OSPF protocol analysis

J. Moy, Editor

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Abstract

This is the first of two reports on the OSPF protocol. These reports arerequired by the IAB/ IESG in order for an Internet routing protocol toadvance to Draft Standard Status. OSPF is a TCP/IP routing protocol,designed to be used internal to an Autonomous System (in other words,OSPF is an Interior Gateway Protocol).

Version 1 of the OSPF protocol was published in RFC 1131. Since thenOSPF version 2 has been developed. Version 2 has been documented in RFC1247. The changes between version 1 and version 2 of the OSPF protocolare explained in Appendix F of RFC 1247. It is OSPF Version 2 that isthe subject of this report.

This report attempts to summarize the key features of OSPF V2. It alsoattempts to analyze how the protocol will perform and scale in theInternet.

1.0 Introduction

This document addresses, for OSPF V2, the requirements set forth by theIAB/IESG for an Internet routing protocol to advance to Draft Standardstate. This requirements are briefly summarized below. The remainingsections of this report document how OSPF V2 satisfies theserequirements:

o What are the key features and algorithms of the protocol?

o How much link bandwidth, router memory and router CPU cycles does the

protocol consume under normal conditions?

o For these metrics, how does the usage scale as the routing

environment grows? This should include topologies at least an order of magnitude larger than the current environment.

o What are the limits of the protocol for these metrics? (I.e., when will the routing protocol break?)

o For what environments is the protocol well suited, and for what is it not suitable?

1.1 Acknowledgments

The OSPF protocol has been developed by the OSPF Working Group of the Internet Engineering Task Force.

2.0 Key features of the OSPF protocol

This section summarizes the key features of the OSPF protocol. OSPF isan Internal gateway protocol; it is designed to be used internal to asingle Autonomous System. OSPF uses link-state or SPF-based technology(as compared to the distance-vector or Bellman-Ford technology found inrouting protocols such as RIP). Individual link state advertisements(LSAs) describe pieces of the OSPF routing domain (Autonomous System).These LSAs are flooded throughout the routing domain, forming the linkstate database. Each router has an identical link state database;synchronization of link state databases is maintained via a reliableflooding algorithm. From this link state database, each router builds arouting table by calculating a shortest-path tree, with the root of thetree being the calculating router itself. This calculation is commonlyreferred to as the Dijkstra procedure.

Link state advertisements are small. Each advertisement describes asmall pieces of the OSPF routing domain, namely either: the neighborhoodof a single router, the neighborhood of a single transit network, asingle inter-area route (see below) or a single external route.

The other key features of the OSPF protocol are:

o Adjacency bringup. Certain pairs of OSPF routers become 'adjacent'. As an adjacency is formed, the two routers synchronize their link state databases by exchanging database summaries in the form of OSPF Database Exchange packets. Adjacent routers then maintain syn- chronization of their link state databases through the reliable flooding algorithm. Routers connected by serial lines always become adjacent. On multi-access networks (e.g., ethernets or X.25 PDNs), all routers attached to the network become adjacent to both the Designated Router and the Backup Designated router.

o Designated router. A Designated Router is elected on all multi-access networks (e.g., ethernets or X.25 PDNs). The networks Designated Router originates the network LSA describing the networks local environment. It also plays a special role in the flooding algorithm, since all routers on the network are synchronizing their link state databases by sending and receiving LSAs to/from the Designated Router during the flooding process.o Backup Designated Router. A Backup Designated Router is elected on multi-access networks to speed/ease the transition of Designated Routers when the current Designated Router disappears. In that event, the Backup DR takes over, and does not need to go through the adjacency bringup process on the LAN (since it already had done this in its Backup capacity). Also, even before the disappearance of the Designated Router is noticed, the Backup DR will enable the reliable flooding algorithm to proceed in the DRs absence.

o Non-broadcast multi-access network support. OSPF treats these networks (e.g., X.25 PDNs) pretty much as if they were LANs (i.e., a DR is elected, and a network LSA is generated). Additional configuration information is needed however for routers attached to these network to initially find each other.

o OSPF areas. OSPF allows the Autonomous Systems to be broken up into regions call areas. This is useful for several reasons. First, it provides an extra level of routing protection: routing within an area is protected from all information external to the area. Second, by splitting an Autonomous System into areas the cost of the Dijkstra procedure (in terms of CPU cycles) is reduced.

o Flexible import of external routing information. In OSPF, each external route is imported into the Autonomous System in a separate LSA. This reduces the amount of flooding traffic (since external

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OSPF协议分析

J. Moy, Editor

摘要

这是OSPF协议的两份报告中的第一份。这些报告是IAB / IESG要求互联网路由协议提前到标准状态草案。 OSPF是一种TCP / IP路由协议，旨在用于自治系统内部（换句话说，OSPF是内部网关协议）。OSPF协议的第1版已在RFC 1131中发布OSPF版本2已经开发完成。在RFC中记录了版本21247. OSPF协议版本1和版本2之间的变化在RFC 1247的附录F中有解释​​。它是OSPF版本2本报告的主题。本报告试图总结OSPF V2的主要特性。它也是试图分析该协议如何执行和扩展互联网。

1.0简介

本文件针对OSPF V2提出了由IAB / IESG用于Internet路由协议以推进标准草案州。这些要求在下面简要总结。剩余的本报告的部分文档介绍了OSPF V2如何满足这些要求

要求：

o协议的关键特性和算法是什么？

多少链路带宽，路由器内存和路由器CPU周期协议在正常情况下消耗？

o对于这些指标，使用情况如何扩展为路由环境在增长？这应该包括至少一个订单的拓扑

RFC 1245 OSPF协议分析1991年7月 比当前环境大得多。

o这些指标的协议有什么限制？ （即，何时

路由协议会​​中断吗？）

o协议适合什么环境，以及它是什么不合适？

2.0 OSPF协议的关键特性

本节总结了OSPF协议的主要功能。 OSPF是内部网关协议;它被设计为在内部使用单一的自治系统。 OSPF使用链路状态或基于SPF的技术（相比于距离矢量或Bellman-Ford技术路由协议如RIP）。个别链接状态通告（LSA）描述OSPF路由域（自治系统）的各个部分。这些LSA在整个路由域中被洪泛，形成链路状态数据库。每个路由器具有相同的链路状态数据库;链路状态数据库的同步通过可靠的数据库来维护洪泛算法。从这个链路状态数据库，每个路由器建立一个路由表通过计算最短路径树，以root的根树是计算路由器本身。这种计算通常是简称Dijkstra程序。

链接状态广告很小。每个广告描述一个OSPF路由域的小块，即：邻居单个路由器的邻居，一个单一的中转网络的邻居，a单个区域间路线（见下文）或单个外部路线。

OSPF协议的其他主要特点是：

邻接提升。某些OSPF路由器对变为“相邻”。 随着邻接的形成，两台路由器会同步它们的链路 通过以OSPF形式交换数据库摘要来实现状态数据库 数据库交换包。相邻路由器然后保持syn- 通过可靠的时间链接状态数据库 洪泛算法。通过串行线连接的路由器总是成为 邻。在多址网络（例如，以太网或X.25 PDN）上， 连接到网络的所有路由器都与邻居相邻 指定路由器和备用指定路由器。

o指定路由器。指定路由器在所有多路访问中被选中 网络（例如，以太网或X.25 PDN）。网络的指定 路由器发起描述网络本地的网络LSA 环境。它在泛洪算法中也扮演着特殊的角色， 因为网络上的所有路由器都在同步它们的链路状态 数据库通过发送和接收来自Desig的LSA路由器发起描述网络本地的网络LSA 环境。它在泛洪算法中也扮演着特殊的角色， 因为网络上的所有路由器都在同步它们的链路状态 数据库通过向指定路由器发送/接收LSA 在洪泛过程中。

o备份指定路由器。一个备用指定路由器被选上 多接入网络加速/缓解指定的过渡 当前指定路由器消失时的路由器。在这种情况下， 备份灾难恢复接管，并不需要通过 局域网上的邻接启动过程（因为它已经做到了这一点 在其备份容量中）。此外，即使在失踪之前 指定路由器被注意到，备份DR将启用可靠 洪泛算法在DR不存在的情况下进行。

o非广播多址网络支持。 OSPF对待这些 网络（例如X.25 PDN），就好像它们是LAN（即，a DR被选中，并且生成网络LSA）。额外 但是对于连接到路由器的配置信息是必需的 这些网络最初找到对方。o OSPF区域。 OSPF允许自治系统被分解为 区域呼叫区域。这有几个原因是有用的。首先，它 提供额外的路由保护级别：在一个区域内进行路由 受到保护以免受该地区以外的所有信息影响。其次，通过 将一个自治系统分解为Dijkstra成本的区域 程序（按CPU周期）减少。

o灵活导入外部路由信息。在OSPF中，每个 外部路由将单独导入到自治系统中 LSA。这减少了洪泛流量（因为外部 路线经常变化，而你只想淹没变化）。它也是 当只有一个外部时，启用部分路由表更新 路线变化。 OSPF外部LSA还提供以下内容 特征。转发地址可以包含在外部LSA中， 消除了自治系统边缘的跳数。那里 是可以指定的两个级别的外部度量，类型1和 类型2.此外，外部路由可以标记一个32位数字（ 外部路由标签;通常用作路由的AS号 起源），简化运输中的外部路线管理 自治系统。

o四级路由层次结构。 OSPF有四级路由 层次结构或信任模型：区域内，区域间，外部类型1 和外部类型2路线。这使得多层次的路由 保护，并简化了自治系统中的路由管理 系统。

o虚拟链接。通过允许配置虚拟链路，OSPF 消除自治区域布局的拓扑限制 系统。

o路由协议交换的认证。每次使用OSPF 路由器收到一个路由协议包，它认证了 数据包在进一步处理之前。

o灵活的路由度量。在OSPF中，度量标准被分配到出站 路由器接口。路径的成本就是路径的总和 组件接口。路由选择度量本身可以通过 系统管理员指示任何网络组合 特性（例如，延迟，带宽，美元成本等）。

o等价多路径。当到目的地的多个最佳成本路线 存在，OSPF找到它们，然后可以用它们来加载共享 到目的地的交通。

o基于TOS的路由。可以为每个路线计算单独的路线集 IP类型的服务。例如，低延迟流量可以被路由 一个路径，而高带宽流量在另一个路由。这是 通过（可选地）分配给每个传出路由器接口， 每个IP TOS一个度量标准。

o可变长度子网支持。 OSPF包括对可变数据流量 通过在每个广告上携带一个网络掩码来实现长度的子网掩码 目的地。

o存根区域支持。为了支持内存不足的路由器， 区域可以配置为存根。外部LSA（通常组成了 自治系统的大部分）不会流入/存在于存根中 区域。在存根区域中路由到外部目的地是完全基于的 默认情况下。

3.0协议的成本

本节试图分析OSPF协议如何执行在互联网上的规模。在这个分析中，我们将专注于以下四个方面：链路带宽。在OSPF中，使用可靠的泛洪机制 确保路由器链路状态数据库保持同步。 链路状态数据库（LSA）的单个组件是 很少刷新（每30分钟一次），至少在没有的情况下 拓扑变化。但是，随着数据库大小的增加， 泛洪过程使用的链路带宽量也是如此 增加。

o路由器内存。 OSPF链路状态数据库的大小可以相当特别是在许多外部LSA的存在下。这是强加的对可用路由器内存量的要求。

o CPU使用率。在OSPF中，这主要取决于所花费的时间 运行最短路径计算（Dijkstra程序）。这是一个 OSPF系统中路由器数量的函数。

o指定路由器的角色。指定的路由器接收和 在多路访问网络上发送比其他路由器更多的数据包 连接到网络。此外，还有一段时间涉及 在旧的故障发生后切换到新的指定路由器 （特别是当备用指定路由器和指定的路由器都是这样 路由器同时失效）。出于这个原因，这是可能的 您可能想要限制连接到单个路由器的路由器数量 网络。剩下的部分将分析这些领域，估计有多少OSPF协议将消耗现在和未来的资源。至在这个分析中，下一节将介绍一些数据已在实际的OSPF现场部署中收集。

3.1操作数据

OSPF协议已部署在美国的许多地方互联网。有关此部署的摘要，请参见[1]。一些统计已通过本地网络从此运营经验中收集到管理设施。其中的一些统计数据显示在下表：

表1.有关的业务统计

统计 BARRNet NSI OARnet

___________________________________________________________________

数据收集（持续时间） 99小时 277小时 28小时

Dijkstra频率 50分钟 25分钟 13分钟

外部增量频率 1.2分钟. 98分钟 未收集

数据库周转 29.7分钟 30.9分钟 28.2分钟

每个数据包的LSA 3.38 3.16 2.99

洪泛转发 1.3％ 1.4％. 7％

上表中的第一行显示了该时间的长度统计数据收集在三个网络上。简要描述其他统计如下：o Dijkstra频率。在OSPF中，Dijkstra计算只涉及 属于AS的那些路由器和交通网络。迪克斯特拉 仅在系统中的某些内容发生更改时运行（如串行线路 两台路由器之间出现故障）。请注意，在这些操作 系统，迪杰斯特拉进程只经常运行（最多 每13分钟一次）。o外部增量频率。在OSPF中，当有外部路由时 只更改其在路由表中的条目重新计算。这些 被称为外部增量更新。请注意，这些发生很多 比迪克斯特拉程序更频繁。 （换一种说法， 增量更新节省了相当多的处理器时间）。

o数据库更新。在OSPF中，链路状态通告被刷新 至少每30分钟一班。新的广告实例是 当拓扑的某些部分发生变化时更频繁地发送。该 表格显示，即使考虑到拓扑变化，也是如此 平均每30分钟更新一次广告。 此统计数据将用于下面的链接带宽计算。 请注意，NSI实际上显示广告每30.7更新（gt; 30） 分钟。这可能意味着在一段时间的早些时候 测量期间，NSI有一个较小的链接状态数据库 最后。

o每个数据包的LSA。在OSPF中，可以包含多个LSA 链路状态更新或链路状态确认分组。该表 表明，平均而言，大约3个LSA被携带在一个数据包中。 这个统计数据用于计算头文件开销 链接带宽计算如下。这个统计来自于 跳水的数量被淹没的人数（非你好） 多播发送。

o泛洪转发。这会计算LS更新的重新传输 数据包和链路状态确认数据包，以百分比表示 原始多播洪泛分组。该表显示洪泛是 运作良好，并且转发可以在链接中被忽略 带宽计算如下。

3.2链路带宽

在本节中，我们尝试计算链路带宽的多少由OSPF泛洪过程消耗。链路带宽量消费量随着广告数量呈线性增长OSPF数据库。我们假设大部分广告在数据库将是AS外部LSA（在操作上这是事实，参见[1]）。从第3.1节中的统计数据可以看出，广告每隔30分钟淹没（平均）。此外，三个广告适合一个包。 （这个数据包可能是链路状态更新分组或链路状态确认分组;在这个分析中，我们选择链路状态更新数据包，它是大）。 AS外部LSA长度为36个字节。增加一个三分之一包头（IP头加OSPF更新包）产生52个字节。每30分钟发送一次这个数据量就可以得到平均速率为23/100比特/秒。如果您想将路由流量限制为链接总量的5％带宽，您可以获得以下数据库大小的最大值：表2.作为链路速度函数的数据库大小（5％利用率）

速度 ＃外部广播

_____________________________________

9.6 Kb 2087

56 Kb 12,174

没有包括更高的线速度，因为其他因素会然后限制数据库大小（如路由器内存），然后线速度变为一个因素。请注意，在上面的计算中，数据链接的大小标题未被考虑在内。另外请注意，虽然OSPF数据库很可能主要是外部LSA，其他LSA有大小也。作为估计，路由器链路和网络链路是通常是AS外部链接的三倍，并带有摘要链接广播与外部链路LSA的大小相同。OSPF比RIP消耗的链路带宽少得多。这已经在NSI网络中以实验方式显示。见Jeffrey Burgan的“美国国家航空航天局”科学互联网“报道[3]。

3.3路由器内存

OSPF中的内存需求主要由链路状态的大小决定数据库。如前一节所述，假设可能是安全的数据库中的大部分广播都是外部LSA。而一个外部LSA长度为36个字节，通常由OSPF存储与一些支持数据一起实施。所以很好估计外部LSA消耗的路由器内存大概是64个字节。所以a具有10,000个外部LSA的数据库将消耗640K字节的路由器记忆。 OSPF确实需要比RIP更多的内存。使用Proteon P4200实现作为示例，P4200具有2M内存。这是在指令，数据和数据包之间共享的缓冲存储器。 P4200有足够的内存来存储10,000个外部数据RFC 1

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