Obr.1 Výpočet ceny cesty
OSPF je typickým představitelem směrovacího protokolu typu Link State. Vytváří tedy v paměti směrovače kompletní mapu celé sítě, označovanou jako topologická databáze (někdy se jí říká Link State Database). Nad touto databází potom pomocí algoritmu označovaného jako Shortest Path First (SPF) provádí výpočty potřebné k nalezení nejvýhodnější cesty do jednotlivých sítí. Naproti tomu směrovací protokoly typu Distance Vector používají Bellman-Fordův algoritmus, kdy si sousední směrovače navzájem vyměňují své směrovací tabulky, ale topologii celé sítě neznají. Do skupiny Distance Vector protokolů můžeme zařadit např. protokoly RIP nebo IGRP.
Protokol OSPF používá metriku označovanou jako cena (cost). To je číslo v rozsahu 1 až 65535, přiřazené ke každému rozhraní směrovače. Čím menší číslo, tím má cesta lepší metriku a bude tedy více preferována. Standardně je ke každému rozhraní přiřazena cena automaticky odvozená z šířky pásma daného rozhraní podle vztahu
cost = 100000000 / bandwidth v bps
Například linka 64kbps bude mít standardně cenu 100000000/64000=1562. Aby tento automatický mechanismus fungoval, je třeba mít u každého rozhraní správně přiřazený bandwidth. Dále je z uvedeného vztahu vidět, že linky FastEthernet a rychlejší budou mít shodně přiřazenou cenu 1. Proto některé implementace OSPF dovolují konstantu 100000000 změnit na vyšší. Dále je možné přiřadit cenu k rozhraní ručně a tím například upřednostnit pomalejší linku před linkou rychlejší.
Výsledná cena cesty ze směrovače do cílové sítě je pak dána součtem cen všech odchozích rozhraní po cestě. Například v obrázku 1 bude cena cesty ze směrovače RA do sítě 192.168.1.0 přes RB 390+1562=1952, zatímco cesta přes RC bude mít cenu 10+1=11 a bude mít tedy přednost. Pokud bychom na ethernetové rozhraní RA ručně přiřadili cenu 2000, dostane přednost cesta přes RB.
Obr.1 Výpočet ceny cesty
Ethernet: Destination Adr=01005E000005 Source Adr=Cisco463E88 Type/Len=IP IP: Length=68 TTL=1 Protocol= OSPF Source Address=192.168.1.1 Destination Address=224.0.0.5 OSPF: Version=2 Type=(1)Hello Length=48 Routed ID=192.168.1.1 Area ID=0.0.0.0Obr.2 Enkapsulace OSPF protokolu v Ethernet rámci
Přitom je nezbytná možnost jednoznačné identifikace jednotlivých směrovačů. K tomu se používá tzv. Router ID. Jako Router ID se použije nejvyšší IP adresa na loopback rozhraní nebo pokud není žádné takové rozhraní nakonfigurováno použije se nejvyšší IP adresa z libovolného rozhraní. Tato volba se provede vždy jen při zapnutí směrovače a pozdější změny IP adres na ní již nemají vliv.
Paket Hello protokolu je zobrazen na obrázku 3. Tyto pakety každý směrovač periodicky vysílá každým svým rozhraním (s nakonfigurovaným OSPF protokolem) v intervalu HelloInterval. Tento interval bývá na LAN sítích standardně 10s. Pokud směrovač nedostane od svého souseda Hello paket po dobu DeadInterval, předpokládá se, že spojení mezi směrovači je nefunkční. Obvyklá délka Dead intervalu bývá 4*Hello Interval, tedy na LAN síti 40s. Na WAN síti typu NBMA (viz. dále) se Hello Interval prodlužuje na 30s.
OSPF: Version: 2 <02>
OSPF: Type: Hello <01>
OSPF: Packet length: 48 [Bytes] <0030>
OSPF: Router ID: 192.168.1.1
Obr.3 Formát OSPF Hello paketu
Každý Hello paket obsahuje pole Neighbor, ve kterém jsou Router ID všech již nalezených sousedů. Vztah sousednosti je mezi směrovači navázán ve chvíli, kdy v Hello paketu který dostal od svého souseda najde směrovač v tomto poli své vlastní Router ID. V té chvíli je ověřena obousměrná komunikace. Další podmínkou navázání vztahu sousednosti je to, že oba směrovače mají stejný Hello i Dead interval a dále že patří do stejné oblasti (Area ID) a do stejného typu oblasti (viz dále). Poté je sousední směrovač přidán do aktuálního seznamu sousedů.
Vše začne tím, že si směrovače vzájemně zašlou Database Description Packet. V něm je obsažen návrh náhodného sekvenčního čísla SEQ které bude použito pro další komunikaci. Ten směrovač, který má vyšší Router ID, bude zvolen jako Master a jím poslané sekvenční číslo bude v další komunikaci používáno.
Dále nejprve Master a poté i Slave směrovač odešle další Database Description Pakety, ve kterých si navzájem předají informace o svých topologických databázích. Tyto pakety jsou číslovány od dříve dohodnutého sekvenčního čísla. Nyní oba směrovače porovnají popis databáze který dostali od svého souseda se svou vlastní databází. Pokud zjistí, že jim některé informace chybí nebo jsou zastaralé, vyžádají si příslušnou položku pomocí paketu typu Link State Request (LSR). Na něj soused odpoví paketem typu Link State Update (LSU), ve kterém zašle požadované informace. LSU paket je nutno potvrdit paketem Link State Acknowledgement. Nebude-li paket potvrzen, je po uplynutí timeoutu odeslán znova.
Podobný proces proběhne, pokud směrovač zjistí, že některý s jeho sousedů nadále není funkční (tedy že po dobu delší než Dead timer od něj nedostal Hello paket) nebo když pomocí Hello protokolu nalezne nového souseda. LSA s touto informací je třeba předat všem přilehlým směrovačům. Provede se to zasláním paketu typu LSU. Přilehlé směrovače tento LSU paket předají zase svým sousedům a tak se postupně informace rozšíří po celé oblasti.
S každou položkou v topologické databázi (LSA) je spojeno pole Age které je periodicky inkrementováno. Když jeho hodnota dosáhne Maxage, je LSA považováno za zastaralé a odstraněno z databáze. Proto jsou s periodou LSRefreshTime LSA rozesílána na všechny sousedy. Při přijetí LSA od sousedního routeru je pole Age vynulováno. Implicitní hodnota časovače MaxAge je v OSPF 1 hodina, pro časovač LSRefreshTime je to 30 minut.
Příklad paketu typu Link State Update a Link State Acknowledgement je na obrázku 4. V tomto příkladu propaguje směrovač s Router ID 1.0.0.2 informaci o sítích 1.0.0.4/32 a 200.0.0.0/24. Směrovač 1.0.0.3 přijatou informaci potvrzuje.
OSPF: Version: 2 <02>
OSPF: Type: Link State Update <04>
OSPF: Packet length: 76 [Bytes] <004C>
OSPF: Router ID: 1.0.0.2 <01000002>
OSPF: Area ID: 0.0.0.0 [Backbone] <00000000>
OSPF: Checksum: 0x4C2F <4C2F>
OSPF: Autype: 0[No authentication] <0000>
OSPF: Authentication: 0x0000000000000000 <0000000000000000>
OSPF: The Link State Update packet:
OSPF: Number of advertisements: 1 <00000001>
OSPF: Link State Advertisment header No. 1
OSPF: LS age: 46 [seconds]
OSPF: Options: 0x22 <22>
OSPF: LS type: 1 Router links <01>
OSPF: Link State ID: 1.0.0.4 <01000004>
OSPF: Advertising Router: 1.0.0.4 <01000004>
OSPF: LS sequence number: 0x80000006 <80000006>
OSPF: LS checksum: 0x3E06 <3E06>
OSPF: Length: 48 [bytes] <0030>
OSPF: Router links advertisement:
OSPF: Bits: 0x00 <00>
OSPF: Number of router links: 2 <0002>
OSPF: Link No. 1
OSPF: Link ID: 1.0.0.4 <01000004>
OSPF: Link Data: 0xFFFFFFFF
Obr.4 Link State Update a Link State Acknowledgement paket
Než se dva navzájem propojené směrovače stanou přilehlými, projdou jejich propojená rozhraní řadou stavů. Tento poměrně komplikovaný proces je popsán v následující tabulce.
| Down | Počáteční stav před zahájením komunikace. Směrovač začíná vysílat Hello pakety |
| Attempt | Byl odeslán Hello paket. Tento stav je platný jen na NBMA sítích (viz dále) |
| Init | Byl přijat Hello paket od sousedního směrovače, dosud v něm však není uvedeno Router ID našeho routeru. Každý směrovač ve svých Hello paketech uvádí Router ID směrovačů, jejichž Hello již přijal |
| Two-Way | Obousměrná komunikace byla navázána. V přijatém Hello paketu je Router ID našeho routeru. Po dosažení tohoto stavu proběhne na broadcast sítích volba Designated routeru (viz dále) |
| Exstart | Směrovače si dohadují počáteční sekvenční čísla a domlouvají se, který z nich bude Master / Slave. Master router zahajuje další komunikaci |
| Exchange | Směrovače si vzájemně vymění Database Description pakety. Ty obsahují hlavičky LSA, popisujících jejich topologickou databázi |
| Loading | Nyní proběhne vlastní výměna informací z topologických databází. Jeden ze směrovačů požádá o informace paketem Link State Request. Druhý mu požadované informace zašle v paketu Link State Update. Paketem Link State Acknowledgement je příjem LSU paketu potvrzen |
| Full | Proces je dokončen a směrovače jsou vzájemně přilehlé (adjacent). Jejich topologické databáze jsou stejné. Toto je stav, ve kterém se rozhraní směrovače mají nacházet při správné funkci |
Z celé takto vypočtené cesty využijeme ve směrovací tabulce pouze "next hop", tedy adresu nejbližšího směrovače na který bude posílán provoz do cílové sítě. Dále do směrovací tabulky uložíme sumární cenu této cesty.
Může se stát, že do některé cílové sítě existuje více cest se stejnou celkovou cenou. V takovém případě záleží na konkrétní konfiguraci směrovače, jestli se z nich jedna vybere nebo budou používány všechny cesty současně a bude mezi nimi vyvažována zátěž.
Výpočet SPF algoritmu představuje pro směrovač poměrně velkou zátěž a je žádoucí, aby neprobíhal příliš často. K tomu by mohlo dojít například v případě, že některá z linek je nestabilní a opakovaně nabíhá a padá. Proto bývá definován minimální časový interval mezi dvěmi výpočty.
Na jednom segmentu broadcast sítě může být připojeno i několik směrovačů. Kdyby se výše popsaným způsobem měly navazovat vztahy přilehlosti systémem každý s každým, vedlo by to k poměrně velkému režijnímu provozu na síti. Proto je jeden ze směrovačů na síti zvolen jako pověřený směrovač (designated router, DR). Pro případ jeho výpadku je zvolen ještě záložní pověřený směrovač (backup designated router, BDR). Každý ze směrovačů pak navazuje vztah přilehlosti pouze s DR a s BDR. V případě poruchy pověřeného směrovače jeho funkci převezme BDR (se kterým již všechny ostatní směrovače mají navázaný vztah) a je zvolen nový BDR. Pověřený směrovač také reprezentuje celý segment sítě navenek a pouze on předává informace do ostatních segmentů sítě.
Podle výše uvedené tabulky stavů se až do stavu Full dostává na broadcast sítí jen vztah mezi běžným směrovačem a DR/BDR. Vztah mezi ostatními směrovači které nejsou DR ani BDR zůstává na stupni Two-Way.
Každé rozhraní směrovače do broadcast sítě má přiřazenoý parametr Router Priority. To je osmibitové číslo, určující s jakou prioritou má být směrovač pro tento segment sítě zvolen DR/BDR. Priorita je oznámena sousedním routerům v Hello paketu. Směrovač s nejvyšší prioritou se stane DR, s nejbližší nižší BDR. Pokud je priorita nastavena na hodnotu 0, nemůže se daný směrovač stát DR ani BDR. V případě rovnosti priorit je zvolen směrovač s vyšším Router ID. Jako DR by se měl konfigurovat nejvýkonnější nebo nejméně zatížený směrovač na segmentu.
OSPF komunikace na broadcast síti probíhá pomocí multicast paketů. Používají se dvě multicast adresy : 224.0.0.5 AllSPFRouters - tyto pakety přijímají všechny OSPF směrovače a 224.0.0.6 AllDesignatedRouters - tyto pakety přijímá pouze DR a BDR.
Není-li NBMA síť zapojena v topologii full mesh (každý uzel je propojený s každým), budou mít směrovače problémy s nalezením svých sousedů. Proto se seznam sousedních routerů zadává v konfiguraci. Také je třeba zajistit, aby směrovač zvolený jako DR měl možnost komunikovat se všemi ostatními směrovači (např. vhodnou konfigurací PVC nebo SVC okruhů) a samozřejmě také vhodnou volbou DR směrovače.
Proto je výhodné rozdělit síť do oblastí (area). Šíření (flooding) Link State paketů je omezeno pouze na danou oblast a také SPF algoritmus běží pro každou oblast samostatně. Oblast je logická skupina směrovačů a linek mezi nimi. Směrovače v oblasti znají detailně pouze síť ve své oblasti a z ostatních oblastí dostávají jen souhrné informace. Oblasti jsou navzájem propojeny pomocí hraničních směrovačů (Area Border Router, ABR). Příklad sítě rozdělené na více oblastí je na obrázku 5.
Obr.5 Síť složená z více oblastí
Každá oblast je označena 32 bitovým číslem, které může být ve dvou formátech. Buď jako běžné číslo (např. area 10) nebo ve formátu IP adresy (area 0.0.0.10).
Zvláštní úlohu mezi oblastmi hraje area 0, někdy označována jako páteřní (backbone) oblast. Ta navzájem propojuje všechny ostatní oblasti. Veškerý provoz který teče z jedné oblasti do druhé musí procházet přes oblast 0 a každá oblast musí být přes ABR napojená na oblast 0. V některých případech - zvláště při dodatečných změnách v síti - může být obtížné tuto podmínku splnit. V takovém případě je možné použít Virtual Link. To je logické spojení mezi ABR oblasti 0 a ABR jiné oblasti, která k oblasti 0 nemohla být přímo připojena (viz. obrázek 6). Virtuální link je možné použít i v situaci, kdy oblast 0 z nějakých důvodů nemůže být spojitá. Pak se obě části oblasti 0 propojí virtuálním linkem. Ten však nesmí procházet přes více než jednu další oblast. V praxi je lepší se použití virtuálních linků vyhnout.
Obr.6 Virtual Link
Protokol OSPF rozlišuje dva typy externích cest, které se označují jako E1 a E2. Standardně se používá typ E2, kdy cena cesty do externí sítě je dána pouze metrikou, se kterou byla síť do OSPF redistribuována a nezávisí již na cenách další cesy uvnitř OSPF autonomního systému. U typu E1 se cena, se kterou byla síť redistribuována, sčítá s cenou cesty uvnitř OSPF AS. Použití externí cesty typu E1 je vhodné v případě, že k dané externí síti existuje více než jedna cesta (přes více ASBR směrovačů).
Poznámka: pojem autonomní systém v tomto textu označuje část sítě, používající OSPF protokol. Nezaměňujte jej s autonomním systémem ve smyslu externího směrování.
Pokud v OSPF síti nakonfigurujeme nějakou oblast jako stub, získá zvláštní vlastnosti. Nebudou do ní propagovány externí cesty, ale jen cesty nalezené OSPF protokolem v daném autonomním systému. Směrování do externích sítí je řešeno pomocí default cesty. Ta je do oblasti automaticky propagována z ASBR. Veškerý provoz do externích sítí tedy musí tímto ASBR procházet.
Výhodou stub oblasti je to, že se výrazně zmenší velikost topologické databáze na směrovačích v oblasti a tím se sníží požadavky na paměť i procesor směrovače. Jako stub je nejvhodnější definovat oblast, ze které vede jen jedna cesta ven. Je to možné i v případě že je cest více, pak ale nemusí pakety směrované do externích sítí procházet nejkratší cestou.
Obr.8 Stub area
Jako stub můžeme nakonfigurovat pouze oblast splňující určité podmínky :
OSPF: LS age: 1 [seconds] OSPF: Options: 0x22 <22> OSPF: LS type: 1 Router links <01> OSPF: Link State ID: 1.0.0.2 <01000002> OSPF: Advertising Router: 1.0.0.2 <01000002> OSPF: LS sequence number: 0x80000008 <80000008> OSPF: LS checksum: 0x63D1 <63D1> OSPF: Length: 84 [bytes] <0054> OSPF: Router links advertisement: OSPF: Bits: 0x00 <00> OSPF: 00000... Must Be Zero: OSPF: Must Be Zero: 0 <00> OSPF: Number of router links: 2 <0002> OSPF: Link No. 1 OSPF: Link ID: 1.0.0.1 <01000001> OSPF: Link Data: 192.168.0.2Obr.9 Příklad LSA typu 1OSPF: Type: Point-to-point connection to another router OSPF: Number of TOS metrics: 0 <00> OSPF: Metric: 64 <0040> OSPF: Link No. 2 OSPF: Link ID: 192.168.0.0 OSPF: Link Data: 0xFFFFFF00 OSPF: Type: Connection to a stub network OSPF: Number of TOS metrics: 0 <00> OSPF: Metric: 64 <0040>
Sumarizaci adres je vhodné provádět na hranici oblasti nebo autonomního systému. Například je zbytečné aby ABR posílal do sousední oblasti všechny subnety které v oblasti existují, když stačí posílat jen jednu sumární cestu. Je ovšem nezbytné, aby v jiné části sítě neexistoval žádný subnet patřící do téti sumární cesty. Proto je třeba IP adresy přidělovat tak, aby pozdější sumarizaci nebránily.
Protokol OSPF používá dva způsoby sumarizace. Prvním je sumarizace cest v rámci oblasti, prováděná na ABR. Druhým je sumarizace externích cest, ta probíhá na ASBR. Na Cisco směrovačích jsou oba způsoby sumarizace standardně vypnuty a je potřeba je explicitně nakonfigurovat.
Další věcí která se sumarizací souvisí je podpora různých subnet masek na jednotlivých rozhraních směrovače, v literatuře označované jako Variable Length Subnet Mask (VLSM). Některé jednodušší směrovací protokoly (např. RIP) vyžadují, aby při subnetování sítě byla na všech subnetech stejná maska. Při předávání směrovacích informací totiž tyto protokoly neposílají aktuální subnet masku, ale berou masku podle některého rozhraní v příslušné síti nebo podle třídy IP adresy jestliže v dané síti žádné rozhraní nemají.
OSPF protokol posílá v LSA informaci o subnet masce a proto připouští, aby každý subnet měl masku jinou. To nám umožňuje například na spojovací point to point sítě použít masku /30 a neplýtvat tak IP adresami. Dále nám tato vlastnost dovoluje používat nespojité subnety, kdy dva subnety jedné sítě jsou navzájem odděleny jinou sítí. To by s RIP protokolem nebylo možné.
Autentikace může být dvojí. Můžeme použít heslo, které zadáme do konfigurace všech směrovačů. Tato metoda je jednoduchá, ale nepříliš bezpečná, protože heslo je možné na síti odposlechnout protokolovým analyzátorem. Druhou možností je kryptografická autentikace. Klíč a identifikátor se opět zadají na každém směrovačí. Ten potom z obsahu OSPF paketu, klíče, identifikátoru a sekvenčního čísla vypočte md5 hash, který připojí k paketu. Samotný klíč se tedy nikdy neposílá přes síť. Tato metoda je díky sekvenčním číslům odolná i proti pozdějšímu přehrávání dříve odchycených paketů (replay attack).
| protokol | RIP | RIP v2 | OSPF | IGRP | EIGRP |
| typ | distance-vector | distance-vector | link-state | distance-vector | hybrid |
| konvergence | pomalá | pomalá | rychlá | pomalá | rychlá |
| zatížení směrovače | malé | malé | velké | malé | malé |
| zatížení sítě | velké | velké | malé | velké | malé |
| VLSM | ne | ano | ano | ne | ano |
| metrika | počet hopů | počet hopů | cena | složená | složená |
| sumarizace | automatická, podle třídy IP adresy | automatická, je možné vypnout | ruční | automatická, podle třídy IP adresy | automatická, je možné vypnout |
| autentikace | ne | ano | ano | ne | ano |
| proprietární | ne | ne | ne | ano | ano |