Сетевые решения — Протокол динамической маршрутизации OSPF

• Введение
• Designated Router и Backup Designated Router
• Области OSPF

OSPF (Open Shortest Path First) – протокол динамической маршрутизации. Данный протокол является открытым стандартом, его поддерживают практически все производители сетевого оборудования. Благодаря гибкости протокола, с помощью него легче и эффективнее можно реализовать поставленные задачи по маршрутизации трафика.

Основными отличиями от протоколов семейства distance-vector являются:

• Возможность использования шаблонной маски для более тонкой настройки;
• Высокая скорость сходимости протокола;
• Экономия сетевых ресурсов;
• Использование мультикаста вместо широковещательных запросов;
• Обновление информации по мере изменения топологии сети;
• Использование стоимость (cost) в качестве метрики.

OSPF использует так называемые пакеты Link-State Advertisement (LSA) для обмена данными между ближайшими соседями. К слову, список всех напрямую подключенных соседей каждый маршрутизатор хранит в специальной таблице под названием neighbor table. Благодаря обмену пакетами LSA и информации, полученной от соседей, маршрутизаторы выстраивают таблицу топологии сети topology table и заносят данные в базу Link-State Database (LSDB). Обмен пактетами LSA происходит до тех пор, пока все маршрутизаторы, находящиеся в одной области, не выстроят идентичные базы LSDB. После этого, каждый из них выстроит таблицу маршрутизации routing table, согласно полученной информации. По сути, таблица топологии сети представляет собой базу данных, в которой отражены все маршрутизаторы области и пути их достижения. Таблица топологии сети отличается от таблицы маршрутизации тем, что в первой, маршрутизатор еще не принял решение, какой использовать оптимальный путь для достижения той или иной сети.

Маршрутизатор внесет изменение в таблицу топологии сети только после того, как он получит от своего соседа пакет LSA с обновленными данными. Любой маршрутизатор в области обязан сгенерировать LSA и отправить его всем своим соседям в одном из трех случаев:

• 1. Произошло изменение в топологии сети (потеря физической связи с соседом, сосед не откликается на hello сообщения);
• 2. Получен пакет LSA от другого соседа*, который должен быть передан по цепочке следующему, до тех пор, пока все маршрутизаторы не обновят свои таблицы топологии сети;
• 3. Прошло 30 минут без изменений в сети.

* Если номер последовательности LSA новый, тогда маршрутизатор передаст его всем своим соседям.

* Если номер последовательности LSA совпадает с недавней записью в таблице топологии, то этот пакет игнорируется.

* Если номер последовательности более старый, тогда маршрутизатор сгенерирует и отошлет новую версию LSA обратно тому, от кого были получены устаревшие данные.

Итак, каждый маршрутизатор содержит 3 таблицы:

• Таблица соседей (Neighbor table);
• Таблица топологии (Topology table);
• Таблица маршрутизации (Routing table).

Для того, чтобы поддерживать связь с соседями, маршрутизаторы обмениваются hello пакетами каждые 10 секунд. Каждый hello пакет содержит следующие поля:

От стадии знакомства до момента полного «взаимопонимания», маршрутизаторы преодолевают несколько этапов:

• Down – обмен OSPF пакетами не происходит;
• Init – обмен hello пакетами;
• 2Way – связь установлена;
• Exstart – выбор DR (главного устройства) и BDR (backup устройства) в сетях с множественным доступом (multi-access networks);
• Exchange – обмен Database Descriptor (DBD) пакетами, которые содержат по сути заголовки LSA пакетов и описывают содержание контента базы данных Link-state;
• Loading — загрузка недостающей части базы данных Link-state, если в этом есть необходимость;
• Full — достижение полной взаимосвязи, все базы данных синхронизированны.

Метрику или стоимость одного линка, маршрутизатор рассчитывает по формуле 100.000.000bps(100Mbps)/LinkSpeed. Подсчитав суммарную стоимость линков до удаленной сети, маршрутизатор выберет оптимальный маршрут.

Designated Router и Backup Designated Router

Выше были упомянуты аббревиатуры DR (Designated Router) и BDR (Backup Designated Router). Это роли, которые могут исполнять маршрутизаторы, если они находятся в одном широковещательном сегменте. Выбор одного устройства, который будет исполнять роль DR существенно снизит нагрузку на сеть. Достигается это тем, что маршрутизаторы, находящиеся в одном сегменте, будут устанавливать взаимосвязи (adjacencies) не друг с другом, а только с DR. Выбор же BDR повысит отказоустойчивость сети, т.к. он мгновенно займет место DR, в случае выхода его из строя.

Выборы DR и BDR проводятся согласно следующим критериям:

1. Приоритет (Priority) — определяет, какой маршрутизатор займет роль DR. Чем больше значение, тем лучше. По умолчанию приоритет равен 1.
2. Если приоритеты равны, предпочтение будет отдано маршрутизатору с наибольшим Router ID (обычно равен IP адресу).
3. Маршрутизатор, занявший второе место после DR, становится BDR.

При отсутствии DR и BDR в multi-access сети, количество взаимосвязей возростало бы в геометрической прогрессии относительно количества маршрутизаторов. Число взаимосвязей исчислялось бы по формуле (n(n-1))/2, где n – количество маршрутизаторов.

Например:

DR уменьшит количество взаимосвязей до 3-х:

В отказоустойчивой модели, количество связей будет равно 5-ти:

Все маршрутизаторы в сегменте отправляют LSA пакеты на адрес 224.0.0.6 (для DR), в свою очередь, DR извещает маршрутизаторы посредством отсылки LSA на адрес 224.0.0.5. После чего, каждый маршрутизатор в сети должен отправить подтверждение для DR о получении пакета.

DR не изменит свою роль, даже если в сети появится маршрутизатор с лучшим приоритетом. Если DR перестанет отсылать hello пакеты, его место займет BDR.

Области OSPF

Область OSPF представляет собой логическую группу маршрутизаторов с идентичными таблицами топологии сети. В каждой отдельной области алгоритмы SPF протекают независимо от других областей. Разделение на области необходимо для того, чтобы снизить нагрузку на саму сеть, а также память и процессор маршрутизаторов в одной области. Все потому, что чем шире OSPF область, тем чаще будет предпринято использование алгоритма SPF маршрутизаторами.

Алгоритм SPF используется маршрутизатором для расчета кратчайшего пути до удаленной сети.

Чем больше область, тем объемнее становится таблица маршрутизации и тем дольше будет происходить поиск нужного маршрута. В больших сетях топология разрастается до таких размеров, что управлять ей становится невозможно, более того, маршрутизаторы обмениваются таблицами топологии сети каждые 30 минут.

Из-за роста баз данных и количества необходимых расчетов, загрузка процессора маршрутизатора увеличивается одновременно со снижением доступного объема памяти. В результате увеличивается время задержки пересылки пакетов и время сходимости протокола OSPF между маршрутизаторами. Не исключаются проблемы потери связи и потери пакетов.

OSPF различает два типа областей: нулевая область и все остальные области. Нулевая область представляет из себя центральную область. Все остальные области должны быть смежны с ней. Маршрутизаторы, которые стоят на границе области, смежной с нулевой, называются Area Border Routers (ABR). Маршрутизаторы, которые импортируют маршруты из других сетевых протоколов, отличных от OSPF, называются Autonomous System Boundary Routers (ASBR).