Routage dynamique - Le protocole OSPF

Cet article est écrit avec DocBook XML sur un système Debian GNU/Linux. Il est disponible en version imprimable au format PDF : zebra.ospf.pdf.

Toutes les commandes utilisées dans ce document ne sont pas spécifiques à une version particulière des systèmes UNIX ou GNU/Linux. Comme la distribution Debian GNU/Linux est utilisée pour l'ensemble des supports du projet inetdoc.LiNUX, voici une liste des paquets contenant les commandes nécessaires :

• net-tools - The NET-3 networking toolkit ;
• quagga - Unofficial successor of the Zebra BGP/OSPF/RIP routing daemon ;
• quagga-doc - info files for quagga ;
• zebra & zebra-doc - anciens paquets non mis à jour depuis 2003.

Les copies d'écran présentées ici correspondent à la publication initiale. Depuis, les versions de Zebra puis de Quagga ont évolué et l'affichage des informations de routage a été modifié. Cependant, ces modifications ne devraient pas gêner les lecteurs.

Le routeur est un élément essentiel dans l'aiguillage des paquets de données dans un inter réseau. Pour chaque paquet reçu, il extrait le préfixe réseau de l'adresse IP de destination du paquet et le recherche dans une table qu'il possède en mémoire. Cette table de routage contient essentiellement une liste d'adresses réseau et, pour chacune, le moyen de l'atteindre, à savoir l'adresse d'un routeur immédiatement voisin et situé sur la route vers la destination. Si le routeur trouve dans cette table le préfixe réseau, il transmet le paquet sur le réseau du routeur voisin concerné. Ce processus sera renouvelé par le routeur voisin et ainsi de suite, de proche en proche le paquet sera orienté vers sa destination.

Seulement voilà, il faut saisir les tables de routage ! Travail fastidieux pour les petits doigts agiles de l'administrateur lorsque les réseaux sont de grande taille. De plus, compte tenu de l'évolution du nombre de réseaux à interconnecter dans le cas d'Internet, il est de toute façon devenu impossible de se cantonner au routage statique (souvenez-vous, dans le document première partie, routage statique nous nous sommes adonnés aux joies de la saisie de routes statiques avec Zebra).

C'est pourquoi le routage dynamique a été imaginé afin d'alléger la charge d'administration, mais aussi pour réaliser des réseaux tolérants aux pannes d'un routeur ou d'une liaison. RIP est un bon exemple de protocole de routage dynamique (reportez-vous au document deuxième partie, routage RIP pour découvrir tous ses secrets). Les routeurs supportant RIP s'échangent périodiquement des informations sur les routes qu'ils possèdent (les fameux «vecteurs de distance»). Si une panne se produit, les routeurs immédiatement voisins notent que certaines routes sont devenues inaccessibles et propagent l'information aux autres. Mais hélas, RIP souffre de certaines limitations qui ont poussé l'IETF (TheInternet Engineering Task Force) à plancher sur un protocole plus robuste, plus efficace, plus paramétrable et supportant des réseaux de grande taille. Cette merveille s'appelle OSPF (Open Shortest Path First).

Le fonctionnement de ce protocole est défini dans le document RFC2328. Les logiciels de Zebra et de son successeur Quagga supportent cette définition du protocole OSPF.

Supposons que du routeur R1 on cherche à atteindre le réseau 192.168.1.0. Dans une telle situation, Le protocole RIP aurait élu la route passant par R5 puisque c'est la plus courte en termes de saut. Cependant, imaginez que les liens représentés sous forme d'éclairs soient «rapides» (de type FastEthernet à 100 Mbps par exemple) et que les liens représentés sous forme de segments droits soient «lents» (de type Ethernet à 10 Mbps par exemple). Le choix du protocole RIP n'est plus du tout pertinent !

Le protocole OSPF fonctionne différemment. Il attribue un coût à chaque liaison (appelée lien dans le jargon OSPF) afin de privilégier l'élection de certaines routes. Plus le coût est faible, plus le lien est intéressant. Par défaut, les coûts suivants sont utilisés en fonction de la bande passante du lien :

La formule de calcul est simplissime :

                      10^8
  coût =  -------------------------------
           bande passante du lien en bps

La référence 10^8 correspond à un débit maximum de 100 Mbps. Dans le cas où l'on utilise des interfaces avec un débit supérieur, il est possible de redéfinir la référence avec une commande du type autocost reference-bandwidth 1000 pour la valeur 10^9.

Le protocole OSPF privilégie les routes qui ont un coût faible, donc celles qui sont supposées rapides en terme de débit théorique.

Avec le protocole OSPF, tous les routeurs d'un même réseau (on parle de «zone» dans le vocabulaire OSPF, ceci vous sera expliqué avant la mise en pratique) travaillent sur une base de données topologique identique qui décrit le réseau. Cette base a été constituée pendant une première phase de découverte qui vous sera expliquée un peu plus loin. Examinons la base de données suivante qui décrit la topologie de la figure 1 :

L'algorithme SPF de Dijsktra va traiter cette base de données afin de déterminer les routes les moins coûteuses. Une fois le traitement réalisé, chaque routeur se voit comme la racine d'un arbre contenant les meilleures routes. Par exemple :

Dans l'exemple, entre R1 et 192.168.1.0, la meilleure route passe par R2, R3 et R4 pour un coût total de 1 + 1 + 10 + 10 soit 22.

La base de données topologique décrit le réseau, mais ne sert pas directement au routage. La table de routage est déterminée par l'application de l'algorithme du SPF sur la base topologique. Sur R1, voici un extrait de la table de routage calculée par SPF au sujet du réseau 192.168.1.0 :

Sur R5, on aura l'extrait suivant :

Le processus de routage OSPF est inactif sur tous les routeurs de la figure 1.

Les routeurs OSPF sont bien élevés. Dès qu'ils sont activés, ils n'ont qu'une hâte : se présenter et faire connaissance avec leurs voisins. En effet, lorsque le processus de routage est lancé sur R1 (commande router ospf), des paquets de données (appelés paquets HELLO) sont envoyés sur chaque interface où le routage dynamique a été activé (commande network).

L'adresse multicast 224.0.0.5 est utilisée, tout routeur OSPF se considère comme destinataire. Ces paquets ont pour but de s'annoncer auprès de ses voisins. Deux routeurs sont dits voisins s'ils ont au moins un lien en commun. Par exemple, sur la figure 1, R1 et R2 sont voisins, mais pas R1 et R3.

Lorsque le processus de routage OSPF est lancé sur R2, celui-ci récupère les paquets HELLO émis par R1 toutes les 10 secondes (valeur par défaut du temporisateur appelé hello interval). R2 intègre l'adresse IP de R1 dans une base de données appelée «base d'adjacences» (adjacencies database). Cette base contient les adresses des routeurs voisins. Vous pourrez visionner son contenu grâce à la commande show ip ospf neighbor. R2 répond à R1 par un paquet IP unicast. R1 intègre l'adresse IP de R2 dans sa propre base d'adjacences. Ensuite, généralisez ce processus à l'ensemble des routeurs de la zone.

Cette phase de découverte des voisins est fondamentale puisque OSPF est un protocole à état de liens. Il lui faut connaître ses voisins pour déterminer s'ils sont toujours joignables et donc déterminer l'état du lien qui les relie.

Dans une zone OSPF composée de réseaux de diffusion (broadcast networks) ou de réseaux à accès multiples sans diffusion (NBMA ou non broadcast multiple access networks), pour chacun de ces deux types de réseau, un routeur doit être élu «routeur désigné» (DR ou Designated Router) et un autre «routeur désigné de secours» (BDR ou Backup Designated Router). Le «routeur désigné» (DR) est un routeur particulier qui sert de référent pour la base de données topologique représentant le réseau.

Pourquoi élire un routeur désigné ? Cela répond à trois objectifs :

• réduire le trafic lié à l'échange d'informations sur l'état des liens (car il n'y a pas d'échange entre tous les routeurs, mais entre chaque routeur et le DR) ;
• améliorer l'intégrité de la base de données topologique (car cette base de données doit être unique) ;
• accélérer la convergence (souvenez-vous, c'était le talon d'Achille de RIP).

Comment élire le DR ? Autrement dit, qui va se taper la corvée d'expliquer à ses petits camarades la topologie du réseau ? On ne demande pas qui sait parler anglais ou couper les cheveux comme au temps de la conscription. Mais comme il faut bien un critère, le routeur élu est celui qui a la plus grande priorité (Router ID ou RID). La priorité est un nombre sur 8 bits fixé par défaut à 1 sur tous les routeurs. Pour départager les routeurs ayant la même priorité, celui qui est élu a la plus grande adresse IP sur une interface de boucle locale (loopback interface) ou sur un autre type d'interface active. Le BDR sera le routeur avec la deuxième plus grande priorité.

Afin de s'assurer que votre routeur préféré sera élu DR, il suffit de lui affecter une priorité supérieure à 1 avec la commande ospf priority. Vous devrez faire ceci avant d'activer le processus de routage sur les routeurs, car, une fois élu, le DR n'est jamais remis en cause même si un routeur avec une priorité plus grande apparaît dans la zone.

Il faut maintenant constituer la base de données topologique. Les routeurs communiquent automatiquement les routes pour les réseaux qui participent au routage dynamique (ceux déclarés avec la commande network). Zebra et son successeur Quagga étant multiprotocoles, ils peuvent également diffuser des routes provenant d'autres sources que OSPF, grâce à la commande redistribute.

Chaque routeur (non DR ou BDR) établit une relation maître/esclave avec le DR. Le DR initie l'échange en transmettant au routeur un résumé de sa base de données topologique via des paquets de données appelés LSA (Link State Advertisement).

Ces paquets comprennent essentiellement l'adresse du routeur, le coût du lien et un numéro de séquence. Ce numéro est un moyen pour déterminer l'ancienneté des informations reçues. Si les LSA reçus sont plus récents que ceux dans sa base topologique, le routeur demande une information plus complète par un paquet LSR (Link State Request). Le DR répond par des paquets LSU (Link State Update) contenant l'intégralité de l'information demandée. Ensuite, le routeur (non DR ou BDR) transmet les routes meilleures ou inconnues du DR.

L'administrateur peut consulter la base de données topologique grâce à la commande show ip ospf database.

Lorsque le routeur est en possession de la base de données topologique, il est en mesure de créer la table de routage. L'algorithme du SPF est appliqué sur la base topologique. Il en ressort une table de routage contenant les routes les moins coûteuses.

Il faut noter que sur une base de données topologique importante, le calcul consomme pas mal de ressources CPU car l'algorithme est relativement complexe.

Lorsqu'un routeur détecte un changement de l'état d'un lien (cette détection se fait grâce aux paquets HELLO adressés périodiquement par le routeur à ses voisins), celui-ci émet un paquet LSU sur l'adresse multicast 224.0.0.6 : le DR et le BDR de la zone se considèrent comme destinataires.

Le DR et le BDR intègrent cette information à leur base topologique. Le DR et diffuse l'information sur l'adresse 224.0.0.5 (tous les routeurs OSPF sans distinction). C'est le protocole d'inondation. Toute modification de la topologie déclenche une nouvelle exécution de l'algorithme du SPF et une nouvelle table de routage est constituée.

Voilà pour les principes fondamentaux d'OSPF, mais des notions importantes restent à évoquer si vous souhaitez déployer OSPF sur de grands réseaux (en particulier sur le fonctionnement d'OSPF sur un réseau point à point et sur l'agrégation de routes). Si vous voulez approfondir, reportez-vous au livre de C. Huitema cité en bibliographie qui, bien qu'un peu ancien, est très complet sur la question. Bien sûr, vous pouvez toujours vous plonger dans les différentes RFC qui constituent OSPF (la RFC2328 en particulier) et dont la lecture est toujours aussi agréable et passionnante ! (Je plaisante, bien sûr.)

Avant d'attaquer la pratique, un dernier concept : les zones OSPF.

Vous devez créer des fichiers de configuration rudimentaires sur chaque routeur pour les services Zebra ou Quagga :

• Fichier /etc/zebra/zebra.conf ou /etc/quagga/zebra.conf pour le démon principal.
  Exemple pour R1 :

   

  Sélectionnez

  hostname R1(ZEBRA)
  password foo

• Fichier /etc/zebra/ospfd.conf ou /etc/quagga/ospfd.conf pour le démon ospfd
  Exemple pour R1 :

hostname R1(OSPF)
password foo

Vous devez ensuite démarrer (ou redémarrer) les deux démons zebra et ospfd sur chaque routeur.

Enfin, sur R1 entrez dans le terminal de configuration de ospfd via telnet sur le port 2604 :

Linux# telnet localhost ospfd

Hello, this is zebra (version 0.91a).
Copyright 1996-2001 Kunihiro Ishiguro.

User Access Verification
Password:
R1(OSPF)> enable
R1(OSPF)#

Si vous avez envie de suivre précisément les échanges de messages entre routeurs, Zebra propose un puissant mécanisme de débogage grâce à la commande debug (je vous laisse découvrir tous ses paramètres). Supposons que je veuille garder une trace de tous les messages HELLO émis par R1 :

R1(OSPF)# conf t
R1(OSPF)(config)# log file /var/log/zebra/ospfd.log
R1(OSPF)(config)# debug ospf packet hello send detail

Il faut que le répertoire /var/log/zebra existe.

Dans le mode config, nous allons activer le processus OSPF :

R1(OSPF)(config)# router ospf
R1(OSPF)(config-router)#

Le processus de routage OSPF est activé, mais rien ne se passe. Comme pour RIP, il faut indiquer sur quel(s) réseau(x) on souhaite que le routage dynamique soit opérationnel. Ceci se fait par la commande network. Mais, nouveauté par rapport à RIP qui n'intègre pas le concept de zone, il faut indiquer à quelle zone sera rattaché le réseau. Sur la figure 3, on voit que R1 est relié à deux réseaux. Le réseau 30.0.0.0/8 est attaché à la zone 0 et le réseau 11.0.0.0/8 à la zone 1. La configuration se fait donc de cette manière :

R1(OSPF)(config-router)# network 30.0.0.0/8 area 0
R1(OSPF)(config-router)# network 11.0.0.0/8 area 1

Que se passe-t-il sur le réseau ? R1 envoie des paquets HELLO sur les interfaces pour lesquelles la commande network a été saisie. Mais personne n'est là pour les écouter. Activez le routage sur R2 en adaptant les commandes aux spécificités du routeur. Je vous aide un peu. Sur R2, vous réaliserez les configurations suivantes :

R2(OSPF)(config-router)# network 11.0.0.0/8 area 1
R2(OSPF)(config-router)# network 12.0.0.0/8 area 1

Enfin, sur R3, vous réaliserez les configurations suivantes :

R3(OSPF)(config-router)# network 12.0.0.0/8 area 1
R3(OSPF)(config-router)# network 192.168.3.0/24 area 1

Mais sur R3, il y a une particularité. Le réseau 192.168.3.0/24 contient des ordinateurs, mais aucun routeur. La commande network va diffuser sur ce réseau des annonces de routes ce qui consomme inutilement de la bande passante. Par conséquent, nous allons désactiver cette diffusion :

R3(OSPF)(config-router)# passive-interface eth1

Ainsi, aucune route n'est diffusée sur cette interface. De même, aucune annonce de route ne sera prise en compte. Le réseau sera considéré comme étant d'extrémité (stub).

Affichons la configuration complète de R1 :

R1(OSPF)(config-router)# end
R1(OSPF)# show running-config

Current configuration:
!
hostname R1(OSPF)
password foo
!
!
!
interface lo
!
interface eth0
!
interface eth1
!
router ospf
network 11.0.0.0/8 area 1
network 30.0.0.0/8 area 0
!
line vty
!
end

Affichons la configuration complète de R3 :

R3(OSPF)# show running-config

Current configuration:
!
hostname R3(OSPF)
password foo
!
!
!
interface lo
!
interface eth0
!
interface eth1
!
router ospf
passive-interface eth1
network 12.0.0.0/8 area 1
network 192.168.3.0/24 area 1
!
line vty
!
end

J'espère que vous avez la même configuration. Si ce n'est pas le cas, vous pouvez annuler une ligne contenant une erreur en vous remettant au même endroit où vous avez saisi la commande et en saisissant à nouveau la commande, mais en la faisant précéder de no.

Pour enregistrer la configuration, je vous rappelle que l'on saisit :

R1(OSPF)# copy running-config startup-config

Reproduisez maintenant ces manipulations sur l'ensemble des routeurs du réseau.

Nos petits routeurs ont, en principe, bien travaillé. Dans chaque zone, ils ont élu leur chef, le routeur désigné (DR), ils ont échangé leurs connaissances et calculé une magnifique table de routage, ultraoptimale. En résumé, les deux stations d'extrémité de la figure doivent pouvoir s'atteindre avec une commande ping. Si jamais ce n'est pas le cas, c'est que probablement vous vous êtes trompé dans une configuration. Dans ce cas, reprenez la configuration de chaque appareil. Utilisez les outils ping, tcpdump et traceroute pour contrôler votre configuration et suivre les paquets. Et n'oubliez pas que dans un ping, il y a un aller, mais aussi un retour !

Afin d'illustrer ce dont nous avons discuté dans la toute première partie de cet article, examinons l'état du routeur R1. Nous pouvons faire un diagnostic très complet de l'appareil en utilisant les nombreuses sous-commandes de show ip ospf. Vous constaterez que les informations fournies par ospfd sur son état sont beaucoup plus conséquentes que celles que l'on pouvait extirper de ripd.

Dans un premier temps, je vous propose d'examiner l'état de santé général du routeur R3 :

R3(OSPF)# show ip ospf
 OSPF Routing Process, Router ID: 192.168.3.254
 Supports only single TOS (TOS0) routes
 This implementation conforms to RFC2328
 RFC1583Compatibility flag is disabled
 SPF schedule delay 5 secs, Hold time between two SPFs 10 secs
 Refresh timer 10 secs
 Number of external LSA 0
 Number of areas attached to this router: 1

 Area ID: 0.0.0.1
   Shortcutting mode: Default, S-bit consensus: no
   Number of interfaces in this area: Total: 2, Active: 2
   Number of fully adjacent neighbors in this area: 1
   Area has no authentication
   Number of full virtual adjacencies going through this area: 0
   SPF algorithm executed 13 times
   Number of LSA 9

Le premier bloc décrit le fonctionnement général du routeur : l'ID du routeur (égale à sa plus grande adresse IP), conformité aux RFC, valeurs des temporisateurs. Une seule zone est attachée à ce routeur. C'est la zone 1 (exprimée en notation décimale pointée). Notre routeur a deux interfaces dans la zone, il n'a qu'un seul voisin. L'algorithme du SPF a été exécuté 13 fois. La base de données topologique contient neuf états de liens (LSA). Si notre routeur était attaché à plusieurs zones, le deuxième bloc serait répété autant de fois que de zones. Vous pourrez le constater sur R1.

Maintenant, listons nos informations sur les routeurs voisins :

R3(OSPF)# show ip ospf neighbor

Neighbor ID  Pri  State       Dead Time Address   Interface  RXmtL  RqstL  DBsmL
12.0.0.1     1    Full/Backup 00:00:34  12.0.0.1  eth0       0      0      0

Déchiffrons ces informations. La différence entre la colonne ID et la colonne Address, c'est que l'ID identifie l'appareil dans le réseau alors que l'adresse correspond à l'interface à laquelle nous sommes reliés avec ce routeur. La colonne State nous apprend deux choses : il est synchronisé avec le routeur désigné (DR) grâce à la mention Full, c'est le routeur désigné de secours (BDR) de la zone grâce à l'indicateur Backup. Ce routeur sera déclaré comme inactif si nous ne recevons pas de message HELLO d'ici 34 secondes (Dead Time).

Voyons le contenu de la base de données topologique de R3 :

R3(OSPF)# show ip ospf database
       OSPF Router with ID (192.168.3.254)
                Router Link States (Area 0.0.0.1)

Link ID         ADV Router      Age   Seq#       CkSum   Link count
12.0.0.1        12.0.0.1        981   0x80000006 0xf9e2  2
30.0.0.1        30.0.0.1        952   0x80000003 0xb13e  1
192.168.3.254   192.168.3.254   1063  0x80000005 0x15b7  2

       Net Link States (Area 0.0.0.1)

Link ID         ADV Router      Age   Seq#       CkSum
11.0.0.2        12.0.0.1        981   0x80000001 0xda39
12.0.0.2        192.168.3.254   1063  0x80000001 0x5d0b

       Summary Link States (Area 0.0.0.1)

Link ID         ADV Router      Age   Seq#       CkSum   Route
21.0.0.0        30.0.0.1        837   0x80000001 0x0d08  21.0.0.0/8
22.0.0.0        30.0.0.1        702   0x80000001 0x64a5  22.0.0.0/8
30.0.0.0        30.0.0.1        976   0x80000001 0x33e2  30.0.0.0/8
172.18.0.0      30.0.0.1        599   0x80000001 0x4a0d  172.18.0.0/24

Ces trois tableaux présentent de façon synthétique l'ensemble des LSA stockés dans la base topologique.

• Le premier tableau contient des LSA diffusés par chaque routeur. Ils décrivent l'état des interfaces de chaque routeur.
• Le deuxième tableau contient des LSA diffusés par le routeur désigné (DR). Ils décrivent la liste des routeurs présents dans chaque réseau.
• Le dernier tableau contient un résumé des routes diffusées par le routeur de bordure de zone (ABR). Ce sont des routes qu'il a reçues via le réseau fédérateur (backbone) par les routeurs des autres zones.

L'âge et le numéro de séquence sont utilisés pour mettre à jour la base lorsque des LSA sont reçus. La somme de contrôle (checksum noté CkSum est utilisée pour contrôler l'intégrité des LSA.

Pour obtenir des informations détaillées sur chaque LSA, vous pouvez compléter la commande show ip ospf database par les options suivantes : router, network ou summary. Par exemple : show ip ospf database router 192.168.3.254 (qui correspond à la troisième ligne du premier tableau) vous apprendra que ce router est relié à deux réseaux : un de transit (12.0.0.0/8) et un d'extrémité (stub) 192.168.3.0/24.

Enfin, si vous voulez consulter la table de routage obtenue après traitement par SPF des différents LSA, vous n'aurez qu'à saisir un show ip ospf route.

Nous avons fait un tour d'horizon des principales commandes de Zebra permettant de surveiller l'état de ospfd. Il y en a encore beaucoup d'autres que je vous laisse découvrir (faites un show ip ospf ? par exemple). Il nous reste à observer la table de routage obtenue par Zebra. Quittez ospfd et connectez-vous sur le démon zebra via la commande telnet localhost 2601 :

R3(Zebra)> show ip route
Codes: K - kernel route, C - connected, S - static, R - RIP, O - OSPF,
       B - BGP, > - selected route, * - FIB route

O>* 11.0.0.0/8 [110/20] via 12.0.0.1, eth0, 00:12:48
O      12.0.0.0/8 [110/10] is directly connected, eth0, 00:14:09
C>* 12.0.0.0/8 is directly connected, eth0
O>* 21.0.0.0/8 [110/40] via 12.0.0.1, eth0, 00:11:18
O>* 22.0.0.0/8 [110/50] via 12.0.0.1, eth0, 00:10:16
O>* 30.0.0.0/8 [110/30] via 12.0.0.1, eth0, 00:12:13
C>* 127.0.0.0/8 is directly connected, lo
O>* 172.18.0.0/24 [110/60] via 12.0.0.1, eth0, 00:08:48
O      192.168.3.0/24 [110/10] is directly connected, eth1, 00:14:19
C>* 192.168.3.0/24 is directly connected, eth1

Les routes notées 'O' ont été découvertes par OSPF. Entre crochets, on observe la distance administrative du protocole (110 par défaut pour OSPF) et le coût de la route pour accéder au réseau. Dans le cas de la topologie étudiée, il n'y a que des réseaux à 10 Mbps, donc avec un coût par défaut de 10 pour chaque lien.

VI-F-1. Filtrer la diffusion des routes▲

VI-F-2. Protéger les annonces de routes▲

Routeur(OSPF)(config-router)# area 1 authentication message-digest

Routeur(OSPF)(config)# int ethx
Routeur(OSPF)(config-if)# ospf message-digest-key 1 md5 motdepasse

TCP/IP : Architecture, protocoles et applications : Douglas COMER, DUNOD. ISBN: 2-10-005384-1 (09/2001) 830 p.

Le routage dans l'Internet : Christian HUITEMA, EYROLLES. ISBN: 2-212-08902-3 (10/1994) 418 p.

• Quagga
• Linux Magazine
• Version originale du document et page personnelle de Pacôme Massol