OSPF 쉽게 이해하기 (1편: Shortest Path Tree 토폴로지 생성 절차)

지난 시간에 LTE over MPLS L3VPN 망을 위한 IP/MPLS 프로토콜을 설명 드리면서 "모든 IP 라우터는 OSPF나 IS-IS와 같은 IGP 프로토콜을 이용하여 IP 망 토폴로지 정보를 서로간에 주고 받고, Shotest Path Tree 토폴로지를 구성한다"라고 말씀을 드렸었는데요.

오늘은 OSPF 프로토콜을 통해 어떻게 라우터들이 OSPF 망(IP 망)의 전체 토폴로지를 알아내고, Shortest Path Tree를 구성하는지 살펴보도록 보겠습니다.

사실 OSPF와 같은 라우팅 프로토콜은 라우팅 비전문가들에게는 그 원리를 이해하기가 쉽지 않은 기술 분야입니다. Cisco나 Juniper 장비의 라우팅 설정(CLI)을 잘 하시는 분들은 많이 보았는데, 프로토콜 원리를 이해하고 계시는 분들은 그리 많지 않은 듯 합니다.

 

오늘 설명은 "라우팅 비전문가"도 쉽게 그 기술을 이해할 수 있도록 "그림"을 많이 넣어 보았습니다.

 

OSPF 네트워크 토폴로지

 

 

그림 상에 5개의 OSPF 라우터(R1 ~ R5)가 존재하고, 라우터간 연결 링크에 대한 IP 주소와 OSPF Cost 및 각 라우터의 Loopback 주소(예. R1의 경우 10.1.0.1)가 표시되어 있습니다. 그리고 파란색 줄(링크)가 OSPF가 enable되어 있음을 표시하고 있습니다.

• OSPF에서 얘기하는 Cost란 각 링크로 패킷을 전달하는데 드는 "소요 비용"으로 OSPF는 Cost가 작은 경로를 최적의 경로(Shortest Path)로 인식합니다. 통상적으로 Link Cost는 링크 속도(bandwidth of a link)에 따라 그 값을 정의합니다. 그래서 예로 100Mbps 링크보다는 1GE 링크 Cost가 작을 것이고, 1GE 링크 보다는 10GE 링크가 Cost가 작을 것입니다. (Link Cost는 라우터의 각 Interface별로 운영자가 CLI를 통해 설정함)
• 라우터간에 OSPF 프로토콜 메시지를 주고 받기 위해서는 각 라우터를 식별할 수 있는 IP 주소(OSPF RID(Router ID))가 필요한데 이를 위해 보통 Loopback 주소를 사용합니다. Physical Link의 IP 주소를 사용해도 상관은 없지만 다음과 같은 차이로 인해 Loopback 주소를 선호하지요.
  • Physical Link IP 주소 사용의 경우: 해당 Physical Link가 down 되는 경우 그 IP 주소가 사라짐. 즉, 이 주소를 OSPF RID로 사용한 OSPF 라우터는 더 이상 OSPF neighbor(나와 연결되어 있는 라우터)와 통신이 불가함
  • Loopback IP 주소 사용의 경우: Loopback 주소는 어떤 특정 Physical Link와 바인딩되어 있지 않은 Logical한 주소이기 때문에, Physical Link가 down되더라도 Loopback 주소는 계속 살아 있음

 

각 라우터는 자신의 링크 IP 주소를 다른 라우터들로 전파

 

1. R1이 자신의 링크 정보를 다른 OSPF 라우터들로 전파

 

 

R1은 자신의 Link(Interface) 주소와 Loopback 주소를 Router-LSA에 실어 R2, R3로 전달합니다[t = 1]. 그리고 이를 수신한 R2, R3는 Router-LSA가 수신된 링크를 제외한 나머지 링크로 Router-LSA를 flooding 합니다. 그래서 R4와 R5는 동일한 Router-LSA를 2개씩 수신합니다[t = 2]. 이 경우, LSA 식별자에 해당하는 {LS Type, Link State ID, Advertising Router}가 동일한 경우 두번째 수신한 LSA를 폐기합니다.

• LS Type: Router-LSA (1), Network-LSA (2), External-LSA (5) 등의 타입을 구분
• Link State ID: Router-LSA인 경우 Advertising Router와 동일 값 (10.1.0.1)
• Advertising Router: Router-LSA를 생성한 라우터의 ID (OSPF RID 즉, Loopback 주소 = 10.1.0.1) 

R1이 보낸 Router-LSA에 포함되는 정보는 다음과 같습니다. (위 그림의 우측 상단을 보세요)

• Link Type: 링크 타입을 가리키는 값으로 그 타입에 따라 Link ID와 Link Data에 들어가는 값이 달라짐
  • Link Type = 1: Point-to-point connection(그림상에서 라우터간 연결은 모두 여기에 해당)
  • Link Type = 3: Stub network(라우터의 loopback 주소)
• Link ID: R1과 연결된 OSPF Neighbor의 Router ID(Link Type=1,  OSPF Neighbor간에 Hello 메시지를 주고 받는 과정에서 Neighbor의 RID를 알게 됨) 혹은 R1의 Loopback 주소(Link Type=3)
• Link Data: R1의 Link IP 주소(Link Type=1) 혹은 R1의 Loopback 주소에 대한 subnet mask (/32 = 255.255.255.255)
• Metric: 해당 Link의 cost(CLI로 각 링크의 cost는 설정함). Loopback 주소(stub network)인 경우 cost는 0

이와 같이 R1이 보낸 Router-LSA를 R2 ~ R5가 수신 하게 되면 각 라우터는 그 정보를 OSPF LSDB(Link State DataBase)에 저장하고 그 정보를 바탕으로 OSPF Topology를 그리게 됩니다. 현재까지의 정보로 R1 ~ R5 라우터가 알 수 있는 Topology는 다음과 같습니다.

• R1의 Loopback 주소 (10.1.0.1/32)
• R1의 Link 주소 1.1.1.1은 R2(10.1.0.2)와 연결되어 있음
• R1의 Link 주소 1.1.2.1은 R3(10.1.0.3)과 연결되어 있음

 

2. R2가 자신의 링크 정보를 다른 OSPF 라우터들로 전파

 

 

R2는 자신의 Link(Interface) 주소와 Loopback 주소를 Router-LSA에 실어 R1, R4, R5로 전달하고[t = 1], 이를 수신한 R1, R4, R5는 Router-LSA가 수신된 링크를 제외한 나머지 링크로 Router-LSA를 flooding 합니다[t = 2]. 

 

R1, R3, R4, R5는 이 정보(Router-LSA)를 LSDB에 저장하고, 이제 위 그림과 같은 "OSPF Network Topology"를 알게 됩니다.

 

3. R3가 자신의 링크 정보를 다른 OSPF 라우터들로 전파

 

 

R3는 자신의 Link(Interface) 주소와 Loopback 주소를 Router-LSA에 실어 R1, R4, R5로 전달하고[t = 1], 이를 수신한 R1, R4, R5는 Router-LSA가 수신된 링크를 제외한 나머지 링크로 Router-LSA를 flooding 합니다[t = 2]. 

 

R1, R2, R4, R5는 이 정보(Router-LSA)를 LSDB에 저장하고, 이제 위 그림과 같은 "OSPF Network Topology"를 알게 됩니다.

 

4. R4가 자신의 링크 정보를 다른 OSPF 라우터들로 전파

 

 

R4는 자신의 Link(Interface) 주소와 Loopback 주소를 Router-LSA에 실어 R2, R3로 전달하고[t = 1], 이를 수신한 R2, R3는  Router-LSA가 수신된 링크를 제외한 나머지 링크로 Router-LSA를 flooding 합니다[t = 2]. 

 

R1, R2, R3, R5는 이 정보(Router-LSA)를 LSDB에 저장하고, 이제 위 그림과 같은 "OSPF Network Topology"를 알게 됩니다.

 

5. R5가 자신의 링크 정보를 다른 OSPF 라우터들로 전파

 

 

R5는 자신의 Link(Interface) 주소와 Loopback 주소를 Router-LSA에 실어 R2, R3로 전달하고[t = 1], 이를 수신한 R2, R3는  Router-LSA가 수신된 링크를 제외한 나머지 링크로 Router-LSA를 flooding 합니다[t = 2]. 

 

R1 ~ R4는 이 정보(Router-LSA)를 LSDB에 저장하고, 이제 위 그림과 같은 "OSPF Network Topology"를 알게 됩니다.

 

역자 주 1: 실제로는 모든 라우터가 동시 다발적으로 자신의 Router-LSA를 OSPF neighbor들로 flooding 하지만, 본 설명에서는 이해를 돕고자 각 라우터가 순차적으로 Router-LSA를 보낸다고 하였습니다.

역자 주 2: 라우터의 링크 타입을 point-to-point로 설정(CLI)해야 Router-LSA가 나가게 되고, 그렇지 않은 경우(예. broadcast 타입) Network-LSA가 나가게 됩니다. 라우터간 링크 연결은 point-to-point가 일반적이므로 초보자님들께서는 Router-LSA만 생각하세요~*

 

각 라우터에서 OSPF Topology 그림 그리기

 

 

5개의 라우터들간에 Router-LSA를 주고 받게 되면, 모든 OSPF 라우터는 동일한 LSDB를 가지게 됩니다.

그리고 이 LSDB를 통해 위 그림과 같이 각 라우터는 모두 동일한 그림의 OSPF Topology Map을 완성합니다.

 

Shortest Path Tree 구성하기

 

 

위에서 생성한 OSPF Topology를 기반으로 각 라우터는 목적지(Destination Network)로 가는 최단 경로 즉, Shortest Path Tree를 구성합니다.

그리고 이렇게 만들어진 Shortest Path 정보가 라우터의 RIB(Routing Information Base)와 FIB(Forwarding Information Base)에 인스톨 됩니다. (참고: RIB는 OSPF와 같은 라우팅 프로토콜이 돌고 있는 Control Plane에서 관리하는 라우팅 테이블이고, FIB는 패킷을  포워딩(wire-speed packet forwarding by packet processor)하는 Data Plane에 위치한 라우팅 테이블입니다.)

 

OSPF에 대해 좀 더 자세히 알고 싶으신 분들을 위해 2권의 책을 추천드립니다.

• John T. Moy, "OSPF: Anatomy of an Internet Routing Protocol", 1998, Addison-Wesley
  • OSPF 창시자의 저서이고, 프로토콜 규격에 충실
• Jeff Doyle, "OSPF and IS-IS: Choosing an IGP for Large-Scale Networks", 2005, Addison-Wesley
  • OSPF와 IS-IS를 비교하였고, 또한 프로토콜 규격의 설명과 Cisco/Juniper 장비 설정도 함께 다루고 있음 (추천!)

출처 - http://www.netmanias.com/ko/post/blog/5476/ip-routing-network-protocol-ospf-shortest-path-tree/ospf-basic-part-1-build-of-shortest-path-tree-topology