Протокол «состояния связей» OSPF

Протокол OSPF (Open Shortest Path First, открытый протокол «кратчайший путь первым») является достаточно современной реализацией алгоритма состояния свя­зей (он принят в 1991 году) и обладает многими особенностями, ориентированны­ми на применение в больших гетерогенных сетях.

В QSPF процесс построения таблицы маршрутизации разбивается на два круп­ных этапа. На первом этапе каждый маршрутизатор строит граф связей сети, в котором вершинами графа являются маршрутизаторы и IP-сети, а ребрами — ин­терфейсы маршрутизаторов. Все маршрутизаторы для этого обмениваются со сво­ими соседями той информацией о графе сети, которой они располагают к данному моменту времени. Этот процесс похож на процесс распространения векторов рас­стояний до сетей в протоколе RIP, однако сама информация качественно другая — это информация о топологии сети. Эти сообщения называются router links advertisement — объявление о связях маршрутизатора. Кроме того, при передаче топологической информации маршрутизаторы ее не модифицируют, как это делают RIP-маршрутизаторы, а передают в неизменном виде. В результате распростране­ния топологической информации все маршрутизаторы сети располагают идентич­ными сведениями о графе сети, которые хранятся в топологической базе данных маршрутизатора.

Второй этап состоит в нахождении оптимальных маршрутов с помощью полу­ченного графа. Каждый маршрутизатор считает себя центром сети и ищет опти­мальный маршрут до каждой известной ему сети. В каждом найденном таким образом маршруте запоминается только один шаг — до следующего маршрутизато­ра, в соответствии с принципом одношаговой маршрутизации. Данные об этом шаге и попадают в таблицу маршрутизации. Задача нахождения оптимального пути на графе является достаточно сложной и трудоемкой. В протоколе OSPF для ее решения используется итеративный алгоритм Дийкстры. Если несколько маршрутов имеют одинаковую метрику до сети назначения, то в таблице маршрутизации запоминаются первые шаги всех этих маршрутов.                         

После первоначального построения таблицы маршрутизации необходимо отслесживать изменения состояния сети и вносить коррективы в таблицу маршрутизации. Для контроля состояния связей и соседних маршрутизаторов OSPF-маршрутизаторы не используют обмен полной таблицей маршрутизации, как это не очень рационально делают RIP-маршрутизаторы. Вместо этого они передают специальные короткие сообщения HELLO. Если состояние сети не меняется, то OSPF-маршрутизаторы корректировкой своих таблиц маршрутизации не занимаются и не посылают соседям объявления о связях. Если же состояние связи изменилось, что ближайшим соседям посылается новое объявление, касающееся только данной связи, что, конечно, экономит пропускную способность сети. Получив новое объявление об изменении состояния связи, маршрутизатор перестраивает граф сети, заново ищет оптимальные маршруты (не обязательно все, а только те, на которых отразилось данное изменение) и корректирует свою таблицу маршрутизации. Одновременно маршрутизатор ретранслирует объявление каждому из своих ближайших соседей (кроме того, от которого он получил это объявление).            

При появлении новой связи или нового соседа маршрутизатор узнает об этом из новых сообщений HELLO. В сообщениях HELLO указывается достаточно детальная информация о том маршрутизаторе, который послал это сообщение, а так-же о его ближайших соседях, чтобы данный маршрутизатор можно было однозначо идентифицировать. Сообщения HELLO отправляются через каждые 10 секунд чтобы повысить скорость адаптации маршрутизаторов к изменениям, происходящим в сети. Небольшой объем этих сообщений делает возможной такое частое тестирование состояния соседей и связей с ними.                   

Так как маршрутизаторы являются одними из вершин графа, то они обязател! но должны иметь идентификаторы.

Pit. 5.27. Построение таблицы маршрутизации по протоколу OSPF

Протокол OSPF обычно использует метрику, учитывающую пропускную способность сетей. Кроме того, возможно использование двух других метрик, учитывающих требования к качеству обслуживания в IP-пакете, — задержки передачи пакетов и надежности передачи пакетов сетью. Для каждой из метрик протокол OSPF строит отдельную таблицу маршрутизации. Выбор нужной таблицы проис­ходит в зависимости от требований к качеству обслуживания пришедшего пакета (см. рис. 5.27).

Маршрутизаторы соединены как с локальными сетями, так и непосредственно между собой глобальными каналами типа «точка-точка».

Данной сети соответствует граф, приведенный на рис. 5.28.

Рис. 5.28. Граф сети, построенный протоколом OSPF

Протокол OSPF в своих объявлениях распространяет информацию о связях двух типов: маршрутизатор - маршрутизатор и маршрутизатор - сеть. Примером связи первого типа служит связь «R3 - R4», а второго — связь «R4 - 195.46.17.0». Если каналам «точка-точка» дать IP-адреса, то они станут дополнительными вер­шинами графа, как и локальные сети. Вместе с IP-адресом сети передается также информация о маске сети.

После инициализации OSPF-маршрутизаторы знают только о связях с непо­средственно подключенными сетями, как и RIP-маршрутизаторы. Они начинают распространять эту информацию своим соседям. Одновременно они посылают со­общения HELLO по всем своим интерфейсам, так что почти сразу же маршрутизатор узнает идентификаторы своих ближайших соседей, что пополняет его топологи­ческую базу новой информацией, которую он узнал непосредственно. Далее топо­логическая информация начинает распространяться по сети от соседа к соседу и через некоторое время достигает самых удаленных маршрутизаторов.

Каждая связь характеризуется метрикой. Протокол OSPF поддерживает стан­дартные для многих протоколов (например, для протокола Spanning Tree) значе­ния расстояний для метрики, отражающей производительность сетей: Ethernet — 10 единиц, Fast Ethernet - 1 единица, канал Т1 - 65 единиц, канал 56 Кбит/с -1785 единиц и т. д.

При выборе оптимального пути на графе с каждым ребром графа связана мет­рика, которая добавляется к пути, если данное ребро в него входит. Пусть на при­веденном примере маршрутизатор R5 связан с R6 и R7 каналами Tl, a R6 и R7 связаны между собой каналом 56 Кбит/с. Тогда R7 определит оптимальный марш­рут до сети 201.106.14.0 как составной, проходящий сначала через маршрутизатор R5, а затем через R6, поскольку у этого маршрута метрика будет равна 65+65-130 единиц. Непосредственный маршрут через R6 не будет оптимальным, так как его метрика равна 1785. При использовании хопов был бы выбран маршрут через R6, что не было бы оптимальным.                                         

Протокол OSPF разрешает хранить в таблице маршрутизации несколько маршрутов к одной сети, если они обладают равными метриками. Если такие записи образуются в таблице маршрутизации, то маршрутизатор реализует режим баланса загрузки маршрутов (load balancing), отправляя пакеты попеременно по каждому из маршрутов.                                                     

У каждой записи в топологической базе данных имеется срок жизни, как и у маршрутных записей протокола RIP. С каждой записью о связях связан таймер который используется для контроля времени жизни записи. Если какая-либо запись топологической базы маршрутизатора, полученная от другого маршрутизатора, устаревает, то он может запросить ее новую копию с помощью специального сообщения link-State Request протокола OSPF, на которое должен поступить ответ Link-State Update от маршрутизатора, непосредственно тестирующего запрошенную связь.

При инициализации маршрутизаторов, а также для более надежной синхронизации топологических баз маршрутизаторы периодически обмениваются всеми записями базы, но этот период существенно больше, чем у RIP-маршрутизаторов.

Так как информация о некоторой связи изначально генерируется только тем маршрутизатором, который выяснил фактическое состояние этой связи путем тестирования с помощью сообщений HELLO, а остальные маршрутизаторы только ретранслируют эту информацию без преобразования, то недостоверная информация о достижимости сетей, которая может появляться в RIP-маршрутизаторах, OSPF-маршрутизаторах появиться не может, а устаревшая информация быстро заменяется новой, так как при изменении состояния связи новое сообщение генерируется сразу же.                                                  

Периоды нестабильной работы в OSPF-сетях могут возникать. Например, при отказе связи, когда информация об этом не дошла до какого-либо маршрутизатор и он отправляет пакеты сети назначения, считая эту связь работоспособной. Одинако эти периоды продолжаются недолго, причем пакеты не зацикливаются в марутных петлях, а просто отбрасываются при невозможности их передать через неработоспособную связь.                                             

К недостаткам протокола OSPF следует отнести его вычислительную сложность, которая быстро растет с увеличением размерности сети, то есть количеств сетей, маршрутизаторов и связей между ними. Для преодоления этого недостача в протоколе OSPF вводится понятие области сети (area) (не нужно путать с автономной системой Internet). Маршрутизаторы, принадлежащие некоторой области строят граф связей только для этой области, что сокращает размерность сети. Между областями информация о связях не передается, а пограничные для областей маршрутизаторы обмениваются только информацией об адресах сетей, имеющихся в каждой из областей, и расстоянием от пограничного маршрутизатора до каждой сети. При передаче пакетов между областями выбирается один из пограничных маршрутизаторов области, а именно тот, у которого расстояние до нужной сети меньше. Этот стиль напоминает стиль работы протокола RIP, но нестабильность здесь устраняется тем, что петлевидные связи между областями запрещены. При передаче адресов в другую область OSPF-маршрутизаторы агрегируют нескольких адресов в один, если обнаруживают у них общий префикс.              

OSPF-маршрутизаторы могут принимать адресную информацию от других про­токолов маршрутизации, например от протокола RIP, что полезно для работы в гетерогенных сетях. Такая адресная информация обрабатывается так же, как и внеш­няя информация между разными областями.

Выводы

• Крупные сети разбивают на автономные системы, в которых проводится общая политика маршрутизации IP-пакетов. Если сеть подключена к Internet, то иден­тификатор автономной системы назначается в InterNIC.

• Протоколы маршрутизации делятся на внешние и внутренние. Внешние прото­колы (EGP, BGP) переносят маршрутную информацию между автономными системами, а внутренние (RIP, OSPF) применяются только в пределах опреде­ленной автономной системы.

• Протокол RIP является наиболее заслуженным и распространенным протоко­лом маршрутизации сетей TCP/IP. Несмотря на его простоту, определенную использованием дистанционно-векторного алгоритма, RIP успешно работает в небольших сетях с количеством промежуточных маршрутизаторов не бо­лее 15.

• RIP-маршрутизаторы при выборе маршрута обычно используют самую про­стую метрику — количество промежуточных маршрутизаторов между сетями, то есть хопов.

• Версия RIPvl не распространяет маски подсетей, что вынуждает администра­торов использовать маски фиксированной длины во всей составной сети. В вер­сии RIPv2 это ограничение снято.

• В сетях, использующих RIP и имеющих петлевидные маршруты, могут наблю­даться достаточно длительные периоды нестабильной работы, когда пакеты за­цикливаются в маршрутных петлях и не доходят до адресатов. Для борьбы с этими явлениями в RIP-маршрутизаторах предусмотрено несколько приемов (Split Horizon, Hold Down, Triggered Updates), которые сокращают в некоторых случаях периоды нестабильности.

• Протокол OSPF был разработан для эффективной маршрутизации IP-пакетов в больших сетях со сложной топологией, включающей петли. Он основан на алгоритме состояния связей, который обладает высокой устойчивостью к изме­нениям топологии сети.

• При выборе маршрута OSPF-маршрутизаторы используют метрику, учитыва­ющую пропускную способность составных сетей.

• Протокол OSPF является первым протоколом маршрутизации для IP-сетей, который учитывает биты качества обслуживания (пропускная способность, за­держка и надежность) в заголовке IP-пакета. Для каждого типа качества обслу­живания строится отдельная таблица маршрутизации.

• Протокол OSPF обладает высокой вычислительной сложностью, поэтому чаще всего работает на мощных аппаратных маршрутизаторах.