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链路状态协议--干趴 IS-IS 特性
网络 通信技术
链路状态协议的分层结构,可以减少 LSA 的数量,降低设备的性能消耗。OSPF 有骨干区域、常规区域、特殊区域,而 IS-IS 就简单些,只有骨干网络和常规区域。

大家好,我是小弗。说起 IS-IS ,就不可避免要提到 OSPF 。它俩都是链路状态协议,但无法互相替代。IS-IS 是从 OSI 扩展到 TCP/IP 的,而 OSPF 又源于 IS-IS 。它们协议原理类似,但具体实现的机制不同,就有了不同的应用场景:

OSPF 路由类型多、区域类型多、开销规则合理、网络类型多,适合在园区网层次化部署。

IS-IS 算法快速、报文简洁、收敛快速、路由承载庞大,更适合运营商扁平化网络部署。

分层结构

链路状态协议的分层结构,可以减少 LSA 的数量,降低设备的性能消耗。OSPF 有骨干区域、常规区域、特殊区域,而 IS-IS 就简单些,只有骨干网络和常规区域。

ISIS 的骨干网络是由连续的 Level-2 和 Level-1-2 路由器组成。图中的 R1 、R2 、R3 和 R4 构成骨干网络。连续的 Level-1 和 Level-1-2 路由器构成的区域叫做 Level-1 区域。比如 Area 49.0001 和 Area 49.0002 。Level-2 区域,由连续的、同一个区域的 Level-2 和 Level-1-2 路由器构成。比如 Area 49.0003 和 Area 49.0004 。Level-1 区域可能有多个,骨干网络也可能覆盖多个 Level-2 区域。

IS-IS 的区域,不是按照接口划分的,而是按照设备划分的。配置 IS-IS 时,要指定设备的区域,一个设备可以同时属于多个区域。配完后,设备的所有接口都属于这个区域。比如 R1 和 R5 建立 Level-1 的邻居关系,R3 和 R4 建立 Level-2 的邻居关系。同时,区域的交界不在设备上,而是在链路上。比如 Area 49.0001 和 Area 49.0004 的交界就是 R1 和 R4 连接的链路上。

IS-IS 的每个 Level-1 区域必须和骨干网络直连,比如 Area 49.0001 就是通过 R1 连接到骨干网络。Level-1-2 路由器作为 Level-1 区域和骨干网络的桥梁,Level-1 区域内的路由通过 Level-2 LSP 通告给骨干网络。而 Level-1-2 路由器不会把骨干网络的路由通告给 Level-1 区域,而是下发默认路由给 Level-1 路由器。跟 OSPF 的 Totally NSSA 类似。Level-1 路由器只知道区域内的路由,区域外的网络,通过默认路由到达。

路由器分类

运行 IS-IS 的路由器,根据 Level 的不同,可分为两类:Level-1 和 Level-2 。路由器可以是 Level-1 类型,或 Level-2 类型,还可以同时是 Level-1 和 Level-2 类型,即 Level-1-2 类型,实际上 Level-1-2 并不是一种单独的 IS-IS 路由器类型。

Level-1 路由器

Level-1 路由器,比如图中的 R1 ,只能和同一区域内的其它 Level-1 或 Level-1-2 路由器建立 IS-IS 邻居关系,也叫做 Level-1 邻居关系。它无法与 Level-2 路由器建立邻居关系。

Level-1 路由器只维护 Level-1 LSDB ,根据链路状态信息计算区域内的网络拓扑及最优路由。Level-1 只能通过 Level-1-2 路由器接入骨干网络访问其它网络区域。

Level-2 路由器

Level-2 路由器,比如图中的 R4 、R5 、R6 、R7 ,可以看做 IS-IS 骨干网络的路由器,其实骨干网络是由连续的 Level-2 路由器及 Level-1-2 路由器组成的。

Level-2 路由器只能和 Level-1-2 或 Level-2 路由器建立邻居关系,也叫做 Level-2 邻居关系。Level-2 路由器只维护 Level-2 的 LSDB ,Level-2 路由器有整个 IS-IS 域的所有路由信息。

Level-1-2 路由器

Level-1-2 路由器,比如图中的 R2 、R3 ,同时是 Level-1 和 Level-2 级别的路由器,可以和同一区域的 Level-1 、Level-1-2 路由器建立 Level-1 邻居关系,也可以和 Level-2 路由器或 Level-1-2 路由器建立 Level-2 邻居关系。

Level-1-2 路由器同时维护 Level-1 的 LSDB 和 Level-2 的 LSDB ,分别计算 Level-1 路由和 Level-2 路由。通常,Level-1-2 路由器连接一个 Level-1 区域,也连着骨干网络,作为 Level-1 区域与其它区域通信的桥梁,下发的 Level-1 LSP 中设置 ATT 位,Level-1 路由器根据这条 LSP ,生成一条指向 Level-1-2 路由器的默认路由。

默认状态下,路由器的全局 Level 为 Level-1-2 。可通过命令修改设备类型。

度量值

IS-IS 使用 Cost 作为路由度量值,也叫做开销、成本、代价。Cost 值越小,路由越优。每个接口都有 Cost 值,默认值为 10 ,与接口带宽不相关。某些情况下就会出现问题,比如设备选择 Cost 更优的低带宽路径,不选择 Cost 更劣的高带宽路径。这时,就要根据实际情况,修改接口 Cost 值。

IS-IS 路由的 Cost 等于源设备到目的网段所有出接口的 Cost 总和。R1 通过 IS-IS 获取到 3.3.3.0/24 的路由,Cost 值为 30 。

默认情况下,Cost 类型是 Narrow ,接口 Cost 长度是 6bit ,取值范围是 1~63 。路由 Cost 长度是 10bit ,最大值为 1023 。但在大型网络中,度量值范围太小,不能满足需求,就引入了 Wide 类型 Cost 。Wide 类型时,接口 Cost 是 24bit ,取值范围是 1~16777215 。同时,路由 Cost 值可达到 4261412864 。从而能够支持更大规模的网络,Cost 的路由控制也更灵活。

Wide 配置命令:

路由器使用的 Cost 类型是 Narrow 时,只能接收和发送 Cost 类型是 Narrow 的路由。同理,Cost 类型改为 Wide 后,只能接收和发送 Cost 类型是 Wide 的路由。当然,为了兼容两种模式,就有了 Compatible 类型,可同时接收和发送 Narrow 类型和 Wide 类型的路由。

默认情况下,IS-IS Cost 类型为 Narrow 时, Cost 值为 10 。无论接口的带宽是多少,值都是 10 。简单的方法,就是手动修改接口 Cost 。既然路由都能动态生成,那么 Cost 还要手动修改,显然不合适。肯定有自动计算接口 Cost 的功能,使用 auto-cost enable 命令激活。接口的 Cost 值 = ( bandwidth-reference / 接口带宽值 ) × 10 。bandwidth-reference 值默认是 100 ,可通过命令修改。比如千兆接口的带宽是 1000Mbps ,结果是 1 ,即 Cost 值为 1 。当然,只有 Cost 类型为 Wide 或 Wide-compatible 时,自动计算才生效。如果 Cost 类型为 Narrow 、Narrow-compatible 或 Compatible 时,根据带宽和度量值的对应关系表设置 Cost 值。

三张表

IS-IS 维护了三张重要的数据表,分别是邻居表、LSDB 、IS-IS 路由表。

邻居表

相邻两台路由器要先建立邻居关系,才开始交互 LSP 。路由器在直连链路上发现的邻居加载到邻居表中。使用 display isis peer 命令查看邻接表,包含邻居的系统 ID 、状态、保活时间和类型等信息。

R2 发现了两个邻居,GE0/0/0 接口发现了邻居 R1 ,邻居状态是 UP ,还有 28 秒保持时间,邻居类型是 Level-1 ,接口优先级是 64 ;GE0/0/1 接口发现了邻居 R3 ,邻居类型是 Level-2 。

LSDB

直连的两台路由器建立邻居关系后,开始交互 LSP 。路由器把自己生成的、网络中泛洪的 LSP 存储到 LSDB 中。用这些信息绘制网络拓扑、计算路由。使用 display isis lsdb 命令,查看路由器的 IS-IS LSDB 。

R1 是一台 Level-1 路由器,只维护 Level-1 LSDB ,LSDB 中有三个 LSP 。每个 LSP 使用 LSP ID 标识,LSP ID 由三部分组成:

  • 系统 ID :6byte ,生成 LSP 的路由器的系统 ID 。
  • 伪节点 ID :1byte 。字段值有 0 和非 0 两种情况。值为 0 时,表示普通 LSP 。值为非 0 时,由 DIS 分配,表示伪节点 LSP 。
  • 分片号:1byte ,如果 LSP 过大,会进行分片。通过不同的分片号,标识和区分不同的 LSP 分片。同一个 LSP 的不同分片,必须要有相同的系统 ID 和伪节点 ID 。

下面以 R1 生成的 LSP 为例,LSD ID 是 0000.0000.0001.00-00 。LSP ID 后面带星号 “ * ” ,表示是路由器自己生成的。

LSDB 的 Seq Num 表示 LSP 的序列号,用来表示 LSP 的新旧。R1 也不会有 R3 的 LSP ,因为其它区域的 LSP 不会泛洪到 Level-1 区域内。

R2 是 Level-1-2 路由器,会同时维护 Level-1 LSDB 和 Level-2 LSDB 。

IS-IS 路由表

路由器基于 LSDB ,运行路由算法,计算出最优路由。计算出的路由存放在 IS-IS 路由表中,使用 display isis route 命令查看 IS-IS 路由表,是否会加载到全局路由表中,取决于路由优先级等因素。

查看 R1 的 IS-IS 路由表:

查看 R2 的 IS-IS 路由表:

R2 通过 IS-IS 学习到 Level-1 路由 1.1.1.0/24 和 Level-2 路由 3.3.3.0/24 。Level-1 路由根据 Level-1 LSDB 计算出的路由,Level-2 路由根据 Level-2 LSDB 计算出的路由。当到达目的网段,既有 Level-1 路由,又有 Level-2 路由时,优选 Level-1 路由,与路由 Cost 无关。

查看 R2 的全局路由表:

协议报文

IS-IS 的协议报文直接采用数据链路层封装,对比 OSPF 少了 IP 层封装,IS-IS 报文的封装效率更高。IS-IS 报文直接封装在以太网数据帧中,使用几种 PDU :

IIH ( IS-IS Hello )

IIH PDU 用于建立和维护 IS-IS 的邻居关系。有三种 IIH PDU :Level-1 LAN IIH 、Level-2 LAN IIH 和 P2P IIH 。其中 Level-1 LAN IIH 和 Level-2 LAN IIH 用于 Broadcast 类型的网络,Level-1 设备只发送和侦听 Level-1 LAN IIH ,Level-2 设备只发送和侦听 Level-2 LAN IIH ,Level-1-2 设备发送和侦听两种类型的 LAN IIH 。P2P IIH 用于 P2P 类型的网络中。

LSP ( Link-State Packet )

ISIS 使用 LSP 存放链路状态信息,LSP 是一种独立的 PDU 。LSP 分为 Level-1 LSP 和 Level-2 LSP ,根据邻居关系类型,发送对应的 LSP 。比如 Level-1 邻居关系,交互 Level-1 LSP ,Level-1-2 邻居关系,Level-1 LSP 和 Level-2 LSP 都会交互。

CSNP ( Complete Sequence Number PDU )

CSNP 用于 LSDB 同步,包含路由器 LSDB 所有 LSP 摘要。CSNP 也分为 Level-1 CSNP 和 Level-2 CSNP ,不同邻居关系交互不同类型的 CSNP 。

CSNP 包含设备的 LSDB 所有 LSP 摘要信息,一条 LSP 的摘要信息包括 LSP 的 LSP ID 、序列号、剩余生存时间、校验和,这四个信息是 LSP 头部的关键信息。

PSNP ( Partial Sequence Number PDU )

PSNP 只包含一部分 LSP 的摘要信息,用于请求 LSP 更新,也分为 Level-1 PSNP 和 Level-2 PSNP 。PSNP 还用于 P2P 网络中,对收到的 LSP 进行确认。

IS-IS PDU

IS-IS PDU 报文结构主要是三个部分:通用的头部、PDU 特有的头部、可变长部分。通用的头部,是指所有 IS-IS PDU 都有的、相同格式的头部。每种 PDU 都有自己特有的头部。可变长部分,使用三元组格式存储内容,也就是 TLV ,全称 Type-Length-Value ,也就是类型、长度、值的三元组。

TLV 的各元素描述如下:

  • Type(类型):1byte ,表示 TLV 的类型,不同 TLV 类型携带不同的信息。

  • Length(长度):1byte ,表示 Value 的长度。不同 TLV 类型,长度也不同。
  • Value(值):字节数的长度是 Length 的值,表示 TLV 的有效内容。

每种 PDU 都有一定数量的 TLV ,TLV 非常灵活、方便扩展。不对协议做大改动的情况下,引入新的 TLV 就可以实现新功能的支持,这就是 TLV 的绝对优势。

LSP

IS-IS 使用 LSP 来描述网络拓扑和网段信息,有两种 LSP :Level-1 LSP 和 Level-2 LSP 。LSP 由 PDU 通用头部和 LSP 报文组成,LSP 报文包含 LSP 特有头部和 TLV 。

LSP 字段及说明:

  • PDU 长度( PDU Length ):PDU 的总长度,单位是字节。
  • 剩余生存时间( Remaining Lifetime ):LSP 的剩余存活时间,单位是秒。
  • LSP 标识符( LSP ID ):三部分组成:设备的系统 ID 、伪节点 ID 、分配编号,用于标识不同的 LSP 。
  • 序列号( Sequence Number ):LSP 的序列号,用于区分 LSP 的新旧。
  • 校验和( Checksum ):校验和。
  • P( Partition Repair ):如果设备支持区域划分修复特性,那么生成的 LSP 中 P 值设为 1 。
  • ATT( Attached bits ):关联位,Level-1-2 路由器,既连着 Level-1 区域,又连着 Level-2 区域,生成的 Level-1 LSP 中 ATT 值为 1 。
  • OL( Overload bit ):过载位,通常 IS-IS 设备生成的 LSP 中 OL 值为 0 。值为 1 时,表示设备已经过载,只计算生成 LSP 设备的直连路由,不计算其它网段的路由。
  • IS 类型( IS Type ):二进制值为 01 时,表示 Level-1 路由器。二进制值为 11 时,表示 Level-2 路由器。

使用 display isis lsdb 命令加上 verbose 关键字,可查看 LSP 的详细信息。R2 的输出如下:

网络类型

IS-IS 支持两种网络类型:Broadcast(广播)和 P2P(点对点)。IS-IS 会根据接口的数据链路层封装,决定接口的 IS-IS 网络类型。在以太网接口激活 IS-IS 时,接口类型为 Broadcast ,在广域网接口激活时,比如 PPP 或 HDLC 等,接口网络类型为 P2P 。

Broadcast 网络类型

在 Broadcast 网络中,会进行 DIS 选举,跟 OSPF 的 DR 类似。Broadcast 类型的接口上使用两种 IIH PDU ,分别是 Level-1 LAN IIH 和 Level-2 LAN IIH 。使用哪种 PDU ,取决于设备接口的 Level 。Level-1 LAN IIH 的目的 MAC 地址是组播地址 0180-c200-0014 ,Level-2 LAN IIH 的目的 MAC 地址是组播地址 0180-c200-0015 。

DIS 会周期性泛洪 CSNP ,确保网络中的 IS-IS 设备有一样的 LSDB 。CSNP 包含 DIS 所有 LSP 的摘要信息,使用 TLV 装载 LSP 摘要。同一个 Broadcast 网络中的其它 IS-IS 设备收到 CSNP 后,与自己的 LSDB 对比,如果一致,就忽略这条 CSNP ;如果缺少某些 LSP ,就向 DIS 发送 PSNP ,请求 LSP 的完整信息。DIS 就把对应的 LSP 发送给对方。收到 LSP 后更新到自己的 LSDB 中,无需向 DIS 进行确认。

P2P 网络类型

P2P 网络无需选举 DIS ,使用 P2P IIH 发现和维护 IS-IS 邻居关系。默认时,Hello 报文发送间隔是 10 秒。建立邻接关系后,开始交互 LSP 。收到 LSP 后,使用 PSNP 进行确认,告诉对方自己收到了 LSP 。如果一段时候后,对方没收到 PSNP ,就会对 LSP 进行重传。CSNP 只在邻居关系建立后,双方进行一次交互,后面不再发送。收到 CSNP 后,和自己的 LSDB 对比,相同则忽略这条 CSNP ,缺少某些 LSP ,就向邻居发送 PSNP 请求 LSP 的完整信息。

NBMA 网络类型

IS-IS 不支持 NBMA 网络类型。比如在 Frame-Relay 环境中,IS-IS 只能在接口上使用 P2P 网络类型,不支持修改成 Broadcast 。Frame-Relay 接口使用一条 PVC 连接一台设备,如果一个接口要连接多台设备,就需要使用子接口接入 NBMA 网络,当然也是 P2P 类型的子接口。

DIS 和 伪节点

网络类型是 Broadcast 时,IS-IS 会选举 DIS(指定中间系统),DIS 在 LAN 中虚拟出一个伪节点( Pseudonodes ),并生成伪节点 LSP 。

伪节点不是一台真实的物理设备,而是 DIS 生成的一台虚拟设备。LAN 内设备的 LSP 只需描述和伪节点的邻居关系即可,不需要描述和其它非伪节点的邻居关系。伪节点的 LSP 包括伪节点和 LAN 中所有设备的邻居关系,根据伪节点的 LSP 就能计算出 LAN 内的拓扑,DIS 生成伪节点的 LSP 。伪节点和伪节点的 LSP 让 LSP 的数量减少,当拓扑发生变化时,泛洪的 LSP 数量也减少了,设备的负担自然也减小了。

为了保证 LSDB 的同步,DIS 会在 LAN 内周期性泛洪 CSNP ,LAN 中设备收到后,会进行一致性检查,保证本地 LSDB 和 DIS 同步。

R1 、R2 、R3 、R4 连在一台交换机上,都是 Level-1 设备,属于同一个区域,就需要进行 DIS 选举。R4 和 R5 使用 P2P 链路互联,不需要选举 DIS ,也不存在伪节点。

如果 R4 的 GE0/0/0 接口选举为 DIS ,那么 R4 会生成一个伪节点,并生成伪节点的 LSP 。图中有 R1 和 R4 的 LSP ,以及伪节点的 LSP 。

先查看 LSDB ,因为所有设备属于同一个区域,所以 LSDB 是相同的。R1 使用 display isis lsdb 命令查看:

可以看到每台设备生成的 LSP ,R4 生成了两个 Level-1 LSP ,LSP ID 是 0000.0000.0004.01-00 的 LSP ,就是 R4 作为 DIS 生成的伪节点 LSP 。

查看 R1 生成的 LSP 详情:

LSP 中的邻居是 0000.0000.0004.01 ,也就是伪节点,以及一个 IP 网段 10.1.1.0/24 。R2 和 R3 生成的 Level-1 LSP 也类似。实际上,每台路由器会和所有路由器建立 IS-IS 邻居关系,但是生成的 LSP 只描述自己和伪节点的邻居关系。

再看伪节点 LSP 的详情:

DIS 生成一个 Level-1 伪节点 LSP ,并描述了和 R1 、R2 、R3 、R4 的邻居关系。随着这条 LSP 的泛洪,区域内的其它设备就可以计算出 LAN 内的拓扑。

IS-IS 在 LAN 中选举 DIS 的顺序如下:

  • 接口 DIS 优先级最高的设备成为 DIS 。DIS 优先级的值越大,优先级越高。
  • 如果 DIS 优先级相同,那么接口 MAC 地址最大的设备称为 DIS 。

注意事项:

  • 在一个 LAN 中部署 IS-IS ,LAN 中所有设备都会和 DIS 以及非 DIS 设备建立邻居关系。
  • 在一个 LAN 中,Level-1 和 Level-2 的 DIS 独立选举,互不干扰。完全有可能出现一种情况:Level-1 DIS 和 Level-2 DIS 不是同一个设备。
  • IS-IS 没有备份 DIS ,当 DIS 发生故障时,立即选举新的 DIS 。
  • DIS 可抢占。比如一个已经选举出 DIS 的 LAN 中,新加一台优先级更高的设备,那么这台设备会抢占 DIS 的角色,成为新的 DIS 。

结尾

看到这里,可以发现 IS-IS 的很多功能,OSPF 都有类似的。如果之前学过 OSPF ,再学 IS-IS ,就是小菜一碟,也说明学习都是相通的,看多了,自然就能触类旁通、举一反三。

责任编辑:姜华 来源: 网络技术平台
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