OSPF (часть первая)31.07.2018 13:31

Данная статья была написана для себя, чтоб при необходимости быстро освежить память и разобраться с теорией. Решил ее опубликовать, возможно кому-то будет полезна, а может в чем то ошибаюсь.

В данной статье попытаемся разобраться с теорией работы протокола OSPF. Не будем углбуляться в историю и процесс создания протокола, данная информация в изобилии есть почти в каждой статье о OSPF. Мы постараемся более детально разобраться как работает протокол OSPF и как строит свою таблицу маршрутизации. Важно дать общее определение протокола:
OSPF (англ. Open Shortest Path First) — протокол динамической маршрутизации, основанный на технологии отслеживания состояния канала (link-state technology) и использующий для нахождения кратчайшего пути алгоритм Дейкстры. Возникает сразу вопрос — Что есть технология отслеживания состояния канала? Данное название считаю не совсем удачным. Сложилось так, что существует два типа протоколов динамической маршрутизации: Link-state и Distance-Vector. Рассмотрим их принципы работы. В Distance-Vector протоколах, маршрутизатор узнает информацию о маршрутах посредством маршрутизаторов непосредственно подключенных в один с ним сегмент сети. То есть, маршрутизатор имеет информацию о топологии только в границах его соседних маршрутизаторов и понятия не имеет как устроена топология за этими маршрутизаторами, ориентируясь только по метрикам. В Link-state протоколах каждый маршрутизатор должен непросто знать самые лучшие маршруты во все удалённые сети, но и иметь в памяти полную карту сети со всеми существующими связями между другими маршрутизаторами в том числе. Это достигается за счет построения специальной базы LSDB, но подробнее об этом позже.
Итак, начнем с того, как же строится LSDB из которой маршрутизатор узнает о всех-всех маршрутах? Построим начальную топологию для изучения. Выглядит она так:

Будем настраивать OSPF. С чего начинается OSPF? C установления соседства между маршрутизаторами — после активации OSPF на интерфейсах маршрутизатора, маршрутизаторы начинают рассылать Hello сообщений. Данное сообщение расслылается на мультикастовый адрес — 224.0.0.5 каждые 10 секунд (Hello Timer). Мы включим сначала OSPF на маршрутизаторе vIOS1. Посмотрим как выглядит Hello-пакет:

В сообщение важно обратить внимание на такие поля как Area ID, Source OSPF Router. При запуске процесса OSPF выбирается Router ID, который необходим для идентифицирования маршрутизатора среди остальных маршрутизаторов OSPF. Правила выбора данного параметра следующие:
1. Настроен специальной командой router-id A.B. C.D — в формате ip адерса.
2. Настроен один loopback-интерфейс и несколько интерфейсов с различными адресами:

Адрес присвоенный loopback-интерфейсу будет Router ID.

3. Настроены несколько loopback-интерфейсов с несколькими IP-адресами в каждом:

Наибольший IP-адрес присвоенный любому из loopback-интерфейсов будет Router ID.

4. Настроены несколько интерфейсов с IP-адресом на каждом:

Наибольший IP-адрес из всех активных интерфейсов будет Router ID.

Теперь перейдем к полю Area ID — это более важное и фундаментальное понятие в OSPF. Для работой с большим количеством маршрутизаторов, OSPF использует зоны. Каждый из интерфейсов маршрутизатора должен принадлежать какой-либо одной зоне. В нашей топологии интерфейсы Gi0/0 маршрутизаторов vIOS1, vIOS2, vIOS3, vIOS4 принадлежат зоне 0. Area 0 называется Backbone и является центром для всех остальных зон. Каждая другая зона должна быть подключена к Backbone зоне (virtual-link не рассматриваем пока). В дальнейшем разборе станет более ясны данные понятия.
Итак, мы включили OSPF на vIOS1 и он начал каждые 10 секунд отправлять Hello-пакеты. Включим OSPF на vIOS2 и проследим как будут устанавливаться отношения соседства:

Итак, внимательно следим за последовательностью сообщений. Сначала Hello отправляет только маршрутизатор 1.1.1.1 (192.168.1.1), как только мы включим OSPF на 192.168.1.2, то отправится Hello пакет. vIOS1 и vIOS2 получат Hello пакеты друг у друга и для того, чтоб соседство состоялось важно, что в конфигурации OSPF на обоих маршрутезаторах были одинаковыми следующие параметры:

Hello Interval — частота отправки сообщений Hello
Router Dead Interval — период времени, по прохождению которого, сосед считается недоступным, если не было Hello.
Area ID — соседство может установится только посредством интерфейсов в одной зоне.
Authentication — пароль использующийся для аутентификации и тип аутентификации, если он есть.
Stub area flag — не обязательный флаг, который устанавливается на всех маршрутизаторах, которые принадлежат тупиковой зоне (stub area)

Если посмотреть на Hello пакет, показанный выше, все эти параметры указаны в Hello-пакете. Как только один из маршрутизаторов (vIOS1) получит новый Hello-пакет и проверит все условия, он сразу отправит Hello-пакет, где укажет в поле Active Neighbor адрес нового маршрутизатора (vIOS2), vIOS2 получив и увидев себя в поле соседей себя, добавит vIOS1 в соседи и отправит уже юникастовый пакет на 192.168.1.1 (vIOS1), где указыжет его соседом. Так сказать, они стали соседями и теперь начинается самое интересное — обмен информации и построение той самой базы LSDB. Про установление соседства советую прочитать следующую статью.
База LSDB будет содержать в себе информацию о маршрутах и данная LSDB после установления соседства должна быть идентичная на всех маршрутизаторах в пределе одной зоны. И, первым делом, маршрутизаторы после устновления соседства начинают процесс синхронизаций своих баз данных друг с другом (vIOS1 c vIOS2). Как можно увидеть все начинается с обменом между собой сообщений DB Description (DBD). Чтоб стало более понятно, расскажем о типах сообщений, который использует OSPF:

Hello — используется для обнаружения соседе, проверки параметров, построения отношений соседства с ними и мониторинга доступности.
Database Description (DBD) — проверяет состояние синхронизации баз данных на маршрутизаторах.
Link-State Request (LSR) — запрашивает определенные записи о состоянии каналов от маршрутизатора к маршрутизатору для синхронизации.
Link-State Update (LSU) — отправляет определенные записи о состоянии каналов в ответ на запрос.
Link-State Acknowledgment (LSAck) — подтверждает получение других типов пакетов.

Также важно ввести такое понятие как LSA:
Объявление о состоянии канала (Link State Advertisement, LSA) — единица данных, которая описывает локальное состояние маршрутизатора или сети. Множество всех LSA, описывающих маршрутизаторы и сети, образуют базу данных состояния каналов (LSDB). LSDB состоит из нескольких видов LSA. Очень подробно о каждом LSA написано в этой статье. В сообщениях DBD используется достаточно много флагов для определения состояния синхронизации, а также данные сообщения содержат информацию о собственной базе данных. То есть, vIOS1 сообщает в данных сообщениях, что в моей базе есть информация о таких сетях, как 192.168.0/24, 1.1.1.0/24 (LSA Type 1), а vIOS2 в свою очередь сообщает, что у него есть записи о сетях: 192.168.2.0/24, 2.2.2.0/24 (LSA Type 1). После получения сообщений DBD, каждый маршрутизатор отправляет LSAck в подтверждение о полученном сообщении, и, далее, сравнивает информацию в базе соседа со своей. Если найдено, что не достает какой-либо информации, то маршрутизатор отправляет LS Request, где запрашивает полную информацию о каком-либо LSA. Например, vIOS1 запросил LS Request у vIOS2, vIOS2 отправляет в ответ LS Update, в которой уже содержится подробная информация о каждом маршруте. Ниже показан LS Update:

Как видите, в данном сообщении vIOS2 рассказывает об известных ему подсетях и информацию связанную с ними. Также, vIOS1 рассказывает о своей LSDB. И в конце концов, маршрутизаторы имеют одинаковую LSDB. Как только процесс завершен, запускается алгоритм Дейкстры (Shortest Path First). Он рассчитывает все известные маршруты из LSDB и лучшие из них помещает в таблицу маршрутизации. Лучший, тот у которого метрика ниже, но об этом позже.
Задумаемся о вопросе, что будет, если мы активируем OSPF на vIOS3? Так как vIOS3 придется строить LSDB и синхронизировать её с другими маршрутизатора, то встает вопрос с кем именно синхронизировать? С vIOS1 или vIOS2? С каждым по отдельности? Насколько это оптимально? Поэтому в OSPF есть такое понятие как DR — Designated router. Введем данное понятие:
Выделенный маршрутизатор (designated router, DR) — управляет процессом рассылки LSA в сети. Каждый маршрутизатор сети устанавливает отношения соседства с DR. Информация об изменениях в сети отправляется DR, маршрутизатором обнаружившим это изменение, а DR отвечает за то, чтобы эта информация была отправлена остальным маршрутизаторам сети. Другими словами, если в сегменте сети появляется новый маршрутизатор, то он будет синхронизировать свою LSDB именно с DR. Также важно заметить, что и не только новые, но и все остальные маршрутизаторы при изменении сети или появлении нового маршрута будут сообщать об этом DR, а остальные будут забирать данную информацию с DR. Но тут же возникают вопросы — Что будет, если DR выйдет из строя? Как выбирается DR?
При выходе его из строя должен быть выбран новый DR. Новые отношения соседства должны быть сформированы и, пока базы данных маршрутизаторов не синхронизируются с базой данных нового DR, сеть будет недоступна для пересылки пакетов. Для устранения этого недостатка выбирается BDR — Backup designated router:
Резервный выделенный маршрутизатор (backup designated router, BDR). Каждый маршрутизатор сети устанавливает отношения соседства не только с DR, но и BDR. DR и BDR также устанавливают отношения соседства и между собой. При выходе из строя DR, BDR становится DR и выполняет все его функции. Так как маршрутизаторы сети установили отношения соседства с BDR, то время недоступности сети минимизируется. Таким образом, у нас в сети получаются не только DR, но и BDR. Остальные маршрутизаторы будут получать и сообщать актуальную информацию о сети только посредством их. DR и BDR выбирается только внутри одного сегмента, а не зоны! То есть, у маршрутизаторов vIOS1, vIOS2, vIOS3, vIOS4 будут выбраны одни DR и BDR, а, например, между vIOS и vIOS1 будут определены свои DR и BDR уже относительно их сегмента сети, даже, если они в одной Area 0. Для общения с DR и BDR, маршрутизаторы используют мулитькастовый адрес — 224.0.0.6.
Следующий вопрос — Как выбирается DR/BDR? Применяются следующие критерии:

DR: Маршрутизатор с самым высоким приоритетом интерфейса OSPF.
BDR: Маршрутизатор со вторым самым высоким приоритетом интерфейса OSPF.
Если приоритеты интерфейсов OSPF равны, самый высокий ID маршрутизатора используется, чтобы осуществить выбор. Как мы говорили, что маршрутизаторы определяют свой Router-ID. В начале, когда OSPF запускался на vIOS1 и vIOS2, помимо установления соседства, также происходили выборы DR/BDR. В данном споре победил vIOS2 c ID — 2.2.2.2, когда vIOS1 имел ID — 1.1.1.1. vIOS1 был выбран в качестве BDR. Важно заметить, что процесс выбора DR и BDR не происходит сразу после получения первых Hello-пакетов от второго маршрутизатора. Для этого существует специальный таймер равный Router Dead Interval — 40 секунд. Если за это время не будет получен Hello-пакет с лучшим ID, то произойдет выбор на основе уже меющихся Hello-пакетов.

Только теперь мы можем вернуться к вопросу — что будет, если мы активируем OSPF на vIOS3? После активации OSPF, vIOS3 начнет отправлять и слушать Hello-пакеты. Получит Hello-пакеты от vIOS1 и vIOS2, в которых будет указано, какие маршрутизаторы являются DR и BDR и поймет с кем ему синхронизировать LSDB. Важно заметить, что при появлении маршрутизатора с лучшим ID, то DR/BDR не меняются, пока один из них не выйдет из строя. После чего, vIOS3 начинает синхронизировать свою LSDB с данными маршрутизаторами.

После получения новой информации от vIOS3, DR рассылает LS Update сообщения всем маршрутизаторам на адрес 224.0.0.5, на что остальные маршрутизаторы, получив пакет отправляют LS Acknowledge для DR, но уже на адрес 224.0.0.6 (адрес для DR/BDR). По такой же схеме у нас подключается и vIOS4. После синхронизации, у всех маршрутизаторов одна и так же LSDB. Посмотрим как выглядят состояния соседства у vIOS3. Команда show ip ospf neighbor:

Как мы можем увидеть, DR — 2.2.2.2, BDR — 1.1.1.1, а с vIOS4 выбрано состояние 2WAY/DROTHER. О состояниях соседства была дана ссылка выше.
А вот состояния соседства на vIOS1 c установленном соседством c vIOS:

Как видите у него два DR потому, что у него имеется сосед и в другом сегменте сети.

Мультизоны.

Рассмотрим принципы работы OSPF в случае, когда используется несколько зон. Изменим нашу топологию, добавив новые маршрутизаторы:

Начнем с того, что сконфигурируем OSPF на vIOS1 и vIOS так, что их интерфейсы Gi0/1 на vIOS и vIOS1 будут находиться в зоне 1. Посмотрим, что изменитcя. vIOS1 теперь имеет интерфейсы и в Area 0 (Gi0/0), и в Area 1 (Gi0/0). Такой маршрутизатор называется ABR — Area Border Router (чуть ниже дадим более корректное определение ABR). ABR будет рассылать информацию о маршрутах из одной зоны в другую. Делается это посредством LSA Type 3:
Type 3 LSA — Network Summary LSA — суммарное объявление о состоянии каналов сети:

Объявление распространяется пограничными маршрутизаторами
Объявление описывает маршруты к сетям вне локальной зоны
Содержит информацию о сетях и о стоимости пути к этим сетям, но не отправляет информацию о топологии сети
По умолчанию, пограничный маршрутизатор отправляет отдельное объявление для каждой известной ему сети. При необходимости, на ABR сети могут быть просуммированы
Link-state ID — номер сети назначения.

По своей сути, между зонами принцип работы протокола напоминает собой работу Distance-vector протокола, передавая лишь информацию о маршруте с метрикой. Перед вами LS Update от vIOS1 в Area 0, который содержит в себе 3 штуки LSA Type 3:

По своей сути, структура LSA Type 3 не сильно отличается от LSA Type 1, но они по-разному влияют на работу протокола. При получения обновленного или при потере какого-либо LSA Type 1&2, запускается заново SPF (алгоритм вычисления кратчайшего пути) и пересчитывает LSDB. При получении LSA Type 3, данный процесс не происходит — получается маршрут с метрикой в LSA Type 3. В этом LSA хранится данные о том, через какой ABR был получен данный маршрут (ABR указан в поле Advertising Router) и метрика, чтоб достичь данный ABR уже имеется в LSDB. Таким образом, метрика из LSA Type 3 суммируется с метрикой маршрута до ABR и получаем готовый маршрут без перезапуска SPF. Данный процесс называется Partial SPF calculation. Это довольно важно потому, что в больших сетях размеры LSDB могут быть довольно большими и часто запускать SPF не есть хорошо. Также, создание LSA Type 3 говорит о том, что изменения и пересчет LSDB это дела одной зоны. ABR только сообщает, что с каким маршрутом что изменилось. Также важно заметить, что любой маршрут из ненулевой зоны в любую ненулевую зону проходит через Area 0. Если есть ABR, он не может быть не подключен к Area 0 (исключаем вариант с virtual-link). Area 0 является ядром, которое соединяет все остальные зоны и обеспечивает маршрутизацию между зонами. Определение ABR выглядит так:
Пограничный маршрутизатор (area border router, ABR) — соединяет одну или больше зон с магистральной зоной и выполняет функции шлюза для межзонального трафика. У пограничного маршрутизатора всегда хотя бы один интерфейс принадлежит магистральной зоне. Для каждой присоединенной зоны маршрутизатор поддерживает отдельную базу данных состояния каналов.
Разобрались с установлением соседства, созданием LSDB и SPF, с обычной зоной. А сейчас разберемся с сходимостью и реакцией OSPF на изменения в топологии. Посмотрим на нашу топологию и представим, что vIOS3 перестал работать (состояние каналов не изменилось). Поможет в перестроении топологии Dead Interval Timer — 40 секунд. Если в течении данного интервала, маршрутизатор не получает Hello-пакета от соседа, то рушится соседство. В нашем случае, DR разошлет LS Update с LSA Type 2, где укажется, что среди подключенных маршрутизаторов нет vIOS3, это приведет к тому, что запустится SPF и пересчитает LSDB уже без LSA полученных от vIOS3. Важно заметить, что на обычном маршрутизаторе типа vIOS4 даже исчерпание Dead Interval Timer и потеря соседства с vIOS3 не приводит к пересчету топологии, именно сообщение LS Update c LSA Type 2 запускает этот процесс.
Type 2 LSA — Network LSA — объявление о состоянии каналов сети:

Распространяется DR в сетях со множественным доступом
Network LSA не создается для сетей в которых не выбирается DR
Распространяются только в пределах одной зоны
Link-state ID — IP-адрес интерфейса DR

Таким образом, неучитывание данных, который перестал работать, происходит при помощи данного сообщения. Именно это указание соседей является триггером для отбрасывания неактуальных маршрутов. Включим обратно vIOS3 и установим соседство заново. Следующим экспериментом будет — реакция на отключения интерфейса Gi0/1 на vIOS3. Как только vIOS3 детектирует падения линка, он моментально отправляет LS Update к DR на адрес 224.0.0.6, где сообщается о падении определенных маршрутов при помощи выставления флага в LSA — LS Age равный 3600 секунд. Для LSDB это Max Age и все LSA c Max Age не учитываются при SPF, поэтому их не будет в таблице маршрутизации. Возникает вопрос: А когда Age LSA естественным путем достигает Max Age, что происходит? Для этого в OSPF есть LSRefreshTime — равный половине Max Age, через каждые 1800 секунд отправляется LS Update с маршрутизатора для обновления данных таймеров:

Далее, DR обработав данный LS Update, отправляет все остальным маршрутизатор LS Update на адрес 224.0.0.5. Как только, маршрутизаторы получили новую информацию — они отправляют LSAck. Тем самым достигается хорошая сходимость в OSPF.

Выбор лучшего маршрута.

Маршрутизатор выбирает лучший маршрут на основании наименьшего значения метрики. Однако, OSPF учитывает и несколько других факторов при выборе маршрута. В данном случае важен источник маршрута и его тип. Приоритет выбора маршрута следующий:

Внутренние маршруты зоны (intra-area)
Маршруты между зонами (interarea)
Внешние маршруты типа 1 (E1)
Внешние маршруты типа 2 (E2)

Хотя стоимость маршрута E2 не меняется при передаче его по зонам (не добавляется стоимость пути к ASBR), при совпадении стоимости маршрутов E2, сравнивается стоимость пути к ASBR, который анонсирует маршрут. Метрика учитывается в случае, когда приходится выбирать из маршрутов одного типа. В качестве метрики используется такое понятие как стоимость (cost). Она расчитывается по формуле:
cost = reference bandwidth / link bandwidth. Reference bandwidth — базис пропусной способности. По умолчанию, на Cisco равен 100Mbit.
ABR Loop Prevention. Как мы говорили выше, между зонами принцип работы OSPF похож на distance-vector протокол. Используя механизмы предотвращения петель, можем получить, что выбирается неоптимальный путь. Например, между зонами существует правило подобное Split Horizon из distance-vector протоколов. Рассмотрим это на примере, если изменить нашу топологию на границе зоны 0 и 4 так:

то мы получим, что vIOS18 будет выбирать неоптимальный путь с метрикой 100 через интерфейс Gi0/0. Происходит это в силу того, что vIOS18 не будет учитывать LSA Type 3, полученные не от зоны 0. Также, выше указанное правило запрещает передавать данный LSA Type 3 обратно в зону 0.