链路状态路由协议IS-IS

中间系统到中间系统 IS-IS

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IS-IS是ISO为CLNP[ConnectionLessNetwork Protocol，无连接网络协议]设计的一种动态路由协议

随着TCP/IP协议的流行，为了提供对IP路由的支持，IETF在RFC1195中对IS-IS进行了扩充和修改，使它能够同时应用在TCP/IP和OSI环境中，我们将扩展后的IS-IS称为集成IS-IS

IS-IS的基本概念

IS-IS概述：IS-IS是一种链路状态路由协议，是ISO定义的OSI协议栈中的CLNS是ConnectionLess Network Service，无连接网络服务的一部分

• CLNS (CLNS也是一种无连接的网络) 由以下三个部分组成
  • CLNP：类似于TCP/IP中的IP协议。
  • IS-IS：类似于TCP/IP中的OSPF
  • ES-IS：类似于TCP/IP中的ARP，ICMP等
• ES：End System，终端系统，类似于IP网络环境中的主机
• ES-IS：End System to Intermediate System，终端系统到中间系统

IS-IS地址结构

NSAP：

NSAP Network Service Access Point，网络服务访问点，是OSI协议栈中用于定位资源的地址，主要用于提供网络层和上层应用之间的接口

• NSAP包括IDP（Initial Domian Part）及DSP（Domian Specific Part）

IS-IS地址结构 - IDP，由AFI(Authority and Format Identifier)与IDI(Initial Domain Identifier)两部分组成，AFI表示地址分配机构和地址格式，IDI用来标识域 - DSP相当于IP地址中的子网号和主机地址。由High Order DSP、System ID和SEL三个部分组成，High Order DSP用来分割区域，System ID用来区分主机，SEL（NSAP Selector）用来指示服务类型

NET：

NET 网络实体名称：是OSI协议栈中设备的网络层信息，主要用于路由计算，由区域地址Area ID和System ID组成，可以看作是特殊的NSAP

• NET的长度与NSAP的相同，最长为20Byte，最短为8Byte
• 在IP网络中运行IS-IS时，只需配置NET，根据NET地址设备可以获取到Area ID以及System ID。
• Area ID被称为区域地址，由IDP和DSP中的High Order DSP组成，能标识路由域，也标识路由域中的区域
  • 一般情况下，一个路由器只需要配置一个区域地址，且同一区域中所有节点的区域地址都要相同。为了支持区域的平滑合并、分割及转换，缺省情况下，一个IS-IS进程下最多可配置3个区域地址。
• System ID用来在区域内唯一标识主机或路由器。在设备的实现中，它的长度固定为6Byte。
  • System ID通常由root ID扩展得到

IS-IS拓扑结构

• 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：
  • 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

补充IS-IS与OSPF的区别：

• 在IS-IS中，每个路由器都只属于一个区域；而在OSPF中，一个路由器的不同接口可以属于不同的区域
• 在IS-IS中，单个区域没有骨干与非骨干区域的概念；而在OSPF中，Area0被定义为骨干区域
• 在IS-IS中，Level-1和Level-2级别的路由都采用SPF算法，分别生成最短路径树SPT；而在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

IS-IS路由器的分类

Level-1路由器

Level-1路由器是一种IS-IS区域内部路由器，它只与属于同一区域的Level-1和Level-1-2路由器形成邻接关系，这种邻接关系称为Level-1邻接关系

• Level-1路由器无法与Level-2路由器建立邻接关系
• Level-1路由器只负责维护Level-1的链路状态数据库LSDB，该LSDB只包含本区域的路由信息
• Level-1路由器必须通过Level-1-2路由器接入IS-IS骨干区域从而访问其他区域。

Level-1-2路由器

同时属于Level-1和Level-2的路由器称为Level-1-2路由器，它可以与同一区域的Level-1和Level-1-2路由器形成Level-1邻接关系，也可以与其他区域的Level-2和Level-1-2路由器形成Level-2的邻接关系

• Level-1-2路由器也是IS-IS骨干网络的组成部分
• Level-1-2路由器维护两个LSDB，Level-1的LSDB用于区域内路由，Level-2的LSDB用于区域间路由

Level-2路由器 Level-2路由器，是IS-IS骨干路由器，可以与同一或者不同区域的Level-2路由器或者Level-1-2路由器形成邻接关系

• Level-2路由器维护一个Level-2的LSDB，该LSDB包含整个IS-IS域的所有路由信息
• 所有形成Level-2邻接关系的路由器组成路由域的骨干网，负责在不同区域间通信
• 路由域中Level-2级别的路由器必须是物理连续的，以保证骨干网的连续性

IS-IS支持的网络类型：IS-IS会自动根据接口的数据链路层封装决定该接口的缺省网络类型 ， IS-IS支持两种类型的网络，广播Broadcast和点到点P2P网络如PPP、 HDLC等

IS-IS开销值

IS-IS使用Cost（开销）作为路由度量值，Cost值越小，则路径越优

• IS-IS链路的Cost与设备的接口有关，每一个激活了IS-IS的接口都会维护接口Cost
• IS-IS接口的Cost在缺省情况下并不与接口带宽相关，无论接口带宽多大，缺省时Cost为10

一条IS-IS路径的Cost等于本路由器到达目标网段沿途的所有链路的Cost总和

• IS-IS有三种方式来确定接口的开销，按照优先级由高到低分别是：
  • 接口开销：为单个接口设置开销
  • 全局开销：为所有接口设置开销
  • 自动计算开销：根据接口带宽自动计算开销

在早期的ISO10589中，使能IS-IS的接口下最大只能配置值为63的开销值，此时IS-IS的开销类型为narrow

RFC3784中规定，使能IS-IS的接口开销值可以扩展到16777215，此时IS-IS的开销类型为wide

• 缺省时，华为路由器采用的开销类型是narrow
• narrow类型下使用的TLV：
  • 128号TLV（IP Internal Reachability TLV）：用来携带路由域内的IS-IS路由信息
  • 130号TLV（IP External Reachability TLV）：用来携带路由域外的IS-IS路由信息
  • 2号TLV(IS Neighbors TLV)：用来携带邻居信息。
• wide类型下使用的TLV：
  • 135号TLV(Extended IP Reachability TLV)：用来替换原有的IP reachability TLV，携带IS-IS路由信息，它扩展了路由开销值的范围，并可以携带sub TLV
  • 22号TLV（IS Extended Neighbors TLV）：用来携带邻居信息

IS-IS报文类型

IS-IS报文是直接封装在数据链路层的帧结构中的

• PDU，协议数据单元可以分为两个部分，报文头 IS-IS Header和变长字段部分 Variable Length Fields
• IS-IS Header又可分为通用头部 PDU Common Header和专用头部 PDU Specific Header
  • 对于所有PDU来说，通用报头都是相同的，但专用报头根据PDU类型不同而有所差别

IS-IS通用字段详解：

重要字段解释：

• Intradomain Routing Protocol Discriminator：域内路由选择协议鉴别符，固定为0x83
• Length Indicator：IS-IS头部的长度（包括通用头部和专用头部），以Byte为单位
• Version/Protocol ID Extension：版本/协议标识扩展，固定为0x01
• System ID Length：NSAP地址或NET中System ID区域的长度。值为0时，表示System ID区域的长度为6Byte
• R（Reserved）：保留，固定为0
• Version：固定为0x01
• Max.Areas：支持的最大区域个数。设置为1～254的整数，表示该IS-IS进程实际所允许的最大区域地址数；设置为0，表示该IS-IS进程最大只支持3个区域地址数

IS-IS报文类型概述

IS-IS的PDU有4种类型：IIH，LSP 链路状态报文，CSNP 全序列号报文，PSNP 部分序列号报文

IIH IS-IS Hello报文：用于建立和维持邻接关系

• 广播网络中的Level-1 IS-IS路由器使用Level-1 LAN IIH，广播网络中的Level-2 IS-IS路由器使用Level-2 LAN IIH
• 点到点网络中则使用P2P IIH

LSP 链路状态报文：用于交换链路状态信息

• LSP分为两种，Level-1 LSP、Level-2 LSP

SNP 序列号报文：通过描述全部或部分链路数据库中的LSP来同步各LSDB，从而维护LSDB的完整与同步

• SNP包括CSNP 全序列号报文和PSNP 部分序列号报文，进一步又可分为Level-1 CSNP、 Level-2 CSNP、 Level-1 PSNP和Level-2 PSNP。

IS-IS常见的TLV

IS-IS报文首部有一个TLV字段，TLV的含义是：类型（TYPE），长度（LENGTH），值（VALUE）。该字段实际上是一个数据结构，这个结构包含了这三部分

使用TLV结构构建报文的好处是灵活性和扩展性好。采用TLV使得报文的整体结构固定，增加新特性只需要增加新TLV即可，不需要改变整个报文的整体结构。

IS-IS工作原理

IS-IS邻接关系建立原则

• IS-IS按如下原则建立邻接关系：
  • 只有同一层次的相邻路由器才有可能成为邻接
  • 对于Level-1路由器来说，Area ID必须一致
  • 链路两端IS-IS接口的网络类型必须一致
  • 链路两端IS-IS接口的地址必须处于同一网段
• IS-IS是直接运行在数据链路层上的协议，并且最早设计是给CLNP使用的，IS-IS邻接关系的形成与IP地址无关
• 在实际的部署中，在IP网络上运行IS-IS时，需要检查对方的IP地址的。如果接口配置了从IP，那么只要双方有某个IP在同一网段，就能建立邻接，不一定要主IP相同。

在以太网中的额外原则：

• 通过将以太网接口模拟成点到点接口，可以建立点到点链路邻接关系
• 当链路两端IS-IS接口的地址不在同一网段时，如果配置接口对接收的Hello报文不作IP地址检查，也可以建立邻接关系
  • 对于点到点接口，可以配置接口忽略IP地址检查
  • 对于以太网接口，需要将以太网接口模拟成点到点接口，然后才可以配置接口忽略IP地址检查
• 一般情况下，一个接口只需配置一个主IP地址，但在有些特殊情况下需要配置从IP地址

IIH报文

IIH报文用于建立和维持邻接关系，广播网络中的Level-1 IS-IS路由器使用Level-1 LAN IIH；广播网络中的Level-2 IS-IS路由器使用Level-2 LAN IIH；点到点网络中则使用P2P IIH

• Reserved/Circuit Type：表示路由器的类型 01表示L1，10表示L2，11表示L1/L2
• Source ID ：发出Hello报文的路由器的System ID
• Holding Time ： 保持时间。在此时间内如果没有收到邻接发来的Hello报文，则中止已建立的邻接关系
• Priority ：选举DIS的优先级，取值范围为0～127。数值越大，优先级越高。该字段只在广播网中的Hello消息(LAN IIH消息)携带；点到点网络的Hello消息(P2P IIH消息)没有此字段，也没有此字段之前的R保留位
• LAN ID： 包括DIS的System ID和伪节点ID。该字段只在广播网中的Hello消息(LAN IIH消息)携带；点到点网络的Hello消息(P2P IIH消息)没有此字段
• Local Circuit ID：本地链路ID，该字段只在点到点网络的Hello消息(P2P IIH消息)携带；广播网中的Hello消息(LAN IIH消息)没有此字段。

广播网络中的邻接关系建立过程

两台运行IS-IS的路由器在交互协议报文实现路由功能之前必须首先建立邻接关系。在不同类型的网络上，IS-IS的邻接建立方式并不相同。在广播网络中，使用三次握手建立邻接关系

1. 在Down状态下，R1组播发送Level-1 LAN IIH，此报文中邻接列表为空
2. R2收到此报文后，将邻接状态标识为Initial。R2再向R1回复Level-1 LAN IIH，此报文中标识R1为R2的邻接
3. R1收到此报文后，将自己与R2的邻接状态标识为Up。再向R2发送一个标识R2为R1邻接的Level-1 LAN IIH
4. R2收到此报文后，将自己与R1的邻接状态标识为Up。这样，两个路由器成功建立了邻接关系
5. 广播网络中需要选举DIS，在邻接关系建立后，路由器会等待两个Hello报文间隔，再进行DIS的选举。

DIS与伪节点

在广播网络中，IS-IS需要在所有的路由器中选举一个路由器作为DIS (指定中间系统)

• DIS用来创建和更新伪节点（Pseudonodes），并负责生成伪节点的LSP，用来描述网络上有哪些网络设备
• 伪节点是用来模拟广播网络的一个虚拟节点，并非真实的路由器。在IS-IS中，伪节点用DIS的System ID和Circuit ID（非0值）标识

点到点网络中的邻接关系建立过程

点到点网络中，邻接关系的建立使用两次握手方式：只要路由器收到对端发来的Hello报文，就单方面宣布邻接为Up状态，建立邻接关系 两次握手机制存在明显的缺陷，华为设备在点到点网络中使用IS-IS时，默认使用三次握手建立邻接关系。此方式通过三次发送P2P IIH最终建立起邻接关系

链路状态数据库同步

LSP

IS-IS链路状态报文LSP用于交换链路状态信息。LSP分为两种：Level–1 LSP和Level–2 LSP。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

两类LSP有相同的报文格式

• Remaining Lifetime : LSP的生存时间，以秒为单位
• LSP ID:由三部分组成，System ID、伪节点ID和LSP分片后的编号
• Sequence Number: LSP的序列号。在路由器启动时所发送的第一个LSP报文中的序列号为1，以后当需要生成新的LSP时，新LSP的序列号在前一个LSP序列号的基础上加1。更高的序列号意味着更新的LSP
• Checksum ： LSP的校验和
• ATT（Attachment）：由Level-1-2路由器产生，用来指明始发路由器是否与其它区域相连。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L1 LSP有关
• OL（LSDB Overload，1bit）：过载标志位。设置了过载标志位的LSP虽然还会在网络中扩散，但是在计算通过超载路由器的路由时不会被采用。即对路由器设置过载位后，其它路由器在进行SPF计算时不会考虑这台路由器。当路由器内存不足时，系统自动在发送的LSP报文中设置过载标志位
• IS Type(2bit)：生成LSP的路由器的类型。用来指明是Level-1还是Level-2路由器（01表示Level-1，11表示Level-2）

CSNP：

CSNP包含该设备LSDB中所有的LSP摘要，路由器通过交互 CSNP来判断是否需要同步LSDB

• 在广播网络上，CSNP由DIS定期发送 缺省的发送周期为10秒
• 在点到点网络上，CSNP只在第一次建立邻接关系时发送

CSNP报文格式：

• Source ID：发出CSNP报文的路由器的System ID
• Start LSP：CSNP报文中第一个LSP的ID值
• End LSP ID：CSNP报文中最后一个LSP的ID值

PSNP：

PSNP只包含部分LSP的摘要信息 ：

• 当发现LSDB不同步时，PSNP来请求邻居发送新的LSP
• 在点到的网络中，当收到LSP时，使用PSNP对收到的LSP进行确认

• Source ID：发出PSNP报文的路由器的System ID。

LSP的同步过程

广播网络中LSP的同步过程:

• 广播网络中新加入路由器与DIS同步LSDB数据库的过程：
  1. 新加入的路由器R3首先发送IIH报文，与该广播域中的路由器建立邻接关系。建立邻接关系之后，R3等待LSP刷新定时器超时，然后将自己的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接都将收到该LSP
  2. 该网段中的DIS会把收到R3的LSP加入到LSDB中，并等待CSNP报文定时器超时并发送CSNP报文
  3. R3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
  4. DIS收到该PSNP报文请求后向R3发送对应的LSP进行LSDB的同步

  

  广播网络中LSP的同步过程

点到点网络中LSP的同步过程

• 点到点网络上LSDB数据库的同步过程：
  • R1先与R2建立邻接关系。
  • 建立邻接关系之后，R1与R2会先发送CSNP给对端设备。如果对端的LSDB与CSNP没有同步，则发送PSNP请求索取相应的LSP
  • 假设R2向R1索取相应的LSP
    1. R1发送R2请求的LSP的同时启动LSP重传定时器，并等待R2发送的PSNP作为收到LSP的确认
    2. 如果在接口LSP重传定时器超时后，R1没有收到R2发送的PSNP报文作为应答
    3. 则R1重新发送该LSP
    4. R2收到LSP后，发送PSNP进行确认

LSP产生的原因，IS-IS路由域内的所有路由器都会产生LSP，以下事件会触发一个新的LSP：

• 邻接Up或Down，IS-IS相关接口Up或Down，引入的IP路由发生变化，区域间的IP路由发生变化，接口被赋了新的metric值，周期性更新（刷新间隔15min）

LSP的处理机制

IS-IS通过交互LSP实现链路状态数据库同步，路由器收到LSP后，按照以下原则处理：

• 若收到的LSP比本地LSP的更优，或者本地没有收到的LSP：
  • 在广播网络中：将其加入数据库，并组播发送新的LSP
  • 在点到点网络中：将其加入数据库，并发送PSNP报文来确认收到此LSP，之后将这新的LSP发送给除了发送该LSP的邻居以外的邻居
• 若收到的LSP和本地LSP无法比较出优劣，则不处理该LSP

路由计算

Level-1路由器的路由计算

• R1是Level-1路由器，只维护Level-1 LSDB，该LSDB中包含同属一个区域的R2及R3以及R1自己产生的Level-1 LSP
• R1根据LSDB中的Level-1 LSP计算出Area 49.0001内的拓扑，以及到达区域内各个网段的路由信息
• R2及R3作为Area 49.0001内的Level-1-2路由器，会在它们向该区域下发的Level-1 LSP中设置ATT标志位，用于向区域内的Level-1路由器宣布可以通过自己到达其他区域。 R1作为Level-1路由器，会根据该ATT标志位，计算出指向R2或R3的默认路由

Level-1路由器的路由计算

Level-1路由器的次优路径的问题

缺省时， R1只能通过指向R2或R3的默认路由到达区域外部，但是R1距离R2和R3路由器的Cost值相等，那么当R1发送数据包到192.168.20.0/24时，就有可能选择路径2，导致出现次优路径。

路由渗透

缺省情况下，Level-1-2路由器不会将到达其他区域的路由通告本Level-1区域中。 通过路由渗透，可以将区域间路由通过Leve-1-2路由器传递到Level-1区域，此时Leve-1路由器可以学习到其他区域的详细路由，从而计算出最优路径。

Level-1-2路由器的路由计算

R2及R3都维护Level-1 LSDB，它们能够通过这些LSDB中的LSP计算出Area 49.0001的路由。 R2及R3都维护Level-2 LSDB，它们能够通过这些LSDB中的LSP计算出Area 49.0002的路由。 R2及R3将到达Area 49.0001的路由以Level-2 LSP的形式发送到Area 49.0002。

Level-2路由器的路由计算

R4及R5作为Level-2路由器，只会维护Level-2 LSDB，它们能够根据该LSDB计算出到达全网各个网段的路由。

IS-IS的基本配置

IS-IS协议的基本配置

1 . 创建IS-IS进程，进入IS-IS进程

isis [process-id] 

参数process-id用来指定一个IS-IS进程,如果不指定参数process-id，则系统默认的进程为1

2 . 配置网络实体名称

network-entity net

通常情况下，一个IS-IS进程下配置一个NET即可。当区域需要重新划分时，例如将多个区域合并，或者将一个区域划分为多个区域，这种情况下配置多个NET可以在重新配置时仍然能够保证路由的正确性。由于一个IS-IS进程中区域地址最多可配置3个，所以NET最多也只能配3个。在配置多个NET时，必须保证它们的System ID都相同

3 . 配置全局Level级别

is-level { level-1 | level-1-2 | level-2 }

缺省情况下，设备的Level级别为level-1-2。

• 在网络运行过程中，改变IS-IS设备的级别可能会导致IS-IS进程重启并可能会造成IS-IS邻居断连，建议用户在配置IS-IS时即完成设备级别的配置。

4 . 在接口上使能IS-IS协议

isis enable [ process-id ]

在接口视图下配置该命令后，IS-IS将通过该接口建立邻居、扩散LSP报文。

5 . 配置接口Level级别

isis circuit-level [ level-1 | level-1-2 | level-2 ]

缺省情况下，接口的Level级别为level-1-2。 两台Level-1-2设备建立邻居关系时，缺省情况下，会分别建立Level-1和Level-2邻居关系。如果只希望建立Level-1或者Level-2的邻居关系，可以通过修改接口的Level级别实现。

6 . 修改接口的DIS优先级

isis dis-priority priority [level-1 | level-2]

缺省情况下，IS-IS接口DIS优先级为64，该命令用来指定挑选对应层次DIS（Designated Intermediate System）时接口的优先级

IS-IS配置实验：

配置接口IP

配置IS-IS基本功能

# 配置R1

[R1] isis 1
[R1-isis-1] is-level level-1
[R1-isis-1] network-entity 10.0000.0000.0001.00
[R1-isis-1] quit
[R1] interface gigabitethernet 0/0/0
[R1-GigabitEthernet0/0/0] isis enable 1
[R1-GigabitEthernet0/0/0] quit

# 配置R3

[R3] isis 1
[R3-isis-1] is-level level-1
[R3-isis-1] network-entity 10.0000.0000.0003.00
[R3-isis-1] quit
[R3] interface gigabitethernet 0/0/0
[R3-GigabitEthernet0/0/0] isis enable 1
[R3-GigabitEthernet0/0/0] quit

# 配置R2

[R2] isis 1
[R2-isis-1] network-entity 10.0000.0000.0002.00
[R2-isis-1] quit
[R2] interface gigabitethernet 0/0/0
[R2-GigabitEthernet0/0/0] isis enable 1
[R2-GigabitEthernet0/0/0] quit
[R2] interface gigabitethernet 0/0/1
[R2-GigabitEthernet0/0/1] isis enable 1
[R2-GigabitEthernet0/0/2] quit
[R2] interface gigabitethernet 3/0/0
[R2-GigabitEthernet0/0/2] isis enable 1
[R2-GigabitEthernet0/0/2] quit

# 配置R4

[R4] isis 1
[R4-isis-1] is-level level-2
[R4-isis-1] network-entity 20.0000.0000.0004.00
[R4-isis-1] quit
[R4] interface gigabitethernet0/0/0
[R4-GigabitEthernet0/0/0] isis enable 1
[R4-GigabitEthernet0/0/0] quit