Open Shortest Path First

Open Shortest Path First (OSPF) bezeichnet ein von der IETF entwickeltes Link-State-Routing-Protokoll. Es ist im RFC 2328^[1] festgelegt und basiert auf dem von Edsger W. Dijkstra entwickelten „shortest-path“-Algorithmus.^[2]

OSPF ist vielleicht das am häufigsten verwendete Interior Gateway Protocol (IGP) in großen Unternehmensnetzen. Das am häufigsten verwendete Exterior-Gateway-Protokoll (EGP) ist das Border Gateway Protocol (BGP), das Haupt-Routing-Protokoll zwischen autonomen Systemen im Internet.

Um die Nachteile von RIP (Routing Information Protocol) auszugleichen, wurde ab 1988 das Open-Shortest-Path-First-Verfahren (OSPF) entwickelt. Die Hauptvorteile von OSPF gegenüber RIP bestehen in der schnelleren Konvergenz und der besseren Skalierbarkeit für größere Netzwerke. Wie der Name andeutet, besitzt OSPF zwei Charakteristika, das der Offenheit im Sinne einer öffentlichen Spezifikation als RFC 2328^[1] und das der Verwendung des SPF-Algorithmus. In UNIX-Systemen ist OSPF als gated-Dämon implementiert. OSPF gehört zur Klasse der Link-State-Routing-Protokolle. Für IPv6 gilt RFC 5340.^[3]

Der Standard definiert nicht, wie die Kosten zu berechnen sind. Die Grundlage des SPF-Algorithmus bilden nicht, wie der Name nahelegt, die Anzahl der Hops, sondern die Pfadkosten. Entscheidungskriterium für die Vorteilhaftigkeit eines Weges und damit Metrik wird die nominale Datenrate.

Neuere Trends bei Betreibern von IP-Netzen zeigen, dass dort vermehrt IS-IS im Zusammenhang mit MPLS eingesetzt wird, weil die IS-IS-Features ausreichen, das Protokoll weniger komplex als OSPF ist und im Vergleich besser skaliert. Trotzdem ist OSPF heute noch das vorwiegend verwendete Routing-Protokoll.

• OSPF garantiert ein schleifenfreies Routing im Gegensatz zu RIP
• Es nutzt das Hello-Protokoll für die Überwachung der Nachbarn
• Es unterstützt VLSM, sowie CIDR
• OSPF ist für große, skalierbare Netze gut geeignet
• Das Area-Konzept vereinfacht die Kommunikation und Wartung
• OSPF kann das BFD-Protokoll nutzen, um im Fehlerfall Konvergenzzeiten im Millisekundenbereich zu ermöglichen

Ein grundlegendes und wichtiges Konzept bei OSPF stellt die Hierarchie in sogenannten Areas (Bereichen) dar. Alle OSPF-Router können verschiedenen Areas zugeordnet werden. Dabei hat die sogenannte Backbone Area (Area 0) eine besondere Stellung. Alle anderen regulären Areas müssen direkt mit dieser Backbone Area verbunden sein. Sollte eine direkte Verbindung nicht möglich sein, können diese weit entfernten Areas durch Virtual Links mit der Backbone Area verbunden werden.^[4]

Wird mehr als eine Area eingesetzt, müssen diese direkt oder indirekt mittels Virtual Link über eine Backbone Area gekoppelt werden. Diese Backbone Area hat immer die Nummer 0 und stellt als oberste OSPF-Hierarchieinstanz die Verbindungsbrücke zwischen allen Areas dar.

Alle anderen Areas außer der Backbone Area sind reguläre Areas. Die Area-Nummer kann ein Zahlenwert zwischen 1 und 4294967295 (= 2³² - 1) oder eine äquivalente Netz-ID (z. B. 192.168.1.0) sein.

Normalerweise muss eine reguläre Area direkt mit der Backbone Area verbunden sein. Kann eine reguläre Area jedoch aus Designgründen nicht direkt an die Backbone Area angebunden werden, sind Virtual Links als Hilfsmittel zu konfigurieren. Diese überbrücken eine dazwischen liegende Area, welche dann zur Transit Area wird. Die Virtual Links stellen eine Art Tunnelverbindung zwischen einer Area und der Backbone Area dar; der Verkehr zwischen Teilnehmern in abgesetzter Area und Transit-Area wird jedoch direkt, d. h. nicht über die Backbone-Area vermittelt.

Eine Stub Area ist eine reguläre Area, in welcher deren Area Border Router die Weiterleitung von LSA-Nachrichten vom Typ 5 filtern. Damit wird für alle normalen Router in einer Stub Area deren Area Border Router als Gateway propagiert.

Eine Totally Stubby Area (TSA) ist eine reguläre Area, in welcher deren Area Border Router die Weiterleitung von LSA-Nachrichten vom Typ 3, 4 und 5 filtern. Damit wird für alle normalen Router in einer Totally Stubby Area ausschließlich deren Area Border Router als Gateway propagiert.

Eine Not So Stubby Area (NSSA) ist eine Stub Area, welche durch ein anderes IGP- oder EGP-Protokoll externe Routen erlernt, aber in welcher deren Area Border Router die Weiterleitung von LSA-Nachrichten vom Typ 5 filtern. Diese externen Routinginformationen würden normalerweise in einer Stub Area nicht propagiert. Ist die Stub Area aber als eine Not So Stubby Area konfiguriert, so werden externe Routing-Updates mit LSA-Nachrichten vom Typ 7 an die Area Border Router der Stub Area weitergeleitet. Diese wiederum wandeln dann diese LSA-Nachrichten vom Typ 7 in LSA-Nachrichten vom Typ 5 um und propagieren diese externen Routen in die Backbone Area.^[5]

Eine Totally Not-So-Stubby Area (Totally NSSA) ist eine reguläre Area, in welcher deren Area Border Router die Weiterleitung von LSA-Nachrichten vom Typ 3, 4 und 5 filtern. Externe Routen werden genauso wie bei NSSA mit LSA-Nachrichten vom Typ 7 propagiert und durch ABR in LSA-Nachrichten vom Typ 5 umgewandelt.^[6]

In jedem (N)BMA-Netz (LAN-Segment) werden automatisch ein OSPF-Router zum Designated Router und ein weiterer zum Backup Designated Router gewählt.^[7] Alle regulären Router senden ihre Updates an den Designated Router, und dieser wiederum ist der einzige, der Updates an alle anderen Router weiterleitet. Fällt ein Designated Router aus, übernimmt der Backup Designated Router dessen Aufgaben und wird selbst zum Designated Router. Sogleich wird ein anderer Router in dem LAN-Segment zum Backup Designated Router gewählt.

Jede Area hat einen Area Border Router (ABR). Dieser ABR dient als Schnittstelle zwischen einer regulären Area und der Backbone Area. Wenn in einer Area nur ein Router existiert, so ist dieser automatisch auch der Designated Router (DR). Existieren in einer Area mehrere Router, so wird über einen Algorithmus automatisch ein Router zum ABR propagiert und ein weiterer zum Backup-ABR. Alle weiteren Router werden als normaler Router behandelt.

Ein ABR kann LSA-Nachrichten filtern und über Route Summarization mehrere Routen zusammenfassen, um Routingtabellen zu vereinfachen.

Erlernt ein Router externe Routen über ein IGP- oder EGP-Protokoll und propagiert diese im OSPF-Netzwerk, so stellt dieser einen Autonomous System Boundary Router (ASBR) dar.^[8]

Wenn alternative Netzwerkpfade aus Sicht von OSPF dieselben metrischen Pfadkosten besitzen, so werden diese Pfade abwechselnd verwendet, um eine Lastverteilung zu ermöglichen.

Kernstück von OSPF ist die Nachbarschafts-Datenbank (Adjazenz-Datenbank)/LSD (Link State Database), die eine Liste aller benachbarten Router enthält, zu denen eine bidirektionale Verbindung besteht. Sie spiegelt die Topologie des Netzes wider. Damit diese Datenbank aufgebaut oder bei Topologie-Änderungen aktualisiert wird, ist der Austausch von Routing-Informationen notwendig. Diese werden mittels Flooding übermittelt. Um den Umfang der auszutauschenden Informationen gering zu halten, wählen OSPF-Router einen designierten Router (DR) sowie einen Reserve-Router BDR (Backup Designated Router), die als Schnittstellen für den Austausch dienen. Der OSPF-Router, dessen Multi-Access-Schnittstelle die höchste Router-Priorität besitzt, wird DR. Haben zwei Router die gleiche Priorität, wird der Router mit der höheren Router-ID gewählt. Als Router-ID wird die IP-Adresse eines Loopback-Interfaces oder – je nach Hersteller – des Interfaces mit der numerisch höchsten IP-Adresse/des ersten aktiven Interfaces automatisch gewählt.

Ein Link State Advertisement (LSA) ist eine Nachricht mit Informationen über die lokale Topologie eines Netzwerkes. Sie wird von jedem Router des Netzwerkes erzeugt und enthält Informationen über benachbarte Router (d. h., beide haben eine Schnittstelle im selben Netz) und adjazente Router (d. h., sie tauschen Routing-Informationen aus). Nach der Erstellung einer LSA wird sie mittels Flooding durch die gesamte Routing-Domäne verteilt. Die Gesamtheit aller LSAs aller Router und Netze bildet die Link State Database (LSDB), eine Adjazenz-Datenbank, anhand derer der günstigste Pfad für ein Datenpaket durch das Netz ermittelt werden kann. Die LSAs können in regelmäßigen Abständen erneut versendet werden, um Veränderungen im Netzwerk in der LSDB nachzuhalten.

OSPF-Router tauschen Informationen über die erreichbaren Netze mit sogenannten LSA-Nachrichten (Link State Advertisements) aus. Hierbei sind folgende LSA-Typen definiert:

Router-LSA (Typ 1)

Für jeden aktiven Link des Routers, der der zu betrachtenden Area angehört, wird ein Eintrag im Router-LSA erzeugt. In ihm wird neben der IP-Adresse des Links auch die Netzmaske des Links und der Netzwerktyp (Loopback, Point-to-Point, normales Netz) eingetragen.

Network-LSA (Typ 2)

Der designierte Router (DR) eines Netzsegments erzeugt ein Network-LSA für dieses Netz, das neben der Netzadresse und -maske auch eine Liste der anderen angrenzenden Router enthält.

Summary-LSA (Typ 3/4)

Informationen über Ziele außerhalb einer Area können von den ABR (Area border router) je nach Konfiguration als LSA-Typ 3 (wenn es sich um eine Netz-Information handelt) oder LSA-Typ 4 (bei einer weitergeleiteten Router-Erreichbarkeit) in eine andere Area weitergegeben werden. LSAs vom Typ 3 werden auch verwendet, um Default-Routen in (Stub-)Areas zu propagieren.

AS-External LSA (Typ 5)

Router, die aus Sicht des OSPF das eigene autonome System abschließen, können für extern gelernte oder manuell konfigurierte Routen Typ-5-LSAs erzeugen. Diese enthalten Netzadresse und -maske des Zielnetzwerks sowie einen Verweis auf den ankündigenden Router. Eine gängige Anwendung von Typ-5-LSAs ist, Default-Routen in die Backbone-Area zu injizieren.

NSSA-External-LSA (Typ 7)

LSA-Typ7 wird am NSSA ASBR generiert. Type-5 LSAs sind in NSSA Areas nicht erlaubt, daher generiert der NSSA ASBR Type-7 LSAs dafür. Ein NSSA-External-LSA ist annähernd identisch mit einem AS-External-LSA. Im Gegensatz zu den AS-External-LSAs, die durch ein gesamtes OSPF-AS geflutet werden, werden NSSA-External-LSAs nur innerhalb der NSSA-Area geflutet, in der sie erzeugt wurden.

Opaque-LSA (Typ 9)

Dieser LSA-Typ wird Link lokal und somit nicht über Router hinweg verbreitet. Aktuell wird dieser LSA-Typ für eine Graceful Restart Funktion genutzt.

Opaque-LSA (Typ 10)

Dieser LSA-Typ wird Area lokal verbreitet. Aktuell wird dieser LSA-Typ für Traffic Engineering Funktionen genutzt.

Opaque-LSA/Graceful Restart (Typ 11)

Dieser LSA-Typ wird AS weit geflutet. RFC 5187^[9] ersetzt den Opaque-LSA Typ durch Graceful Restart LSA. Diese Veränderung gilt allerdings nur für OSPFv3. Eine Nutzung dieses LSA Types ist derzeit nicht bekannt.

Die Link State ID identifiziert die Instanz, die von der LSA beschrieben wird. Die Link State ID wird durch die Frage „Was beschreibt die LSA?“ charakterisiert. Die folgende Tabelle zeigt die möglichen Belegungen für die Link State ID, abhängig vom Typ der LSA:

• Das LS Age-Feld wird in Sekunden angegeben und pro Hop um InfTransDelay erhöht. InfTransDelay nimmt Alterung von Link-State-Informationen vor mit dem Maß der Latenzzeit, die am Interface prognostiziert wird.
• LS Type gibt einen der 5 Typen an. Siehe Abschnitt Typen.
• Die Link State ID nennt die Instanz, die von der LSA beschrieben wird. Siehe Abschnitt Link State ID.
• Advertising Router enthält die Router ID des Routers, der die LSA aussendet.
• Checksum ist die Prüfsumme, bei deren Berechnung das LS Age Feld ausgelassen wird. Der Grund dafür ist, dass das LS Age Feld bei jedem Hop modifiziert wird.
• Das Feld Length gibt die Länge an, auch hier wird das LS Age Feld ausgelassen.

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Designated Router (deutsch: ernannter Router) wird optional in Open Shortest Path First verwendet, um die durch den Routing-Prozess erzeugte Netzlast in Broadcast-Netzen mit vielen OSPF-Routern zu verringern.

Um die Menge der zu übertragenden LSAs einzudämmen, wird in Netzwerken, die nicht aus isolierten Punkt-zu-Punkt-Verbindungen bestehen, ein Designated Router (DR) gewählt. Der DR ist verantwortlich dafür, die Aktualisierungsinformation innerhalb seines Netzwerksegmentes zu verteilen. Der DR steigt damit zum verwaltungsmäßigen Zentrum einer Area auf. Der Backup-Designated Router (BDR) nimmt die Rolle seines Stellvertreters ein.

Die Wahl eines Designated Routers erfolgt transparent. Entscheidungskriterium ist die höchste Router-Priorität, diese wird vom Hello-Protokoll bestimmt. Falls keine Router-Prioritäten konfiguriert wurden bzw. die Router-Prioritäten gleich sein sollten, wird anhand der Router-ID entschieden wer der Designated Router wird. Die Router-ID ist die Loopback-Adresse, ist eine solche nicht konfiguriert, wird die höchste konfigurierte IP-Adresse des Routers gewählt. In besonderen Fällen kann direkt Einfluss auf den Auswahlprozess genommen werden, indem eine Router-ID konfiguriert oder eine Loopback-Adresse als Ersatz erzeugt wird. Der Wahlprozess findet über den Austausch von Hello-Paketen statt. Fällt der DR aus, übernimmt der BDR fast nahtlos dessen Rolle, ohne erst einen erneuten Wahlvorgang eines DR zu initiieren. Dies geschieht selbst dann nicht, wenn zwischenzeitlich neue Router mit höherer IP-Adresse hinzugekommen sein sollten. Abschließend wird noch ein BDR gewählt.

Das Hello-Protokoll ist in Open Shortest Path First für den Netzwerkbetrieb ein integraler Bestandteil des gesamten Routingprozesses. Es ist verantwortlich für:

• Senden von Keepalives in bestimmten Intervallen (damit wird bestätigt, ob der Nachbar-Router noch funktioniert und seine Routen damit weiterhin Gültigkeit haben),
• Zur Entdeckung eines neu hinzugekommenen Nachbar-Router,
• Aushandlung der Parameter, wie Hello- und Dead-Timer-Intervalle,
• Wahl eines Designated Routers (DR) und des Backup-DRs.

Alle ankommenden Hello-Pakete werden auf die Area ID und anderen Parametern geprüft. Wenn diese mit den lokalen Einstellungen übereinstimmen, wird dieser Router als Nachbar eingetragen.

• Die Größe des Version-Felds beträgt 8 Bit.
• Die Größe des Typ-Felds beträgt 8 Bit.

• Die Größe des Length-Feldes beträgt 16 Bit. Es enthält die Gesamtpaketlänge.
• Die Größe des Feldes Router ID beträgt 32 Bit.
• Die Größe des Feldes Area ID beträgt 32 Bit.
• Die Größe des Checksum-Feldes beträgt 16 Bit. Es enthält die Standard IP-Prüfsumme.
• Die Größe des Felds AuType (Authentifikations-Typ) beträgt 16 Bit.

• Die Größe des Felds Authentication beträgt 64 Bit.

• Die Version 3 des OSPF ist für IPv6 vorgesehen und in RFC 5340 definiert.^[3]
• Die Instance ID (Instanzbezeichner) beträgt 8 Bit.
• Reserved (reserviert) beträgt 8 Bit.

Die Protokolldefinition von OSPFv3 führte, neben der Erweiterung um IPv6-Funktionalität, einige Unterschiede zu OSPFv2 ein. Die Unterschiede werden im Folgenden aufgelistet:

• Die Bezeichnung „subnet“ wurde durch „link“ ersetzt. Hintergrund ist die Definition eines Interfaces. In OSPFv2 wird ein Interface als ein Subnetz betrachtet, dies führt dazu, dass auf einem Interface nur eine Nachbarschaftsbeziehung in einem Subnetz erfolgen kann. Allerdings kann ein Interface auch mehrere Subnetze enthalten und sehr wohl über diese Nachbarschaftsbeziehung aufbauen wollen. Diese Umdefinition behebt den Umstand und erhöht die Möglichkeiten zur Nachbarschaftsbildung.
• Nachbarschaftserkennung anhand der Router-ID. In OSPFv2 werden Nachbarn, auf NBMA-Links, über die Interface-Adressen erkannt. Bei Point-to-Point-Links werden die Nachbarn über die Router-ID identifiziert. Dieser Unterschied wird in OSPFv3 aufgehoben, und sämtliche Nachbarn werden über die Router-ID identifiziert.
• Authentifizierung entfernt. In OSPFv2 wird im Header eine Authentifizierung durchgeführt. Diese wurde in OSPFv3 vollständig entfernt. Die Funktion wird nun durch den IPv6 Authentication Header ersetzt (Funktion verschoben auf unteren Layer).
• Weiterleitung von unbekannten LSA-Typen. In OSPFv2 werden unbekannte LSA-Typen gelöscht und nicht weiter verbreitet. OSPFv3-Implementierungen sollen auch unbekannte LSA-Typen weiterleiten.

• Quagga (Weiterentwicklung von GNU Zebra)
• BIRD (Opensource-Implementierung eines IPv4- und IPv6-fähigen TCP/IP-Routing-Daemons)
• XORP (eXtensible Open Router Platform)
• OpenOSPFD (Unix-Systemdienst) ospfd(8) – OpenBSD System Manager's Manual
• FRRouting Project (Internet Routing Protokollsammlung für Linux und Unix)

• Interior Gateway Protokoll (IGP)
• Exterior-Gateway-Protokoll (EGP)
• Autonome Systeme (AS)
• Shortest Path Bridging (SPB)
• Intermediate System to Intermediate System Protocol (IS-IS)
• Dijkstra-Algorithmus

• Wolfgang Schulte: Handbuch der Routing Protokolle der Netze. SVH Verlag, 2009, ISBN 978-3-8381-1066-0.
• John T. Moy: OSPF: Anatomy of an Internet Routing Protocol. Addison-Wesley Longman Verlag, 1998, ISBN 0-201-63472-4.

• RFC: 5187 – OSPF Version 3 Graceful Restart. Mai 2008 (englisch).
• RFC: 2740 – OSPF Version 3. Dezember 1999 (aktualisiert durch RFC 5340, englisch).
• RFC: 2370 – OSPF Opaque LSA Option. Juli 1998 (englisch).
• RFC: 2328 – OSPF Version 2 [Errata: RFC 2328]. April 1998 (löst RFC 2178 ab, zuerst: RFC 1247 von 1991, englisch).
• RFC: 1850 – OSPF Version 2 MIB. November 1995 (englisch).
• RFC: 1793 – Extending OSPF to Support Demand Circuits. April 1995 (englisch).
• RFC: 1587 – OSPF NSSA Option. März 1994 (englisch).
• RFC: 1253 – OSPF Version 2 MIB. August 1991 (aktualisiert durch RFC 1850, englisch).
• RFC: 1247 – OSPF Version 2. Juli 1991 (aktualisiert durch RFC 2370, englisch).
• RFC: 1131 – OSPF Version 2. Dezember 1982 (aktualisiert durch RFC 1247, englisch).
• irvtool – Ein RIP/OSPF Visualisierungstool (Java/GPL)
• OSPF-C++-Quellcode
• Freie Implementation gängiger Routingprotokolle, unter anderem auch OSPF
• BGP und OSPF sicher implementiert

1. ↑ ^{a b c d e f g h i j} RFC: 2328 – OSPF Version 2 [Errata: RFC 2328]. April 1998 (löst RFC 2178 ab, zuerst: RFC 1247 von 1991, englisch).
2. ↑ E. W. Dijkstra: A Note on Two Problems in Connexion with Graphs. In: Numerische Mathematik. 1, 1959, S. 269–271; ma.tum.de (PDF; 739 kB).
3. ↑ ^{a b} RFC: 5340 – OSPF for IPv6. Juli 2008 (englisch).
4. ↑ What Are OSPF Areas and Virtual Links? cisco.com.
5. ↑ OSPF Not-So-Stubby Area (NSSA) cisco.com.
6. ↑ The OSPF Totally Not-So-Stubby-Area (NSSA). Mike’s Technology and Finance Blog.
7. ↑ RFC: 2328 – OSPF Version 2 [Errata: RFC 2328]. April 1998, Abschnitt 9.4: Electing the Designated Router. (löst RFC 2178 ab, englisch).
8. ↑ ASBR – Autonomous System Boundary Router. In: Mpirical. Abgerufen am 9. April 2019 (britisches Englisch). 
9. ↑ RFC: 5187 – OSPF Version 3 Graceful Restart. Mai 2008 (englisch).