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OSPFv3

• OSPFv3 ist das OSPFv2-Äquivalent zum Austausch von IPv6-Präfixen. Erinnern Sie sich daran, dass in IPv6 die Netzwerkadresse als Präfix und die Subnetzmaske als Präfix-Länge bezeichnet wird.
• Ähnlich wie sein IPv4-Pendant tauscht OSPFv3 Routing-Informationen aus, um die IPv6-Routing-Tabelle mit Remote-Präfixen zu füllen.
• Mit der Funktion OSPFv3-Adressfamilien bietet OSPFv3 Unterstützung sowohl für IPv4 als auch für IPv6 und OSPF Address Families geht über den Rahmen dieses Lehrplans hinaus.
• OSPFv2 läuft über die IPv4-Netzwerkschicht, kommuniziert mit anderen OSPF IPv4-Peers und wirbt nur für IPv4-Routen.
• OSPFv3 hat die gleiche Funktionalität wie OSPFv2, verwendet jedoch IPv6 als Netzwerkschichttransport, kommuniziert mit OSPFv3-Peers und wirbt für IPv6-Routen. OSPFv3 verwendet auch den SPF-Algorithmus als Berechnungsmaschine, um die besten Pfade innerhalb der Routing-Domäne zu bestimmen.
• OSPFv3 hat von seinem IPv4-Pendant getrennte Prozesse. Die Prozesse und Operationen sind im Grunde die gleichen wie im IPv4-Routing-Protokoll, laufen jedoch unabhängig voneinander ab. OSPFv2 und OSPFv3 haben jeweils separate Adjazenztabellen, OSPF-Topologietabellen und IP-Routing-Tabellen, wie in der Abbildung dargestellt.
• Die Konfigurations- und Verifikationsbefehle von OSPFv3 ähneln denen, die in OSPFv2 verwendet werden.

Arten von OSPF-Paketen

Link-State-Pakete sind die Werkzeuge, die von der OSPF verwendet werden, um den schnellsten verfügbaren Weg für ein Paket zu bestimmen. Der OSPF verwendet die folgenden Link-State-Pakete (LSPs), um Nachbarschaftsadjazenzen herzustellen und aufrechtzuerhalten und Routing-Updates auszutauschen. Jedes Paket dient einem bestimmten Zweck im OSPF-Routing-Prozess, und zwar wie folgt:

• Typ 1: Hallo-Paket - Dies wird verwendet, um die Nachbarschaft zu anderen OSPF-Routern herzustellen und aufrechtzuerhalten.
• Typ 2: Datenbankbeschreibungs-Paket (DBD) - Dieses enthält eine verkürzte Liste der LSDB des sendenden Routers und wird von empfangenden Routern verwendet, um gegen die lokale LSDB zu prüfen.             Die LSDB muss auf allen Link-State-Routern innerhalb eines Bereichs identisch sein, um einen genauen SPF-Baum zu erstellen.
• Typ 3: Link-State Request (LSR)-Paket - Empfangende Router können dann weitere Informationen zu jedem Eintrag in der DBD anfordern, indem sie ein LSR senden.
• Typ 4: Link-State Update (LSU)-Paket - Dies wird zur Beantwortung von LSRs und zur Ankündigung neuer Informationen verwendet. LSUs enthalten mehrere verschiedene Typen von LSAs.
• Typ 5: Link-State Acknowledgment (LSAck)-Paket - Wenn eine LSU empfangen wird, sendet der Router einen LSAck, um den Empfang der LSU zu bestätigen, das LSAck-Datenfeld ist leer.

Die Tabelle fasst die fünf verschiedenen Typen von LSPs zusammen, die von OSPFv2 verwendet werden. OSPFv3 hat ähnliche Pakettypen.

Link-State-Updates

Router tauschen zunächst Typ-2-DBD-Pakete aus, bei denen es sich um eine abgekürzte Liste der LSDB des sendenden Routers handelt. Sie wird von empfangenden Routern verwendet, um gegen die lokale LSDB zu prüfen. Ein LSR-Paket vom Typ 3 wird von den empfangenden Routern verwendet, um weitere Informationen über einen Eintrag in der DBD anzufordern. 

Das LSU-Paket vom Typ 4 wird verwendet, um auf ein LSR-Paket zu antworten.

Ein Paket vom Typ 5 wird verwendet, um den Empfang einer LSU vom Typ 4 zu bestätigen.

LSU werden auch zur Weiterleitung von OSPF-Routing-Aktualisierungen, wie z. B. Link-Änderungen, verwendet. Konkret kann ein LSU-Paket 11 verschiedene Typen von OSPFv2-LSAs enthalten. OSPFv3 hat mehrere dieser LSAs umbenannt und enthält außerdem zwei zusätzliche LSAs.

Der Unterschied zwischen den Begriffen LSU und LSA kann manchmal verwirrend sein, da diese Begriffe oft synonym verwendet werden. Eine LSU enthält jedoch eine oder mehrere LSAs.

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Single-Area and Multiarea OSPF

Um OSPF effizienter und skalierbarer zu machen, unterstützt OSPF hierarchisches Routing unter Verwendung von Arealen. Ein OSPF-Bereich ist eine Gruppe von Routern, die in ihren LSDBs die gleichen Link-state-Informationen gemeinsam nutzen. OSPF kann auf eine der beiden folgenden Arten implementiert werden:

• Single-Area OSPF - Alle Router befinden sich in einem Bereich, dabei besteht die beste Option darin, die Verwendung von Areal 0.
• Multi-Area OSPF - OSPF wird unter Verwendung mehrerer Bereiche in hierarchischer Weise implementiert. Alle Bereiche müssen mit dem Backbone-Areal (Bereich 0) verbunden sein. Router, die die Bereiche miteinander verbinden, werden als Area Border Routers (ABRs) bezeichnet.

Der Hauptfokus dieses Moduls liegt auf Single-Area OSPFv2.

Multiarea OSPF

Mit Multiarea OSPF kann eine große Routing-Domäne in kleinere Bereiche unterteilt werden, um hierarchisches Routing zu unterstützen. Das Routing erfolgt nach wie vor zwischen den Bereichen (Interarea-Routing), während viele der prozessorintensiven Routingoperationen, wie z.B. die Neuberechnung der Datenbank, in einem Bereich verbleiben.

Jedes Mal, wenn ein Router beispielsweise neue Informationen über eine Topologieänderung innerhalb des Bereichs erhält (einschließlich Hinzufügen, Löschen oder Ändern einer Verbindung), muss der Router den SPF-Algorithmus erneut ausführen, einen neuen SPF-Baum erstellen und die Routing-Tabelle aktualisieren. Der SPF-Algorithmus ist CPU-intensiv, und die für die Berechnung benötigte Zeit hängt von der Größe des Bereichs ab. 

Die Router in anderen Arealen erhalten Aktualisierungen in Bezug auf Topologieänderungen, aber diese Router aktualisieren nur die Routing-Tabelle, nicht aber den SPF-Algorithmus erneut.

Zu viele Router in einem Bereich würden die LSDBs sehr groß machen und die Belastung der CPU erhöhen. Daher wird durch die Anordnung von Routern in Bereichen eine potenziell große Datenbank effektiv in kleinere und besser verwaltbare Datenbanken partitioniert.

Die hierarchisch-topologischen Gestaltungsmöglichkeiten mit Multiarea-OSPF können folgende Vorteile offerieren:

• Kleinere Routing-Tabellen - Die Tabellen sind kleiner, weil es weniger Einträge in den Routing-Tabellen gibt. Dies liegt daran, dass Netzwerkadressen zwischen Bereichen konzentriert werden können. Die Routenverdichtung ist standardmäßig nicht aktiviert.
• Reduzierter Overhead bei der Aktualisierung des Link-Status - Durch den Entwurf von OSPF mit mehreren Bereichen mit kleineren Bereichen werden die Verarbeitungs- und Speicheranforderungen minimiert.
• Reduzierte Frequenz von SPF-Berechnungen - Multiarea OSPF lokalisieren die Auswirkungen einer Topologieänderung innerhalb eines Bereichs. Beispielsweise werden die Auswirkungen von Routing-Updates minimiert, da die LSA-Überflutung an der Gebietsgrenze aufhört.

Dies würde konrekt bedeuten, wenn man sich 3 Bereiche vorstellt, einmal mit Areal 1, Areal 0 und Areal 69. welcher ein ABR für den Router zwischen Areal 0 sowie 69 ist, dass eine Topolgoieänderung in Areal 69 alle Router darin veranlassen würde, den SPF-Algorithmus erneut auszuführen, einen neuen SPF-Baum zu erstellen und ihre IP-Routing-Tabellen zu aktualisieren. Der ABR, R2, wie oben geannt und in der Tabelle aufgeführt, würde eine LSA an die Router im Bereich 0 senden, die schließlich an alle Router in der OSPF-Routing-Domäne überflutet würde. Diese Art von LSA führt nicht dazu, dass Router in anderen Bereichen den SPF-Algorithmus erneut ausführen. Sie müssen nur ihre LSDB- und Routing-Tabelle aktualisieren.

• Verbindungsausfall betrifft nur den lokalen Bereich (Bereich 69)
• Der ABR isoliert die Überflutung von spezifischem LSA im Gebiet 69.
• Router in den Bereichen 0 und 1 müssen den SPF-Algorithmus nicht ausführen.

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Einleitung sowie Hinführung zum Thema OSPF

Dieser Artikel beschäftigt sich mit dem Thema OSPF (Open Shortest Path First), wobei hier auf den Einzelbereich und Mehrbereich eingegangen wird.

OSPFv2 wird nur für IPv4-Netzwerke und OSPFv3 nur für IPv6-Netzwerke verwendet. Der primäre Fokus dieses Themas liegt auf OSPFv2 mit einem Bereich.

OSPF ist ein Link-State-Routing-Protokoll, welches als Alternative für das Distanzvektor-Routing-Informationsprotokoll (RIP) entwickelt wurde. Zu damaliger Zeit, im Kontext des Netzwerks und des Internets, war RIP ein hinnehmbares Routing-Protokoll.

Die Abhängigkeit des RIP, von der Anzahl der Hops als einzige Metrik zur Bestimmung der besten Route, kristallisierte sich jedoch schnell als Problematik heraus.

Unter Verwendung der Hop-Anzahl lässt sich in komplexen Netzwerken mit diversen Pfaden unterschiedlicher Geschwindigkeit suboptimal skalieren.

OSPF bietet gegenüber RIP immense Vorteile, da es eine schnellere Konvergenz bietet und sich auf viel größere Netzwerkimplementierungen skalieren lässt. OSPF ist ein Link-State-Routing-Protokoll, das das Konzept von Bereichen nutzt. Ein Netzwerkadministrator kann die Routingdomäne in verschiedene Bereiche unterteilen, um den Routing-Aktualisierungsverkehr zu steuern. Ein Link ist hier klassisch eine Schnittstelle auf einem Router.

Zum Netzwerksegment gehört auch der Begriff „Verbindung“, welcher auch Teil des Hiesigen ist und zwei Router verbindet. Somit lässt sich zum Beispiel ein Stub-Netzwerk über ein Ethernet-LAN verbinden, welches wiederum mit einem einzelnen Router Verbindung hält.

Der Begriff des Verbindungsstatus resultiert aus der Information über einen Status. Alle Verbindungsstatusinformationen umfassen das Netzwerkpräfix, die Präfixlänge und die Kosten.

Alle Routing-Protokolle haben homologe Komponenten. All diese Komponenten verwenden Routing-Protokollnachrichten, um Routeninformationen auszutauschen.

Beim Aufbau von Datenstrukturen, welche mithilfe eines Routing-Algorithmus verarbeitet werden, sind diese Nachrichten hilfreich.

RPM (Routing Protocol Messages)

Router, auf denen OSPF ausgeführt wird, tauschen Nachrichten aus, um Routing-Informationen mithilfe von fünf Pakettypen zu übermitteln. Diese Pakete werden gegliedert in:

• Hello packet
• Database description packet
• Link-state request packet
• Link-state update packet
• Link-state acknowledgment packet

Diese Pakete werden verwendet, um benachbarte Router zu erkennen und Routing-Informationen auszutauschen, um genaue Informationen über das Netzwerk zu erhalten.

Data Structures (Datenstrukturen)

OSPF-Nachrichten werden zum Erstellen und Verwalten von drei OSPF-Datenbanken wie folgt verwendet:

• Adjacency database: Damit wird die Nachbartabelle erstellt.
• Link-State-Datenbank (LSDB): Hiermit wird die Topologietabelle erstellt.
• Forwarding database (Weiterleitungsdatenbank): Hiermit wird die Routing-Tabelle erstellt.

Diese Tabellen enthalten eine Liste benachbarter Router zum Austausch von Routing-Informationen. Diese Tabellen werden im RAM gespeichert und verwaltet.

Algorithm (Algorithmus)

Anhand von Berechnungsergebnissen erstellt der Router die Topologietabelle, die auf dem SPF-Algorithmus (Dijkstra Shortest-Path First) basieren. Der SPF-Algorithmus wiederum basiert auf den kumulierten Kosten zum Erreichen eines Ziels.

Der SPF-Algorithmus erstellt einen SPF-Baum, indem jeder Router an der Wurzel des Baums platziert und der kürzeste Pfad zu jedem Knoten berechnet wird. Der SPF-Baum wird dann verwendet, um die besten Routen zu berechnen. OSPF platziert die besten Routen in der Weiterleitungsdatenbank, aus der die Routing-Tabelle erstellt wird.

Link-State Operation (Verbindungsstatusbetrieb)

Um die Routing-Informationen beizubehalten und einen Konvergenzstatus zu erreichen, führen OSPF-Router einen allgemeinen Routing-Prozess für den Verbindungsstatus durch.

Bei OSPF werden die Kosten verwendet, um den besten Pfad zum Ziel zu definieren. Dabei existieren Routing-Schritte für den Verbindungsstatus und das Ganze von einem Router ausgeführt:

• Nachbarschaften einrichten
• Exchange Link-State-Anzeigen austauschen
• Erstellen Sie die Verbindungsstatusdatenbank
• Führen Sie den SPF-Algorithmus aus
• Wählen Sie die beste Route