Проектирование сети OSPF

1 Протокол OSPF

1.1 Общие сведения

OSPF — это открытый протокол  маршрутизации, базирующийся на  алгоритме поиска наикратчайшего  пути (Open Shortest Path First — OSPF). OSPF имеет две  основные характеристики: протокол  является открытым, т. е. его спецификация  является общественным достоянием, он базируется на алгоритме SPF. Алгоритм SPF иногда называют алгоритмом Дейкстры по имени его автора.

OSPF является иерархическим  протоколом маршрутизации с объявлением  состояния о канале соединения (link state). Он был спроектирован как протокол работы внутри сетевой области — AS (Autonomous System), которая представляет собой группу маршрутизаторов и сетей, объединенных по иерархическому принципу и находящихся под единым управлением и совместно использующих общую стратегию маршрутизации. В качестве транспортного протокола для маршрутизации внутри AS OSPF использует IP-протокол.

OSPF является иерархическим  протоколом маршрутизации с объявлением  состояния о канале соединения (link state). Он был спроектирован как протокол работы внутри сетевой области — AS (Autonomous System), которая представляет собой группу маршрутизаторов и сетей, объединенных по иерархическому принципу и находящихся под единым управлением и совместно использующих, общую стратегию маршрутизации. В качестве транспортного протокола для маршрутизации внутри AS OSPF использует IP-протокол.

Обмен информацией о маршрутах внутри AS протокол OSPF осуществляет посредством обмена сообщениями о состояниях канала соединений между маршрутизаторами и сетями области (link state advertisement — LSA). Эти сообщения передаются между объектами сети, находящимися в пределах одной и той же иерархической области — это может быть как вся AS, так и некоторая группа сетей внутри данной AS. В LSA-сообщения протокола OSPF включается информация о подключенных интерфейсах, о параметрах маршрутов и других переменных. По мере накопления роутерами OSPF информации о состоянии маршрутов области, они рассчитывают наикратчайший путь к каждому узлу, используя алгоритм SPF. Причем расчет оптимального маршрута осуществляется динамически в соответствии с изменениями топологии сети.

Для различных типов IP-сервиса (видов услуг высшего уровня, которые определяются значением поля TOS IP-пакета), OSPF может рассчитывать свои оптимальные маршруты на основании параметров, наиболее критичных для данного вида сервиса. Например, какая-нибудь прикладная программа может включить требование о том, что определенная информация является срочной. Если OSPF имеет в своем распоряжении каналы с высоким приоритетом, то они могут быть использованы для транспортировки срочных дейтаграмм.

OSPF поддерживает механизм, позволяющий работать с несколькими  равноправными маршрутами между  двумя объектами сети. Это позволяет  существенно уменьшить время  передачи данных и более эффективно  использовать каналы связи.

Кроме того, OSPF-протокол поддерживает аутентификацию изменений маршрутов. Это означает, что только те маршрутизаторы, которые имеют определенные права, могут осуществлять маршрутизацию пакетов. Это позволяет, при соответствующей настройке прав системы маршрутизаторов, передавать по сети конфиденциальные сообщения, зная заранее, что они проходят только по определенным маршрутам.

1.2 Принцип работы  протокола OSPF

Алгоритм маршрутизации SPF является основой для операций OSPF. В каждой области работает отдельная копия алгоритма маршрутизации. Маршрутизаторы, которые имеют интерфейсы к нескольким областям, работают с несколькими копиями алгоритма SPF.

Когда на какой-нибудь роутер SPF подается питание, он инициализирует свои структуры данных о протоколе маршрутизации, а затем ожидает уведомления от протоколов низшего уровня о том, что его интерфейсы работоспособны.

После получения подтверждения о работоспособности своих интерфейсов, роутер использует приветственный протокол (hello protocol) OSPF, чтобы приобрести соседей (neighbor). Соседи — это объекты сети с интерфейсами, предназначенными для работы в общей с данным маршрутизатором сети. Описываемый маршрутизатор отправляет своим соседям приветственные пакеты и получает от них такие же пакеты. Помимо оказания помощи в приобретении соседей, приветственные пакеты также действуют как подтверждение дееспособности, позволяя другим роутерам узнавать о том, что другие роутеры функционируют.

Каждый роутер периодически, в зависимости от настройки системы, отправляет сообщение о состоянии канала (LSA — messages). Эти сообщения содержат информацию о состоянии интерфейса маршрутизатора данного маршрутизатора и смежных с ним объектов сети. Каждое такое сообщение рассылается маршрутизаторам всей области. Из LSA-сообщений всех объектов формируется топологическая база данных (дерево маршрутов). Сообщения LSA также отправляются в том случае, когда изменяется состояние какого-нибудь роутера.

После построения дерева маршрутов внутри AS, протокол проверяет информацию внешних маршрутов по отношению к данной AS. Эта информация может быть получена с помощью протоколов, обеспечивающих взаимодействие OSPF с другими областями или другими типами сетей, например, с помощью протоколов EGP или ВОР.

Все маршрутизаторы данной AS используют один и тот же алгоритм построения маршрута на основе топологической базы данных. Маршрутизатор строит граф оптимальных маршрутов, в котором он сам является корнем. На основании этого графа маршрутизаторы и производят свои расчеты для каждого маршрута информационного пакета. В свою очередь, по дереву оптимальных маршрутов строится маршрутная таблица, которая служит основой оценок и выбора маршрутов.

В зависимости от того, какую функцию выполняет тот или иной маршрутизатор (т. е. относится к области backbone, смежной области, периферии или внутренней области), он выполняет те или иные функции (инициализации, согласования, корректировки и т. п.) с одной или несколькими топологическими базами данных, находящихся под его контролем.

1.3 Пример маршрутизации по алгоритму OSPF

Представим себе один день из жизни транзитной локальной сети. Пусть у нас имеется сеть Ethernet, в которой есть три маршрутизатора - R4, R2 и R5 (имена членов рабочей группы Internet, разработавшей протокол OSPF). Эти маршрутизаторы связаны с сетями в других городах с помощью выделенных линий.

Пусть произошло восстановление сетевого питания после сбоя. Маршрутизаторы и компьютеры перезагружаются и начинают работать по сети Ethernet. После того, как маршрутизаторы обнаруживают, что порты Ethernet работают нормально, они начинают генерировать сообщения HELLO, которые говорят о их присутствии в сети и их конфигурации.  Однако маршрутизация пакетов начинает осуществляться не сразу - сначала маршрутизаторы должны синхронизировать свои маршрутные базы.

Рисунок 1 - Сеть с OSPF маршрутизаторами

На протяжении интервала отказа маршрутизаторы продолжают посылать сообщения HELLO. Когда какой-либо маршрутизатор посылает такое сообщение, другие его получают и отмечают, что в локальной сети есть другой маршрутизатор. Когда они посылают следующее HELLO, они перечисляют там и своего нового соседа.

Когда период отказа маршрутизатора истекает, то маршрутизатор с наивысшим приоритетом и наибольшим идентификатором объявляет себя выделенным (а следующий за ним по приоритету маршрутизатор объявляет себя резервным выделенным маршрутизатором) и начинает синхронизировать свою базу данных с другими маршрутизаторами.

С этого момента времени база данных маршрутных объявлений каждого маршрутизатора может содержать информацию, полученную от маршрутизаторов других локальных сетей или из выделенных линий. R5,

например, вероятно получил информацию от R6 и R7 об их сетях, и он может передавать туда пакеты данных. Они содержат информацию о собственных связях маршрутизатора и объявления о связях сети.

Базы данных теперь синхронизированы с выделенным маршрутизатором, которым является R4. R4 суммирует свою базу данных с каждой базой данных своих соседей - базами R2, R5 и R3 - индивидуально. В каждой синхронизирующейся паре объявления, найденные только в какой-либо одной базе, копируются в другую. Выделенный маршрутизатор, R4, распространяет новые объявления среди других маршрутизаторов своей локальной сети. Например, объявления R6 и R7 передаются R4 R5, а R4 в свою очередь передает их R2 и R3. Обмен информацией между базами продолжается некоторое время, и пока он не завершится, маршрутизаторы не будут считать себя работоспособными. После этого они себя таковыми считают, потому что имеют всю доступную информацию о сети.

Посмотрим теперь, как R7 вычисляет маршрут через сеть. Две из связей, присоединенных к его портам, представляют линии T-1, а одна - линию 56 кб/c. R7 сначала обнаруживает двух соседей – R5 с метрикой 65 и R7 с метрикой 1785. Из объявления о связях R5 R7 обнаружил наилучший путь к R6 со стоимостью 130, поэтому он отверг непосредственный путь к R6, поскольку он связан с большей задержкой, так как проходит через линии с меньшей пропускной способностью. R7 также обнаруживает транзитную локальную сеть с выделенным маршрутизатором R4. Из объявлений о связях R4 R7 узнает о пути к R2 и, наконец, узнает о пути к маршрутизаторам R1 и R3 и к их тупиковым сетям.

После того, как маршрутизаторы полностью входят в рабочий режим, интенсивность обмена сообщениями резко падает. Обычно они посылают сообщение HELLO по своим подсетям каждые 10 секунд и делают объявления о состоянии связей каждые 30 минут (если обнаруживаются изменения в состоянии связей, то объявление передается, естественно, немедленно). Обновленные объявления о связях служат гарантией того, что маршрутизатор работает в сети. Старые объявления удаляются из базы через определенное время.

Представим, однако, что какая-либо выделенная линия сети отказала. Присоединенные к ней маршрутизаторы распространяют свои объявления, в которых они уже не упоминают друг друга. Эта информация распространяется по сети, включая маршрутизаторы транзитной локальной сети. Каждый маршрутизатор в сети пересчитывает свои маршруты, находя, может быть, новые пути для восстановления утраченного взаимодействия.

1.4 Формат пакета  OSPF

Существует пять типов OSPF-пакетов. Все OSPF-пакеты начинаются со стандартного 24-байтного заголовка.

Рисунок 2 – Формат стандартного заголовка OSPF

Поле Version (1 байт) означает номер версии OSPF-пакета протокола, использующего данный пакет.

Поле Type (1 байт) в зависимости от типа, пакет выполняет те или иные функции.

Type 1 (Hello) отправляется через регулярные интервалы времени для установления и поддержания соседских взаимоотношений. На всех маршрутизаторах, подсоединенных к сети, должны быть согласованы ключевые параметры пакетов этого типа — маски сети, периоды приветствования и сигнализации обрыва контакта. Эти и другие параметры входят в состав Hello-пакетов.

Type 2 (Database Description) описывает содержимое базы данных. Обмен этими пакетами производится при инициализации смежных маршрутизаторов, т. е. имеющих идентичные топологические базы данных. При описании базы данных может использоваться несколько таких пакетов. Для обработки таких пакетов используется процедура "переклички" (poll-response), в которой один из маршрутизаторов определяется как master, а другой как slave. Соответственно, master отправляет эти пакеты, a slave должен отвечать за их получение.

Type 3 (Link-State Request), запрос о состоянии канала. Обмен этими пакетами производится после того, как какой-нибудь роутер обнаруживает, например, путем проверки пакетов описания базы данных, что часть его топологической базы данных устарела.

Type 4 (Link-State Update), пакеты корректировки состояния канала — ответ на пакеты запроса о состоянии канала. Эти пакеты используются для регулярного тиражирования LSA. В один пакет могут быть включены несколько сообщений LSA.

Type 5 (Link-Sate Acknowledgement), подтверждение состояния канала. Подтверждает пакеты корректировки состояния канала. Пакеты корректировки состояния канала должны быть четко подтверждены, что является гарантией надежности процесса адресации пакетов корректировки состояния канала через какую-нибудь область.

Поле Packet Length (16 бит). Поле длины пакета (в байтах) вместе со стандартным заголовком.

Поле Router ID (32 бита). Поле идентификатора отправителя.

Поле Area ID (32 бита). Поле идентифицирует область, к которой принадлежит данный пакет.

Поле Checksum (16 бит). Поле контрольной суммы пакета.

Поле Authentication (16 бит). Поле типа аутентификации. Например, "простой пароль". Все обмены протокола OSPF проводятся с аутентификацией отправителя и его прав. Тип аутентификации устанавливается по принципу "отдельный для каждой области".

Поле Authentication data (64 бита). Поле содержит информацию аутентификации.

2 Распределение адресного пространства

2.1 Распределение  адресного пространства пользовательских  сетей

Для распределения адресного пространства необходимо посчитать общее количество хостов в проектируемой сети, исходя из исходных данных:

Для проектирования данного адресного пространства необходимо 17 бит. Значит из исходного диапазона 180.0.0.0/11, выделяем диапазон IP адресов 180.0.0.0/15. Процесс распределения адресного пространства представлен в приложении Б. Результаты распределения, представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Распределение IP адресов по сетям

2.2 Распределение  адресного пространства для маршрутизаторов

Определим IP адреса интерфейсов маршрутизаторов, не входящих ни в одну пользовательскую сеть. Количество не пользовательских сетей, в нашем случае, равно 9. Процесс распределения адресного пространства не пользовательских сетей представлен в приложении В. Результат распределения адресов, по интерфейсам маршрутизаторов представлен в таблицах 2 - 4.

Таблица 2 – IP адреса интерфейсов маршрутизаторов R1, R2, R3, R4

Таблица 3 – IP адреса интерфейсов маршрутизаторов R5, R7, R8, R9

Таблица 4 – IP адреса интерфейсов маршрутизаторов R10, R11

3 Конфигурирование маршрутизаторов

Таблица 5 – Конфигурация маршрутизаторов R1 и R2

Таблица 6 – Конфигурация маршрутизаторов R3 и R4

Продолжение таблицы 6 – Конфигурация маршрутизаторов R3 и R4

Таблица 7 – Конфигурация маршрутизаторов R5 и R7

Продолжение таблицы 7 – Конфигурация маршрутизаторов R5 и R7

Таблица 8 – Конфигурация маршрутизаторов R8 и R9

Продолжение таблицы 8 – Конфигурация маршрутизаторов R8 и R9

Таблица 9 – Конфигурация маршрутизаторов R10 и R11

4 Анализ перехваченных пакетов

После настройки маршрутизаторов необходимо осуществить захват следующих типов сообщений протокола OSPF:

- приветственный пакет (Hello Packet);

- пакет с описанием базы данных (DataBase Description);

- пакет с запросом о состоянии канала (Link-State Request);

- пакет с обновлениями о состоянии канала (Link-State Update):

а) пакет тип 4 с LSA1;

б) пакет тип 4 с LSA2;

в) пакет тип 4 с LSA3;

г) пакет тип 4 с LSA4;

д) пакет тип 4 с LSA5;

е) пакет тип 4 с LSA7.

- пакет с подтверждением о состоянии канала (Link-State Ack).

Для расшифровки пакетов воспользуемся рекомендацией RFC 2328.

Рисунок 3 – OSPF пакеты в Wireshark

Таблица 10 – Приветственный пакет (Hello Packet)