兩種常用IGP協(xié)議之異同

IGP（Interior Gateway Protocol,內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議）是在單一機(jī)構(gòu)管理的自治網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，網(wǎng)關(guān)（主機(jī)和路由器）間交換路由信息的協(xié)議。目前使用最為廣泛IGP協(xié)議是IS-IS（Intermediate System-Intermediate System，中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)）、OSPF(Open Shortest Path First，開放式最短路徑優(yōu)先）、RIP（Routing Information Protocol,路由信息協(xié)議），其中IS-IS和OSPF是兩種較為常用的IGP協(xié)議。

1987年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standard）發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)化后的IS-IS協(xié)議，基于無(wú)連接網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)（CLNP，ConnectionLess Network Protocol）的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，主要為開放式系統(tǒng)互聯(lián)（Open System Interconnection）服務(wù)，不支持TCP/IP協(xié)議。

為了支持TCP/IP協(xié)議，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（Internet Engineering Task Force，IETF）成立了2個(gè)不同思路的獨(dú)立工作組。拿來(lái)主義的“改造派”于1990年12月（RFC 1195）發(fā)布了集成Integrated IS-IS，另起爐灶的“自造派”于1991年7月推出OSPFv2（RFC1247）。由于IETF主導(dǎo)的TCP/IP協(xié)議大行其道，目前通常情況下所說(shuō)的IS-IS都是指擴(kuò)展后的Integrated IS-IS協(xié)議。IS-IS和OSPF協(xié)議在當(dāng)初的研發(fā)過(guò)程中既有競(jìng)爭(zhēng)，也有合作，二者都借鑒了阿帕網(wǎng)絡(luò)（ARPANET）的路由協(xié)議運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，IS-IS和OSPF協(xié)議在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路徑算法與數(shù)據(jù)表維護(hù)等方面有眾多相似之處。

以下通過(guò)實(shí)際案例，使用華為eNSP（版本1.2.00.510）模擬路由器及路由協(xié)議運(yùn)行，通過(guò)Wireshark（版本1.4.3）數(shù)據(jù)抓包對(duì)比分析等手段，分析比較OSPF與IS-IS協(xié)議之間的異同。為了便于對(duì)比分析，設(shè)計(jì)如下網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)構(gòu)圖，橢圓形區(qū)域作設(shè)置為OSPF的Area 0或IS-IS中的Level-2區(qū)域，方形區(qū)域設(shè)置為OSPF的常規(guī)區(qū)域或IS-IS的Level-1區(qū)域，路由器接口ip地址采用示例ip設(shè)置通用規(guī)則，例如R2的三個(gè)接口IP地址分別設(shè)置為：10.0.12.2、10.0.23.2、10.0.24.2。

在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，兩種協(xié)議都采用層次化、多區(qū)域的部署方式形成兩層的層次性拓?fù)?，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。兩種協(xié)議都設(shè)置了骨干區(qū)域，輔以路由匯總、默認(rèn)路由等策略，有效減小了路由表規(guī)模，降低了局部區(qū)域路由變化與震蕩對(duì)整體路由收斂影響，將拓?fù)渥兓a(chǎn)生的影響限制在一個(gè)相對(duì)更小的范圍，因此兩者都具有路由收斂速度快、無(wú)環(huán)路的優(yōu)點(diǎn)，都能較好支持的大型網(wǎng)絡(luò)。

圖1 OSPF和IS-IS拓?fù)鋵?duì)比分析

在路徑算法上，兩種協(xié)議都以最短路徑優(yōu)先（Shortest Path First）算法為主，放棄了阿帕網(wǎng)絡(luò)的Bellman-Ford算法。兩種協(xié)議使用SPF算法（即Dijkstra算法）來(lái)計(jì)算路由。IS-IS在域內(nèi)運(yùn)行Level-1 SPF計(jì)算路由，在域間運(yùn)行Level-2 SPF計(jì)算路由；OSPF在域內(nèi)運(yùn)行SPF計(jì)算路由，在域間（inter-area）運(yùn)行距離向量算法來(lái)計(jì)算路由。之前的距離矢量路由協(xié)議（例如RIP）僅關(guān)心到達(dá)目的路由器有多遠(yuǎn)（跳數(shù)），不關(guān)心路況（帶寬等鏈路狀況），IS-IS和OSPF協(xié)議克服了RIP類協(xié)議的不足，在路由路徑選擇上引入“度量值”（cost）概念，綜合考慮路由鏈路的距離和鏈路帶寬。當(dāng)然，距離向量算法有一定的不足，但此算法簡(jiǎn)單、高效，在IS-IS和OSPF跨域間路由計(jì)算中仍然得到應(yīng)用。

在數(shù)據(jù)表維護(hù)上，兩種協(xié)議都是基于鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，在廣播網(wǎng)絡(luò)中皆選舉指定路由（指定中間系統(tǒng)，DR/DIS）來(lái)?yè)?dān)任鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)同步的主路由器，建立和維護(hù)“三張表”，即鄰居表、鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)（LSDB）和協(xié)議路由表。鄰居表采用“鄰居數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)“，描述每一臺(tái)鄰居路由器的所屬區(qū)域、工作狀態(tài)、鄰居類型、Router-ID、優(yōu)先級(jí)、接口IP、保持時(shí)間等。鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)都使用Hello報(bào)文建立和維護(hù)鄰居/鄰接關(guān)系。鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)路由器學(xué)習(xí)、搜集的各類LSA（鏈路狀態(tài)通告）、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)段信息。協(xié)議路由表是指通過(guò)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，采用SFP算法計(jì)算，得到的到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)網(wǎng)段的最佳路由信息表。協(xié)議路由表的信息是路由器全局路由表的重要來(lái)源，對(duì)于不同路由協(xié)議產(chǎn)生的同一網(wǎng)段的路由信息，由路由器比較路由優(yōu)先級(jí)大小后擇優(yōu)載入全局路由表。

集成IS-IS和OSPF皆由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）牽頭制定的標(biāo)準(zhǔn)，但思路迥異的實(shí)施小組決定兩種協(xié)議之間必然有眾多不同之處，兩種協(xié)議在支持的網(wǎng)絡(luò)類型、分層結(jié)構(gòu)、協(xié)議報(bào)文、防環(huán)機(jī)制、使能方式、擴(kuò)展性等方面有著明顯區(qū)別，下文以華為AR、CE系列數(shù)通產(chǎn)品為例介紹兩種協(xié)議的區(qū)別。

在支持的網(wǎng)絡(luò)類型上，兩種協(xié)議支持的網(wǎng)絡(luò)類型不盡相同，以華為數(shù)通產(chǎn)品為例，IS-IS 定義了兩種常見網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋停簭V播網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。OPSF與IS-IS比較，還可支持非廣播型多路訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。

在分層結(jié)構(gòu)上，IS-IS的骨干區(qū)域不是特定的一個(gè)域，而是由網(wǎng)絡(luò)端口直接連通的連續(xù)Level-2和Level-1-2 路由器組成；OSPF的骨干必須有而且必須為area 0; IS-IS的域邊界是在路由器之間的鏈路（link）上，OSPF的域邊界是在路由器上；IS-IS的兩層分級(jí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不是必須的，網(wǎng)絡(luò)可以完全由Level-1路由器或完全由Level-2 路由器構(gòu)成。IS-IS的Level-1區(qū)域類似于OSPF中的Total Stub區(qū)域，依賴最近的區(qū)域邊界路由器作為缺省路由訪問(wèn)本區(qū)域以外任何目的地。OSPF的非骨干區(qū)域類型有常規(guī)區(qū)域（Normal Area）、末梢區(qū)域（Stub Area）、非完全末梢區(qū)域（NSSA）、完全次末節(jié)區(qū)域（Totally NSSA）；

圖2 OSPF協(xié)議報(bào)文類型

在協(xié)議報(bào)文方面，OSPF協(xié)議報(bào)文主要有5種：Hello、數(shù)據(jù)庫(kù)描述（Database Description）、鏈路狀態(tài)請(qǐng)求（Link State Request）、鏈路狀態(tài)更新（Link State Update）、鏈路狀態(tài)確認(rèn)（Link State Acknowledgment），一次較為完整OSPF協(xié)議報(bào)文類型如圖2所示。IS-IS協(xié)議報(bào)文直接采用數(shù)據(jù)鏈路層封裝，封裝在以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀中，通過(guò)TLV（類型、長(zhǎng)度、值）傳遞報(bào)文信息，與OSPF相比，IS-IS協(xié)議報(bào)文更簡(jiǎn)單、封裝效率更高、可擴(kuò)展性高。IS-IS的報(bào)文協(xié)議數(shù)據(jù)單元主要有：IIH（IS-IS Hello）、鏈路狀態(tài)報(bào)文（Link-State Packet）、完全序列號(hào)報(bào)文（CSNP）、部分序列號(hào)報(bào)文（PSNP）。OSPF協(xié)議直接采用IP封裝，對(duì)應(yīng)的協(xié)議號(hào)為89，協(xié)議報(bào)文使用組播地址（224.0.0.5/6）為目的地址。IS-IS協(xié)議報(bào)文常見類型如圖3所示。

圖3 IS-IS報(bào)文主要類型

在防環(huán)機(jī)制上，首先協(xié)議在區(qū)域內(nèi)（area和level）采用的SPF算法計(jì)算出來(lái)的最短路徑樹避免了出現(xiàn)路由環(huán)路的可能。IS-IS的NET（網(wǎng)絡(luò)實(shí)體名稱）和OSPF中的router-id都能起到全局唯一標(biāo)識(shí)作用，在一定程度上能防止環(huán)路。其次，精巧的路由通告設(shè)計(jì)機(jī)制很大程度上避免了環(huán)路的產(chǎn)生。IS-IS的Level-1路由必需通過(guò)Level-2區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)Level-2路由向Level-1區(qū)域引入滲透時(shí)，LSP報(bào)文中關(guān)聯(lián)位（Attached bits）會(huì)被置位，避免通過(guò)Level-1路由再次通告到Level-2區(qū)域形成環(huán)路。OSPF的非area 0區(qū)域路由信息必須通過(guò)Area 0區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)，不允許兩個(gè)非骨干區(qū)域直接交換路由信息，OSPF中的ABR只能將自身到達(dá)所連接區(qū)域的區(qū)域內(nèi)部路由Type-3 LSA通告給Area 0，不允許將區(qū)域間路由或者在非Area 0 區(qū)域內(nèi)學(xué)習(xí)到的路由信息通告給Area 0。OSPF中的Type-5 LSA必需在明確對(duì)應(yīng)的Type-4 LSA后方可在所有區(qū)域內(nèi)泛洪通告；

在使能方式上，配置OSPF協(xié)議，只需要在系統(tǒng)視圖界面下使用“ospf router-id”命令即可完成路由器和接口使能，如要針對(duì)特定接口取消OSPF使能，需在OSPF進(jìn)程下使用“silent-interface”命令取消使能。配置IS-IS協(xié)議時(shí)，在路由器系統(tǒng)視圖界面輸入“isis process-id”全局使能后，仍需要在接口界面下再次使能每一個(gè)需要運(yùn)行IS-IS協(xié)議接口，即在接口界面下輸入”isis enable”命令后方可完成接口IS-IS使能。

與RIP距離矢量路由協(xié)議相比，IS-IS和OSPF在路由計(jì)算與選擇時(shí)候充分考慮了鏈路狀態(tài)因素，使得協(xié)議路由更加實(shí)用、科學(xué)，通過(guò)周期性地交互路由信息，有效保障了路由信息的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，是對(duì)RIP路由協(xié)議不足的顯著改進(jìn)。兩種路由協(xié)議應(yīng)用都比較廣泛，業(yè)內(nèi)也有混合使用IS-IS、OSPF組網(wǎng)，然后通過(guò)BGP協(xié)議進(jìn)行域間路由交換。結(jié)合上述分析，本文作者認(rèn)為，對(duì)于小型網(wǎng)絡(luò)、中小企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、高校網(wǎng)絡(luò)中，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能顯著提升且背景下，建議選擇OSPF協(xié)議，可以充分利用OSPF的區(qū)域類型多、內(nèi)置功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，可靈活部署各種路由控制策略，機(jī)動(dòng)、快捷操控路由和路徑選擇，滿足大量用戶多層次、精準(zhǔn)化訪問(wèn)控制。對(duì)于IS-IS協(xié)議，相對(duì)簡(jiǎn)單的區(qū)域類型、更細(xì)致的定時(shí)器設(shè)置，簡(jiǎn)化了協(xié)議的復(fù)雜性，降低了協(xié)議對(duì)路由器CPU的占用，加快了路由收斂更新速度，基于TLV的報(bào)文傳遞設(shè)計(jì)，極大提升了IS-IS協(xié)議的擴(kuò)展性，IS-IS更適用于大型骨干網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中。