CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN OSPF

Đồ án tốt nghiệp đại học



Chương I.Tổng quan về OSPF



1.2 Phân loại định tuyến

1.2.1 Định tuyến tĩnh

Trong phương pháp định tuyến tĩnh, thông tin định tuyến được người quản trị

mạng tạo lập trực tiếp qua các thao tác bằng tay vào trong cấu hình của router.Bất cứ

khi nào cấu trúc mạng thay đổi, người quản trị mạng phải cập nhật lại các tuyến tĩnh

một cách thủ công.

Định tuyến tĩnh bộc lộ một số nhược điểm như: quyết định định tuyến không dựa

trên sự đánh giá lưu lượng và cấu trúc mạng hiện thời, các bộ định tuyến không thể

phát hiện ra các bộ định tuyến mới, chúng chỉ có thể chuyển gói tin tới các bộ định

tuyến được chỉ định bởi nhà quản trị mạng. Như vậy, định tuyến tĩnh không thích ứng

được với sự thay đổi cấu trúc và lưu lượng của mạng.

Tuy nhiên, phương pháp định tuyến tĩnh lại sử dụng có hiệu quả trong các mạng

nhỏ với các tuyến đơn, các bộ định tuyến không cần trao đổi các thông tin tìm đường

cũng như cơ sở dữ liệu định tuyến. Vì vậy khi sử dụng định tuyến tĩnh sẽ không tốn

băng thông cho quá trình trao đổi thông tin định tuyến.



1.2.2 Định tuyến động

Ở phương pháp này, thông tin định tuyến sẽ được cập nhật một cách tự động. Sau

khi người quản trị nhập các lệnh cấu hình để khởi tạo định tuyến động, thông tin về

tuyến sẽ được cập nhật một cách tự động mỗi khi nhận được một thông tin mới từ liên

mạng. Các thay đổi về topo mạng được trao đổi giữa các router.



Hình 1.2 Định tuyến động



Nguyễn Mạnh Tùng D04VT2



2



Đồ án tốt nghiệp đại học



Chương I.Tổng quan về OSPF



Định tuyến động có ưu điểm trong các mạng phức tạp, nó hết sức linh hoạt trong

việc thích ứng với các thay đổi của cấu trúc và lưu lượng mạng. Sự thành công của

định tuyến động phụ thuộc vào hai chức năng cơ bản của router:

• Duy trì bảng định tuyến

• Chia sẻ tri thức cho các router khác dưới dạng các thông tin cập nhật định

tuyến.

Định tuyến động dựa vào các giao thức định tuyến để chia sẻ tri thức giữa các

router. Trong định tuyến động, một trong các giao thức định tuyến sẽ được kích hoạt

trong môi trường liên mạng. Các router sẽ tự động trao đổi, cập nhật thông tin định

tuyến một cách tự động. Dựa trên các thông tin định tuyến thu thập được, các router sẽ

xây dựng các thực thể trong bảng định tuyến.Việc sử dụng định tuyến động cho phép

các router thích ứng với việc thay đổi cấu trúc mạng.



1.2.3 Phân loại các giao thức định tuyến

1.2.3.1 Khái niệm

Giao thức định tuyến là một tập các quy tắc mà router sử dụng khi liên lạc với các

router hàng xóm để trao đổi thông tin định tuyến và lựa chọn đường đi tối ưu nhất.

Khi một giao thức định tuyến cập nhật bảng định tuyến, mục đích của nó là xác

định đâu là thông tin tốt nhất để lưu trong bảng định tuyến thông qua giải thuật định

tuyến. Mỗi giải thuật định tuyến xác định thông tin tốt nhất theo cách riêng của nó.

Giải thuật tạo ra một tham số, được gọi là metric cho mỗi đường qua mạng. Giá trị

metric càng nhỏ thì đường đi càng tối ưu. Chúng ta có thể tính toán metric dựa trên

một đặc tính đơn lẻ của đường đi, hoặc cũng có thể tính các metric phức tạp hơn bằng

cách kết hợp nhiều đặc tính.

Các metric được sử dụng phổ biến gồm:

• Số bước nhảy (hopcount)

• Băng thông (bandwith)

• Tải (load)

• Độ tin cậy / độ khả dụng (reliability)

• Độ trễ (delay)

Trong một giao thức cụ thể, chỉ một hoặc một vài tham số được lựa chọn để tính

quãng đường.



1.2.3.2 Phân loại

Các giao thức định tuyến được mô tả trong hình 1.3, gồm 2 loại chinh sau:



Nguyễn Mạnh Tùng D04VT2



3



Đồ án tốt nghiệp đại học



Chương I.Tổng quan về OSPF



• Giao thức định tuyến cổng nội (IGP – Interior Gateway Protocol): Được sử

dụng để định tuyến trong một hệ tự trị (AS). IGP được chia ra làm 2 loại

chính:

 Véc tơ khoảng cách (Distance Vector) bao gồm: RIP, IGRP, EIGRP,

RIPv2

 Trạng thái liên kết (Link state) bao gồm: OSPF, IS – IS

• Giao thức định tuyến cổng ngoại (EGP): Được sử dụng cho quá trình định

tuyến giữa các AS với nhau. Giao thức cổng ngoại được sử dụng phổ biến

hiện nay là BGP (Border Gateway Protocol). Phiên bản đầu tiên của BGP

được đưa ra là BGPv1 vào năm 1989, và phiên bản gần đây nhất là BGPv4.

Giao thứcđịnh tuyến

động



Giao thức định tuyến

cổng nội



Giao thức định tuyến

cổng ngoại



BGP

Giao thức vector khoảng

cách



RIPv1



IGRP



RIPv2



Giao thức trạng thái liên

kết



IS-IS



OSPF



EIRP



Hình 1.3 Các giao thức định tuyến



1.3 Giao thức định tuyến OSPF cho IPv4 (OSPFv2)

1.3.1 Giới thiệu chung về OSPF

OSPF (Open Shortest Path First) là một giao thức định tuyến dạng link-state, được

phát triển bởi IETF (Internet Engineering Task Force – Nhóm đặc trách kỹ thuật

Internet). OSPF sử dụng giải thuật Dijkstra để xây dựng bảng định tuyến. OSPF có

nhiều tính năng không có ở các giao thức vector khoảng cách. Ưu điểm chính của

OSPF so với các giao thức vector khoảng cách là khả năng đáp ứng nhanh theo sự thay



Nguyễn Mạnh Tùng D04VT2



4



Đồ án tốt nghiệp đại học



Chương I.Tổng quan về OSPF



đổi của hệ thống mạng, hoạt động tốt trong các mạng cỡ lớn và ít bị ảnh hưởng bởi các

thông tin định tuyến tồi. OSPF là một giao thức mở, vì vậy nó được phổ biến rộng rãi

và không có tính độc quyền.

Một số tính năng của OSPF:

• Phân chia mạng một cách logic: OSPF sử dụng khái niệm phân vùng. Bằng

cách này, OSPF có thể giới hạn lưu thông trong từng vùng, thay đổi trong

vùng này không ảnh hưởng đến hoạt động của các vùng khác. Cấu trúc như

vậy cho phép hệ thống mạng có khả năng mở rộng một cách hiệu quả và

giảm bớt yêu cầu về bộ nhớ của các router OSPF.

• Thời gian hội tụ nhanh hơn: OSPF cho phép truyền các thông tin về những

thay đổi tuyến một cách tức thì đến tất cả các router, điều đó sẽ rút ngắn thời

gian hội tụ cần thiết để cập nhật kiến trúc mạng.

• Hỗ trợ nhận thực: OSPF hỗ trợ nhận thực cho tất cả các node phát thông tin

quảng cáo định tuyến, điều này hạn chế được nguy cơ thay đổi bảng định

tuyến.

• Cân bằng tải giữa các tuyến cùng giá (cost): Việc sử dụng cùng lúc nhiều

tuyến cho phép tận dụng có hiệu quả tài nguyên mạng.

• Hỗ trợ CIDR và VLSM: Điều này cho phép nhà quản trị mạng có thể phân

phối nguồn địa chỉ IP một cách có hiệu quả hơn.

• Sử dụng cost làm thông số định tuyến để chọn đường đi trong mạng, vì vậy

có thể phản ánh được dung lượng của đường truyền.

• OSPF đảm bảo không bị định tuyến lặp vòng: Mỗi router có một sơ đồ đầy

đủ và đồng bộ về toàn bộ cấu trúc mạng, do đó chúng rất khó bị lặp vòng.

• OSPF là một giao thức trạng thái liên kết. Vì vậy, cũng giống như các giao

thức trạng thái liên kết khác, mỗi router OSPF đều sử dụng thuật toán SPF

(Shortest Path First) để xử lý các thông tin chứa trong cơ sở dữ liệu trạng

thái liên kết. Thuật toán sẽ tạo ra một cây đường đi ngắn nhất mô tả cụ thể

các tuyến dẫn tới đích.

Hoạt động của OSPF được mô tả một cách tổng quát như sau:

1. Đầu tiên, các router OSPF gửi các gói Hello ra tất cả các giao diện chạy

OSPF. Nếu hai router chia sẻ một liên kết dữ liệu cùng chấp nhận các tham

số được chỉ ra trong gói Hello, chúng sẽ trở thành các router hàng xóm

(neighbor) của nhau

2. Quan hệ mật thiết (Adjacency) có thể coi như các liên kết ảo điểm-điểm,

được hình thành giữa các neighbor. Việc hình thành một Adjacency phụ



Nguyễn Mạnh Tùng D04VT2



5



Đồ án tốt nghiệp đại học



3.



4.

5.

6.



7.



Chương I.Tổng quan về OSPF



thuộc vào các yếu tố như loại router trao đổi các gói Hello và loại mạng sử

dụng để truyền các gói Hello.

Sau khi các Adjacency được hình thành, mỗi router gửi các LSA (Link State

Advertisement) qua các Adjacency cho các neighbor của nó. Các LSA mô tả

tất cả các liên kết của router và trạng thái của các liên kết đó.

Mỗi router nhận một LSA từ neighbor, ghi LSA vào cơ sở dữ liệu trạng thái

liên kết của nó và gửi bản copy LSA tới tất cả các neighbor khác của nó.

Bằng cách trao đổi các LSA trong một area, tất cả các router sẽ xây dựng cơ

sở dữ liệu trạng thái liên kết của mình giống với các router khác.

Khi cơ sở dữ liệu hoàn chỉnh, mỗi router sử dụng giải thuật SPF để tính toán

đường đi ngắn nhất (có cost thấp nhất) tới tất cả các đích đã biết. Sơ đồ này

gọi là cây đường ngắn nhất (SPF).

Cuối cùng, mỗi router sẽ xây dựng bảng định tuyến từ cây SPF của nó.



1.3.2 Một số khái niệm cơ bản trong OSPF

1.3.2.1 Neighbor và Adjacency

Trước khi gửi các LSA, các router OSPF phải khám phá các neighbor của nó và

thiết lập Adjacency với chúng. Danh sách các neighbor được ghi vào trong bảng các

neighbor cùng với liên kết (hoặc giao diện) nối với mỗi neighbor và các thông tin cần

thiết khác để duy trì neighbor.



1.3.2.2 Giao thức Hello

Giao thức Hello thực hiện chức năng sau:

• Dùng để khám phá các neighbor: Nó quảng cáo các tham số mà hai router

phải chấp nhận trước khi chúng trở thành các neighbor của nhau.

• Đảm bảo thông tin hai chiều giữa các neighbor.

• Dùng để bình bầu router đại diện DR (Designated Router) và DR dự phòng

(Backup DR) trong mạng quảng bá (Broadcast) và mạng đa truy nhập không

quảng bá (NBMA).

Các router OSPF đều đặn gửi các gói Hello ra các giao diện OSPF. Chu kỳ gửi

được gọi là Hello Interval và được cấu hình trong cơ sở dữ liệu giao diện. Nếu router

không nhận được gói Hello từ neighbor trong một khoảng thời gian gọi là Router Dead

Interval, nó sẽ khai báo neighbor này không hoạt động (ở trạng thái Down).

Khi một router nhận một gói Hello từ một neighbor của nó, nó sẽ kiểm tra các

trường Area ID, Authentication, Network Mask, Hello Interval, Router Dead Interval

và Option trong gói Hello xem có phù hợp với các giá trị đã được cấu hình ở giao diện

nhận hay không. Nếu không phù hợp, gói sẽ bị phá hủy và Adjacency không được



Nguyễn Mạnh Tùng D04VT2



6



Đồ án tốt nghiệp đại học



Chương I.Tổng quan về OSPF



thiết lập. Nếu tất cả phù hợp, gói Hello sẽ được khai báo là hợp lệ. Nếu Router ID của

router gốc đã có trong bảng neighbor của giao diện nhận, Router Dead Interval sẽ

được thiết lập lại. Nếu không có, nó sẽ ghi Router ID này vào bảng neighbor.



1.3.2.3 Các loại mạng trong OSPF

OSPF định nghĩa 5 loại mạng như sau:

• Mạng điểm - điểm (point-to-point network).

• Mạng quảng bá (broadcast network).

• Mạng đa truy nhập không quảng bá (NBMA network).

• Mạng điểm - đa điểm (point-to-multipoint network).

• Liên kết ảo (virtual link).

Mạng điểm - điểm: Là mạng nối hai router với nhau. Các neighbor hợp lệ trong

mạng này luôn thiết lập Adjacency với nhau. Địa chỉ đích của các gói OSPF trong

mạng này luôn luôn là địa chỉ lớp D 224.0.0.5 (gọi là A11SPF Routers).

Mạng quảng bá: Như là Ethernet, Token Ring, FDDI. Đây là mạng đa truy nhập,

trong đó có khả năng kết nối nhiều hơn hai router và các router này đều có thể nhận

các gói gửi đi từ một router bất kỳ trong mạng. Các router trong mạng quảng bá sẽ

bình bầu DR và BDR. Các gói Hello được phát multicast với địa chỉ đích là 224.0.0.5.

Các gói xuất phát từ DR và BDR cũng được phát multicast với địa chỉ đích 224.0.0.5.

Các router sẽ phát multicast các gói cập nhật và xác nhận trạng thái liên kết cho DR

(hoặc BDR) với địa chỉ đích là địa chỉ lớp D 224.0.0.6 (gọi là A11 DRouters).

Mạng đa truy nhập không quảng bá (NBMA): như là X25, Frame Relay và ATM.

Đây là mạng có khả năng kết nối nhiều hơn hai router nhưng không có khả năng

broadcast. Điều đó có nghĩa là một gói được gửi từ một router trong mạng sẽ không

được nhận bởi tất cả các router khác trong mạng. Các router trong NBMA sẽ tiến hành

bình bầu DR và BDR.

Mạng điểm - đa điểm: Đây cũng là một trường hợp của mạng không quảng bá, nó

được xem như là một tập hợp các liên kết điểm – điểm. Các router trong mạng không

có quá trình bình bầu DR và BDR.

Liên kết ảo (virtual link): Đây là một cấu trúc đặc biệt trong cấu hình. Các router

hiểu như là các mạng điểm - điểm. Các gói OSPF được truyền unicast qua các liên kết

ảo.



1.3.2.4 Bình bầu DR và BDR

Để trao đổi thông tin với nhau, các router OSPF phải thiết lập Adjacency với nhau.

Thông tin trao đổi giữa các router sẽ tạo ra nhiều LSA không cần thiết. Nếu một mạng

đa truy nhập có n router thì có thể có n(n-1)/2 Adjacency.



Nguyễn Mạnh Tùng D04VT2



7



Đồ án tốt nghiệp đại học



Chương I.Tổng quan về OSPF



A



B



C



D



E



C



D

E



B



A



Hình 1.4 Các Adjacency trong mạng đa truy nhập

Và khi n(n-1)/2 Adjacency này cùng gửi thông tin cập nhật thì việc ảnh hưởng tới

hiệu suất của mạng là điều không tránh khỏi. Một router gửi một LSA tới tất cả các

neighbor của nó. Các neighbor này lại gửi bản copy của LSA nhận được tới các

neighbor của mình, điều này dẫn đến tạo ra nhiều bản copy của LSA trong mạng.

Để tránh vấn đề trên, một router đại diện (DR) được bầu ra trong mạng đa truy

nhập. Mỗi router trong mạng thiết lập Adjacency với DR. Chỉ có DR gửi các LSA tới

các router còn lại trong mạng. Một router có thể là DR đối với mạng này, nhưng không

là DR với mạng khác. Như vậy, thay vì có n(n-1)/2 Adjacency, chúng ta chỉ có (n-1)

Adjacency.



Nguyễn Mạnh Tùng D04VT2



8



Đồ án tốt nghiệp đại học



Chương I.Tổng quan về OSPF



A



B



C



D



E



C



D



B



A (DR)



Hình 1.5 Bình bầu DR

Trong trường hợp DR bị hỏng, một DR mới phải được bầu ra. Các Adjacency mới

phải được thiết lập, và các router phải đồng bộ cơ sở dữ liệu với DR mới. Trong khi

các quá trình này diễn ra, mạng sẽ không khả dụng để truyền gói. Để khắc phục vấn đề

này, một router dự phòng cho DR (BDR) được bình bầu. Tất cả các router thiết lập

Adjacency với cả DR và BDR. DR và BDR cũng có thể thiết lập Adjacency với nhau.

Nếu DR bị hỏng, BDR sẽ trở thành DR mới.

Như vậy, DR sẽ đứng ra làm router trung gian, nhận và phân phối các LSA từ các

router thành viên, sau đó phân phối đến các router còn lại. BDR chỉ là dự phòng của

DR.

Quá trình bình bầu sẽ diễn ra như sau: Khi một router OSPF được kích hoạt, nó sẽ

tìm kiếm các neighbor của nó và kiểm tra DR và BDR. Nếu DR và BDR đã tồn tại,

router sẽ chấp nhận chúng. Nếu không có BDR, một cuộc bình bầu BDR sẽ được tiến

hành và router nào có priority cao nhất sẽ trở thành BDR. Nếu có nhiều hơn một router

có cùng priority cao nhất, router nào có Router ID cao nhất sẽ trở thành BDR. Nếu

chưa có DR, BDR sẽ trở thành DR và cuộc bầu cử BDR mới lại được thực hiện.



1.3.3 Các loại Router

Có 4 loại Router OSPF được chỉ ra như hình 1.6 bao gồm: Router nội (Internal

Router), Router biên Area (Area Border Router - ABR), Router Backbone, Router biên

hệ tự trị (Autonomous System Boundary Router - ASBR).



Nguyễn Mạnh Tùng D04VT2



9



Đồ án tốt nghiệp đại học



Chương I.Tổng quan về OSPF



BG

P



Backbone

Router

ASBR



Area 0



ABR



E IG



P



Area 1



Internal

Router



Area 10.5.53.16



Hình 1.6 Các loại Router

Router nội: Là những router mà tất cả các giao diện của nó đều thuộc cùng một

area. Những router này chỉ có một cơ sở dữ liệu trạng thái liên kết.

Router biên Area (ABR): Là các router dùng để kết nối một area với backbone và

đóng vai trò như một gateway đối với lưu lượng nội vùng. Một ABR luôn có ít nhất

một giao diện thuộc về mạng Backbone và phải duy trì cơ sở dữ liệu trạng thái liên kết

tách biệt cho mỗi area liên kết với nó. Vì vậy, ABR thường có bộ nhớ lớn hơn và bộ vi

xử lý mạnh hơn so với các router nội. ABR có nhiệm vụ thu thập thông tin cấu hình

của các area gắn với nó cho mạng Backbone, sau đó Backbone sẽ quảng cáo lại các

thông tin đó cho các area khác.

Router Backbone: Là những router có ít nhất một giao diện gắn vào mạng

Backbone. Như vậy, Router Backbone có thể là một ABR hoặc một router nào đó

thuộc mạng Backbone (area 0).

Router biên hệ tự trị (ASBR): Là những router hoạt động như một gateway đối với

lưu lượng ngoài. Một ASBR có thể được xác định ở bất cứ vị trí nào trong hệ tự trị

OSPF. Nó có thể là router nội, router Backbone hay ABR.



Nguyễn Mạnh Tùng D04VT2



10



Đồ án tốt nghiệp đại học



Chương I.Tổng quan về OSPF



1.3.4 Các loại LSA

Các loại LSA định nghĩa trong OSPF bao gồm:

Loại

1



LSA

Router



2

3

4



Network

Network Summary

ASBR Summary



5

6

7



AS External

Group Membership

NSSA External



8

9 -11



External Attribute

Opaque

Hình 1.7 Các loại LSA



Router LSA: LSA này được tạo ra bởi tất cả các loại router. Nó chứa danh sách của

tất cả các liên kết kết nối trực tiếp với router cùng với trạng thái và cost đầu ra của mỗi

liên kết. Các LSA này chỉ được flooding (tràn lụt) trong area chứa router tạo ra nó.

Network LSA: Được tạo ra bởi DR trong các mạng đa truy nhập (broadcast hay

NBMA). Network LSA chứa danh sách của tất cả các router gắn với DR. Cũng giống

như Router LSA, các LSA này được tràn lụt trong area tạo ra nó.

Network Summary LSA: LSA này được tạo ra bởi các ABR. Network Summary

LSA mô tả thông tin tóm tắt của một area cho một area khác trong cùng một miền

OSPF và ngược lại. LSA loại này sẽ được ABR gửi vào area để quảng cáo cho các

đích bên ngoài area đó. Chúng thông báo cho các router bên trong area biết thông tin

về các đích bên ngoài area mà ABR có thể tiếp cận được. Đồng thời, chúng cũng được

ABR dùng để quảng cáo các đích bên trong area với các router thuộc các area khác.

ASBR Summary LSA: Được tạo ra bởi ABR. Nó giống hệt Network Summary

LSA ngoại trừ việc nó dùng để quảng cáo cho các đích đến là ASBR.

AS External LSA: Cho biết thông tin về các tuyến bên ngoài AS. Nó được tràn lụt

trong toàn miền OSPF.

Group Membership LSA: Được sử dụng trong Multicast OSPF (MOSPF). MOSPF

định tuyến các gói từ một nguồn tới một nhóm đích có địa chỉ multicast.



Nguyễn Mạnh Tùng D04VT2



11



Đồ án tốt nghiệp đại học



Chương I.Tổng quan về OSPF



NSSA External LSA: Được tạo ra bởi các ASBR trong các not-so-stubby area

(NSSA). NSSA External LSA gần giống với AS External LSA ngoại trừ việc nó chỉ

được tràn lụt trong NSSA tạo ra nó.

External Attribute LSA: Được đề xuất để chạy internal BGP (iBGP) với mục đích

truyền tải thông tin BGP qua miền OSPF. Tuy nhiên, nó chưa được triển khai

Opaque LSA: Được sử dụng để tính toán các tuyến đường dùng cho kỹ thuật quản

lý lưu lượng của công nghệ MPLS. LSA này cũng chưa được triển khai.



1.3.5 Các loại vùng cơ bản

OSPF hỗ trợ hai mức độ phân cấp qua khái niệm vùng (area). Vùng 0 là vùng trung

tâm. Tất cả các vùng khác đều phải kết nối trực tiếp tới vùng 0 hay kết nối qua virtual

link. Mỗi vùng đều phải có khả năng phát thông tin quảng cáo tới vùng 0. Sau đó,

vùng 0 sẽ phát những thông tin này tới các vùng còn lại. Việc chia nhỏ ra thành nhiều

vùng như vậy có những ưu điểm sau:

• Mỗi router chỉ phải chia sẻ một cơ sở dữ liệu trạng thái liên kết giống hệt với

các router trong cùng một area chứ không phải toàn mạng. Do đó giảm được

kích thước của cơ sở dữ liệu, dẫn tới giảm yêu cầu bộ nhớ của router.

• Hạn chế sự tràn lụt của các LSA. Phần lớn các LSA chỉ tràn lụt trong phạm vi

vùng tạo ra nó.

Ngoài vùng backbone, OSPF còn định nghĩa một số loại vùng như: stub area,

totally stubby area, not-so-stubby area.

a) Stub area

Stub area là area mà trong đó các thông tin External LSA và ASBR LSA không

được tràn lụt vào. Các ABR gắn với Stub area chỉ sử dụng các Network Summary

LSA để quảng cáo thông tin từ các area khác vào Stub area. Các router bên trong area

sẽ sử dụng tuyến mặc định nếu như nó không tìm thấy tuyến nào phù hợp trong bảng

định tuyến.

Trong hình 1.8, area 1 được định nghĩa là stub area. Các thông tin từ IGRP router

sẽ bị chặn bởi router I. Các thông tin từ RIP router được nhận tại router E, nhưng cũng

sẽ bị chặn tại router F. Tuy nhiên, area 1 vẫn nhận các thông tin của area 2 tại router F.



Nguyễn Mạnh Tùng D04VT2



12