IS-IS动态路由协议笔记（中）路由计算方法

IS-IS动态路由协议笔记（中）路由计算方法

　　中间系统到中间系统（IS-IS，Intermediate system to intermediate system，读作“i-sys”）是一种内部网关协议，是电信运营商普遍采用的内部网关协议之一。

　　标准的IS-IS协议是由国际标准化组织制定的ISO/IEC 10589:2002 所规范的。但是标准的IS-IS协议是为无连接网络服务（CLNS）设计的，并不直接适合于IP网络，因此互联网工程任务组制定可以适用于IP网络的集成化的IS-IS协议，称为集成IS-IS，它由RFC 1195等RFC文档所规范。由于IP网络的普遍存在，一般所称的IS-IS协议，通常是指集成IS-IS协议。

　　由笔记的上篇我们可知，IS-IS路由协议的路由收敛过程与OSPF路由协议相仿，均可分为建立邻居关系，同步LSDB数据库，执行SPF路由算法三个步骤，但细节上有所不同。

　　本节笔记，我们继续讨论IS-IS协议链路状态信息的载体和交互，路由算法SPF的计算过程，网络分层路由域内（外）的概念，最后总结IS-IS协议和OSPF协议的差异性。

 

 

　　TLV三元组

　　PDU中的变长字段部分是多个TLV（Type-Length-Value）三元组。TLV也可以称为CLV（Code-Length-Value）。

 　　

　　如上图所示：TLV的含义是：类型（TYPE），长度（LENGTH），值（VALUE）。实际上是一个数据结构，这个结构包含了这三个字段。

　　网络拓扑结构和路由信息使用TLV结构构建报文，使报文结构的灵活性和扩展性获得提升。TLV结构使报文的整体结构固定，增加新特点时只需要增加新TLV即可，不需要改变整个报文的整体结构。

 

 

　　链路状态信息载体

　　IS-IS路由协议与其他路由协议不同，是直接运行在数据链路层上的。对等路由器间通过PDU来传递链路状态信息，完成链路状态数据库（LSDB）的同步。

　　IS-IS中的PDU主要分为三大类：Hello PDU，LSP PDU，SNP PDU。

 

　　① Hello PDU用于建立和维持邻居关系。已经在笔记上篇进行详细的介绍，此处进行总结：

• 网络类型为点对点时，其Hello报文为：P2P IIH

　　与LAN IIH相比多了Local Circuit ID字段，表示本地链路ID。

 

• 网络类型为广播时，其Hello报文为：L1 LAN IIH或L2 LAN IIH

　　分别有Priority字段代表选举DIS的优先级，LAN字段代表DIS的System ID和一字节的伪节点ID

 

　　② LSP PDU（Link State Protocol PDU）用于交换链路状态信息。

　　LSP类似于OSPF的LSA，承载的是链路状态信息，描述所处网络的拓扑结构和网络号。可分为实节点和伪节点LSP（只在广播链路存在）。

　　LSP报文中包含了两个重要字段：ATT字段、IS-Type字段。其中ATT字段用于标识该路由是Level-1还是Level-2路由器发送的，IS-Type用来指明生成此LSP的IS-IS类型是Level-1还是Level-2 IS-IS。

• Level-1 LSP由Level-1 路由器传送。
• Level-2 LSP由Level-2 路由器传送。
• Level-1-2 路由器则可传送以上两种LSP。

　　LSP的刷新间隔为15分钟；老化时间为20分钟。但是一条LSP的老化除了要等待20分钟外，还要等待60秒的零老化时延；LSP重传时间为5秒。

 

　　③ SNP PDU（Sequence Number PDU）用于维护LSDB的完整与同步，且为摘要信息。

　　SNP PDU分为CSNP（用于同步LSP）和PSNP（用于请求和确认LSP）两类。

• CSNP（Complete Sequence Number PDU）：包括LSDB中所有LSP的摘要信息，从而可以在相邻路由器间保持LSDB的同步。类似于OSPF的DD报文用于传递的是LSDB里所有链路信息摘要。DIS每隔10秒发送一次CSNP报文。
• PSNP（Partial Sequence Number PDU）：包含部分LSDB中的LSP摘要信息，能够对LSP进行请求和确认。类似于OSPF的LSR或LSAck报文用于请求和确认部分链路信息。

 

　　Tips：IS-IS协议使用组播MAC地址作为发送IIH的目的地址

　　协议报文都分为Level-1和Level-2两种，在广播（MA）网络中所有协议报文的目的MAC都是组地址：

　　Level-1地址为：0180-C200-0014

　　Level-2地址为：0180-C200-0015　　

 

 

　　链路状态信息的交互

　　IS-IS协议同步LSDB的过程，可分为P2P网络和MA网络两种情况进行讨论。

 

　　情况一 ：P2P（点对点）网络LSDB同步过程

 　　

 　　

　　

　　Step ①：建立邻居关系之后，RTA与RTB会先发送CSNP给对端设备。（P2P网络CSNP报文只发送一次，在邻居建立后立即发送）

　　Step ②：如果对端的LSDB与CSNP没有同步，则发送PSNP请求索取相应的LSP。假定RTB向RTA索取相应的LSP，此时RTB向RTA发送PSNP。

　　Step ③：RTA发送RTB请求的LSP的同时启动LSP重传定时器，并等待RTB发送PSNP作为收到LSP的确认。

　　Step ④⑤⑥：如果在接口LSP重传定时器超时后，RTA还没有收到RTB发送的PSNP报文作为应答，则重新发送该LSP直至收到RTB的PSNP报文作为确认。

　　Tips：P2P网络CSNP报文只发送一次，邻居建立后立即发送。

 

 

　　情况二：MA网络中新加入的路由器与DIS 的LSDB同步交互过程：

 　　

　　假设新加入的路由器RTC已经与RTB（DIS）和RTA建立了邻居关系。

　　Step ①：建立邻居关系之后，RTC将自己的LSP发往组播地址（Level-1：01-80-C2-00-00-14；Level-2：01-80-C2-00-00-15）。这样网络上所有的邻居都将收到该LSP。

　　Step ②： 该网段中的DIS会把收到RTC的LSP加入到LSDB中，并等待CSNP报文定时器超时（DIS每隔10秒发送CSNP报文）并发送CSNP 报文，进行该网络内的LSDB同步。

　　Step ③：RTC收到DIS发来的CSNP报文，对比自己的LSDB数据库，然后向DIS发送PSNP报文请求自己没有的LSP（如RTA和RTB的LSP就没有）。

　　Step ④：RTB作为DIS收到该PSNP报文请求后向RTC发送对应的LSP进行LSDB 的同步。

　　Tips：MA网络CSNP报文只由DIS组播发送，时间默认为10秒。

 

 

　　路由计算方法

 　　

　　（1）IS-IS的计算特点

　　① 在本区域内路由器第一次启动的时候执行的是Full-SPF算法。

　　② 后续收到的LSP更新，如果是部分拓扑的变化执行的iSPF计算。

　　③ 如果只是路由信息的变化，执行的就是PRC计算。

　　④ 由于采用拓扑与网络分离的算法，路由收敛速度得到了加强。

 

　　（2）IS-IS路由计算的开销方式

• Narrow模式（设备默认模式开销都是10，手工配置接口开销取值范围为1～63）。
• Wide模式（设备默认模式开销都是10，手工配置接口开销取值范围是1～16777215）。

　　Tips：进程下加入auto-cost enable命令，Narrow模式和Wide模式都会参考接口带宽大小计算开销值，只是参考准则有少许差异。

 

　　（3）SPF计算过程

　　Step 1：单区域LSDB同步完成

　　Step 2：生成全网拓扑结构图

　　Step 3：以本节点为根生成最短路径树

　　Step 4：默认跨越每个节点开销一样

 

 

　　网络分层路由域

　　为了支持大规模的路由网络，IS-IS在自治系统内采用骨干区域与非骨干区域两级的分层结构。一般来说，将Level-1路由器部署在非骨干区域，Level-2路由器和Level-1-2路由器部署在骨干区域。每一个非骨干区域都通过Level-1-2路由器与骨干区域相连。

　　IS-IS协议的区域边界在整个Router，OSPF协议的区域边界在Router的接口。

 　　

　　拓扑中为一个运行IS-IS协议的网络，它与OSPF的多区域网络拓扑结构非常相似。整个骨干区域不仅包括Level-2的所有路由器，还包括Level-1-2路由器。

　　Level-1-2级别的路由器可以属于不同的区域，在Level-1区域，维护Level-1的LSDB，在Level-2区域，维护Level-2的LSDB。

 

　　拓扑所体现的IS-IS与OSPF不同点：

　　① 在IS-IS中，每条链路可以属于不同的区域；而在OSPF中，每个链路只属于一个区域；

　　② 在IS-IS中，单个区域没有物理的骨干与非骨干区域的概念；而在OSPF中，Area0被定义为骨干区域；

　　③ 在IS-IS中，Level-1和Level-2级别的路由器分别采用SPF算法，分别生成最短路径树SPT；在OSPF中，只有在同一个区域内才使用SPF算法，区域之间的路由需要通过骨干区域来转发。

 

 

　　区域间路由                                                                                                                                                                                    

　　如下图所示：将Level-1路由器部署在非骨干区域，Level-2路由器和Level-1-2路由器部署在骨干区域。每一个非骨干区域都通过Level-1-2路由器与骨干区域相连。以下介绍各类型路由器的路由特点。

 　　

　　I、区域 49.0001由Level-1路由器组成。

　　① Level-1路由器维护Level-1的链路状态数据库，该链路状态数据库中只有本区域路由器LSP。

　　② 其路由表里不仅没有其他区域的路由信息，且都有一条默认路由：当访问非本区域路由器时，下一跳指向到Level-1-2路由器。

 

　　II、区域49.0002由Level-2路由器组成。

　　① Level-2路由器维护Level-2的链路状态数据库，该链路状态数据库中存有骨干区域路由器的LSP，但没有Level-1路由器产生的LSP。

　　② 其路由表里面存有整个网络的路由信息。

 

　　III、Level-2和Level-1-2路由器共同部署在骨干区域中，其中骨干区域与非骨干区域是通过Level-1-2路由器相连的。

　　① Level-1-2路由器同时拥有Level-2和Level-1的链路状态数据库，其中Level-1数据库包含本区域的LSP，Level-2数据库包含骨干区域LSP。

　　② 在自己产生的Level-1的LSP中设置了ATT比特位为1。

　　③ 其路由表里面有整个网络的路由信息。

 

 

　　综合上述各类型路由器的路由特点，可以将区域间路由互访时，路由器工作步骤大致归纳如下：

　　情况一 当区域49.0001访问区域49.0002

　　① Level-1-2路由器RTA产生ATT置位为1的LSP

　　② Level-1路由器收到ATT为1的LSP会产生下一跳指向Level-1-2路由器的默认路由

 

　　情况二 当区域49.0002访问区域49.0001

　　① Level-1-2路由器RTA会把区域49.0001的明细路由以叶子节点方式挂载在L2级别的LSP上面并处在Level-2的LSDB中

　　② Level-2路由器通过自己SPF计算得出访问区域49.0001的明细路由

 

　　Tips：ATT比特位的补充说明（仅限了解就好）。

　　关于ATT（Attachment）字段，在本节笔记的介绍LSP PDU时已有提及，现提供补充说明：

　　该字段由Level-1-2路由器产生，用于标识该路由是Level-1/Level-2路由器发送的。虽然此标志位也存在于Level-1和Level-2的LSP中，但实际上此字段只和Level-1-2路由器始发的Level-1 LSP有关。

 

 

　　IS-IS与OSPF的差异性

　　IS-IS协议与OSPF协议都是链路状态路由协议，且均采用SPF算法进行路由计算，那么两种协议之间存在什么差异呢？在网络规划时应该如何选择要使用的协议呢？

差异性	IS-IS	OSPF
网络类型	少	多
开销方式	复杂	简便
区域类型	少	多
路由报文类型	简单	多样
路由收敛速度	很快	快
扩展性	强	一般
路由负载能力	超强	强

 

　　可以根据自己的实际需求进行选择。以下对差异性进行详细说明：

　　① 网络类型和开销方式：

　　IS-IS协议只支持两种网络类型，且所有带宽默认开销值都是一样的；

　　OSPF协议支持四种网络类型，且会根据不同的带宽设定相应的开销值，对帧中继，按需链路等网络类型有很好的支持。

 

　　② 区域类型：

　　IS-IS协议分Level-1/Level-2区域，Level-2区域是骨干区域存有全部明细路由，Level-1去往Level-2只有默认路由。

　　OSPF协议分骨干区域、普通区域和特殊区域，普通区域和特殊区域跨区域访问均需要经过骨干区域。

 

　　③ 报文类型：

　　IS-IS协议路由承载报文类型只有LSP报文且里面路由信息是不区分内部与外部的，简单高效，无需递归计算。

　　OSPF协议路由承载报文LSA类型多样，有1/2/3/4/5/7类等。路由级别等级森严，且需要递归计算，适合精细化调度计算。

 

　　④ 路由算法：

　　ISIS协议区域内某个节点上的网段发生变化时，触发的是PRC算法，收敛比较快，计算路由的报文开销也比较小。

　　OSPF协议由于网络地址参与了拓扑的构建，在区域内当网段地址改变触发的是i-spf算法，相对来说过程繁琐复杂些。

 

　　⑤ 扩展性：

　　ISIS协议任何路由信息都使用TLV传递，结构简单，易于扩展，如对IPv6的支持只增加2个TLV就解决了。且ISIS本身对IPX等协议是支持的。

　　OSPF协议本身是为IP特定开发的，支持IPv4和IPv6的OSPF协议是两个独立的版本（OSPFv2和OSPFv3）。

 

 

　　Tips：术语对照表

缩略语	OSI术语	IETF术语
IS	Intermediate System	Router
ES	End System	Host
DIS	Designated Intermediate System	OSPF中的DR
SysID	System ID	OSPF中的Router ID
LSP	Link State PDU	OSPF中的LSA
IIH	IS-IS Hello PDU	OSPF中的Hello报文
PSNP	Partial Sequence Number PDU	OSPF中的LSR或LSAck报文
CSNP	Complete Sequence Number PDU	OSPF中的DD报文

 

　　至此，IS-IS协议的基础理论知识的介绍暂时告一段落，下一节笔记将会继续介绍IS-IS路由协议配置举例。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

至此，IS-IS协议的基础理论知识的介绍暂时告一段落，下一节笔记将会继续介绍IS-IS路由协议配置举例。