IS-IS协议的内容介绍

Posted 2020-11-29

IS-IS协议

历史起源

IS-IS（Intermediate System to Intermediate System）最初是国际标准化组织ISO（the International Organization for Standardization）为它的无连接网络协议CLNP（ConnectionLess Network Protocol）设计的一种动态路由协议
为了提供对IP的路由支持，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，称为集成化IS-IS（Integrated IS-IS或Dual IS-IS 资料中所指的IS-IS，如不加特殊说明，均指集成IS-IS）
IS-IS属于内部网关协议，用于自治系统内部。IS-IS是一种链路状态协议，使用SPF算法（Shortest Path First）进行路由计算
由于IS-IS的简便性及扩展性强的特点，目前在大型ISP的网络中被广泛地部署
IS-IS协议报文在数据链路层传输，但是属于网络层协议

路由计算过程

① 邻居关系建立
邻居关系建立主要是通过HELLO包交互并协商各种参数
② 链路信息交换
与OSPF不同，ISIS交互链路状态的基本载体不是LSA（link state advertisement），而是LSP（link state PDU）；交互的过程没有OSPF协议那样经历了多个阶段，主要是通过CSNP报文和PSNP报文两种协议报文来同步，请求以及确认链路状态信息（承载的是链路状态信息摘要），而链路状态信息的详细拓扑和路由信息是由LSP报文传递
③ 路由计算
SPF计算和OSPF基本一样的，但ISIS算法分离了拓扑结构和IP网段，加快了网络收敛速度（ISIS协议的优化）

地址结构

网络服务访问点NSAP（Network Service Access Point）是OSI协议中用于定位资源的地址。NSAP的地址结构它由IDP（Initial Domain Part）和DSP（Domain Specific Part）组成。IDP和DSP的长度都是可变的，NSAP总长最多是20个字节，最少8个字节 习惯上配置为10B 由16进制进行表示
① IDP相当于IP地址中的主网络号。它是由ISO规定，并由AFI（Authority and Format Identifier）与IDI（Initial Domain Identifier）。AFI表示地址分配机构和地址格式，IDI用来标识域
② DSP相当于IP地址中的子网号和主机地址。它由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用来指示服务类型
③ AFI（1字节） IDI（2字节） HODSO（0-10字节） SID（6字节） NSEL（1字节）

Area ID（Area address）

① 既能够标识路由域，也能够标识路由域中的区域。因此，它们一起被称为区域地址，相当于OSPF中的区域编号（其中49代表路由域，0001表示区域）
② 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，在设备的实现中，一个IS-IS进程下最多可配置3个区域地址必须保证他们的system id都相同

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48bit（6字节）
在实际应用中，一般使用Router ID与System ID进行对应。假设一台路由器使用接口Loopback0的IP地址168.10.1.1作为Router ID，则它在IS-IS中使用的System ID可通过如下方法转换得到
① 将IP地址168.10.1.1的每个十进制数都扩展为3位，不足3位的在前面补0，得到168.010.001.001
② 将扩展后的地址分为3部分，每部分由4位数字组成，得到1680.1000.1001。重新组合的1680.1000.1001就是System ID
③ 实际System ID的指定可以有不同的方法，但要保证能够唯一标识主机或路由器

SEL

作用类似IP中的协议标识符，不同的传输协议对应不同的SEL。在IP上SEL均为00
NET地址，这个地址服务于IP环境，其中SEL=00

NET地址

网络实体名称NET（Network Entity Title）指的是设备本身的网络层信息，可以看作是一类特殊的NSAP（SEL＝00）。NET的长度与NSAP的相同，最多为20个字节，最少为8个字节。在路由器上配置IS-IS时，只需要考虑NET即可，NSAP可不必去关注

路由器分类

在OSPF协议里面也有一些比较特殊的路由器：如ABR路由器、ASBR路由器、区域内部路由器、骨干路由器等 代表这该设备可以执行不同的功能和角色
在IS-IS协议里面一共只有三种不同角色的路由器：level-1路由器、level-2路由器、level-1-2路由器 默认情况下 华为设备默认都是level-1-2角色
① level-1路由器只具有level-1的功能
② level-2路由器只具有level-2的功能
③ level-1-2路由器只具有level-1和level-2的功能

#
isis 100
 is-level level-1       修改为level-1路由器
#

Level-1路由器

Level-1只能与属于同一区域的Level-1和Level-1-2路由器形成邻居关系，只负责维护Level-1的链路状态数据库，该LSDB包含本区域内的路由信息，到本区域外的报文转发给最近的Level-1-2路由器

? 注意点：
① 能够和level-1建立起关系的只能在同一个区域里面的设备

Level-2路由器

Level-2路由器负责区域间的路由，它可以与相同或者不同区域的Level-2路由器或者不同区域的Level-1-2路由器形成邻居关系。Level-2路由器维护一个Level-2的LSDB，该LSDB包含区域间的路由信息

? 注意点：
② level-2路由器可以和同一个区域的level-2路由器建立起关系
③ level-2路由器可以和不同一个区域的level-2路由器建立起关系
④ level-2路由器可以和同一个区域的level-1-2路由器建立起关系
⑤ level-2路由器可以和不同一个区域的level-1-2路由器建立起关系

Level-1-2路由器

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-1-2路由器可以与同一区域的Level-1形成Level-1邻居关系，也可以与其他区域的Level-2和Level-1-2路由器形成Level-2的邻居关系
? 注意点：
⑥ level-1-2路由器可以和同一个区域的level-1路由器建立起关系
⑦ level-1-2路由器可以和同一个区域的level-2路由器建立起关系
⑧ level-1-2路由器可以和不同一个区域的level-2路由器建立起关系
⑨ level-1-2路由器可以和同一个区域的level-1-2路由器建立两个关系
⑩ level-1-2路由器可以和不同一个区域的level-1-2路由器建立起level-2关系

小结如下

① 不同区域间，只能建立Level-2的邻接关系
② Level-2路由器可以与Level-2路由器建立邻接关系
③ Level-1-2路由器可以与Level-2路由器建立邻接关系
④ Level-1-2路由器可以与Level-1-2路由器建立邻接关系

IS-IS的拓扑结构

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
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
下图是一个运行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Area1中的所有路由器，还包括其它区域的Level-1-2路由器


下图是IS-IS的另外一种拓扑结构图。在这个拓扑中，Level-2级别的路由器没有在同一个区域，而是分别属于不同的区域。此时所有物理连续的Level-1-2和Level-2路由器就构成了IS-IS的骨干区域

? 通过以上两种拓扑结构图可以体现IS-IS与OSPF的不同点：
① 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
② 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
③ 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（Shortest Path Tree）；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

区域内算法

? SPF计算过程
① 单区域LSDB同步完成
② 生成全网拓扑结构图
③ 以本节点为根生成最短路径树
④ 默认跨越每个节点开销一样

? ISIS路由计算的开销方式
IS-IS在计算路由时 是不基于链路计算cost值的 没经过一跳 cost数值都加上10
① 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）
② 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）
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 缺省情况 模式为Narrow模式
③ 使能IS-IS自动计算接口的开销

执行命令isis [ process-id ]，进入IS-IS视图
执行命令bandwidth-reference value，配置计算带宽的参考值 缺省情况下，带宽参考值为100，单位是Mbit/s
执行命令auto-cost enable [ compatible ]，使能自动计算接口的开销值

① 只有当开销类型为wide或wide-compatible时，使用命令bandwidth-reference配置的带宽参考值才是有效的，此时各接口的开销值=(bandwidth-reference/接口带宽值)×10
② 当开销类型为narrow、narrow-compatible或compatible时，各个接口的开销值根据如下表来确定

区域间路由

? 区域49.0001访问区域49.0002
① L1/2路由器RTA产生ATT置位为1的LSP
② L1路由器收到ATT为1的LSP会产生下一跳指向L1/2路由器的默认路由
? 区域49.0002访问区域49.0001
① L1/2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 L2路由器通过自己SPF计算得出访问Area49.0001的明细路由

? 小结如下
Level-1路由器的路由特点：
① 只拥有Level-1的链路状态数据库
② 其链路状态数据库中只有本区域路由器LSP
③ 其路由表里没有其他区域的路由信息
④ 其路由表里都有一条默认路由，下一条是指向到Level-1-2路由器
Level-2路由器的路由特点
① Level-2路由器只有Level-2的链路状态数据库
② 其LSDB中有骨干区域路由器的LSP，但是没有Level-1路由器产生的LSP
③ 路由表里面有整个网络的路由信息
Level-1-2路由器的路由特点：
① Level-1-2路由器同时拥有Level-2和Level-1的链路状态数据库
② Level-1数据库包含本区域的LSP，Level-2数据库包含骨干区域LSP
③ 在自己产生的Level-1的LSP中设置了ATT比特位为1
④ 路由表里面有整个网络的路由信息

IS-IS支持的网络类型

① 点对点网络类型（如PPP、HDLC等）
② 广播多路访问网络类型（Ethernet等）
? 注意点
① 对于NBMA（Non-Broadcast Multi-Access）网络，如ATM，需对其配置子接口，并注意子接口类型应配置为P2P
② IS-IS不能在点到多点链路P2MP（Point to MultiPoint）上运行

IS-IS的报文类型

? IS-IS报文有以下几种类型：HELLO PDU（Protocol Data Unit）、LSP和SNP
① Hello PDU
Hello报文用于建立和维持邻居关系，也称为IIH（IS-to-IS Hello PDUs）类似于OSPF的Hello报文
② LSP
链路状态报文LSP（Link State PDUs）用于交换链路状态信息 类似于OSPF中的LSA
③ SNP
序列号报文SNP（Sequence Number PDUs）通过描述全部或部分数据库中的LSP来同步各LSDB（Link-State DataBase），从而维护LSDB的完整与同步
CSNP（Complete Sequence Number PDU）类似于OSPF的DD报文传递的是LSDB里所有链路信息摘要
PSNP（Partial Sequence Number PDU）类似于OSPF的LSR或LSAck报文用于请求和确认部分链路信息

邻居hello报文

? HELLO报文的作用是邻居发现，协商参数并建立邻居关系，后期充当保活报文
? IS-IS建立邻居关系和OSPF一样，通过hello报文的交互来完成。但是会根据场景分为三种类型的hello报文
① 广播网中的Level-1 IS-IS使用Level-1 LAN IIH（Level-1 LAN IS-IS Hello），目的组播MAC为：0180-c200-0014
② 广播网中的Level-2 IS-IS使用Level-2 LAN IIH（Level-2 LAN IS-IS Hello），目的组播MAC为：0180-c200-0015
③ 非广播网络中则使用P2P IIH（point to point IS-IS Hello）
? Hello报文的类型
a) Level-1的hello报文
b) Level-2的hello报文
c) P2P的hello报文

邻居关系建立

P2P链路

? 在P2P链路上，分为两次握手机制（没有邻居列表）和三次握手机制
① 两次握手只要路由器收到对端发来的Hello报文，就单方面宣布邻居为up状态，建立邻居关系，不过容易存在单通风险
② 通过三次发送P2P的IS-IS Hello PDU最终建立起邻居关系，与广播链路邻居关系的建立情况相同

以太网链路

? 在广播链路上，使用LAN IIH报文执行三次握手建立邻居关系
① 当收到邻居发送的合法Hello PDU报文里面没有自己的system ID的时候，状态机进入initialized
② 只有收到邻居发过来的Hello PDU有自己的system ID才会up，排除了链路单通的风险
③ 广播网络中邻居up后会选举DIS(虚节点)，DIS的功能类似OSPF的DR(指定路由器)

DIS的介绍

DIS是指指定中间系统（Designated IS）DIS的功能类似OSPF的DR(指定路由器) 伪节点是指在广播网络中由DIS创建的虚拟路由器
在广播网络，需要选举DIS，所以在邻居关系建立后，路由器会等待两个Hello报文间隔再进行DIS的选举
① Hello报文中包含Priority字段，Priority值最大的将被选举为该广播网的DIS
② 若优先级相同，接口MAC地址较大的被选举为DIS
? 注意：
① IS-IS中DIS发送Hello时间间隔默认为10/3秒
② 而其他非DIS路由器发送Hello间隔为10秒

DIS的作用

① 进行SPF计算时，都把它当成虚节点，简化MA网络的逻辑拓扑（相同点）
② 都是为了减少LSP/LSA的泛洪（相同点）
③ 在ISIS中还可以由DIS发送CSNP来同步链路的LSDB（ISIS扩展作用）

DIS和DR的区别

① 选举时优选级的比较，DIS的优先级为0也可以参与选举。OSPF中优先级为0不参与选举DR
② 选举的过程需要一定的时间，OSPF选举DR/BDR需要waiting time达40秒，过程也较为复杂，而ISIS选举DIS等待两个Hello报文间隔就可以，简单快捷
③ 选举结果ISIS只有一个DIS，但是OSPF除了有DR，还有一个BDR用做备份
④ 选举结束后，后期有新的Router加入到链路进来，如果优先级比DIS高是可抢占的，但是DR是不可抢占的
⑤ 选举完成后，ISIS网络链路内所有的路由器之间都建立的是邻接关系。OSPF中DRothers只与DR/BDR形成full邻接关系， DRothers之间只有2-way的关系

LSP报文

LSP PDU（Link State Protocol PDU）LSP类似于OSPF的LSA，承载的是链路状态信息，包含了拓扑结构和网络号
链路状态报文LSP（Link State PDUs）用于交换链路状态信息。LSP分为两种：Level-1 LSP和Level-2 LSP
① Level-1 LSP由Level-1路由器传送
② Level-2 LSP由Level-2路由器传送
③ 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
LSP报文中主要字段的解释如下
? LSP报文中包含了两个重要字段是ATT字段、IS-Type字段
① ATT字段：当Level-1-2 IS-IS在Level-1区域内传送Level-1 LSP时，如果Level-1 LSP中设置了ATT位，则表示该区域中的Level-1 IS-IS可以通过此Level-1-2 IS-IS通往外部区域S-Type用来指明生成此LSP的IS-IS类型是Level-1还是Level-2 IS-IS
② IS Type字段：用来指明生成此LSP的IS-IS类型是Level-1还是Level-2 IS-IS（01表示Level-1，11表示Level-2）
协议报文都分为Level-1和Level-2两种，在MA网络中所有协议报文的目的MAC都是组播地址 实节点LSP伪节点LSP（只在广播链路存在）
① Level-1地址为：0180-C200-0014
② Level-2地址为：0180-C200-0015

SNP报文

序列号报文SNP（Sequence Number PDUs）通过描述全部或部分数据库中的LSP来同步各LSDB（Link-State DataBase），从而维护LSDB的完整与同步
SNP包括全序列号报文CSNP（Complete SNP）和部分序列号报文PSNP（Partial SNP），进一步又可分为Level-1 CSNP、Level-2 CSNP、Level-1 PSNP和Level-2 PSNP
? 注意
① CSNP类似于OSPF的DD报文传递的是LSDB里所有链路信息摘要
② PSNP类似于OSPF的LSR或LSAck报文用于请求和确认部分链路信息

P2P网络LSDB同步过程

① 建立邻居关系之后，RTA与RTB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
② 假定RTB向RTA索取相应的LSP，此时向RTA发送PSNP。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
③ 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
? P2P网络CSNP报文只发送一次，邻居建立后立即发送

MA网络中DIS的LSDB同步交互过程

① 假设新加入的路由器RTC已经与RTB（DIS）和RTA建立了邻居关系
② 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
③ 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
④ 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）
⑤ 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
? MA网络CSNP报文只由DIS组播发送，时间默认为10秒

链路状态信息的载体

IS-IS报文中的变长字段部分是多个TLV（Type-Length-Value）三元组 TLV也称为CLV（Code-Length-Value）
TLV的含义是：类型（TYPE），长度（LENGTH），值（VALUE）

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，增加新特点只需要增加新TLV即可。不需要改变整个报文的整体结构
网络拓扑结构和路由信息用TLV结构表现使得报文的灵活性和扩展性得到了极大的发挥
不同PDU类型所包含的TLV是不同的

路由***

通常情况下，Level-1区域内的路由通过Level-1路由器进行管理。所有的Level-2和Level-1-2路由器构成一个连续的骨干区域。Level-1区域必须且只能与骨干区域相连，不同的Level-1区域之间并不相连
Level-1-2路由器将学习到的Level-1路由信息装进Level-2 LSP，再泛洪LSP给其他Level-2和Level-1-2路由器。因此，Level-1-2和Level-2路由器知道整个IS-IS路由域的路由信息。但是，为了有效减小路由表的规模，在缺省情况下，Level-1-2路由器并不将自己知道的其他Level-1区域以及骨干区域的路由信息通报给它所在的Level-1区域。这样，Level-1路由器将不了解本区域以外的路由信息，可能导致与本区域之外的目的地址通信时无法选择最佳的路由
为解决上述问题，IS-IS提供了路由***功能。通过在Level-1-2路由器上定义ACL（Access Control List）、路由策略、Tag标记等方式，将符合条件的路由筛选出来，实现将其他Level-1区域和骨干区域的部分路由信息通报给自己所在的Level-1区域

RouterA发送报文给RouterF，选择的最佳路径应该是RouterA->RouterB->RouterD->RouterE->RouterF因为这条链路上的cost值为40
但在RouterA上查看发送到RouterF的报文选择的路径是RouterA->RouterC->RouterE->RouterF，其cost值为70，不是RouterA到RouterF的最优路由
RouterA作为Level-1路由器并不知道本区域外部的路由，那么发往区域外的报文都会选择由最近的Level-1-2路由器产生的缺省路由发送出去，所以会出现RouterA选择次最优路由转发报文的情况
如果分别在Level-1-2路由器RouterC和RouterD上使能路由***功能，Aera10中的Level-1路由器就会拥有经这两个Level-1-2路由器通向区域外的路由信息。经过路由计算，选择的转发路径为RouterA->RouterB->RouterD->RouterE->RouterF，即RouterA到RouterF的最优路由

ISIS和OSPF的区别

IS-IS与OSPF差异性

? 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
? 区域类型
IS-IS协议分L1/L2区域，L2区域是骨干区域有全部明细路由。L1去往L2只有默认路由。OSPF协议分骨干区域，普通区域，特殊区域。普通区域和特殊区域跨区域访问需要经过骨干区域
? 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
? 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
? 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）

术语对照表