پروتکل OSPF

زمان تخمینی مطالعه: 14دقیقه 

OSPF سرنام (Open Shortest Path First) یک پروتکل مسیریابی داخلی است که در شبکه‌های آی‌پی استفاده می‌شود. OSPF از الگوریتم SFP سرنام (Shortest Path First) برای یافتن مسیرهای کوتاه‌تر و بهینه‌تر بین مسیریاب‌ها استفاده می‌کند. مزیت اصلی OSPF نسبت به سایر پروتکل‌های مسیریابی مانند RIP سرنام (Routing Information Protocol) این است که OSPF به صورت پویا و هوشمندانه اطلاعات مسیریابی را به اشتراک می‌گذارد. با استفاده از OSPF، مسیریاب‌ها می‌توانند به صورت خودکار تغییرات در شبکه را تشخیص داده و اطلاعات مسیریابی را به‌روزرسانی کنند. همین مساله باعث شده تا OSPF به عنوان یک پروتکل مسیریابی پویا، مقیاس‌پذیر و انعطاف‌پذیر مورد توجه قرار بگیرد. OSPF از مفهوم “منطقه‌ها” برای تقسیم شبکه به بخش‌های کوچک‌تر استفاده می‌کند. هر منطقه شامل یک یا چند مسیریاب است و OSPF فقط اطلاعات مسیریابی داخل هر منطقه را به اشتراک می‌گذارد.

پروتکل OSPF چگونه کار می‌کند؟

زمانی که OSPF در یک شبکه فعال می‌شود، مسیریاب‌ها با یکدیگر اطلاعات مربوط به مسیریابی را به اشتراک می‌گذارند و بهترین مسیرها را برای هدایت ترافیک تعیین می‌کنند. عملکرد پروتکل فوق به شرح زیر است:

شناخت همسایگان: مسیریاب‌ها با همسایگان خود از طریق پیام‌های Hello OSPF ارتباط برقرار می‌کنند. این پیام‌ها شامل اطلاعاتی مثل آدرس آی‌پی و Hello Interval هستند. در این مرحله، مسیریاب‌ها همدیگر را شناسایی می‌کنند و ارتباطات را امکان‌پذیر می‌کنند.

تشکیل همسایگی: پس از برقراری ارتباط با همسایگان، OSPF از پیام‌های Hello برای تشخیص اتصالات مستقیم استفاده می‌کند. با تطابق اطلاعاتی مانند شبکه، آدرس IP و مسیرها، روترها می‌توانند اصالت و فعال بودن همسایگان خود را تایید کنند و ارتباط امکان‌پذیر کنند.

تبادل جداول مسیریابی: پس از تشکیل همسایگی، مسیریاب‌ها اطلاعات جدول مسیریابی خود را با یکدیگر به اشتراک می‌گذارند. این اطلاعات شامل مسیرها، متریک‌ها و وضعیت لینک‌ها است. با تبادل این اطلاعات، مسیریاب‌ها می‌توانند جداول مسیریابی خود را به‌روزرسانی کنند و بهترین مسیرها را برای هدایت ترافیک تعیین کنند.

محاسبه مسیرها:  همان‌گونه که اشاره کردیم OSPF از الگوریتم SPF برای محاسبه مسیرهای بهینه استفاده می‌کند. با توجه به اطلاعات جداول مسیریابی و متریک‌ها، OSPF سعی می‌کند ترافیک را از طریق بهترین مسیر انتقال دهد. به طور معمول، سنجه‌ها بر مبنای شاخصه‌هایی مثل هزینه لینک‌ها (پهنای باند) تعیین می‌شوند و OSPF سعی می‌کند بر مبنای این سنجه‌ها مسیرهایی که هزینه کمتری دارند را انتخاب کند.

به‌روزرسانی جداول مسیریابی: هرگاه تغییری در شبکه رخ دهد (مانند قطع یا اضافه شدن دستگاه‌ها)، OSPF به صورت پویا جداول مسیریابی خود را به‌روزرسانی می‌کند. این به‌روزرسانی‌ها از طریق پیام‌های Hello و پیام‌های Link State Update انجام می‌شود. با به‌روزرسانی جداول مسیریابی، OSPF تغییرات در شبکه را تشخیص می‌دهد و بهترین مسیرها را برای هدایت ترافیک به‌روز می‌کند.

حذف لینک‌ها: در صورتی‌که یک لینک یا مسیر در شبکه قطع شود، OSPF این تغییر را تشخیص می‌دهد و لینک مربوط را از جدول مسیریابی خود حذف می‌کند. سپس با استفاده از الگوریتم SPF، مسیرهای جدید را محاسبه و به‌روزرسانی می‌کند.

بر مبنای معماری فوق، OSPF به صورت پویا و هوشمندانه اطلاعات مسیریابی را در شبکه به‌روزرسانی می‌کند و بهترین مسیرها را برای هدایت ترافیک تعیین می‌کند. رویکرد فوق به OSPF اجازه می‌دهد تا به صورت خودکار با تغییرات در شبکه سازگار شود و بهینه‌ترین مسیرها را انتخاب کند.

الگوریتم Shortest Path First

الگوریتم SPF سرنامShortest Path First  یک الگوریتم مسیریابی است که برای یافتن کوتاه‌ترین مسیرها در شبکه‌های مبتنی بر گراف استفاده می‌شود. SPF از خانواده‌ الگوریتم‌های معروف الگوریتم Dijkstra و الگوریتم Bellman-Ford است. الگوریتم Dijkstra کوتاه‌ترین مسیرها را بین یک گره مبدا و تمام گره‌های دیگر در یک گراف جهت‌دار وزن‌دار پیدا می‌کند. الگوریتم Dijkstra به صورت تدریجی و با استفاده از یک صف اولویت (Priority Queue) مسیرها را بهبود می‌دهد تا به کوتاه‌ترین مسیرها برسد. الگوریتم Bellman-Ford نیز برای یافتن کوتاه‌ترین مسیرها در یک گراف جهت‌دار وزن‌دار استفاده می‌شود، اما می‌تواند با وجود یال‌های منفی نیز کار کند. الگوریتم Bellman-Ford از روش تکرارشونده استفاده می‌کند و در هر مرحله بهبودی در مسیرها اعمال می‌کند تا بتواند کوتاه‌ترین مسیر را شناسایی کند. این الگوریتم برای گراف‌هایی با یال‌های منفی مناسب است، اما در برخی موارد ممکن است با حلقه بی‌نهایت روی یال‌ها روبرو شود. هدف اصلی این الگوریتم‌ها یافتن کوتاه‌ترین مسیر بین دو گره است. الگوریتم SPF نیز برای محاسبه کوتاه‌ترین مسیرها بین گره‌ها استفاده می‌شود. در این الگوریتم، ابتدا هر گره در شبکه به عنوان یک گره مبدا در نظر گرفته می‌شود. سپس، الگوریتم SPF برای هر گره، کوتاه‌ترین مسیرها را به تمامی گره‌های دیگر در شبکه محاسبه می‌کند.

الگوریتم SPF بر اساس معیارهای وزن و هزینه مسیریابی، کوتاه‌ترین مسیرها را تعیین می‌کند. وزن معمولا بر اساس معیارهایی مانند فاصله فیزیکی، پهنای باند یا تاخیر بین گره‌ها محاسبه می‌شود. بعد از محاسبه مسیرهای کوتاه‌ برای هر گره، OSPF این اطلاعات را در دیتابیس مسیریابی خود ذخیره می‌کند. سپس، مسیریاب‌ها در شبکه از این اطلاعات برای انتخاب مسیر مناسب برای ارسال ترافیک استفاده می‌کنند. به این ترتیب، OSPF با استفاده از الگوریتم SPF کوتاه‌ترین مسیرها بین گره‌ها را محاسبه و به روزرسانی می‌کند تا عملکرد و قابلیت اطمینان شبکه را بهبود دهد.

پروتکل OSPF چگونه مسیرهای بهینه را تعیین می‌کند؟

الگوریتم SPF نقش کلیدی در انتخاب مسیرهای بهینه دارد. هنگامی که OSPF سعی می‌کند بهترین مسیر را انتخاب کند، مجموعه کارهای زیر را انجام می‌دهد:

ساخت نقشه مسیریابی: هر مسیریاب OSPF نقشه‌ای از شبکه را دریافت می‌کند که شامل اطلاعات لینک‌ها و همسایگان است. این نقشه مسیریابی معمولا با استفاده از پیام‌های Hello و پیام‌های Link State Update جمع‌آوری می‌شود. در این نقشه، هر لینک دارای معیار هزینه (مثلا پهنای باند) است.

محاسبه درخت: OSPF از الگوریتم SPF برای محاسبه مسیرهای بهینه استفاده می‌کند. این الگوریتم از ریشه تا تمامی گراف را پیمایش می‌کند تا کوتاه‌ترین مسیر را بر اساس هزینه لینک‌ها تعیین کند. الگوریتم SPF با استفاده از معیارهای هزینه، درختی به نام درخت SPF را ایجاد می‌کند که نشان می‌دهد کدام مسیرها بهترین مسیرهای بهینه هستند.

انتخاب مسیرهای بهینه: پس از ساخت درخت SPF، OSPF برای هر مقصد در شبکه، مسیرهای بهینه را تعیین می‌کند. با استفاده از درخت SPF، OSPF مسیری که کمترین هزینه را دارد (با توجه به معیارهای هزینه مشخص شده) به عنوان مسیر بهینه برای هدایت ترافیک انتخاب می‌کند.

به‌روزرسانی جداول مسیریابی: پس از تعیین مسیرهای بهینه، OSPF جداول مسیریابی خود را به‌روزرسانی می‌کند. این جداول شامل اطلاعاتی مانند مقصد، مسیرها و معیارهای هزینه مربوط هستند. با به‌روزرسانی جداول مسیریابی، OSPF مسیرهای بهینه را برای هدایت ترافیک به‌روز می‌کند.

معیارهای هزینه در پروتکل OSPF

OSPF از معیارهای هزینه مختلفی برای شناسایی بهترین مسیر استفاده می‌کند. برخی از این معیارها به شرح زیر هستند:

پهنای باند (Bandwidth): معیار هزینه مبتنی بر پهنای باند معمولا باعث می‌شود OSPF ترافیک را از طریق لینک‌هایی با پهنای باند بالاتر هدایت کند. مقادیر هزینه معمولا برعکس پهنای باند لینک هستند، یعنی لینک‌های با پهنای باند بیشتر مقدار هزینه کمتری دارند.

تاخیر (Delay): معیار هزینه بر اساس تاخیر لینک می‌تواند مقادیر هزینه را تعیین کند. لینک‌های با تاخیر کمتر معمولا هزینه کمتری دارند و OSPF تمایل دارد ترافیک را از طریق این لینک‌ها هدایت کند.

هزینه (Cost): در برخی موارد، می‌توانید مقدار هزینه را به صورت دستی تنظیم کنید که اجازه می‌دهد تا معیار هزینه را بر اساس اولویت‌ها و نیازهای خاص خود تنظیم کنید. به عنوان مثال، می‌توانید لینک‌هایی که برای ارتباط با سرورهای حساس به تاخیر استفاده می‌شود را با معیار هزینه کمتر تنظیم کنید.

هر یک از این معیارهای هزینه می‌توانند با استفاده از مقادیر عددی مختلف اعمال شوند. مقادیر هزینه ممکن است به صورت ثابت تعیین شوند یا می‌توانند متغیر باشند و بر اساس شرایط شبکه و تنظیمات مسیریاب تغییر کنند. همچنین، OSPF از مقیاس معیار هزینه برای تعیین مسیرهای بهینه استفاده می‌کند. مقیاس معیار هزینه ممکن است خطی باشد (مانند پهنای باند) یا غیرخطی (مانند تاخیر). در صورت استفاده از مقیاس غیرخطی، توجه به تاثیر معیار هزینه بر محاسبه مسیرها و انتخاب مسیرهای بهینه الزامی است.

مزیت OSPF نسبت به سایر پروتکل‌های مسیریابی داخلی چیست؟

همان‌گونه که اشاره کردیم، OSPF پروتکل مسیریابی داخلی آی‌پی محور است که مزایای شاخصی نسبت به سایر پروتکل‌های مسیریابی داخلی دارد. برخی از این مزایا به شرح زیر است:

مقیاس‌پذیری بالا: OSPF به دلیل استفاده از ساختار شبکه‌ای سلسله‌مراتبی و تقسیم‌بندی شبکه به مناطق (Areas)، قابلیت مقیاس‌پذیری بالایی دارد. با تقسیم‌بندی شبکه به مناطق کوچک‌تر، تعداد پیام‌ها و تحلیل‌های مسیریابی کاهش می‌یابد و همچنین امکان گسترش‌پذیری شبکه بدون آن‌که عملکرد کلی شبکه با افت شدیدی روبه‌رو شود، وجود دارد.

پشتیبانی از متعادل‌سازی بار: OSPF قابلیت متعادل‌سازی بار (Load Balancing) را دارد. با استفاده از OSPF، می‌توان ترافیک را بین مسیرهای متفاوت توزیع کرد و بار را به طور متوازن بین لینک‌ها تقسیم کرد. راهکار فوق منجر به بهبود عملکرد شبکه، بهبود زمان پاسخ و افزایش پایداری می‌شود.

امنیت: OSPF امکان استفاده از مکانیزم‌های امنیتی مانند احراز هویت (Authentication) را فراهم می‌کند. با استفاده از احراز هویت، OSPF مانع از آن می‌شود تا اطلاعات مسیریابی اشتباه به جداول مسیریابی وارد شوند و به این شکل امنیت شبکه را افزایش می‌دهد.

پشتیبانی از چند مسیری: پروتکل OSPF قابلیت پشتیبانی از چند مسیر را دارد. به بیان دقیق‌تر، می‌توان OSPF را بر روی مسیریاب‌های مختلف از تولیدکنندگان مختلف مورد استفاده قرار داد، بدون این‌که نیاز به پروتکل‌های خاصی باشد. قابلیت فوق، انعطاف‌پذیری در انتخاب تجهیزات شبکه و استفاده از تکنولوژی‌های مختلف را فراهم می‌کند.

پایداری: OSPF با استفاده از الگوریتم SPF و به‌روزرسانی مداوم جداول مسیریابی، با تغییرات در شبکه سریعا سازگار می‌شود و به‌روزرسانی‌های مسیریابی را به شکل دقیقی انجام می‌دهد تا پایداری شبکه را به بهترین حالت برساند.

پشتیبانی از انواع رابط‌ها: OSPF قابلیت کار با انواع مخلف رابط‌ها از جمله اترنت، اتصالات فیبر نوری و سریال را دارد. بنابراین، مشکلی از بابت استفاده از پروتکل فوق هم‌سو با رابط‌های مختلف وجود ندارد.

به طور کلی، OSPF با مقیاس‌پذیری بالا، پشتیبانی از مکانیزم متعادل‌سازی بار، امنیت بالا، پایداری و قابلیت انعطاف‌پذیری در انتخاب تجهیزات و توپولوژی شبکه، به عنوان یک پروتکل مسیریابی داخلی، مزیت‌های قابل توجهی نسبت به رقبا دارد.

چگونه OSPF تغییرات در شبکه را تشخیص می‌دهد و جداول مسیریابی را به‌روزرسانی می‌کند؟

پروتکل OSPF از روش‌های مختلفی برای شناسایی تغییرات در شبکه و به‌روزرسانی جداول مسیریابی استفاده می‌کند. برخی از مهم‌ترین روش‌ها به شرح زیر است:

پیام‌های Hello : با استفاده از پروتکل Hello به صورت متناوب پیام‌های Hello بین مسیریاب‌ها ارسال می‌شود. این پیام‌ها شامل اطلاعات همسایگی OSPF هستند. هر مسیریاب OSPF در یک منطقه (Area) پیام‌های Hello را به همسایگان خود ارسال می‌کند تا همسایگی را برقرار کند. با دریافت پیام‌های Hello، OSPF قادر است به تغییرات در وضعیت همسایگان و همچنین دریافت و ارسال پیام‌های Hello پاسخ دهد.

پیام‌های LSA سرنام Link State Advertisement: هر مسیریاب اطلاعات خود را در قالب پیام‌های LSA به سایر مسیریاب‌ها ارسال می‌کند. این پیام‌ها شامل جزییاتی درباره لینک‌های موجود در شبکه، وضعیت آن‌ها و دیگر اطلاعات OSPF هستند. مسیریاب‌ها پس از دریافت LSA، اطلاعات درون آن را تجزیه و تحلیل کرده و جداول مسیریابی خود را به‌روزرسانی می‌کنند. هر تغییر در شبکه، مانند اضافه شدن یک لینک جدید، قطع شدن یک لینک یا تغییر وضعیت یک لینک، باعث ارسال مجدد LSA و به‌روزرسانی جداول مسیریابی می‌شود.

الگوریتم SPF سرنام (Shortest Path First): با استفاده از الگوریتم SPF مسیرهای بهینه را محاسبه و جداول مسیریابی خود را به‌روزرسانی می‌کند. الگوریتم SPF بر اساس معیارهای هزینه مثل پهنای باند یا تاخیر و اطلاعات دریافتی از LSA، بهترین مسیرها را برای هر مقصد در شبکه تعیین می‌کند. با تغییرات در LSA و به‌روزرسانی جداول مسیریابی، الگوریتم SPF محاسبه مجدد مسیرهای بهینه را انجام می‌دهد و جداول مسیریابی را به‌روز می‌کند.

با استفاده از این روش‌ها، OSPF تغییرات در شبکه را تشخیص می‌دهد و با به‌روزرسانی پیام‌های Hello، LSA و الگوریتم SPF، جداول مسیریابی خود را به‌روز می‌کند. این فرآیند به صورت پویا و همزمان در شبکه OSPF انجام می‌شود تا مسیریاب‌ها بتوانند تغییرات لحظه‌ای را دریافت کنند.

مکانیزم‌های روند احراز هویت در OSPF

در پروتکل OSPF ، فرآیند احراز هویت همسایگی بین مسیریاب‌ها با هدف افزایش اعتماد انجام می‌شود. فرآیند فوق به شرح زیر انجام می‌شود:

OSPF Password: یک رمز عبور OSPF بین مسیریاب‌ها تعریف می‌شود. اگر دو مسیریاب همسایه از یک پسورد OSPF یکسان استفاده کنند، همسایگی بین آن‌ها برقرار خواهد شد. در صورت تفاوت پسورد، همسایگی بین مسیریاب‌ها برقرار نمی‌شود و ارتباط OSPF قطع می‌شود. البته، روش فوق امنیت بالایی ندارد و در نتیجه در شبکه‌هایی که نیازمند امنیت بالایی هستند، توصیه نمی‌شود.

تاییدیه MD5  (MD5 Authentication): در این روش، برای برقراری همسایگی OSPF، یک کلید MD5 بین مسیریاب‌ها تعریف می‌شود. مسیریاب‌ها پیام‌های OSPF خود را با استفاده از کلید MD5 تایید می‌کنند. در صورت عدم تطابق کلید MD5، همسایگی بین مسیریاب‌ها قطع می‌شود. استفاده از تاییدیه MD5 امنیت بیشتری در مقایسه با پسورد OSPF دارد.

تاییدیه IPsec (IPsec Authentication): در این روش، از پروتکل امنیتی IPsec برای احراز هویت OSPF استفاده می‌شود. IPsec امکان ایجاد تونل امن بین مسیریاب‌ها را فراهم می‌کند و از الگوریتم‌های رمزنگاری و تاییدیه مانند بارداده امنیتی کپسوله‌شده ESP سرنام  (Encapsulating Security Payload) یا سرآیند احراز هویت AH سرنام AH (Authentication Header) استفاده می‌کند. با استفاده از IPsec، مسیریاب‌ها می‌توانند ارتباط OSPF را از طریق تونل‌های امن ایجاد کنند و از احراز هویت برای اطمینان از قانونی بودن مسیریاب استفاده کنند.

در مجموع باید بگوییم که استفاده از مکانیزم‌های احراز هویت در OSPF به کارشناسان شبکه و مدیران امنیت اجازه می‌دهد تا امنیت و صحت ارتباط OSPF را تضمین کنند و مانع از آن شوند تا هکرها دسترسی غیرمجاز به شبکه پیدا کرده یا تجهیزات جعلی را به شبکه وارد کنند.

چه مزایایی در استفاده از تاییدیه IPsec در OSPF وجود دارد؟

همان‌گونه که می‌دانیم IPsec پروتکل قدرتمندی در دنیای امنیت است، به طوری که IPv6 به شکل پیش‌فرض از آن استفاده می‌کند. هنگامی که پروتکل مذکور با ر OSPF عجین می‌شود، مزایای مهمی در اختیار ما قرار می‌دهد که برخی از آن‌ها به شرح زیر هستند:

امنیت اطلاعات: با استفاده از IPsec، ارتباط OSPF بین مسیریاب‌ها رمزگذاری و ایمن می‌شود. به بیان دقیق‌تر، اطلاعات OSPF که شامل اطلاعات مربوط به شبکه و جداول مسیریابی است، با استفاده از الگوریتم‌های رمزنگاری قوی مانند AES سرنام (Advanced Encryption Standard) رمزنگاری می‌شود که مانع دسترسی غیرمجاز به اطلاعاتی می‌شود که توسط OSPF ارسال می‌شوند.

احراز هویت: IPsec به مسیریاب‌ها اجازه می‌دهد تا هویت خود را برای یکدیگر به اثبات برسانند. به این ترتیب فرآیند همسایگی OSPF بین مسیریاب‌ها با امنیت بالایی انجام می‌شود و با مشکلاتی مثل مسیریاب تقلبی روبه‌رو نخواهیم شد. تایید هویت با استفاده از IPsec از طریق تبادل گواهی‌نامه‌ها و مکانیزم‌های عمومی امنیت شبکه (PKI) صورت می‌گیرد.

جلوگیری از تغییرات غیرمجاز: با استفاده از IPsec، اطلاعات OSPF مبتنی بر هویت مسیریاب‌ها رمزگذاری و امضا می‌شود. این امضاها تایید می‌کنند که اطلاعات OSPF توسط مسیریاب صحیحی ارسال شده است و تغییرات غیرمجاز توسط هکرها در شبکه بی اثر خواهد بود. بنابراین، قابلیت اعتماد و صحت اطلاعات OSPF به شکل قابل توجهی افزایش پیدا می‌کند.

سادگی پیکربندی: IPsec ابزارها و پروتکل‌های استاندارد را برای ایجاد تونل امن فراهم می‌کند. همچنین، برای پیکربندی IPsec در OSPF، می‌توان از ابزارها و راهکارهای پیکربندی استاندارد استفاده کرد. از این‌رو، پیکربندی و مدیریت IPsec ساده‌تر می‌شود و نیاز به پیکربندی مستقل برای OSPF کاهش پیدا می‌کند.

در مجموع باید بگوییم که استفاده از تاییدیه IPsec در OSPF امنیت شبکه را افزایش می‌دهد و مانع بروز مشکلات احتمالی مثل استفاده از پسورد OSPF ساده و ضعیف می‌شود. با استفاده از رمزنگاری قوی و احراز هویت مناسب، OSPF می‌تواند در شبکه‌هایی که نیازمند امنیت بالا هستند، استفاده شود.

بخوانید: آشنایی با روش های انتقال داده ها