.0.0/16, cost = 2
  • Connected to R2 on network 10.9.0.0/16, cost = 10
  • Connected to R4 on network 10.10.0.0/16, cost = 10

Очевидно, что Link-State Database после схождения протокола должны совпадать на всех маршрутизаторах в сети

Далее на основе заполненной Link-State Database маршрутизатор строит топологию всей сети. После, используя топологию сети, заполняет свою таблицу маршрутизации

Для нахождения наикратчайших маршрутов, используется алгоритм SPF (на основе алгоритма Дейкстры)

Преимущества:

  • Каждый маршрутизатор выполняет построение собственной топологической карты сети, чтобы определить кратчайший путь
  • Немедленная лавинная рассылка пакетов состояния канала позволяет добиться более быстрой сходимости
  • Пакеты состояния канала (LSP) отправляются только в случае изменений в топологии и содержат только данные об этом изменении
  • Иерархическая структура, используемая при внедрении структуры из нескольких зон

Недостатки: вытекают из преимуществ

  • Для обслуживания базы данных состояний каналов и дерева кратчайших путей SPF требуются дополнительные ресурсы памяти
  • Для расчета алгоритма поиска кратчайшего пути также требуются дополнительные ресурсы процессора
  • Лавинная рассылка пакетов состояния канала может отрицательно сказаться на пропускной способности всей сети

Чтобы не производить лавинную рассылку LSP по всей сети, протоколы Link-State поддерживают области (area). Вся сеть делится на области и только внутри области происходит рассылка LSP. Соответственно в каждой области формируется свой Link-State Database. Между областями передается лишь сжатая информация о топологии сети области

Реализации List-State протоколов

  • Только два протокола: Open Shortest Path First (OSPF) и Intermediate System to Intermediate System (IS-IS)
  • OSPF разработан Internet Engineering Task Force (IETF) OSPF Working Group в 1987
  • Есть две версии OSPF: OSPFv2 - OSPF для IPv4 сетей (RFC 1247 and RFC 2328) и OSPFv3 - OSPF для IPv6 сетей (RFC 2740)
  • IS-IS разработан International Organization for Standardization (ISO)
  • IS-IS описан в ISO 10589
  • Радзия Перлман была главным дизайнером IS-IS
  • Integrated IS-IS, или Dual IS-IS поддерживает IP-сети

Будем изучать только OSPF

OSPF (Open Shortest Path First)

Историческая справка

На данный момент существует 2 версии протокола:

  • OSPFv2
  • OSPFv3

Оба являются протоколами внутренней маршрутизации

1 версия использовалась только в узких кругах разработки и не нашла широкого применения

  • 1987 — начало разработки the Internet Engineering Task Force (IETF) OSPF Working Group
  • 1989 — OSPFv1 в RFC 1131
  • 1991 — OSPFv2 в RFC 1247
  • 1998 — RFC 2328 (текущая версия OSPF)
  • 1999 — OSPFv3 в RFC 2740
  • 2008 — RFC 5340 (текущая версия OSPFv3)
  • 2010 — RFC 5838 с поддержкой Address Families (AF)

Версия 2 используется для IPv4 сетей. Версия 3 - для IPv6 сетей. Во многом они похожи, поэтому рассматриваются вместе

Компоненты OSPF

Присутствует небольшая аналогия с EIGRP (но лучше на нее не опираться сильно):

OSPF DatabaseEIGRP Table
Adjacency DatabaseNeighbor Table
Link-state Database (LSDB)Topology Table
Forwarding DatabaseRouting Table

Структуры данных:

  • Adjacency database(База данных смежности) создаёт таблицу соседей
  • Link-state database (LSDB)(База данных состояния канала) создаёт таблицу топологии
  • Forwarding database(База данных пересылки) создаёт таблицу маршрутизации

Сообщения OSPF:

  • Hello packet
  • Database description packet
  • Link-state request packet
  • Link-state update packet
  • Link-state acknowledgment packet

При построении маршрутов Используется SPF (алгоритм Дейкстры)

Принцип работы

1 Установление смежности с соседними маршрутизаторами путем отправки Hello пакетов

2 Обмен LSA

LSA(Link-State Advertisement) - сообщение о состоянии канала и его стоимости

Работает принцип лавинной рассылки

3 Построение таблицы топологии LSDB

Параллельно с рассылками LSA происходит заполнение LSDB

4 Запуск алгоритма SPF и построение SPF-дерева

5 Лучший маршрут помещается в таблицу маршрутизации

Single area и Multiarea OSPF

OSPF может работать в 2 режимах:

  • Single area
  • multiarea

Single area OSPF характерно, что каждый маршрутизатор в сети в своей LSDB имеет топологию всей настроенной сети (так как единственная область совпадает со всей сетью)

В multiarea OSPF вся сеть делится на отдельные области. Внутри одной области работает “обычный” single area OSPF. Однако между областями возможна связь

Преимущества multiarea OSPF- Изменения в топологии значимы только внутри Area

  • Меньший размер таблицы маршрутизации
  • Уменьшается нагрузка на CPU и хранение обновлений link-state
  • Уменьшается частота пересчёта SPF

Типы пакетов OSPF

TypePacket NameКомментарий
1Helloпоиск соседей и поддержание смежности
2Database Description (DBD)сокращённый список базы данных (LSDB) состояний каналов отправляющего маршрутизатора
3Link-State Request (LSR)запрос определённой информации из базы
4Link-State Update (LSU)ответ на LSR, а также распространение новой информации. 7 типов LSA
5Link-State Acknowledgment (LSAck)подтверждение на LSU

Типы LSA сообщений

LSA Type

LSA TypeDescription
1Router LSAs
2Network LSAs
3, 4Summary LSAs
5Autonomous System External LSAs
6Multicast OSPF LSAs
7Defined for Not-So-Stubby Areas
8External Attributes LSA for Border Gateway Protocol (BGP)
9, 10, 11Opaque LSAs

Инкапсуляция OSPF сообщений

Recent Notes

Graph View

Backlinks