CCNA [Lab III-04] - (Lý Thuyết) Tìm Hiểu Giao Thức Định Tuyến Động OSPF

OSPF (Open Shortest Path First) là một giao thức định tuyến động theo chuẩn IGP được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống mạng doanh nghiệp, giúp các router tự động trao đổi thông tin định tuyến và tìm đường đi ngắn nhất đến đích. Với khả năng hội tụ nhanh, chia vùng linh hoạt và hỗ trợ quy mô mạng lớn, OSPF giúp tối ưu lưu lượng và tăng cường tính sẵn sàng cho hệ thống. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ nguyên lý hoạt động của OSPF, cách phân chia khu vực (area), vai trò của từng loại router và hướng dẫn cấu hình thực tế trên thiết bị mạng.

MỤC LỤC

• Giới thiệu về OSPF
• Mục đích của OSPF
• Phân loại Router và Area trong OSPF
• Cách thức hoạt động của OSPF
• Ưu điểm và nhược điểm của OSPF, so sánh OSPF với Static Route

1. Giới thiệu về OSPF​

OSPF (Open Shortest Path First) là một giao thức định tuyến động thuộc nhóm IGP (Interior Gateway Protocol), sử dụng thuật toán Dijkstra để tính toán đường đi ngắn nhất trong mạng. OSPF hoạt động theo chuẩn mở (open standard), do đó có thể triển khai trên nhiều thiết bị mạng khác nhau, không giới hạn nhà sản xuất. Đây là giao thức định tuyến dạng link-state, nghĩa là mỗi router sẽ có cái nhìn đầy đủ về cấu trúc mạng bằng cách xây dựng bản đồ topological toàn mạng và cập nhật liên tục khi có thay đổi.

2. Mục đích của OSPF​

Mục tiêu chính của OSPF là tự động hóa việc học và cập nhật các tuyến đường (route) trong hệ thống mạng nội bộ, giúp router có thể:

• Tự động phát hiện đường đi đến các mạng khác.
• Tự động điều chỉnh khi có sự cố mạng xảy ra (ví dụ như mất kết nối).
• Cung cấp đường đi tối ưu (ngắn nhất, hiệu quả nhất) đến đích dựa trên chi phí (cost).
• Hỗ trợ phân chia mạng thành các khu vực (area) để dễ quản lý và giảm tải thông tin định tuyến.

3. Phân loại trong OSPF​

LSA (Link-State Advertisement) là thông điệp mà các router OSPF sử dụng để trao đổi thông tin trạng thái liên kết (link-state) với nhau. OSPF có 7 loại LSA :

• LSA 1 (Router LSA) : Mô tả các interface, metric, neighbor
• LSA 2 (Network LSA) : Mô tả mạng multi-access (Ethernet) và các router kết nối vào
• LSA 3 (Summary LSA) : Tóm tắt mạng giữa các Area
• LSA 4 (ASBR Summary LSA) : Tóm tắt đường đến ASBR
• LSA 5 (External LSA) : Quảng bá route ngoài OSPF (ex: Internet)
• LSA 7 (NSSA External LSA) : Giống Type 5 nhưng dành riêng cho NSSA

OSPF có 3 loại Router chính, dựa trên vai trò và vị trí của Router đó trong sơ đồ mạng

• IR (Internal Router) : là Router chỉ nằm trong 1 vùng duy nhất, tất cả các interface của Router đều nằm trong 1 vùng đó
• ARB (Area Border Router) : là Router nằm giữa các vùng, chịu trách nhiệm tóm tắt và trao đổi thông tin giữa các vùng.
• ASBR (Autonomous System Boundary Router) : là Router kết nối OSPF với các giao thức định tuyến khác (RIP,BGP,…), dùng để kết nối mạng bên trong và mạng bên ngoài OSPF

OSPF có 4 vùng Area chính :

• Backbone Area (Area 0): Là trung tâm của toàn bộ hệ thống OSPF – nơi kết nối tất cả các Area khác, tất cả các Area khác phải kết nối trực tiếp hoặc gián tiếp với Area 0.
• Regular Area (Standard Area) : Area thông thường, chứa đầy đủ thông tin định tuyến
• Stub Area : Không nhận LSA Type 5 (các external route từ ngoài OSPF), dùng default route để ra ngoài.
• NSSA (Not-So-Stubby Area) : Là stub area nhưng có thể chứa ASBR, cho phép redistribute external routes, nhưng chỉ phát tán bằng LSA Type 7, rồi ABR chuyển thành Type 5.

4. Cách thức hoạt động của OSPF​

OSPF hoạt động bằng cách trao đổi thông tin giữa các router trong cùng một area, từ đó xây dựng Link-State Database (LSDB) – bản đồ mạng – để tính toán đường đi tốt nhất đến từng mạng đích.
Quá Trình Hoạt Động Gồm Các Bước:

• Khám phá và thiết lập quan hệ với các router láng giềng (Neighbor Discovery)
  • Mỗi router OSPF sẽ gửi các gói tin Hello định kỳ ra các interface đang hoạt động.
  • Nếu một router khác nhận được gói Hello và các thông số như Area ID, Hello Interval, Dead Interval, Subnet, v.v. trùng khớp, hai router sẽ thiết lập mối quan hệ láng giềng (neighbor relationship).
• Thiết lập adjacency (trao đổi thông tin định tuyến)
  • Không phải tất cả neighbors đều trở thành adjacent – chỉ những router cần thiết mới chia sẻ thông tin chi tiết (như trong mạng Point-to-Point hoặc router được chọn làm DR/BDR trong mạng Broadcast).
  • Khi adjacency được thiết lập, các router bắt đầu trao đổi LSAs (Link-State Advertisements).
• Xây dựng Cơ Sở Dữ Liệu Link-State (Link-State Database – LSDB)
  • Tất cả các LSAs nhận được sẽ được lưu vào LSDB.
  • Mỗi router giữ một bản sao đồng bộ của LSDB, nghĩa là mọi router trong cùng một area đều có cái nhìn nhất quán về mạng.
• Tính toán đường đi tốt nhất bằng thuật toán Dijkstra (SPF)
  • Router sử dụng thuật toán Dijkstra để xây dựng SPF Tree, chọn đường đi ngắn nhất từ router đó đến mọi mạng đích.
  • Kết quả được đưa vào bảng định tuyến (Routing Table).
• Cập nhật động khi mạng thay đổi
  • Nếu có sự thay đổi (một liên kết bị down, thêm router, v.v.), router sẽ tạo LSA mới, gửi đến các router khác.
  • Các router nhận được sẽ cập nhật LSDB và chạy lại thuật toán SPF để tính toán lại đường đi.

5. Ưu điểm và nhược điểm:​

• Ưu điểm của OSPF:
  • Tự động cập nhật và học các route mới.
  • Hội tụ nhanh: Khi có thay đổi, các router nhanh chóng tính toán lại tuyến đường.
  • Có thể chia vùng (area) giúp tối ưu hiệu suất mạng lớn.
  • Hỗ trợ phân cấp mạng và cân bằng tải theo cost.
  • Mở rộng tốt, phù hợp với hệ thống mạng vừa và lớn.
• Nhược điểm của OSPF:
  • Cấu hình và quản lý phức tạp hơn static route, đặc biệt trong mạng lớn.
  • Tiêu tốn tài nguyên hệ thống hơn (RAM, CPU).
  • Cần kiến thức kỹ thuật vững để triển khai hiệu quả.

6. So sánh OSPF với Static Route​

Nên sử dụng Static Route trong môi trường mạng nhỏ, các tuyến đường cố định, kiểm soát đường đi một cách chặt chẽ
Còn OSPF thì sử dụng trong môi trường mạng vừa, nhiều router, mạng thường xuyên thay đổi, cần khả năng tự học và lập lộ trình