Open Shortest Path First

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Open Shortest Path First
Pile de protocoles
7.  Application
6.  Pr√©sentation
5.  Session
4.  Transport
3.  R√©seau
2.  Liaison
1.  Physique
Modèle Internet
Modèle OSI

Open Shortest Path First (OSPF) est un protocole de routage interne IP de type ¬ę √† √©tat de liens ¬Ľ. Il a √©t√© d√©velopp√© au sein de l'Internet Engineering Task Force (IETF) √† partir de 1987. La version actuelle d'OSPFv2 est d√©crite dans la RFC 2328 en 1997. Une version 3 est d√©finie dans la RFC 2740 et permet l'utilisation d'OSPF dans un r√©seau IPv6.

Sommaire

Histoire

Le groupe de travail OSPF a été formé au sein de l'IETF en 1987 pour remplacer RIP. Il est inspiré du protocole ARPANET développé par BBN. La version 1 est publiée dans la RFC 1131 en 1990. La version 2 est décrite RFC 1247 en 1991. En 1992, l'Internet Engineering Steering Group (IESG) recommande OSPF comme IGP pour Internet dans la RFC 1371.

Fonctionnement général

Dans OSPF, chaque routeur établit des relations d'adjacence avec ses voisins immédiats en envoyant des messages hello à intervalle régulier. Chaque routeur communique ensuite la liste des réseaux auxquels il est connecté par des messages Link-state advertisements (LSA) propagés de proche en proche à tous les routeurs du réseau. L'ensemble des LSA forme une base de données de l'état des liens Link-State Database (LSDB) pour chaque aire, qui est identique pour tous les routeurs participants dans cette aire. Chaque routeur utilise ensuite l'algorithme de Dijkstra, Shortest Path First pour déterminer la route la plus courte vers chacun des réseaux connus dans la LSDB.

Le bon fonctionnement d'OSPF requiert donc une complète cohérence dans le calcul SPF, il n'est donc par exemple pas possible de filtrer des routes ou de les résumer à l'intérieur d'une aire.

En cas de changement de topologie, de nouveaux LSA sont propagés de proche en proche, et l'algorithme SPF est exécuté à nouveau sur chaque routeur.

Notion d'aire et types de routeurs

Afin d'√©viter de propager la totalit√© de la base de donn√©es des liens et de limiter l'impact n√©gatif du bagottement ou flapping (alternance rapide dans la disponibilit√© d'un lien), on segmente l'ensemble des routeurs en groupes connexes appel√©s aires, √† la fronti√®re desquels on peut proc√©der √† des r√©sum√©s. Chaque aire est distingu√©e par un nombre entier positif ou nul variant de 0 √† 4 294 967 295, ce nombre est parfois exprim√© en notation d√©cimale point√©e, de la m√™me mani√®re qu'une adresse IP. Chaque sous-r√©seau appartient √† une seule aire.

Il existe toujours une aire dorsale (backbone area), area 0 ou encore area 0.0.0.0 à laquelle toutes les autres aires sont connectées.

Les aires sont logiquement contigu√ęs. Si les routeurs qui constituent une aire ne sont pas physiquement contigus, alors des liens virtuels sont configur√©s entre les routeurs qui ont en commun une aire de transit. Ces liens virtuels appartiennent √† l'aire 0. Le protocole les traite comme des liens point-√†-point non num√©rot√©s.

Chaque routeur est identifié à l'aide un router-id unique dans le réseau. Le router-id est un nombre positif codé sur 32 bits, il est habituellement représenté sous la forme d'une adresse IP. À défaut d'une configuration explicite, l'adresse IP locale la plus élevée sera utilisée, et s'il existe des interfaces de type loopback, l'adresse IP la plus élevée de celles-ci sera utilisée comme router-id. La détermination du router-id a lieu uniquement à l'initialisation du processus OSPF et persiste ensuite, indépendamment de la reconfiguration ou du changement d'état des interfaces.

Types de routeurs

R1, R2 et R3 sont des routeurs backbone. R1, R2 et R4 sont des ABR. R4 et R8 sont des ASBR. L'area 3 est connect√©e √† l'area 0 gr√Ęce √† un virtual link.

On distingue les types de routeurs suivants :

Routeur interne 
un routeur dont toutes les interfaces se trouvent dans la m√™me aire ;
Area Border Router (ABR) 
un routeur qui dispose d'interfaces dans des aires diff√©rentes ;
Autonomous System Border Router (ASBR) 
un routeur qui injecte dans OSPF des routes qui proviennent d'autres protocoles de routage ou des routes statiques ;
Routeur backbone 
un routeur dont au moins une interface appartient à l'aire 0. Tous les ABR sont des routeurs backbone.

Paquets OSPF et LSA

En-tête du paquet OSPF (24 octets).
En-tête du LSA (20 octets).

OSPF fait usage du numéro de protocole 89 d'IP. Le TTL des paquets est fixé à 1 pour éviter leur propagation au-delà du sous-réseau et le champ ToS est fixé à 0. OSPF utilise des adresses multicast sur les réseaux de type broadcast et point à point.

Les paquets OSPF ont une taille qui peut aller jusqu'à 65535 octets et faire usage de la fragmentation IP si c'est nécessaire. Il est cependant recommandé de tenir compte du MTU du lien pour éviter la fragmentation en répartissant les LSA dans des messages LS Update plus petits que le MTU, si c'est possible.

Les LSA peuvent également atteindre 64 KB, cependant ils sont généralement de petite taille à l'exception du type 1 (router LSA), qui peut être volumineux pour des routeurs avec de nombreuses interfaces OSPF.

Il existe 5 types de paquets OSPF :

Hello (Type 1) 
d√©couverte des voisins et maintien des adjacences ;
Database Description (DBD, Type 2) 
description des LSA ;
Link State Request (Type 3) 
requ√™te d'un LSA ;
Link State Udate (Type 4) 
mise √† jour d'un LSA ;
Link State Acknowledgement (Type 5) 
acquittement d'un LSU.

Le type 1 (hello) est utilisé pour l'établissement et le maintien des adjacences, les autres types sont utilisés pour la synchronisation de la LSDB.

Les types suivants de LSA sont d√©finis :

Type 1 (router) 
diffus√© par un routeur, d√©crit l'√©tat de ses interfaces ;
Type 2 (network) 
diffus√© par un DR, d√©crit les routeurs attach√© √† un sous-r√©seau ;
Type 3 (summary) 
r√©sum√© de route par un ABR ;
Type 4 (interarea summary) 
route vers l'ASBR, g√©n√©r√© par un ABR ;
Type 5 (external) 
diffus√© par un ASBR, d√©crit une route externe ;
Type 6 (multicast group membership) 
utilis√© par MOSPF ;
Type 7 (external NSSA) 
route externe générée par un ASBR d'un NSSA.

Les types 1 et 2 constituent les routes internes d'une aire (intra-area), les types 3 et 4 sont des routes inter-area (IA). Les routeurs backbone sont responsable de la diffusion des informations de routage inter-area.

Les routes externes se subdivisent en :

Type E1 
le co√Ľt de l'acc√®s √† l'ASBR est ajout√© √† la m√©trique initiale de la route externe ;
Type E2 
le co√Ľt de la m√©trique est fixe et ne d√©pend pas du co√Ľt vers l'ASBR.

Les LSA sont identifi√©s par le routeur d'origine, le type de LSA et le LSA ID. La signification de ce dernier varie en fonction du type de LSA :

LSA Type LSA ID
1 Le router-id de l'émetteur
2 L'adresse IP de l'interface du DR
3 L'adresse du réseau de destination
4 Le router-id de l'ASBR
5 L'adresse du réseau externe

Le LSA de type 1 (router) se subdivisent en quatre sous-types qui dépendent du type de réseau décrit.

+ Link type 1

Sous-type Description Link ID Link data
1 point-to-point router-id du voisin Adresse IP de l'interface ou MIB-II ifIndex si l'interface n'est pas numérotée
2 lien vers un réseau de transit adresse de l'interface du DR Adresse IP de l'interface
3 lien vers un réseau stub adresse du réseau masque réseau
4 lien virtuel router-id du voisin Adresse IP de l'interface

Tous les LSA sont accompagn√©s d'une somme de contr√īle qui assure l'int√©grit√© des donn√©es. Celle-ci est v√©rifi√©e √† la r√©ception du LSA, enregistr√©e dans la LSDB et transmise aux voisins sans modification. Elle est ensuite rev√©rifi√©e √† intervalle r√©gulier pour s'assurer que le contenu de la LSDB n'a pas √©t√© corrompu.

Gestion des LSA

Les LSA sont caract√©ris√©s par leur routeur d'origine, leur type et le LSA ID. Les num√©ros de s√©quence augmentent de 1 √† chaque changement, le premier num√©ro de s√©quence √©tant 0x80000001 (InitialSequenceNumber, -231+1) jusqu'√† 0x7fffffff (231). Chaque version du LSA remplace les versions de num√©ro de s√©quence inf√©rieur. En l'absence de changement, les LSA sont rafra√ģchis toutes les 30 minutes (LSRefreshTime). Un LSA qui atteint l'√Ęge d'une heure (MaxAge) est √©limin√© de la LSDB. Le routeur d'origine du LSA peut sp√©cifier que le LSA n'est pas rafra√ģchi en pla√ßant le bit DoNotAge √† 1 dans les options.

Les LSA sont diffus√©s de fa√ßon fiable. Quand un routeur doit mettre √† jour un LSA suite √† un changement de topologie, il incr√©mente son num√©ro de s√©quence et le diffuse √† ses voisins adjacents sous forme d'un paquet Link-State Update (qui peut contenir plus d'un LSA). Les LSA font alors l'objet d'un acquittement explicite, faute de quoi ils sont retransmis. Les routeurs qui re√ßoivent le LSA comparent son num√©ro de s√©quence √† celui qu'ils poss√®dent d√©j√†, et s'il est plus √©lev√©, ils l'enregistrent le LSA dans la LSDB et le transmettent √©galement √† leur voisin. Le champ LS Age est incr√©ment√© √† chaque transmission pour √©viter les boucles infinies suite √† une erreur logicielle. Si un LSA est re√ßu avec un num√©ro de s√©quence identique √† celui d√©j√† pr√©sent de la LSDB mais avec une diff√©rence d'√Ęge inf√©rieure √† 15 minutes (MaxAgeDiff), le LSA sera ignor√©.

Un routeur √† l'origine d'un LSA qu'il veut faire dispara√ģtre de la LSDB le diffuse avec un LS Age = MaxAge, ce qui cause son √©limination.

Les routeurs s'abstiennent de mettre à jour un LSA plus fréquemment que toutes les 5 secondes (MinLSInterval). Les routeurs rejettent les mises à jour d'un LSA qui a déjà fait l'objet d'une mise à jour il y a moins d'une seconde.

Types d'aires

On distingue les types d'aires suivantes :

aire 0 
aire backbone ;
stub area 
aire vers laquelle ne sont pas propag√©es les LSA de type 5 (routes externes) ;
totally stub area 
aucun LSA de type 3, 4 ou 5 n'y est propag√©e, √† l'exception d'une route par d√©faut ;
not-so-stubby area (NSSA) 
type de stub area qui permet l'injection de routes externes via un LSA de type 7. Le type 7 sera converti en type 5 quand il sera transmis en dehors de l'aire ;
totally NSSA 
NSSA sans LSA 3 et 4 à l'exception d'une route par défaut.
aire normale 
toute autre aire que les précédentes.

Il n'est pas possible de créer des liens virtuels à travers une stub area, ni des ASBR internes à une stub area.

Types de réseaux

Point-to-point 
le sous r√©seau correspond √† un lien point √† point ;
Broadcast multiaccess 
le sous-r√©seau peut comporter plus de deux routeurs qui peuvent tous communiquer entre eux, une adresse broadcast est disponible ;
Point-to-multipoint 
le sous-r√©seau est constitu√© d'un routeur central et d'autres routeurs qui ne communiquent pas entre eux. OSPF traite le r√©seau comme une collection de liens point-√†-point ;
NBMA (Non-broadcast multiaccess) 
le sous-r√©seau est constitu√© de routeurs qui peuvent communiquer entre eux mais il n'existe pas d'adresse broadcast. Dans ce type de r√©seau, OSPF √©mule le type broadcast en r√©pliquant les LSA √† tous les voisins adjacents ;
Point-to-point Broadcast Point-to-multipoint
(non-broadcast)
Point-to-multipoint
(broadcast)
NBMA
DR/BDR non oui non non oui
hello/dead 10s/40s 10s/40s 30s/120s 30s/120s 30s/120s
découverte des voisins oui oui non oui non
RFC 2328 oui oui oui Cisco oui

Formation des adjacences

Diagramme d'état des adjacences.

Dans un sous-r√©seau, les routeurs qui se d√©couvrent gr√Ęce au protocole hello sont appel√©s voisins. Dans les r√©seaux de type point-√†-multipoint et NBMA, les voisins sont configur√©s explicitement. Pour autant que les param√®tres des voisins soient compatibles, ils tentent alors de former une relation d'adjacence. L'√©tablissement de l'adjacence est requise avant l'√©change d'information de routage.

L'adjacence peut prendre les √©tats suivants :

Down 
aucune information n'a √©t√© re√ßue sur ce segment ;
Attempt 
sur les r√©seaux NBMA, indique qu'aucune information r√©cente n'a √©t√© re√ßue du voisin configur√© ;
Init 
un paquet hello a √©t√© re√ßu ;
2-Way 
un paquet hello a été reçu et celui-ci contient son propre router-id, ce qui montre qu'il existe une communication bidirectionnelle. L'électrion du DR et du BDR a lieu dans cet état. La décision de former une adjacence est prise au terme de cet état.
ExStart 
les routeurs tentent d'établir les numéro de séquence initiaux qui seront utilisés dans les paquets d'échange d'information. Pour cet échange, un des routeurs deviendra le routeur primaire et l'autre le secondaire.
Exchange 
les routeurs envoient leur LSDB par des paquets database description (DBD) ;
Loading 
l'√©change des LSDB se finalise, les routeurs r√©clament les LSA dont ils ont besoin ;
Full 
la LSDB est synchronisée et l'adjacence est établie.

Protocole hello

Les messages hello sont envoy√©s √† intervalle r√©gulier sur les interfaces o√Ļ OSPF est actif. Sur les liens point-√†-point et les liens broadcast, ils sont diffus√©s sur l'adresse multicast 224.0.0.5 (AllSPFRouters), sur les liens sans broadcast, ils sont envoy√©s vers l'adresse IP unicast du voisin.

Les informations suivantes se trouvent notamment dans le paquet hello :

  • le DR et le BDR
  • la priorit√©
  • le type de r√©seau
  • la liste des routeurs OSPF connus du sous-r√©seau
  • le masque de sous-r√©seau
  • les p√©riodes hello et dead
  • des options

Le numéro d'aire est inclus dans l'en-tête paquet OSPF. Une adjacence ne se forme pas si certains paramètres ne sont pas compatibles (numéro d'aire, type d'aire (stub ou non), périodes hello/dead, authentification).

Adjacence sur un réseau à diffusion

Une relation d'adjacence est nécessaire pour que les routeurs OSPF se partagent des informations de routage. Dans un réseau broadcast (Ethernet) si chaque routeur devait établir une adjacence avec chaque autre routeur et échanger des informations d’état de liens la charge serait excessive, le nombre d'adjacences étant de \frac{n(n-1)}{2}, soit en O(n2). Pour pallier ce problème, on choisit un DR (routeur désigné) qui va recevoir toutes les informations sur l'état des liens et les retransmettre aux autres routeurs. Celui-ci devenant un point critique du réseau, on désigne aussi un BDR (routeur désigné de secours). Le nombre d'adjacence est donc de 2n-1, soit en O(n). Les autres routeurs sont qualifiés de DR Other.

OSPF utilise uniquement du multicast pour communiquer, avec les deux adresses suivantes :

  • 224.0.0.5 (AllSPFRouters) utilis√© par le DR pour envoyer les informations d‚Äô√©tat de liens √† tous les autres routeurs sur le segment.
  • 224.0.0.6 (AllDRouters) utilis√© par tous les routeurs pour envoyer les LSA vers le DR et le BDR.

Seul le DR génère le network LSA (type 2) correspondant au sous-réseau. Le LSID de celui-ci vaudra l'adresse IP du DR dans le sous-réseau. Ce LSA liste également les routeurs attachés au sous-réseau.

√Člection du DR

Si les trois routeurs sont démarrés simultanément, R2 deviendra le DR en raison du router-id plus élevé et R1 le BDR. R3 ne participe pas à l'élection du DR car sa priority vaut 0.

Pour un sous-réseau déterminé de type broadcast ou NBMA, chaque routeur OSPF possède une valeur appelée priority comprise entre 0 et 255. Si la priorité est configurée à 0, le routeur ne participe pas à l'élection et ne peut donc devenir ni DR, ni BDR.

Les autres routeurs qui sont au moins dans l'état 2-Way sont éligibles.

L'élection commence par le BDR. S'il existe déjà plusieurs routeurs qui indiquent être le BDR dans leurs paquets hello, celui qui a la priorité la plus haute sera retenu comme BDR, et s'il existe plusieurs routeurs avec la priorité la plus haute, alors celui dont le router-ID est le plus élevé est retenu comme BDR. S'il n'existe qu'un routeur qui indique être le BDR, ce choix persiste. Si la liste des candidats est vide, alors le BDR est le routeur éligible non-DR dont la priorité est la plus élevée, et s'il en existe plusieurs, alors celui dont le router-id le plus élevé est retenu.

On procède de même avec le DR, s'il n'y a pas de candidat DR, alors le BDR est promu en DR et on recommence l'élection du BDR comme au paragraphe précédent.

Les autres routeurs sont adjacents au DR et au BDR. En cas de défaillance du DR, le BDR devient DR et on procède à une nouvelle élection du BDR.

Suivant cette procédure, si un routeur est ajouté au réseau alors qu'un DR et qu'un BDR existent déjà, alors les DR et BDR persistent même si la priorité du nouveau venu est plus élevée.

Synchronisation

Une fois l'adjacence établie, les routeurs vont déterminer un routeur primaire et un secondaire ainsi qu'un numéro de séquence initial. Le routeur primaire va envoyer des paquets Database Description (DBD) au secondaire, ceux-ci consistent en une liste des en-têtes de LSA (mais sans les données du LSA proprement dites), le secondaire va noter les LSA qu'il ne possède pas ou dont les numéros de séquence sont plus élevés que celui dans sa LSDB et va les réclamer ensuite au primaire avec des paquets Link State Requests. Le routeur primaire lui répond avec des paquets Link State Update qui contiennent les LSA demandés. Le secondaire envoie ensuite les paquets Link State Update qui correspondent aux LSA dont le primaire ne dispose pas ou qui sont plus à jour chez le secondaire.

Une fois la synchronisation terminée, l'adjacence bascule dans l'état Full et les LSA sont diffusés normalement.

Résumé de routes

Les routes peuvent √™tre r√©sum√©es √† deux niveaux dans OSPF :

  • les routes externes peuvent √™tre r√©sum√©es par l'ASBR qui les injecte dans OSPF ;
  • les routes inter-area peuvent √™tre r√©sum√©es par l'ABR √† la fronti√®re de ces areas.

Métrique

OSPF utilise une m√©trique num√©rique, bas√©e sur un co√Ľt additif qui peut varier de 1 √† 65535. La sp√©cification ne donne pas de signification particuli√®re √† cette m√©trique, la contrainte √©tant qu'additionner les co√Ľts de liens successifs pour d√©terminer le co√Ľt total doit avoir un sens.

Cisco utilise une valeur par d√©faut du co√Ľt d'un lien qui vaut 108/bande passante du lien en bit/s. Un lien de 10 Mbit/s aura par exemple un co√Ľt de 10. Pour tenir compte des connexions √† tr√®s haute vitesse (1 Gbit/s et plus), on peut fixer manuellement le co√Ľt de chaque lien, ou bien fixer une bande passante de r√©f√©rence sup√©rieure √† celle par d√©faut.

Ind√©pendamment de la m√©trique, les types de routes suivants sont pr√©f√©r√©s dans cet ordre :

  1. routes intra-area
  2. routes inter-area
  3. routes externes E1
  4. routes externes E2

OSPF est capable de répartir la charge sur plusieurs liens, pour autant que la métrique soit exactement identique pour chaque destination.

Authentification

Les paquets OSPF peuvent faire l'objet de deux formes d'authentification, la première consiste en un mot de passe transmis en clair dans le paquet, la seconde consiste en une fonction de hachage MD5 calculée sur le paquet et un mot de passe partagé.

L’algorithme de Dijkstra

OSPF utilise l'algorithme de Dijkstra pour déterminer le meilleur chemin à prendre. On le nomme aussi algorithme SPF (Shortest Path First) ou algorithme du plus court chemin d’abord. Il a été formulé par Edsger Dijkstra.

OSPF d√©clenche ses mises √† jour √† chaque changement dans la topologie du r√©seau, ce qui permet de r√©duire le temps de convergence. √Ä partir d'une mise √† jour, un routeur met en place une base de donn√©es topologique permettant le calcul de l'accessibilit√© aux r√©seaux gr√Ęce au calcul d'un arbre de la topologie dont le routeur est la racine.

Avantages et inconvénients

Avantages d'OSPF

  • C'est un standard IETF qui fait l'objet du RFC 2328, il fait donc l'objet d'impl√©mentations par de nombreux vendeurs et ne pose pas de probl√®me d'interop√©rabilit√©, il est de ce fait particuli√®rement populaire,
  • son temps de convergence est particuli√®rement rapide,
  • il int√®gre la notion de taille de masque variable (VLSM), indispensable √† la gestion des r√©seaux sans classe actuels,
  • il est √©conome en bande passante : en r√©gime, seuls de courts messages hello sont envoy√©s, et en cas de changement de topologie, seuls les LSA modifi√©s sont envoy√©s aux voisins. Chaque routeur retransmet cependant l'ensemble de ses LSA √† ses voisins toutes les trente minutes.

Inconvénients d'OSPF

  • comme chaque routeur dispose de la totalit√© de la base de donn√©es de liens, tous doivent disposer de la capacit√© m√©moire suffisante pour la stocker,
  • OSPF est sensible au ph√©nom√®ne de bagottement ou flapping, la capacit√© CPU joue un r√īle dans le calcul SPF et donc la vitesse de convergence, en particulier pour les topologies complexes et instables,
  • on estime en g√©n√©ral qu'OSPF convient pour des topologies comprenant jusqu'√† 1000 routeurs,
  • la configuration d'OSPF est plus complexe, principalement si le r√©seau est segment√© en aires,
  • le concept de backbone area peut limiter les topologies possibles,
  • il ne permet pas la r√©partition de la charge sur plusieurs liens de m√©trique diff√©rente, comme EIGRP peut le faire,
  • OSPFv2 est sp√©cifique √† IP. Pour d'autres protocoles, comme par exemple IPv6, une nouvelle version du protocole est n√©cessaire : OSPFv3.

Références


Bibliographie

  • (en) John T. Moy OSPF: Anatomy of an Internet Routing Protocol Addison-Wesley Professional 1998, (ISBN 0201634724)
  • (en) Brent Stewart, CCNP Building Cisco Scalable Internetworks Official Study Guide, 4th ed, Cisco Press 2007, (ISBN 158720147X)

Voir aussi

Articles connexes

  • Autres protocoles de routage interne :
    • EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol)
    • RIP (Routing Information Protocol)
    • IS-IS (Intermediate system to intermediate system)

Liens externes

  • (en) OSPF Design Guide
  • (en) RFC 2328 OSPF v2, J. Moy, avril 1998
  • (en) RFC 3101 The OSPF Not-So-Stubby Area (NSSA) Option, P. Murphy, janvier 2003
  • (en) RFC 5340 OSPF for IPv6, R. Coltun et al, juillet 2008

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Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Open Shortest Path First de Wikipédia en français (auteurs)

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