ISIS路由选择协议研究与应用

ISIS路由选择协议研究与应用

摘 要：本文在全面介绍了ISIS路由选择协议理论。第一章主要介绍路由和路由协议的概念以及分类、网络的发展状况以及主要的路由选择协议；在第二章中，接受ISIS协议中一些重要概念；第三章对该协议以及工作原理进行总体上的概况；最后一章对全文做了简要的总结，并对将来路由协议的发展以及它和其它业务的结合、对于各种网络的支持进行了展望。

关键词：ISIS；链路状态路由协议；快速收敛

0引言

近年来，随着计算机应用的发展，网络已经进入千家万户，与此同时网络的发展也日新月异。目前的网络主要向着大型化、多样化、复杂化、拓扑动态化四个方向发展。人们越来越意识到需要用坚固而灵活的IP路由选择协议来支撑不断扩张的网络，继Internet在网络世界中占据主要地位之后，陆续出现了很多IP路由选择协议，但是只有3种路由选择协议经受住了时间的考验并且被广泛部署。集成ISIS作为一个域内动态路由选择协议也是其中之一，另外两个路由选择协议是来自域间动态路由选择协议的BGP以及和ISIS同属于域内动态路由选择协议，并且是集成ISIS的竞争对手的OSPF。ISIS报文中采用一种三元组的形式来携带不同的信息，这种方式非常有利于ISIS对于新的应用的扩展，这使得ISIS在现代通信中的应用越来越广泛。

1路由和路由协议

路由是把信息从源穿过网络传递到目的地的行为，在路上，至少遇到一个中间节点。

路由通常与桥接来对比，在粗心的人看来，它们似乎完成的是同样的事。它们的主要区别在于桥接发生在OSI参考协议的第二层（链接层），而路由发生在第三层（网络层）。这一区别使二者在传递信息的过程中使用不同的信息，从而以不同的方式来完成其任务。

路由协议是指通过在路由器之间共享路由信息来支持可路由协议。路由信息在相邻路由器之间传递，确保所有路由器知道到其它路由器的路径。总之，路由协议创建了路由表，描述了网络拓扑结构；路由协议与路由协同工作，执行路由选择和数据包转发功能。

2 ISIS路由协议分析

ISIS路由协议即Integrated IS-IS协议，其前身是OSI体系结构的IS-IS（Intermediate System to Intermediate System）路由协议，最新的版本定义在ISO DP 10589中（对应的Internet标准是RFC 1142）。由于TCP/IP与OSI并存于当前的网络环境中，而两种体系结构中所定义的协议和标准往往是不能互通的，这对网络互联无疑是个限制。这种情况在北美等互联网应用较早的地区更为普遍。面对这两种体系标准的并存状况，需要路由器能够同时对TCP/IP与OSI提供支持。在这种需求下，1990年，Internet工程任务组的IS-IS工作组在OSI的IS-IS路由协议基础上增加了对TCP/IP的支持，包括对IP子网、可变子网掩码、基于TOS（Type of Service）的路由、外部路由（External Routing）以及一些其他IP概念的支持，制定了综合的IS-IS路由协议――ISIS，使得这一单一的路由协议能够支持纯IP环境、纯OSI环境以及IP与OSI的混和环境。

ISIS协议是典型的链路状态路由协议，用链路状态数据包（Link State PDU，LSP）来同步区域内路由器的链路状态数据库（Link state databa LSDB）。它用于在一个域（Domain）内部计算路由路由，是一种内部网关议（Interior Gateway Protocol，IGP）。

ISIS协议主要有如下的优点：

（1）快速收敛：因为其链路状态路由协议的特点，它能达到快速、无环的收敛；

（2）简单性：总体来说，ISIS是一种简单的协议。比如说它仅仅用三类型的数据包就完成了邻居发现、路由信息的交换等功能，而其他协议往往定义很多复杂的数据包。

（3）安全性：ISIS并不是一个基于IP的协议，而是一个独立的不能被由的第二层协议，因此不容易被拒绝服务或受到针对IP路由协议的攻击。这一点可以进一步从ISIS数据包的封装形式上说明。ISIS的数据包不被封装在网络层的，而是直接封装到数据链路层。在这一点上，ISIS是独无二的，其他路由协议，都依赖于更高的层来传输数据，而ISIS有自己的三层包头（标识：0xFE），它可以看作是IP的对等层。当一个IS要发送数包时，会在数据前面加上IS-IS头，直接传送到数据链路层。数据链路层不需用ARP协议来查找相应的物理地址，ISIS头中会指定数据包要发送的多播址。

（4）可扩展性：ISIS被证明在非常大型的IP网络中有很好的性能。因此，尽管ISIS协议制定的初衷是适应双协议系统的要求，但由于IS-IS协议的诸多优点，它也成为纯IP网络中路由协议的首选之一。

3工作原理

ISIS协议完成路由的功能主要包括四个主要过程：决定、更新、转发、接收。如下图所示。下面逐一介绍各个过程的功能以及它们之间的关系。

决策过程（Decision Process）

这个过程根据路由度量（routing metrics）计算IS到达域内部所有目标地址的路由，形成路由表。如果该IS同时有分区内和分区外的连接，则分别计算一级路由和二级路由。决策过程计算路由的依据是IS的链路状态数据库，借助于更新过程的维护，链路状态数据库总是包含着最新的链路状态数据包中信息。决策过程生成的路由存储到转发数据库中，为转发过程提供了依据。

更新过程（Update Process）

这个过程负责完成生成、接收以及传播LSP的功能。LSP中包含了组织该数据包的IS的标识、路由度量以及邻接关系等信息。

（1）接收LSP：更新过程接收的LSP是通过接收过程获得的，在获得新的路由信息后，将更新本地的路由信息数据库，并且将LSP传播给其他IS； （2）生成LSP：除了需要周期性的生成LSP之外，在网络拓扑结构发生变化或者路由器配置改变时也将构造新的LSP；

（3）传播LSP：一级链路状态数据包将传播给在分区内部的每个IS，但是不会传播到分区之外；二级链路状态数据包将传播给域内的所有L2 IS，但是不会传播到域之外。

转发过程（Forwarding Process）

转发过程提供并管理转发数据包所需要的缓冲区。通过接收过程获得数据包后，查找转发数据库（Forwarding Database）决定转发的路由。

接收过程（Receive Process）

接收过程主要负责接收数据包并将它存放到数据库中，并根据需要将数据包传递给其他过程（如：将需要转发的数据包传送给转发过程）。

3.1协议核心机制

邻居发现

ISIS协议通过Hello协议来建立并初始化邻接关系。当IS刚刚启动或者其接口的链接状态发生变化时便会生成Hello包，用于发现新的邻居IS并维护原有邻接关系。当它收到另一IS反馈的Hello包时，邻接关系就建立起来了。在邻接关系建立之后，下一步就需要与新的邻居IS进行链路状态信息的交换。

链路状态信息的同步

为了建立区域内统一的拓扑观点，域内部的IS需要同步链路状态信息。ISIS协议利用LSP和SNP包（包括CSNP和PSNP）进行链路状态信息的同步。当IS之间刚刚建立邻接关系时需要进行链路信息的同步，已经建立邻接关系的IS之间也需要周期性的同步。

广播网络内，当两个IS之间建立起新的邻居关系――假设分别为ISA（DIS）与ISB，作为DIS的ISA将组织CSNP向ISB描述自己的链路状态信息数据库，这个描述信息包括数据库中每一条LSP的如下字段：

ISB收到CSNP之后，将对比自己的数据库，如果存在自己没有的链路状态信息，ISB将用PSNP包封装这些信息的描述并发送给ISA。这个PSNP包就是ISB的请求。ISA根据PSNP包组织发送数据库中被请求的LSP，使得ISB能够更新自己的链路状态数据库。

如果ISB的数据库中有CSNP中没有的LSP，则ISB直接发送这些LSP给ISA。这样，ISA与ISB的数据库便完成了同步。

利用SNP和LSP数据包进行链路状态数据库的同步，是ISIS协议能够达到快速收敛的一个重要原因。

让我们来设想如下的邻居发现后的数据同步过程。先考虑场景1：

假设ISA与ISB已经稳定运行了一段时间，ISA的优先级高于ISC和ISB。与ISA、ISB相连的是一个拓扑复杂的网络。当ISC刚刚建立与ISA的邻接关系时，很显然它需要从ISA处获知大量的链路状态信息。ISA发送CSNP、ISC发送PSNP，并利用LSP传送链路状态数据库的内容。在这个场景下， ISIS协议的数据同步过程似乎是比直接交换相邻IS的数据库更为麻烦。但是，我们再分析一下场景2：

与场景1基本类似，唯一不同的是我们假设ISB与ISC的邻接关系也已经建立了一段时间。这时，新的链路在ISA与ISC形成，它们需要同步链路状态数据库。首先，ISA发送CSNP，这时，ISC会发现ISA的大部分链路状态都是自己已知的！因此需要利用LSP交换的信息非常之少。这种场景下的同步过程达到了快速高效的收敛效果。

事实上，在实际网络中存在着大量的拓扑冗余，因此，第二种场景发生的可能性要远远大于第一种。ISIS的这种数据同步机制有着良好的效果。

DIS的选举机制

早期ISIS协议中，子网被看做虚节点PN，并由其DIS负责生成子网的链路状态信息

数据包。这里的DIS是在利用Hello协议进行邻居发现的过程中完成选举的，选举依据两个条件：（1）该IS在子网中拥有最高优先级。优先级体现在该IS发出的Hello包的PRIORITY字段值上。（2）如果最高优先级的IS不唯一，则MAC地址最大的IS必定为DIS。DIS的选举是抢占式的，因此，任意时刻子网的DIS具有确定性。

LSP的传播机制

ISIS协议中规定一旦链路状态发生变化，便生成新的LSP来包含新或ES邻居并除掉已经失效的邻接关系。LSP在网络内传播的传播机“Flooding”，就是每个IS将接收到的新的LSP发送给所有处于同一域的居（除了该LSP的发送邻居之外），使得LSP迅速被域内部所有可达的收。

能够引起ISIS传播LSP的原因主要有以下几种：

4 结论

现代通信网络飞速发展，每时每刻都会有大量的网络设备和终端加入网络，如果没有健壮的网络协议的支持，是不可能完成如此大规模、大数据量的通信的。ISIS协议是一种得到广泛应用的、功能强大的内部网关路由选择协议，它既适合IP网络又适合CLNP网络。实践证明，在IP世界里，ISIS路由选择协议是应用于ISP网络中的IGP协议OSPF唯一的可替代协议。随着各种新型业务的出现，增加了对路由器特性的要求，比如VPN、流量工程等，这些新的功能如何在网络中实现，还需要借助于路由协议。建立一条隧道，预留一些带宽，这些信息如何在网络中进行协商，也必须承载在路由协议之上。本文中介绍了三元组的概念，ISIS协议的灵活、易于扩展也就应为三元组的出现，当出现一个新的业务时，只需要重新定义一个新的三元组，将此三元组加入一个LSP中便可以将信息进行传输了。

正因为这种灵活性，ISIS在新业务飞速发展的现代通信中逐步显示出其优势，有越来越多的ISP都在逐步转向ISIS协议。ISIS协议在现代通信中正逐步的巩固着自己的核心地位。

可以肯定的说，在将来路由协议的发展道路上，必将是更加的独立化、模块化，ISIS协议作为其中的核心代表在我们可见的时代能够体现出这种优势，不论将来可能会出现什么更加优越的路由协议，路由协议乃至网络的发展趋势是不会变的，随着社会的进步，人们需求的增加，必将朝着分工越来越明确，各模块协作性越来越好的方向走去。

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