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IS-IS基本概念

IS-IS（Intermediate System to Intermediate System，中间系统到中间系统）是ISO （International Organization for Standardization，国际标准化组织）为它的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（Open System Interconnect，开放式系统互联）环境中，我们将扩展后的IS-IS称为集成IS-IS。

1.1     IS-IS概述

IS-IS是ISO定义的OSI协议栈中的CLNS（ConnectionLess Network Service，无连接网络服务）的一部分，IS-IS是一种链路状态路由协议，IS-IS与OSPF在许多方面非常相似，例如运行IS-IS协议的直连设备之间通过发送Hello报文发现彼此，然后建立邻接关系，并交互链路状态信息。

1. CLNS由以下三个部分组成：
   1. CLNP：类似于TCP/IP中的IP协议。
   2. IS-IS：类似于TCP/IP中的OSPF。
   3. ES-IS：类似于TCP/IP中的ARP，ICMP等。
2. ES：End System，终端系统，类似于IP网络环境中的主机。
3. ES-IS：End System to Intermediate System，终端系统到中间系统。

1.2     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及DSP，如下图所示： 

IDP（Initial Domian Part）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）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（Domian Specific Part）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（NSAP Selector）用来指示服务类型。

1.3     NET

       NET（Network Entity Title，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（SEL为00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由IDP和DSP中的High Order DSP组成，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，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。

1.4     NET的配置举例

   每台运行IS-IS的网络设备至少需拥有一个NET，当然，一台设备也可以同时配置多个NET，但是这些NET的System ID必须相同。

在华为的网络设备上，System ID的长度总是固定的6Byte。在一个IS-IS路由域中，设备的System ID必须唯一，为了便于管理，一般根据Router ID配置System ID。

1.5     IS-IS和OSPF区域划分的区别

1. 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：
   1. Level-1路由器部署在非骨干区域。
   2. Level-2路由器和Level-1-2路由器部署在骨干区域。
2. 每一个非骨干区域都通过Level-1-2路由器与骨干区域相连。

如图所示，整个骨干区域不仅包括Area49.0002中的所有路由器，还包括其它区域的Level2和Level-1-2路由器，以上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。

1.6     IS-IS路由器的分类

1. Level-1路由器

1. 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。
2. 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。值得一提的是，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。

1. Level-2路由器

1. Level-2路由器是IS-IS骨干路由器，它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。
2. 所有Level-2级别（即形成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。

1. Level-1-2路由器

1. Level-1-2路由器与OSPF中的ABR非常相似，它也是IS-IS骨干网络的组成部分。
2. 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。
3. 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。

• 在华为路由器上配置IS-IS时，缺省时，路由器全局Level为Level-1-2

1.7     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：

1. 广播（Broadcast）： 如Ethernet。
2. 点到点（P2P）： 如PPP、 HDLC等。

1.8     IS-IS开销值

1. 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，与OSPF类似，每一个激活了IS-IS的接口都会维护接口Cost。然而与OSPF不同的是，IS-IS接口的Cost在缺省情况下并不与接口带宽相关（在实际部署时，IS-IS也支持根据带宽调整Cost值），无论接口带宽多大，缺省时Cost为10。
2. 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。
3. 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：
   1. 接口开销：为单个接口设置开销。
   2. 全局开销：为所有接口设置开销。
   3. 自动计算开销：根据接口带宽自动计算开销。
4. 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。但是在大型网络设计中，较小的度量范围不能满足实际需求。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。
5. 缺省时，华为路由器采用的开销类型是narrow。
6. narrow类型下使用的TLV：

1. 128号TLV（IP Internal Reachability TLV）：用来携带路由域内的IS-IS路由信息。
2. 130号TLV（IP External Reachability TLV）：用来携带路由域外的IS-IS路由信息。
3. 2号TLV(IS Neighbors TLV)：用来携带邻居信息。

1. wide类型下使用的TLV：
   1. 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。
   2. 22号TLV（IS Extended Neighbors TLV）：用来携带邻居信息。

1.9     IS-IS报文格式

1. IS-IS报文是直接封装在数据链路层的帧结构中的。
2. PDU（Protocol Data Unit，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 ）。
3. 其中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。

 

1.10   IS-IS通用头部详解 

1. 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。

1.11   IS-IS报文类型概述

IS-IS的PDU有4种类型：IIH(IS-IS Hello)，LSP（ Link State PDU，链路状态报文），CSNP（Complete  Sequence Number PDU，全序列号报文），PSNP（Partial  Sequence Number PDU，部分序列号报文）。

1. IIH：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。
2. LSP：用于交换链路状态信息。LSP分为两种，Level-1 LSP、Level-2 LSP。
3. SNP：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和PSNP，进一步又可分为Level-1 CSNP、 Level-2 CSNP、 Level-1 PSNP和Level-2 PSNP。

1.12   IS-IS常见的TLV

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，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。

2.  IS-IS工作原理

2.1     邻居关系建立

2.1.1   IS-IS邻居建立

IS-IS按如下原则建立邻接关系：

1. 1. 只有同一层次的相邻路由器才有可能成为邻接。
   2. 对于Level-1路由器来说，Area ID必须一致。
   3. 链路两端IS-IS接口的网络类型必须一致。
   4. 链路两端IS-IS接口的地址必须处于同一网段（默认情况下）。

由于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。但在实际的部署中，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（主IP或者从IP）在同一网段，就能建立邻接，不一定要主IP相同。

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。

1. 对于点到点接口，可以配置接口忽略IP地址检查。
2. 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。比如，一台路由器通过一个接口连接了一个物理网络，但该物理网络的计算机分别属于2个不同的网络，为了使路由器与物理网络中的所有计算机通信，就需要在该接口上配置一个主IP地址和一个从IP地址。路由器的每个三层接口可以配置多个IP地址，其中一个为主IP地址，其余为从IP地址，每个三层接口最多可配置31个从IP地址。

2.1.2   IIH

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。

 

2.1.3   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。

 

注意：

1. Level-1 IIH和Level-2 IIH发送的组播地址分别为01-80-C2-00-00-14、01-80-C2-00-00-15。
2. Down：邻接关系的初始状态。
3. Initial：收到IIH，但是报文中的邻接列表未包含路由器自身的System ID。
4. UP：收到IIS，且邻接列表中包含路由器自身的System ID。

2.1.4   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（Designated Intermediate System）DIS用来创建和更新伪节点（Pseudonodes），并负责生成伪节点的LSP，用来描述这个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。

2.1.5   IS-IS中的DIS与OSPF中的DR

1. Level-1和Level-2的DIS是分别选举的，用户可以为不同级别的DIS选举设置不同的优先级。
2. DIS的选举规则如下：

1. DIS优先级数值最大的被选为DIS。
2. 如果优先级数值最大的路由器有多台，则其中MAC地址最大的路由器会成为DIS。

1. DIS发送Hello PDU的时间间隔是普通路由器的1/3，这样可以确保DIS出现故障时能够被更快速地被发现。
2. IS-IS中DIS与OSPF协议中DR（Designated Router）的区别：

1. 在IS-IS广播网中，优先级为0的路由器也参与DIS的选举，而在OSPF中优先级为0的路由器则不参与DR的选举。
2. 在IS-IS广播网中，当有新的路由器加入，并符合成为DIS的条件时，这个路由器会被选中成为新的DIS，原有的伪节点被删除。此更改会引起一组新的LSP泛洪。而在OSPF中，当一台新路由器加入后，即使它的DR优先级值最大，也不会立即成为该网段中的DR。
3. 在IS-IS广播网中，同一网段上的同一级别的路由器之间都会形成邻接关系，包括所有的非DIS路由器之间也会形成邻接关系。而在OSPF中，路由器只与DR和BDR建立邻接关系。

2.1.6   点到点网络中的邻接关系建立过程

 

2.2     链路状态数据库同步

2.1.1   LSP（ Link State PDU，链路状态报文）

    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。

2.1.2   IS-IS的LSDB

 

1. 伪节点ID：当该参数不为零时，表示该LSP为伪节点生成。
2. 分片号：当IS-IS要发布的链路状态协议数据报文PDU（Protocol Data Unit）中的信息量太大时，IS-IS路由器将会生成多个LSP分片，用来携带更多的IS-IS信息。分片号用来区分不同的LSP分片。

2.1.3   查看非伪节点的LSP

 

2.1.4   查看伪节点LSP 

在伪节点LSP中，只包含邻接信息而不包含路由信息。

2.1.5   CSNP（Complete  Sequence Number PDU，全序列号报文）

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。

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

2.1.6   PSNP（Partial  Sequence Number PDU，部分序列号报文）

PSNP只包含部分LSP的摘要信息（与CSNP不同）：

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

 

2.1.7   广播地址中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。

2.1.8   点到点网络中的LSP同步过程

点到点网络上LSDB数据库的同步过程：

1. R1先与R2建立邻接关系。
2. 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。
3. 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。

2.1.9   LSP的处理机制

 

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：

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

2.3     路由计算

2.3.1   Level-1路由器的路由计算 

1. 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。
2. 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。
3. 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。

2.3.2   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。

2.3.3   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。

 

2.3.4   Level-1-2路由器的路由计算

 

1. 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。
2. 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。
3. 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。

2.3.5   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。