Routingprotokollet Open Shortest Path First Projektrapport i kursen EDA 390 Datakommunikation och Distribuerade System våren 2005 av Verner Franzén 790313-5932 data Anders Larsson 810912-4878 data
Inledning I datorteknikens barndom arbetade nästan alla datorer oberoende av varandra, men för att effektivare använda tillgängliga datorresurser inom en organisation föddes tanken på att sammankoppla datorer i nätverk. Nätverken har sedan dess ökat i storlek och i komplexitet, speciellt i samband med internetrevolutionen. För att trafiken ska skickas effektivt i ett stort nätverk krävs genomtänkta och effektiva regler, så kallade routingprotokoll. I samband med utvecklingen inom nätverksteknik har nya routingprotokoll konstruerats som bättre klarar av de nya förutsättningarna. I denna rapport kommer vi att närmare undersöka Open Shortest Path First som är ett relativt nytt routingprotokoll. För att tydliggöra jämförs det med alternativa routingprotokoll. Bakgrund OSPF, open shortest path first, är ett förbindelseorienterat routingprotokoll till skillnad från distansvektorbaserade routingprotokoll som t.ex. RIP och IGRP. OSPF presenterades som RFC 1131, Request for Comments, den 1:e oktober 1989 då John Moy publicerade dess grunder. Den versionen var mest av experimentell natur och användes främst i laboratoriemiljö. April 1998 publicerades den andra versionen av protokollet i form av en ny RFC som har nummer 2328. Denna version utgör definitionen av OSPF som idag har blivit ett populärt routingprotokoll. De första routingprotokollen var alla distansvektorbaserade vilket fungerade bra i början då nätverken var tämligen primitiva i jämförelse med dagens nätverk. Med tiden blev nätverken större och mer komplexa vilket gjorde att nackdelarna med förbindelseorienterade routingprotokoll blev mer uppenbara. De begränsade nätverken att fungera effektivt. Det huvudsakliga problemet för stora nätverk är att routingtrafiken utgör alltför stor del av den totala nätkapaciteten. Detta blir mer uppenbart i större nätverk.
Distansbaserade routingprotokoll Gemensamt för alla distansbaserade routingprotokoll är att en router inte har någon övergripande kunskap om hur nätet är uppbyggt. Routrarna har däremot stor kunskap om förbindelserna till sina grannar. För att grannarna ska få del av denna information skickas hela routingtabellen vid jämna mellanrum. Routingtabellerna kan bli omfattande och i stora nätverk blir det ansenliga informationsmängder som skickas enbart för att routrarna ska ha vetskap om hur nätverket ser ut. En routingtabell för distansbaserade routingprotokoll innehåller bland annat kostnaden, som baseras på antalet routerhopp, till andra nät. För att routingtabellerna ska innehålla korrekta vägval krävs regelbundna uppdateringar av routingtabellerna. Distansbaserade routingprotokoll sköter uppdateringarna genom att varje router med jämna tidsintervall skickar ut hela sin routingtabell till sina grannar. Tidsintervallet skiljer sig åt mellan olika routingprotokoll, för exempelvis RIP v1 skickas tabellerna ut var 30:e sekund medan RIP v2 använder sig av intervall på 180 sekunder. Dessa värden är dock standardvärden som kan ändras om så önskas. Valet av tidsintervall beror på ett flertal faktorer såsom konstruktion och egenskaper hos respektive protokoll. Generellt kan man säga att korta intervall genererar mer belastning i nätverket vilket kan ha negativ påverkan på annan datatrafik. En klar fördel är dock att routingtabellerna innehåller mer aktuell och relevant vägvalsinformation. Följdaktligen gäller det motsatta förhållandet för protokoll med långa intervall. Tidsintervallet för uppdateringarna av routingtabellerna är en kompromiss mellan att ha aktuell vägvalsinformation och att minimera den belastning i nätverket som skickandet av routingtabellerna orsakar. Det är ganska uppenbart att det dröjer en viss tid innan plötsliga förändringar i nätverket uppmärksammas av routrarna. Dessutom är det fullt möjligt att två eller flera routrar har olika uppfattning om vart ett paket ska skickas. I värsta fall leder det till att paketet skickas runt i en ring, så kallade routingloopar. För att lösa denna problematik finns implementationen hop count i distansbaserade routingprokoll. Det innebär att varje paket som skickas bär information om hur många routrar det har passerat. Varje gång paketet passerar en router ser den till att värdet ökas med ett. Routingloopar kan då undvikas genom att det för varje routingprokoll har bestämts hur många hopp ett paket får göra. Till exempel har RIP en gräns på 15 hopp. Om en router tar emot ett paket som har ett hoppvärde större än maxgränsen ignoreras paketet och skickas därmed inte vidare. Det finns även andra tekniker för att undvika routingloopar exempelvis använder RIP v2 en teknik som heter split horizon. Då ett paket ska skickas i ett nätverk med distansbaserat routingprotokoll kontrollerar routern först om paketet ska skickas till någon av de routrar som finns i samma område. Om så är fallet skickas paketet till den granne som anges i routingtabellen för att så småningom nå avsedd mottagare. Eftersom distansbaserade routingprokoll inte har överblick över hela nätverket uppstår vissa komplikationer som tidigare nämnts. Man insåg ganska snart att det krävdes drastiska åtgärder för att undvika de uppkomna problemen. Lösningen blev en helt ny typ av routingprotokoll förbindelseorienterade routingprotokoll. Förbindelseorienterade routingprotokoll Till skillnad från distansbaserade routingprotokoll har routrar som använder förbindelseorienterade routingprotokoll kunskap om hela nätverket. Då nätverk ofta
är stora blir denna information mycket omfattande eftersom den innefattar allt från topologi till ingående information om övriga routrar och hur de är sammankopplade. För att routingen ska bli effektiv med minimala fördröjningar lagras informationen i tre olika databaser. I förbindelseorienterade routingprokoll måste varje router först erhålla information från samtliga routrar inom samma nätverk. När routrarna har all information beräknar de kortaste vägen till alla övriga noder i nätverket med Dijkstras algoritm. Denna information lagras i respektive routers routingtabell och därmed har varje router en komplett bild av hur nätverket ser ut. Eftersom varje router har en egen routingtabell är det liten risk för att ett eventuellt fel i en grannes routingtabell ska spridas till övriga routrar. Jämförelse mellan distansbaserade & förbindelseorienterade routingprotokoll Distansbaserade routingprokoll som t.ex. RIP fungerar bäst i mindre nätverk, då optimala vägen baseras på lägst antal hopp. Förbindelseorienterade routingprokoll är dock ett bättre val i större skalbara nätverk, där optimala vägen istället baseras på bandbredden. RIP och liknande protokoll använder enkla algoritmer vilket ställer ganska låga prestandakrav på routrarna medan algoritmerna i förbindelseorienterade protokoll är relativt komplicerade. Därför krävs routrar med mycket minne och processorkraft. Distansbaserade routingprokoll konvergerar långsammare, ibland flera minuter, vilket gör att routrarna i nätverket inte har samma uppfattning om förbindelsernas status. Ett förbindelseorienterat routingprokoll har en snabbare konvergens och därmed undviks routingloopar. OSPF garanterar att inga routingloopar uppstår då det hämtar in all information om nätverket och uppdateringarna sker mycket snabbt.
Autonoma system och OSPF Ett autonomt system, AS, är en samling av nätverk, eller snarare, de routrar som finns i nätverket och som har likartad administration samt delar samma routingstrategi. Routrarna har samma routingprokoll för att kommunicera med varandra och informationen som skickas mellan routrarna förblir inom det autonoma systemet. Dock finns information om vilka nät ett AS ansvarar för vilket möjliggör kommunikation mellan olika autonoma system. Eftersom ett AS interna routinginformation aldrig skickas till andra system kan olika typer av nätverkssystem sammankopplas oberoende vilket routingprotokoll som används internt. Då ett AS kan använda valfritt routingprotokoll ställs det speciella krav på den router som ska sköta kommunikationen mellan olika nätverkssystem. En sådan router brukar benämnas Autonomous System Border Router, ASBR. I OSPF finns möjligheten att dela in ett AS i areor. Det är ofta nödvändigt att göra en sådan indelning eftersom OSPF främst används i stora nätverk där routinginformationen kan bli mycket omfattande. Att alla routrar ska ha kunskap om hela nätet blir ohållbart och kan leda till påtaglig prestandaförsämring då routingtrafiken påverkar övrig datatrafik i alltför stor omfattning. Om nätet delas in i areor kan dessa problem undvikas. En area är en del av ett AS där routinginformationen inom arean inte skickas till routrar utanför arean. Därmed kan en area kortfattat liknas vid ett AS inom ett annat AS. Routern som sköter kommunikationen mellan areor kallas för Area Border Router, ABR. Designated Router och Backup Designated Router Valet av näverkstoplogi har stor påverkan på mängden routinginformation som skickas i nätet. Då alla routrar har direktkontakt, så kallad broadcast-multiaccess, inom en viss del av ett nätverk blir informationen ofta enorm. Eftersom routrarna är direktanslutna har de samma linkstatusinformation och därmed är det inte nödvändigt att alla routrar skickar samma information. Detta har man löst genom att inom varje segment där routrarna är direktkopplade genomför routrarna en omröstning om vilken router som ska representera segmentet. Den router som väljs benämns DR, Designated Router. Dessutom väljs en BDR, Backup Designated Router, som ersätter DR om den av någon anledning skulle sluta fungera. Alla routrar skickar hädanefter enbart link-state information till den valda routern. Därefter är det den valda routerns uppgift att fungera som talesman för samtliga routrar i segmentet och ser till att alla routrarna i segmentet är uppdaterade.
Olika nättyper Det finns tre olika typer av nät som OSPF kan hantera - Broadcast multi-access, Point-to-point networks och Nonbroadcasting multi-access. Det går även med administratorns hjälp att konfigurera ett point-to-multipoint-nät, men det tar vi inte upp här. Broadcast multi-access I ett multi-accessnät kan det vara ganska många routrar inkopplade. De kan bestå utav Ethernet, Token Ring eller FDDI. Om alla routrarna skulle skicka information till alla de andra routrarna i nätet skulle det ge mycket överflödig trafik. Lösningen är att utse en talesman för nätet. Därmed nyttjar Broadcast multi-access Designated Router. Point-to-point networks En förbindelse som är point-to-point innebär att det enbart är två stycken routrar inkopplade. De kan bestå av överföringstyperna PPP eller HDLC. Nonbroadcasting multi-access (NBMA) Det är nät som ansluter många olika routrar men möjligheten för broadcast på hårdvarunivån är inte möjlig. Exempelvis X.25, Frame Relay och SMDS är sådana nät.
Link State Advertisement (LSA) LSA är typen av nätverk som existerar på en länk. Dessa är till för att sprida den information routrarna har om de länkar som är anslutna till routern. Det är dessa som skickas med Link State Update-paketen när en förändring görs. I Link State Updatepaketens huvud finns fältet Link State Type som anger vilken typ av LSA det är som skickas med. Det finns sju specificerade LSA:er, men de fem första beskriver olika typer av nät, medans resterande är mera specialfall. Typ 1 Kallas för Router LSA och betyder att det enbart är länk mellan routrar. Varje router genererar en Router LSA som innehåller Router ID, en lista av länkens routrars gränssnitt, med deras status och kostnad. En ABR sänder inte vidare LSA av typen ett till andra områden. Typ 2 Kallas för Network LSA och betyder att det är länk till ett nätverk. Varje DR på länken genererar en Network LSA för ett multi-access nätverk. Det innehåller en lista på de routrar som är anslutna till multi-access nätverket. ABR blockerar LSA av typen två och behåller det inom området LSA:n beskriver. Typ 3 Kallas för Network Summery LSA och flyttar över information från ett område till ett annat. De skapas av ABR:er och kan innehålla information om default routing från andra områden. En ABR skapar enbart en LSA av typen tre för ett område oavsett om ABR:en känner till flera routingvägar till området den beskriver. Typ tre är inte inkluderad i SPF-algoritmen, shortest path first, utan sätts mest in i routingtabellen. Den fungerar mest som en distansvektor mellan olika typer av nät. Typ 4 Kallas för ASBR, Autonomous System Boundary Router, Summery LSA och fungerar som typ tre fast informationen gäller enbart ASBR:er istället. Denna typ tillsammans med typ fem används för att hitta bästa vägen till ett externt nät. Typ 5 Kallas för AS, Autonomous System, External LSA. Det är ASBR:erna som nyttjar denna för att beskriva utomstående nät även om de inte använder routingprotokollet OSPF. Om en default route för arean ligger utanför ASBR:en så finns den informationen med i denna typen. LSA av typen fem är inte bunden till ett visst område utan dessa paket sprids ut i hela AS:et. Typ 6 Kallas för Group Membership LSA och är en del av Multicast OSPF, MOSPF, vilket routar multicastpaket. Denna typ används således inte av grundläggande OSPF. Typ 7 Kallas för NSSA, Not-so-stubby-areas, External LSA och är som typ fem fast enbart för NSSA. Mer om detta går att läsa under rubriken Olika nät. Link State Update (LSU) När en LSA ändrar sig behöver informationen om den spridas i nätet så att alla routrar i nätet innehar samma kunskap. Det görs med så kallad LSA Flooding. En LSU är ett paket som innehåller uppdaterade eller nya LSA:er. När en router mottager en LSU packas den först upp och läses av för att uppdatera
routerns Link State Database. Därefter skickas de uppdaterade LSA:erna i ett nytt LSU-paket ut på alla länkarna förutom den länk som den första LSU:en mottogs från. För att den router som sänder ut LSU ska veta att de mottagits väntar den på Link State Acknowledgements, LSAcks. Om denna inte inkommer inom en viss tid, standard 5 sekunder, skickas LSU:n ut igen. Alla LSU:er är unicast, vilket innebär att den sändande routern vet precis vilka routrar som fått informationen. Områden Det finns fyra olika områden Normal, Stub, Totally Stubby och Not-So-Stubby. Normal Area I ett normalt område skickas alla LSA:er vidare, så de LSA:er som innehåller information om externa nät skickas över av ABR:en till nästa område. Därmed har även de routrarna koll på att det finns en ASBR i ett annat område. Stub Area
En stub area är ett område som inte får ha en ASBR och måste därmed skicka data till en ABR för att få ut datan till externa nät. Dessa routrar behöver då inte ha information om nät utanför eget område, utan det räcker med en default route. När en ABR mottager LSU:er som innehåller LSA:er av typen fyra eller fem skickas dessa inte in i områden som är markerade som stub area. Det innebär också att alla routrarna i området måste vara konfigurerade som stub router. Totally Stubby Area (TSA) Ett område som bara når en ABR behöver inte information om de övriga områdenas routrar, eftersom det bara finns en ABR att gå igenom för att nå dem. Utöver den information som filtreras bort vid Stub Area behöver ABR:en inte skicka LSA:er av typen tre till detta område. Den enda skillnaden konfigurationsmässigt jämfört med Stub Area är en liten ändring i ABR:en. Not-So-Stubby Area (NSSA) Ett NSSA-område är ett område som har både ASBR och ABR. Området vill inte dirigera ut extern trafik via interna områden, det vill säga via ABR:en. All trafik som ska gå utanför eget AS ska gå genom områdets ASBR.
LSA:er av typen fyra och fem skickas inte över av ABR:erna till NSSA. Dock skickas default route och information om områdets interna routrar. Åt andra hållet kan däremot information sändas angående NSSA:ns ASBR. Men då LSA av typen fem är förbjuden har man framtagit en LSA av typen sju som innehar ungefär samma information som LSA av typen fem. Hellopaket Varje router kommunicerar regelbundet med övriga routrar genom att skicka Hellopaket. Syftet är att upplysa övriga routrar om att routern är aktiv samt vilka andra routrar som är anslutna till den aktuella routern. Om en router slutar sända hellopaket upptäcks detta tämligen omgående av övriga routrar. Efter en viss tidsgräns görs beräkningarna om för kortaste vägen mellan de noder som vid den tidigare beräkningen involverade routern som inte längre fungerar. Kostnadsberäkningar OSPF baseras på Dijkstras algoritm för att beräkna kortaste vägen mellan två noder. Den är enkel att implementera och relativt snabb vilket är absolut nödvändigt då varje router på egen hand ska kunna hitta optimala vägen till samtliga noder i nätverket. En annan fördel är att man matematiskt kan bevisa att Dijkstras algoritm alltid ger den optimala vägen. Optimeringsberäkningar basers på att varje direktanslutning mellan noder ges en kostnad. Kostnaden är ett positivt tal som bestäms av bandbredden som i sin tur är beroende av ett flertal faktorer t.ex. trafikkapacitet, trafikbelastning, kabellängd och kabeltyp. Hög bandbredd på en anslutnig leder till låg kostnad vilket ses ur kostnadsformeln 10^8/anslutningens bandbredd. Det innebär att en bandbredd på 100Mbps ger kostnaden 1. Lagring av routinginformation Den information som lagras i varje router som använder förbindelseorienterade routingprotokoll är mycket omfattande eftersom varje router har full kunskap om hur nätet ser ut. För att routingen ska bli effektiv och snabb krävs det att informationen lagras på ett genomtänkt sätt. För att uppnå detta har man valt att lagra informationen i tre olika databaser. Den första databsen, link-state database, innehåller information om det aktuella nätet som samlats in från övriga anslutna routrar. Här återfinns information om topologi, kostnader för specifika anslutnigar och hur routrarna är anslutna till varandra. Denna information är likadan på varje router som ingår i nätet eftersom routrar på samma nät rimligtvis bör ha samma uppfattning om hur nätverket ser ut. Därefter beräknar varje router snabbaste vägen mellan alla ingående noder i nätverket. Snabbast innebär i det här sammanhanget lägst kostnad vilket i de flesta fall är synonymt med störst bandbredd. Denna information lagras i den andra databasen som utgör routingtabellen. Routern använder sedan routingtabellen för att ta reda på hur den ska skicka paket för att de så småningom ska nå fram till rätt mottagare. Förutom de två tidigare nämnda databaserna har även varje router en databas med information om de routrar som är anslutna som grannar, dvs de routrar routern har direkt anslutning till.
Förkortningar ABR AS ASBR BDR DR LSA MOSPF NSSA OSPF RFC RID SPF TSA Area Border Router Autonomous System Autonomous System Boundary Router Backup Designated Router Designated Router Link State Advertisement Multicast Open Shortest Path First Not So Stubby Areas Open Shortest Path First Request for Comments Router Identification Shortest Path First Totally Stubby Area Referenser Cisco IP Routing Handbook, P. Cernick, M. Degner, and K. Kruepke, M&T books Internetworking with TCP/IP Principles, protocols, and architectures fourth edition, volume 1, Douglas E. Comer, Prentice Hall Cisco Networking Academy Program, semester 3 module 2 http://susning.nu/ospf 2005-04-26 http://www.ietf.org/iesg/1rfc_index.txt 2005-04-26 http://www.ietf.org/rfc.html 2005-04-26 http://www.it.iitb.ac.in/xnet/ospf/info/ospf0.html 2005-04-26 http://www.linktionary.com/a/autonomous.html 2005-04-28 http://www.rhyshaden.com/ospf.htm 2005-04-27 http://www.riverstonenet.com/support/ospf/ospf-areas.htm 2005-04-27 http://www2.rad.com/networks/1995/ospf/ospf.htm2005-04-27