OSPF とは｜仕組みを図解で理解する LSA・エリア・コストの基礎

はじめに

企業内ネットワークの経路制御で広く採用されているルーティングプロトコルが OSPF（Open Shortest Path First）です。Cisco などの機器に触れたことがあれば、router ospf というコマンドを目にした方も多いと思います。

OSPF は特定のメーカーに依存しないオープン標準（RFC 準拠）のプロトコルで、小規模オフィスから数千台規模のエンタープライズ環境まで、規模を問わず安定して動作します。一方で、学習を始めると「LSA」「エリア」「コスト計算」といった用語が連続し、全体像をつかみにくいのも事実です。

OSPF は、各ルーターがネットワーク全体の地図（トポロジ）を共有し、その地図をもとに帯域幅から算出した「コスト」で最短経路を選びます。RIP のようにホップ数だけで判断しないため、回線速度を反映した経路選択ができる点が最大の違いです。本記事ではこの仕組みを順を追って整理し、機種別の具体的なコンフィグは関連記事へ案内します。

OSPF とは — ネットワークの地図を共有するリンクステート型プロトコル

OSPF は、ネットワーク全体のトポロジ情報を全ルーターで共有し、各自が最短経路を計算するリンクステート型（Link-State）のルーティングプロトコルです。IETF によって標準化されており、IPv4 向けの OSPFv2 は RFC 2328、IPv6 向けの OSPFv3 は RFC 5340 で規定されています。

動作の起点となるのが、各ルーターが自分の周囲の接続状況を記述した LSA（Link State Advertisement）です。ルーター同士が LSA を交換（フラッディング）し、集めた情報を LSDB（Link State Database）という共通のデータベースに蓄積します。同一エリア内の全ルーターが同じ LSDB を持つ状態（同期）を目指すことで、どのルーターからでも一貫した最短経路を導き出せます。

OSPF が支持される 5 つの特徴

OSPF が広く使われる理由は、次の 5 点に集約できます。各項目の詳細は後続のセクションで掘り下げます。

 帯域幅ベースの最短経路選択:
ホップ数ではなくコスト（回線速度から算出した値）で経路を選ぶため、低速回線を誤って優先しにくい。

 高速な収束:
障害を検知すると差分情報を即座に拡散し、新しい経路を再計算する。

 エリアによるスケーラビリティ:
ネットワークをエリア単位で分割し、詳細計算を局所化することで大規模環境でも負荷を抑える。

 差分更新による帯域効率:
平常時は小さな Hello パケットのみで、変化があったときだけ差分 LSA を送信する。マルチキャスト（224.0.0.5 / 224.0.0.6）を用いて関係のない端末に負荷をかけない。

 マルチベンダー対応:
オープン標準のため、Cisco・Juniper・YAMAHA・Arista など異なるメーカーが混在する環境でも相互接続できる。

RIP・EIGRP との違い

同じ IGP（Interior Gateway Protocol）に分類される RIP・EIGRP と比較すると、OSPF の位置づけが整理しやすくなります。

RIP はホップ数だけで判断するため、低速でも経由ルーターが少ない経路を選んでしまう弱点があります。EIGRP は高機能ですが、もともと Cisco 独自プロトコルとして開発された経緯があり、RFC 7868 として公開されたものの標準化トラックの仕様ではなく、マルチベンダーでの実装は限られています。将来的に他社製品が混在する可能性があるなら、世界標準の OSPF を選ぶ判断が無難です。

参考: Cisco Secure Firewall 設定ガイド（EIGRP）
“it is now an open standard defined in RFC 7868”
（EIGRP は現在、RFC 7868 で定義されたオープン標準となっています。）
https://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/security/firepower/720/fdm/fptd-fdm-config-guide-720/fptd-fdm-eigrp.html

最短経路を選ぶ「コスト」の仕組み

OSPF は、完成した LSDB（地図）をもとに、コスト（Cost）という値で経路を選びます。コストは基本的に回線の帯域幅から算出され、帯域が大きい（速い）リンクほどコストが小さくなります。複数経路がある場合は、合計コストが最小となる経路が最短経路として選ばれます。

コストの計算式と既定の参照帯域

コストは、参照帯域（リファレンスバンド幅）をインターフェース帯域で割って求めます。Cisco 機器の既定の参照帯域は 100 Mbps（10^8 bps）です。

参考: Cisco「Review OSPF Frequently Asked Questions」
“The formula to calculate the cost is reference bandwidth divided by interface bandwidth.”
（コストの計算式は、参照帯域をインターフェース帯域で割ったものです。）
https://www.cisco.com/c/en/us/support/docs/ip/open-shortest-path-first-ospf/9237-9.html

既定値（参照帯域 100 Mbps）での計算結果は次のとおりです。算出値が 1 未満になる場合は最小値の 1 に丸められます。

この表からわかるとおり、既定のままでは 100 Mbps 以上の高速インターフェースがすべてコスト 1 となり、1 Gbps と 10 Gbps を区別できません。

参照帯域の見直し（auto-cost reference-bandwidth）

高速回線を正しく区別するには、auto-cost reference-bandwidth で参照帯域を引き上げます。たとえば 10 Gbps 環境なら 10000、100 Gbps 環境なら 100000（Mbps 単位）を指定します。参照帯域はルーターごとに独立して計算されるため、同一 OSPF ドメイン内のすべてのルーターで同じ値に統一することが推奨されます。値が混在すると、ルーターごとにコスト計算が食い違い、意図しない経路選択につながります。具体的な設定コマンドは Cisco 設定記事で扱います。

等コストロードバランシング（ECMP）

計算した結果、複数の経路がまったく同じコストになった場合、OSPF は自動的に両方の経路へ通信を分散させます。これを ECMP（Equal Cost Multi Path）と呼びます。特別な設定なしで帯域を有効活用できる点が OSPF の利点の一つです。なお Cisco 機器では既定で最大 4 経路まで負荷分散し、maximum-paths コマンドで最大 32 経路まで拡張できます。

高速な収束と効率的な更新

OSPF が大規模ネットワークで信頼される理由は、障害発生時の復旧の速さと、平常時のネットワーク負荷の少なさを両立している点にあります。これを支えるのが、差分のみを伝える更新方式と、隣接ルーターの死活監視の仕組みです。

変化があったときだけ送る差分更新

RIP は変化の有無にかかわらず、30 秒ごとに全経路情報を送信します。これは帯域を消費するうえ、障害時も次の周期を待つため復旧が遅れがちです。

一方 OSPF は、LSDB の同期が完了したあとは Hello パケットによる死活確認のみを行い、リンクダウンなどの変化を検知した瞬間に、差分の LSA だけを即座に拡散します。この差分更新により、平常時の帯域消費を抑えつつ、障害時には新しい経路へ素早く切り替えられます。

Hello / Dead タイマーと障害検知

OSPF は隣接ルーターとの間で Hello パケットを定期的に交換し、一定時間（Dead Interval）応答がなければ、その隣接が失われたと判断します。ケーブルが物理的に抜けた場合を除き、基本的にはこの Dead Interval の満了を待ってから障害と判断します。

参考: Cisco「What Does the show ip ospf interface Command Reveal」
“On broadcast and point-to-point links, the default is 10 seconds.”
（broadcast および point-to-point リンクでは、既定値は 10 秒です。）
https://www.cisco.com/c/en/us/support/docs/ip/open-shortest-path-first-ospf/13689-17.html

Dead Interval は既定で Hello Interval の 4 倍です。broadcast / point-to-point では Hello 10 秒・Dead 40 秒、NBMA では Hello 30 秒・Dead 120 秒が既定値となります。より速い検知が必要な場合は、Hello タイマーを短くするか、BFD（Bidirectional Forwarding Detection）を併用することでサブセカンド級の検知も可能です。タイマー値は隣接するルーター間で一致している必要があります。

DR / BDR — マルチアクセスでの情報集約

イーサネット LAN のように、同一セグメントに複数のルーターが接続するマルチアクセス環境では、全ルーターが互いに LSA を交換すると情報が重複し、隣接関係の数が増えすぎます。これを整理するために、OSPF はセグメント内の代表ルーターを選出します。

 DR（Designated Router）:
セグメント内の代表。各ルーターは DR に情報を集約し、DR が責任を持って全体へ再配布する。

 BDR（Backup Designated Router）:
DR の障害に備える副代表。常に DR と同じ情報を保持し、DR がダウンした際に昇格する。

DR / BDR 以外のルーター（DROther）は、DR / BDR とのみ FULL（完全な隣接）を確立し、DROther 同士は 2WAY のままにとどまります。これは正常な動作で、隣接関係の数を抑える狙いがあります。情報のやり取りには、DROther から DR / BDR への送信に 224.0.0.6（AllDRouters）、DR から全ルーターへの配布に 224.0.0.5（AllSPFRouters）のマルチキャストアドレスを使用します。

DR の選出は、OSPF プライオリティ（既定値 1）が最も高いルーターが DR、次点が BDR となり、同値の場合はルーター ID（RID）が大きいルーターが優先されます。プライオリティ 0 のルーターは選出対象から除外されます。なお選出は非プリエンプティブで、あとから高プライオリティのルーターが現れても、既存の DR は維持されます。

OSPF のネットワークタイプ

OSPF は、インターフェースが接続する媒体の性質に応じて「ネットワークタイプ」を切り替えます。ネットワークタイプによって、DR / BDR を選出するかどうか、既定の Hello / Dead タイマー、ネクストホップの扱いが変わります。両端のインターフェースでタイプが一致していないと、隣接が確立できない、または不安定になる原因となります。

イーサネットの既定は broadcast で、DR / BDR を選出します。2 台のみを接続する point-to-point では代表選出が不要なため、より早く FULL に到達します。NBMA はマルチキャストが使えない媒体向けで、隣接先を手動指定する必要があります。インターフェースの現在のタイプは show ip ospf interface で確認できます（出力例は機種別の設定記事で扱います）。

エリア設計 — スケーラビリティとバックボーン

全ルーターを単一のグループに収容すると、リンクが 1 本増えるたびに全員が LSDB を再計算することになり、CPU やメモリの負荷が増大します。OSPF はネットワークを「エリア（Area）」に分割し、詳細な計算をエリア内に局所化することで、この問題を抑えます。エリアを分けることで、LSDB のサイズを小さく保ち、あるエリアの障害が他エリアの再計算に波及しにくくなります。

エリアを接続する際には階層型の設計ルールがあります。中心となるのがバックボーンエリア（Area 0）で、他のすべてのエリアは Area 0 に隣接する必要があります。エリア間の通信は必ず Area 0 を経由するため、ネットワークがハブ＆スポーク状の構造となり、経路のループを防げます。

LSA の主なタイプ

LSA は役割ごとに種類が分かれています。OSPFv2 で実務上よく扱うのは次のタイプです。

エリアをまたぐ Type 3 / Type 4 は ABR（Area Border Router）が、外部から再配布された経路を表す Type 5 は ASBR（AS Boundary Router）が生成します。

エリアの種類（スタブ・NSSA など）

エリアは、通過させる LSA を制限することで、エリア内のルーターが保持する情報量を減らせます。代表的な種別は次のとおりです。

スタブエリアは外部経路（Type 5）を遮断して LSDB を小さく保つ設計です。一方で、エリア内に ASBR を置いて外部経路を再配布したい場合は、NSSA（Not-So-Stubby Area）を用います。

参考: Cisco「Configure the OSPF Not-So-Stubby Area (NSSA)」
“Type 5 LSAs are not allowed in NSSA areas”
（NSSA エリアでは Type 5 LSA は許可されません。）
https://www.cisco.com/c/en/us/support/docs/ip/open-shortest-path-first-ospf/6208-nssa.html

NSSA では外部経路を Type 7 として生成し、ABR がこれを Type 5 に変換して他エリアへ伝搬します。完全スタブ・完全 NSSA は Cisco 独自の拡張で、エリア間経路（Type 3）も遮断してさらに情報量を絞り込みます。

OSPF の基本設定 — Cisco ルーターでの有効化

ここでは OSPF を動かすための最小限の設定を確認します。マルチエリア構成や参照帯域の調整、認証など、踏み込んだコンフィグは Cisco 設定記事で扱います。具体的な手順は関連記事『Cisco ルーターでの OSPF 設定手順とマルチエリア構成のコンフィグ例』を参照してください。

OSPF の有効化とエリアへの参加

OSPF はプロセス ID を指定して有効化し、参加させるインターフェースとエリアを network コマンドで指定します。

Router(config)# router ospf 1
Router(config-router)# network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 0

プロセス ID は 1〜65535 の範囲で、ルーター内で OSPF を識別する局所的な番号です。隣接するルーターと一致している必要はありません。network コマンドのワイルドカードマスクはサブネットマスクのビット反転で、/24（255.255.255.0）なら 0.0.0.255 となります。

参考: Cisco IOS IP Routing: OSPF Command Reference（network area）
“The wildcard-mask argument is logically ORed with the ip-address argument in the network command.”
（ワイルドカードマスク引数は、network コマンドの IP アドレス引数と論理 OR されます。）
https://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/ios-xml/ios/iproute_ospf/command/iro-cr-book/ospf-i1.html

状態確認の基本コマンド

設定後は、隣接の確立と経路の学習を確認します。

 show ip ospf neighbor:
隣接状態を確認する。FULL であれば LSDB の交換が完了している。マルチアクセスでは DROther 同士が 2WAY で止まるのは正常な動作

 show ip route ospf:
学習した OSPF 経路を確認する。先頭の O が OSPF 由来の経路を表す。

 show ip ospf interface:
インターフェースのネットワークタイプやタイマー、コストを確認する。

各コマンドの詳細な出力例や、マルチエリア・ルート要約・認証の設定は、機種別の設定記事で扱います。

OSPF を導入する際の注意点・制約

OSPF は柔軟で高機能なプロトコルですが、導入・運用にあたって押さえておきたい制約もあります。メリットだけでなく、これらの前提を理解しておくことで、設計時の手戻りやトラブルを抑えられます。

隣接確立には複数の条件一致が必要

OSPF の隣接（ネイバー）は、いくつかの値が一致しないと確立できません。代表的な確認項目は次のとおりです。

• Hello / Dead タイマーの一致
• エリア ID の一致
• ネットワークタイプの整合（broadcast と point-to-point の混在など）
• サブネットマスク・サブネットの一致
• 認証設定（鍵・方式）の一致
• インターフェース MTU の一致。MTU が食い違うと、隣接が ExStart や Exchange の状態で停止することがあります。

これらの切り分け手順は、関連記事『OSPF のネイバー確立トラブル｜下位レイヤから切り分ける原因特定手順』で詳しく扱っています。

設計とリソースに関する制約

 エリア設計の制約:
すべてのエリアは Area 0 に隣接する必要があり、エリアをまたぐ通信は Area 0 を経由します。Area 0 から分離したエリアを作る場合は、仮想リンク（virtual-link）などの追加設計が必要になります。

 CPU・メモリ負荷:
大規模な単一エリアでは LSDB が肥大化し、SPF 計算の負荷が増えます。リンクが頻繁に上下動（フラッピング）する環境では、再計算が繰り返され負荷が高まります。エリア分割やスタブ化、ルート要約で LSDB を抑える設計が有効です。

 設計難易度:
コスト設計、エリア境界での経路要約、再配布など、適切に運用するには相応の設計知識が求められます。小規模で経路数が少ない環境では、スタティックルートのほうが運用がシンプルな場合もあります。

機種別の設定手順（対応機種の一覧）

OSPF はマルチベンダーで相互接続できますが、設定コマンドや GUI 操作は機種ごとに異なります。本ブログでは機種別に設定手順を用意しています。利用機器に合わせて参照してください。

Cisco 環境で Multi-VRF（VRF-Lite）と OSPF を組み合わせる場合は、capability vrf-lite や DN ビットの扱いに固有の注意点があります。詳細は関連記事『capability vrf-lite と DN Bit の役割｜OSPF Multi-VRF の落とし穴』を参照してください。

まとめ

OSPF はリンクステート型の IGP として、ネットワーク全体のトポロジ情報を共有し、帯域から算出したコストで最短経路を選びます。RIP のホップ数方式と異なり回線速度を反映でき、エリア分割によって大規模環境にも対応します。仕組みを押さえておけば、機種を問わず設計・運用に応用できます。

• LSA を交換し LSDB（共通の地図）を同期する動作原理
• 参照帯域を基準に算出する帯域ベースのコスト計算
• 既定参照帯域 100 Mbps による高速回線の区別不可と対処
• マルチアクセスでの DR / BDR による情報集約
• 媒体に応じて変わるネットワークタイプとタイマー
• Area 0 を中心とする階層型のエリア設計
• スタブ・NSSA による LSA 制限と LSDB の最適化

以上、最後までお読みいただきありがとうございました。