[网络协议] IS-IS协议分析与配置

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[网络协议]IS-IS协议分析与配置

本文简要分析IS-IS协议的原理和应用，利用GNS3仿真器搭建环境，对IS-IS协议进行实验配置，供学习记录。GNS3仿真环境中运行的是Cisco IOS镜像，比CPT更加接近真实环境，而且CPT也不支持ISIS协议。

初次使用GNS3踩了个坑，用的镜像配置起来是正常的，但是ISIS协议却配不通，折腾了几天换了个镜像就好了，所以使用GNS3一定要确保镜像正常，不然事倍功半浪费时间。

文章目录

按照作用于AS的范围，常见路由协议可划分为两类：

内部网关协议 (Interior Gateway Protocols, IGP)：具体包括RIP、OSPF、IS-IS、EIGRP等，一般由单个ISP运营于一个AS内，有统一的自治系统号，目前大型企业内部多使用OSPF、IS-IS，小型企业内部使用RIP或静态路由
外部网关协议 (Exterior Gateway Protocols, EGP)：BGP是目前唯一使用的一种EGP协议，它是AS间的路由协议，一般用于不同ISP之间交换路由信息，以及大型企业、政府等具有较大规模的私有网络

下面对内部网关协议IS-IS进行介绍：

一、基本原理

IS-IS (Intermediate System-to-Intermediate System) 也是一种链路状态路由协议，最初设计用来应用于CLNP网络 (Connectionless Network Protocol，无连接网络协议，OSI体系中的网络层协议，类似TCP/IP模型中的IP协议)，后因TCP/IP迅速发展和广泛应用，IS-IS对此进行了扩充和修改，使它能够同时应用在TCP/IP和OSI。

与OSPF协议相似，IS-IS同样使用最短路径优先算法 (Shortest Path First, SPF, 也称为Dijkstra算法) 生成最短路径树并构造路由表，其路径开销 (Cost) 计算基于接口的带宽，相比于OSPF，IS-IS更加适用于如ISP、数据中心等规模和承载量更大、区域类型相对简单、层次扁平化的大型网络。

IS-IS同样将AS划分成多个逻辑区域，分为骨干区域和非骨干区域，但其不再使用编号区分骨干区域和非骨干区域，而是基于路由器的级别 (Level)。IS-IS报文工作在链路层，每个区域中所有路由器通过组播 (Level-1: 01-80-C2-00-00-14, Level-2: 01-80-C2-00-00-15) 的方式维护着一个相同的链路状态数据库 (Link State DataBase, LSDB)，LSDB存放着接口的相关信息 (IP地址、带宽以及所连接的邻居等)，IS-IS路由器通过各自的LSDB进行路由计算。

(一) 路由器类型

IS-IS中的路由器按层次划分：

Level-1 (L1)：负责区域内路由，它只与同一区域的L1和L1-2路由器形成L1邻居关系，维护一个L1的LSDB，该LSDB只包含本区域的路由信息，到区域外的报文要转发给最近的L1-2路由器。
Level-2 (L2)：负责区域间路由，可以与同一区域的L2路由器，或者不同区域的L1-2路由器形成L2邻居关系，维护一个L2的LSDB，该LSDB包含区域间的路由信息，负责在不同区域间通信，路由域中的L2路由器必须是物理连续的，以保证骨干网的连续性。
Level-1-2 (L1-2)：同时属于L1和L2的路由器，可以与同一区域的L1和L1-2路由器形成L1邻居关系，也可以与不同区域的L2和L1-2路由器形成L2的邻居关系。L1路由器必须通过L1-2路由器才能连接至其他区域。L1-2路由器维护两个链路状态数据库，L1的链路状态数据库用于区域内路由，L2的链路状态数据库用于区域间路由。

(二) 区域类型

与OSPF相同，分为骨干区域和非骨干区域，L2邻居关系的路由器 (L2和L1-2路由器) 构成骨干区域，L1邻居关系的路由器 (L1和L1-2路由器) 构成非骨干区域，非骨干区域必须通过L1-2路由器与骨干区域相连，IS-IS协议中没有虚链路的概念，骨干区域与非骨干区域在物理上都必须是一个整体。
在这里插入图片描述
非骨干区域只维护自身区域的LSDB，骨干区域维护自身以及非骨干区域的LSDB，骨干区域和非骨干区域联系的唯一纽带就是L1-2路由器，当信息在骨干和非骨干区域之间传输时，L1-2路由器充当信息中转枢纽，具体如下：

骨干区域访问非骨干区域时，L1-2路由器将L1级别的路由作为自身直连的节点进行描述，并通过L2级别的LSP在L2区域进行泛洪，因此骨干区域上的路由器知道非骨干区域的路由信息；
非骨干区域访问骨干区域时，L1-2路由器下发一条访问骨干区域的缺省路由指向路由器自身，缺省路由通过ATT比特位进行标记，由非骨干区域路由器计算得到。

注意：骨干区域和区域并不是一个概念，L1-2路由器可以划分到L1区域也可以划分到L2区域，但L1-2和L2路由器一起构成了一个连续的骨干区域。

(三) NSAP地址转换

ISO网络和IP网络的网络层地址的编址方式不同，IP网络的三层地址是常见的IPv4地址或IPv6地址，而ISO网络层地址称为NSAP (Network Service Access Point，网络服务接入点)，即便现在是集成IS-IS，但是使用NSAP地址这项还是保留了下来，NSAP由IDP与DSP两个部分组成，如下图所示：
在这里插入图片描述

IDP (Initial Domain Part)：相当于IP地址中的主网络号 (网段)，由AFI (Authority and Format ID) 与IDI (Inter-Domain ID) 两部分组成，AFI表示地址分配机构和地址格式，IDI表示AFI的子域
DSP (Domain 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，一般要保持全局唯一性，相当于OSPF中的Router-ID，SEL用来指示服务类型，在IP网络中SEL为00。

IDP和DSP中的High Order DSP一起组成区域地址，用于标识IS-IS划分的区域，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，有时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。

IP地址向NSAP转换方法，一般设置环回接口 (Loopback Interface) 地址，将32位Lookback地址补齐成48位，分割后再补齐获得，具体如下图所示：(实际上在配置时可以有不同方法，但需要满足字节长度要求和全局唯一性)
在这里插入图片描述
区域地址 (AREA ID) 最前边1个字节AFI为组织格式标识符，代表一个独立的组织机构，49表示OSI协议的私有地址，39表示ISO国家代码，47表示ISO国际代码，后两个字节IDI为初始域标识符，代表AFI的子域，0001为区域编号。

(四) 网络类型

基于链路层网络协议，IS-IS支持两种网络类型：
(注意网络类型不同于物理拓扑，其划分主要基于网络在链路层运行的协议)

点到点网络 (Point to Point, P2P)：链路层协议如PPP和HDLC，此类网络不用进行DIS的选举，直接形成邻接关系
广播多路访问网络 (Broadcast Multi-Access, BMA)：链路层协议如以太网 (IEEE 802.3)，可以 (泛洪) 发送广播和组播报文，需要进行DIS的选举

(五) DIS

在广播多路访问网络中，IS-IS需要在每个区域所有的路由器中选举一个作为DIS (Designated Intermediate System)，用于创建伪节点并负责生成伪节点的链路状态协议数据单元LSP (Link State Protocol Data Unit)，用来描述这个网络上的设备信息，同一区域内的路由器会通过DIS周期性 (10/3s) 发送CSNP来同步LSDB，路由器之间只有邻居关系，而在OSPF中，邻居关系的路由器不一定用于同步LSDB，只有在DROTHER与DR和BDR建立邻接关系才同步LSDB。
在这里插入图片描述
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。伪节点用DIS的System ID和一个字节的Circuit ID (非0值) 标识，伪节点可以减小LSP大小，提高SPF计算速度。

DIS的选举通过比较优先级，当有多个IS-IS路由器时，优先级高的选为DIS，与OSPF不同的是，优先级为0的路由器也参与DIS的选举，而且DIS没有备份；如果优先级相同则通过比较SNPA大小，SNPA大的选为DIS，在局域网中SNPA为MAC地址。

(六) 路由器状态

OSPF根据同步LSDB的阶段来划分路由器状态，而IS-IS路由器仅根据邻居关系建立过程区分三种路由器状态：

Down：没有收到邻居HELLO包时的状态
Initiated：收到邻居HELLO包，但是在HELLO包中没有发现自身信息
Up：收到邻居HELLO包，并发现自身信息，随后会进行DIS选举

(七) 工作过程

以常见的BMA类型网络为例，IS-IS基本工作过程如下：

① 建立邻居关系：IS-IS路由器初始化时，所有相邻路由器之间通过HELLO报文发现并建立邻居关系，邻居关系的路由器状态为Up；

② 同步LSDB：互为邻居关系的路由器首先选举出DIS，刚加入区域的路由器会发送LSP，DIS收到LSP后将相应信息加入自身LSDB，然后定期向邻居路由器发送完全序列号数据包 (Complete Sequence Number Packets, CSNP)，CSNP中包括LSP的摘要信息，包括接口地址、带宽、邻居等链路状态信息，如果收到CSNP的路由器发现数据包中LSP描述没有自身信息，则会返回特殊序列号数据包 (Partial Sequence Numbers PDU, PSNP)，DIS收到PSNP后会发送相应的LSP，直到单个区域内所有的路由器都形成相同的LSDB；

③ 构建路由表：同一个区域内的路由器会结合自身LSDB信息，使用SPF算法生成最短路径树，构建出各自的区域内路由表；L1-2路由器将L1级别的路由作为自身直连的节点进行描述，并通过L2级别的LSP在L2区域进行泛洪，因此骨干区域上的路由器既有自身区域又有非骨干区域的路由信息，而非骨干区域路由器只有自身区域的路由信息，当其访问骨干区域时，L1-2路由器下发一条访问骨干区域的缺省路由指向路由器自身。

④ 路由信息维护：一方面，当路由器的邻居状态发生改变，或是自身路由信息发生变化时，会触发LSP更新；另一方面，DIS会周期性发送CSNP，当区域中有路由器状态发生变化时会返回PSNP请求LSP以完成LSDB的同步。LSDB完成同步后，如果路由信息更新则会重新计算生成新的路由表项。

(八) 优缺点分析

优点：

收敛速度快，能够在最短的时间内将路由变化传递到整个自治系统
支持大量网络节点和网络平移、分割、合并，适用于超大规模网络
采用路径开销 (Cost) 作为度量标准，路径开销计算基于接口的带宽
划分区域进行管理，减少大规模网络中协议运行的流量和开销
协议相对OSPF更加简化，配置简单

缺点：

支持网络类型有限

二、实验配置

(一) 实验拓扑

以BMA型网络为例，拓扑如下：
在这里插入图片描述 R1、R2、R3、R4所在区域Area ID为49.0001
R5、R6、R11、R12所在区域Area ID为49.0002
R7、R8、R9、R10所在区域Area ID为49.0003

(二) 配置命令

(基础配置略过，只记录路由相关配置部分)

# R1、R2、R3、R4都是L2路由器，配置命令相似，以R1配置为例
# R1、R2、R3、R4所在区域Area ID为49.0001
R1(config)# interface loopback 1    // 配置环回接口，接口地址用于配置NSAP中的SYSTEM ID
R1(config-if)# ip address 10.10.11.1 255.255.255.0
R1(config-if)# exit
R1(config)# router isis
R1(config-router)# net 49.0001.0100.1001.0001.00  // 配置NSAP，同一个区域的AREA ID是相同的，这里骨干区域ID设为49.0001
R1(config-router)# is-type level-2-only           // 配置IS-IS路由器类型 (缺省为Level-1-2)
R1(config-router)# exit
R1(config)# interface fa0/0
R1(config-if)# no shutdown
R1(config-if)# ip address 1.1.1.1 255.255.255.0
R1(config-if)# ip router isis                     // 在接口开启IS-IS路由功能
R1(config-if)# exit
R1(config)# interface fa0/1
R1(config-if)# no shutdown
R1(config-if)# ip address 4.4.4.1 255.255.255.0
R1(config-if)# ip router isis
R1(config-if)# exit
R1(config)# interface fa1/0
R1(config-if)# no shutdown
R1(config-if)# ip address 5.5.5.1 255.255.255.0
R1(config-if)# ip router isis
R1(config-if)# exit


# R5、R7、R9、R11都是L1-2路由器，配置命令相似，以R5配置为例
# R5、R11所在区域Area ID为49.0002，R7、R9所在区域Area ID为49.0003
R5(config)# interface loopback 1   
R5(config-if)# ip address 10.10.11.5 255.255.255.0
R5(config-if)# exit
R5(config)# router isis
R5(config-router)# net 49.0002.0100.1001.0005.00    // 配置NSAP，同一个区域的AREA ID相同
R5(config-router)# is-type level-1-2              
R5(config-router)# exit
R5(config)# interface fa0/0
R5(config-if)# no shutdown
R5(config-if)# ip address 5.5.5.2 255.255.255.0
R5(config-if)# ip router isis              
R5(config-if)# exit
R5(config)# interface fa0/1
R5(config-if)# no shutdown
R5(config-if)# ip address 6.6.6.1 255.255.255.0
R5(config-if)# ip router isis
R5(config-if)# exit


# R6、R8、R10、R12都是L1路由器，配置命令相似，以R6配置为例
# R6、R12所在区域Area ID为49.0002，R8、R10所在区域Area ID为49.0003
R6(config)# interface loopback 1    
R6(config-if)# ip address 10.10.11.6 255.255.255.0 
R6(config-if)# exit
R6(config)# router isis
R6(config-router)# net 49.0002.0100.1001.0006.00    // 配置NSAP，同一个区域的AREA ID相同
R6(config-router)# is-type level-1             
R6(config-router)# exit
R6(config)# interface fa0/0
R6(config-if)# no shutdown
R6(config-if)# ip address 6.6.6.2 255.255.255.0
R6(config-if)# ip router isis                   
R6(config-if)# exit

配置后可用命令查看路由信息：

# 查看isis配置信息
Router# show isis ?

# 查看所有路由表项
Router# show ip route

# 查看IS-IS路由表项
Router# show ip route isis

# 查看IP路由协议配置参数和运行情况
Router# show ip protocols

可见骨干区域路由器 (L2、L1-2) 路由信息中有全网的路由信息，而非骨干区域路由器 (L1) 路由信息中只有本区域的路由信息，以及指向0.0.0.0的默认路由表项。

如果一次性需要配置多个路由器，可以先将命令逐行写出，然后复制粘贴就可以一次性完成配置，如下所示：
在这里插入图片描述