超簡単なOSPF+LSAの説明

はじめに

ネットワークスペシャリスト試験の勉強の中でOSPF、LSAについて調べたので備忘録。

OSPFとは

OSPF（Open Shortest Path First）は、ルーティングプロトコルの一種です。
※ルーティングプロトコルとは、ネットワーク内で「どの経路を通れば目的地に最適にたどり着けるか」を決めるルールのこと。

OSPFは、企業ネットワークやデータセンターなどの一つの組織内のネットワークで使用されることが多いです。
※IGP（Interior Gateway Protocol） と呼ばれるカテゴリに属します。

OSPFの特徴は以下の通りです。

• リンクステート型のルーティングプロトコル
  ネットワーク全体の地図を作り、最適な経路を計算する。
• 最短経路を計算する
  「一番早く届くルート」を自動で選んでくれる。
• ネットワークの変化に素早く対応
  どこかのルートが故障した場合、自動的に別のルートを探す。
• エリア分割による負荷分散が可能
  大規模ネットワークでも効率的に動作する。

OSPFの動作イメージ

なかなかイメージが難しいかもしれないので、以下のシナリオで説明してみたいと思います。

あなたの会社には、3つの拠点（A支社・B支社・本社）があります。
各拠点にはルータがあり、最適なルートを見つけるためにOSPFを使っています。
ネットワーク構成は以下の通りです。

• 本社ルータ（ルータH）
  A支社とB支社の両方とつながっている
• A支社ルータ（ルータA）
  本社ルータHとつながっている
• B支社ルータ（ルータB）
  本社ルータHとつながっている

この構成で、A支社のPCからB支社のPCへ通信する最適なルートをOSPFで決めることを目標とします。

①OSPFネットワークへの参加（Helloパケット）

まず、ルータ同士が隣接関係を確立するためにHelloパケットを送ります。

ルータA「やぁ、ここはOSPFネットワークかい？誰かいる？」（Helloパケット送信）
ルータH「おっ、新しいルータ発見！俺はルータH、本社を担当している。君は？」（Helloパケット送信）
ルータA「俺はA支社のルータA、よろしく！」

ルータB「俺はB支社のルータB！誰かいる？」（Helloパケット送信）
ルータH「よおB！俺はルータHだ、A支社のルータAもいるぞ！」（Helloパケット送信）

Helloパケットのやり取りにより、ルータA、ルータB、ルータHはお互いの存在を認識しました。

Helloパケットとは？
ルータがOSPFネットワークに参加する際に送信するパケット。
これにより、お互いの存在を確認し、隣接関係を確立する。

Helloパケットを受け取ったことを示す応答はありません。
お互いにHelloパケットを送信することで隣接関係が確立されます。

②ルータ間のネットワーク情報の交換（LSA Type 1）

ルータは自分が知っているネットワーク情報を広報します。（LSA Type 1送信）

ルータA「俺はA支社のネットワーク、192.168.1.0/24に接続してるぜ！」（LSA Type 1送信）
ルータB「俺はB支社のネットワーク、192.168.2.0/24に接続してるぞ！」（LSA Type 1送信）
ルータH「了解！A支社は192.168.1.0/24、B支社は192.168.2.0/24だな！」（LSDBを更新）

ルータH「ルータA、B支社の192.168.2.0/24はルータBが担当しているぞ！」（LSAのフラッディング）
ルータH「ルータB、A支社の192.168.1.0/24はルータAが担当だ！」（LSAのフラッディング）

LSA Type 1の共有により、A支社・B支社がそれぞれ相手のネットワーク範囲がどこにあるかを理解しました。

LSA Type 1（ルータLSA）とは？
ルータが「自分がどのネットワークに接続しているか」を広報するもの。
他のルータは、その情報を元にルーティングを構築する。

LSDB（Link-State Database）とは？
OSPFルータが持つ「ネットワーク全体の地図」のようなもの。

LSAのフラッディング（拡散）とは？
OSPFでは、すべてのルータが同じネットワークの地図（LSDB） を持つ。
各ルータに対してLSDBを拡散することで、すべてのルータで同じLSDBを保持できるようになる。
（イメージ的には同期が近い）

③ルータAとルータBが最適なルートを計算（SPFアルゴリズム）

ルータは認識したネットワーク情報を元に、最適なルートを計算します。

ルータA「ふむ...192.168.2.0/24に行くにはルータH経由が一番いいな！」
ルータB「192.168.1.0/24へはルータH経由が最適だな！」

ルータA「OK、B支社の192.168.2.0/24はルータH経由で行くように設定完了！」（ルーティングテーブルの更新）
ルータB「A支社の192.168.1.0/24へルータH経由で行くように設定した！」（ルーティングテーブルの更新）

これで、A支社とB支社間のルートが確立しました。
PC同士の通信が可能になったのです。

SPF（Shortest Path First）アルゴリズムとは？
OSPFではDijkstra（ダイクストラ）のアルゴリズムを使って、最短経路を計算する。
このアルゴリズムで、どの経路が一番短いか（コストが低いか） を導き、最適なルートを選択する。

ルートの再計算方法について

ルータHとルータBのリンクがダウンした場合を考えてみましょう。

OSPFではHelloパケットを一定間隔で送ることで、隣接ルータの生存確認をしています。

ルータH「ルータBからHelloパケットが来なくなった...ダウンしたか！？」
ルータH「とりあえず、ルータBの情報を削除したLSAを送るぞ！」（LSAのフラッディング）
ルータA「えっB支社のルートが削除されてる！」（LSDBの更新）

ルータA「別のルートでB支社に行けないかSPFを再計算しよう！」

ここで、ルータAと接続されている機器、ルータC（別拠点）とルータBが接続されているものとします。

ルータC「俺はルータBに接続してるぞ！」（LSA Type 1送信）
ルータA「なるほど！ルータC経由ならルータBに行けるのか！」（LSDBの更新）

このように、OSPFの強みは、ネットワークの変化にすぐ対応できることです。
どこかのリンクがダウンしても、新しいルートを自動計算します。

隣接ルータの生存確認
OSPFでは、一定間隔（デフォルト：10秒）でHelloパケットを送信する。
デッドタイマー（デフォルト：40秒）経っても応答がなければ、そのルータはダウンとみなされる。
ルータがダウンしたことを検知した場合、新しいLSAを送信する。

LSAのTypeについて

上の例を見てもらえばわかるように、OSPFではLSA（リンクステートアドバタイズメント） を用いてネットワークの情報を交換し、すべてのルータが同じLSDB（リンクステートデータベース） を持つように同期します。

LSAには複数の種類があり、それぞれが異なる役割を持っています。
ここでは基本的な、Type1～5までを紹介します。

LSA Type 1（ルータLSA）

自分がどのネットワークに接続しているルータかを通知します。

• 送信者：すべてのOSPFルータ
• 範囲：OSPFの同じエリア内（エリアを越えない）
• 役割：
  • ルータが自分の接続しているネットワークを広告
  • 隣接ルータとの接続情報を共有
  • OSPFの最も基本的なLSA

ルータA：「俺は192.168.1.0/24につながってる！」

LSA Type 2（ネットワークLSA）

LAN上にどのルータが存在しているかを通知します。

• 送信者：DR（デザインルータ）のみ
• 範囲：OSPFの同じエリア内（エリアを越えない）
• 役割：
  • ブロードキャストネットワーク（LAN）上に接続されているすべてのルータ情報を共有
  • すべてのルータが全員とHelloパケットを交換しないように、DR（デザインルータ） が代表して情報を送る

ルータH（DR）：「このLANにはルータAとルータBがいるぞ！」

DR（デザインルータ）とは？
LANなどでOSPFの情報を効率的に管理する代表ルータ。
OSPFでは、LANなどのブロードキャスト可能なネットワークにおいて、ルータ同士が全員とHelloパケットをやり取りすることでパケットの逼迫につながる。
その解決策として、1台のルータを代表にしてネットワーク全体の情報をまとめる。

ちなみに、DRはネットワーク内のルータで最もプライオリティ値（OSPF Priority）が高いものが選出される。

LSA Type 3（サマリLSA）

他のエリアのネットワーク情報を通知します。

• 送信者：ABR（エリアボーダールータ）
• 範囲：OSPFの異なるエリア間
• 役割：
  • OSPFのエリアをまたぐネットワーク情報を広報する
  • 例えば、エリア0（バックボーン）にあるネットワークをエリア1に伝える

ルータH（ABR）：「エリア0には192.168.1.0/24もあるぞ！」

ABRとは？
OSPFの異なるエリアを接続するルータ。
OSPFではネットワークを複数のエリアに分割することで、ルータが処理するルート情報を減らしてネットワークのスケーラビリティを向上させる仕組みがある。
その異なるエリアを接続するルータがABRとなる。

LSA Type 4（ASBRサマリLSA）

ASBRの情報を通知します。

• 送信者：ABR
• 範囲：OSPFの異なるエリア間
• 役割：
  • ASBRの情報を広報
  • LSA Type 5（外部LSA）を送るASBRをネットワーク全体に通知する

ルータH（ABR）：「外部ネットワークに接続するときはASBRルータXに聞け！」

ASBR（Autonomous System Boundary Router）とは？
OSPFと外部ネットワーク（BGPやスタティックルートなど）をつなぐルータ。
OSPFは基本的にOSPF内部のルータ同士でネットワーク情報をやり取りするプロトコルだが、
現実のネットワークではOSPFの外（別のASやBGP、スタティックルート）と通信する必要がある。
そのとき、外部ネットワークの情報をOSPF内に広報する役割を持つルータがASBR。
簡単に言うと、OSPFと外部ネットワークの窓口。

LSA Type 5（外部LSA）

BGPなどの外部ルート情報をOSPFに広報します。

• 送信者：ASBR
• 範囲：OSPFの全エリア（スタブエリアを除く）
• 役割：
  • OSPFの外（例えばBGP経由のインターネット等）のルートをOSPFネットワークに広報する

ASBR：「インターネットの8.8.8.8/32は俺のところ経由だ！」

スタブエリアとは？
OSPFのトラフィックを減らして、ルーティングをシンプルにするためのエリア。
OSPFは大規模なネットワークでも使えるように設計されているため、エリアを分割して管理する仕組みがある。
しかしエリアが増えると、それぞれのルータが管理する経路情報（LSA）が増えてしまい、処理負荷が高くなる。
解決策として、OSPFのルート情報を制限し、不要なLSAを抑えて処理負荷を減らすのがスタブエリア。
簡単に言うと、スタブエリアのルータは外部ネットワークの情報は受け取らず、とりあえずデフォルトゲートウェイに通信を送る、みたいなイメージ。

BGPとOSPFについて

OSPFとBGPは担う役割が異なるルーティングプロトコルです。
OSPFは内部のルート情報を管理するプロトコルであるのに対し、
BGPはインターネット状の異なるAS（Autonomous System）をつなぐルーティングプロトコルです。

簡単に言うと、BGPは異なるISP同士のルーティング情報をやり取りするプロトコルです。

また、属するカテゴリも
OSPFがIGP（Interior Gateway Protocol） であるのに対し、
BGPはEGP（Exterior Gateway Protocol） です。

BGPについては別記事で詳しく解説したいと思います。

まとめ

普段の業務で意識するのはLAN内のネットワークが主だったので、デフォルトゲートウェイを抜けた後の通信について知る良い機会でした。
インターネットって複雑な仕組みで出来てるんですね...