OSPF allgemein

OSPF (Open Shortest Path First) – Ein Protokoll im Überblick

1. Einführung

OSPF (Open Shortest Path First) ist ein Interior Gateway Protocol (IGP), das im Jahr 1989 von der IETF (Internet Engineering Task Force) entwickelt wurde. Es wird hauptsächlich in mittleren bis großen Netzwerken verwendet und basiert auf dem Link-State-Routing-Algorithmus. Als dynamisches Routing-Protokoll ermöglicht OSPF es Routern, Informationen über die Topologie eines Netzwerks auszutauschen, um effizient Routen zu bestimmen und zu optimieren. OSPF gehört zur Klasse der Interior Gateway Protocols (IGPs), die in autonomen Systemen (AS) verwendet werden.

2. Funktionsweise

OSPF verwendet den Dijkstra-Algorithmus, um die kürzesten Pfade zwischen Routern zu berechnen. Dieser Algorithmus wird auf einer von den Routern geteilten Link-State-Datenbank angewendet, die eine vollständige Sicht der Netzwerk-Topologie enthält.

2.1. Netzwerkaufbau

OSPF teilt das Netzwerk in Areas (Bereiche) auf, die durch Router miteinander verbunden sind. Die Hauptarea, auch „Backbone“ genannt, ist die Area 0. Andere Areas müssen mit dieser Backbone-Area verbunden sein. Die Aufteilung in Areas ermöglicht eine effizientere Verwaltung von großen Netzwerken, da Änderungen in einer Area nur diese Area betreffen, wodurch der Routing-Overhead reduziert wird.

2.2. Link-State-Advertisement (LSA)

OSPF nutzt Link-State-Advertisements (LSAs), um Router über die Netzwerk-Topologie zu informieren. Diese LSAs werden an benachbarte Router gesendet, die sie wiederum weiterleiten. Jeder Router speichert diese Informationen in einer Link-State-Datenbank (LSDB). Sobald ein Router alle LSAs empfangen hat, erstellt er eine komplette Topologie des Netzwerks.

2.3. Zustände der Nachbarschaft

Bevor OSPF-Router miteinander kommunizieren, durchlaufen sie verschiedene Zustände der Nachbarschaft (Neighbor States). Diese Zustände helfen dabei, stabile Verbindungen zwischen den Routern zu gewährleisten.

Down: Keine OSPF-Kommunikation wurde begonnen.
Init: Ein Router hat eine Hello-Nachricht von einem anderen Router empfangen.
Two-Way: Der Router erkennt den anderen Router als Nachbarn.
ExStart: Die Router beginnen, Informationen auszutauschen.
Exchange: Router tauschen LSAs aus.
Loading: Router validieren und vervollständigen ihre LSDB.
Full: Die Nachbarschaft ist vollständig etabliert, und die Router haben ihre LSDB synchronisiert.

2.4. Berechnung des kürzesten Pfades

Sobald die Topologie des Netzwerks erstellt wurde, verwendet OSPF den Dijkstra-Algorithmus, um den kürzesten Pfad zu jedem Ziel innerhalb des Netzwerks zu berechnen. Dieser Pfad wird anhand der Metrik „Kosten“ ermittelt, die häufig auf der Bandbreite der Verbindung basiert.

2.5. OSPF-Typen von Routern

OSPF unterscheidet zwischen verschiedenen Routertypen:

Internal Router: Ein Router, der nur innerhalb einer Area arbeitet.
Backbone Router: Ein Router, der sich in der Backbone-Area befindet.
Area Border Router (ABR): Ein Router, der mehrere Areas verbindet.
Autonomous System Boundary Router (ASBR): Ein Router, der das OSPF-Netzwerk mit einem externen Netzwerk (z. B. BGP) verbindet.

2.6. Zustandsmaschinen

OSPF verwendet zwei Hauptzustandsmaschinen, um sicherzustellen, dass Router Nachbarn finden und die Link-State-Datenbank synchronisieren:

Neighbor State Machine: Verwaltet den Status von Nachbarn.
Interface State Machine: Verwaltet den Status der Interfaces (z. B. Point-to-Point oder Broadcast).

3. Der OSPF-Header

Der OSPF-Header enthält wichtige Informationen, die für den ordnungsgemäßen Ablauf des Protokolls notwendig sind. Er ist fester Bestandteil jeder OSPF-Nachricht und besteht aus mehreren Feldern:

Feld	Länge (Bits)	Beschreibung
Version	8	Gibt die Version des OSPF-Protokolls an. Aktuell wird Version 2 verwendet (OSPFv2).
Type	8	Definiert den Typ der OSPF-Nachricht (z. B. Hello, Database Description).
Packet Length	16	Die Länge des OSPF-Pakets, einschließlich des Headers.
Router ID	32	Die eindeutige ID des sendenden Routers.
Area ID	32	Die ID der Area, in der das Paket gesendet wird.
Checksum	16	Prüfsumme zur Erkennung von Übertragungsfehlern.
Authentication Type	16	Gibt an, welcher Authentifizierungstyp verwendet wird.
Authentication	64	Authentifizierungsdaten (z. B. Passwort oder Key).

3.1. Typen von OSPF-Paketen

OSPF nutzt verschiedene Arten von Paketen, um die Kommunikation zwischen Routern zu regeln:

Hello: Diese Pakete werden regelmäßig gesendet, um Nachbarn zu erkennen und Verbindungen aufrechtzuerhalten.
Database Description (DBD): Dient dem Austausch von Informationen über die Link-State-Datenbank.
Link-State Request (LSR): Fordert spezifische LSAs von einem Nachbarn an.
Link-State Update (LSU): Enthält LSAs, die aktualisiert oder neu verteilt werden.
Link-State Acknowledgment (LSAck): Bestätigt den Empfang eines LSUs.

4. OSPF-Versionen

Es gibt zwei Versionen von OSPF:

OSPFv2: Die ursprüngliche Version, die hauptsächlich für IPv4 verwendet wird.
OSPFv3: Eine erweiterte Version, die für IPv6 optimiert wurde.

5. Vorteile von OSPF

OSPF bietet gegenüber anderen Routing-Protokollen wie RIP (Routing Information Protocol) mehrere Vorteile:

Schnelle Konvergenz: OSPF kann schnell auf Netzwerktopologie-Änderungen reagieren und neue Routen berechnen.
Skalierbarkeit: Durch die Aufteilung des Netzwerks in Areas ist OSPF in der Lage, auch in sehr großen Netzwerken effizient zu arbeiten.
Niedrige Bandbreitennutzung: OSPF sendet nur bei Änderungen im Netzwerk Routing-Informationen und nicht regelmäßig vollständige Updates.
Hierarchische Struktur: Durch die Aufteilung in Areas wird der Verwaltungsaufwand und die Belastung durch Routing-Informationen reduziert.

6. Herausforderungen

Trotz der Vorteile hat OSPF auch einige Herausforderungen:

Komplexität: Die Einrichtung von OSPF ist komplexer als bei anderen Routing-Protokollen wie RIP.
Ressourcenintensiv: OSPF benötigt mehr Rechen- und Speicherkapazitäten, da jeder Router eine vollständige Karte der Netzwerktopologie speichern muss.

7. Fazit

OSPF ist ein äußerst effizientes und skalierbares Routing-Protokoll, das für mittlere und große Netzwerke entwickelt wurde. Mit seiner schnellen Konvergenz und der Fähigkeit, große Netzwerke in Areas zu unterteilen, ist OSPF ein gängiger Standard in Unternehmensnetzwerken. Seine Komplexität kann jedoch eine Herausforderung darstellen und erfordert sorgfältige Planung und Konfiguration.