IS-IS入门：了解IS-IS协议的基本概念与工作原理

# 1. 引言

## 简要介绍IS-IS协议
IS-IS（Intermediate System to Intermediate System）是一种基于链路状态的内部网关协议，最初用于大型企业和互联网服务提供商的网络中。

## IS-IS在网络中的应用重要性
作为OSI（开放系统互联）网络协议族中的一员，IS-IS协议在构建和维护大规模、高可用性的网络中起着至关重要的作用。其可扩展性、快速收敛和强大的分层设计使得它成为复杂网络环境下的首选路由协议之一。
## 2. IS-IS协议概述

IS-IS（Intermediate System to Intermediate System）是一种内部网关协议（IGP），主要用于在大型企业网络和互联网服务提供商网络中进行路由选择。IS-IS基于链路状态路由算法，通过交换链路状态信息来维护网络的拓扑结构，并计算出最优的路由路径。

### 2.1 IS-IS的定义和功能

IS-IS是一种开放标准的路由协议，最初由ISO（国际标准化组织）定义，用于在OSI（开放系统互联）参考模型的第二层和第三层之间进行路由选择。IS-IS协议具有以下功能：

- 路由发现：IS-IS通过交换链路状态信息（Link State）来发现网络中的路由器和链路，并构建网络拓扑图。
- 路由计算：基于网络拓扑图，IS-IS使用Dijkstra算法计算出最短路径，并选择最优的路由路径。
- 路由传播：IS-IS将计算出的路由信息与相邻路由器交换，以便网络中的所有路由器都能了解到完整的路由信息。

### 2.2 IS-IS与其他路由协议比较

相比较其他常见的内部网关协议（如OSPF），IS-IS具有以下特点：

- 基于链路状态：IS-IS使用链路状态数据库（Link State Database）来存储网络的拓扑信息，而不是像距离矢量协议（如RIP）那样仅存储到达目的地的距离。
- 支持多层网络：IS-IS可以支持传统的三层网络，也可以扩展到支持多层网络（如MPLS）。
- 压缩链路状态信息：IS-IS通过使用TLVs（Type, Length, Value）来压缩链路状态信息，减少控制报文的传输开销。
- 简单配置：IS-IS的配置相对简单，只需配置区域和邻居关系即可。
- 跨平台支持：IS-IS可以在不同厂商的路由器之间进行互操作，具有较好的跨平台支持。

### 2.3 IS-IS支持的网络类型

IS-IS支持以下两种网络类型：

- 广播网络：适用于局域网（LAN）或相邻的路由器通过广播方式交换链路状态信息。
- 点到点网络：适用于广域网（WAN）或互连的路由器通过点到点链路单播方式交换链路状态信息。

IS-IS还可以将广播网络和点到点网络组合使用，以适应复杂的网络环境。
### 3. IS-IS基本概念

在本章节中，将介绍IS-IS协议的基本概念，包括区域和领域的概念、域内和域间路由的区别以及IS-IS的路由选择算法。让我们逐一来了解。

#### 区域（Area）和领域（Domain）的概念

IS-IS协议中，网络被划分为一个或多个区域（Area），这样的划分方式有利于减少单个IS-IS数据库的规模，并允许更好地控制路由信息的传播。多个区域构成一个领域（Domain），而IS-IS协议中的所有路由器都需要归属于一个特定的区域。这种层次化的设计使得IS-IS能够适用于各种规模的网络。

#### 域内和域间路由的区别

IS-IS协议根据路由信息的传播范围可以将路由划分为域内路由和域间路由。域内路由是指在同一个区域内传播的路由信息，而域间路由则是指不同区域之间传播的路由信息。这种区分可以帮助网络管理员更好地控制路由信息的传播范围，使网络运行更加灵活高效。

#### IS-IS的路由选择算法

IS-IS协议使用的是基于链路状态的路由选择算法，它通过收集网络中所有路由器发送的链路状态数据包（LSP）来维护一个网络拓扑图，然后根据该拓扑图计算出最短路径来进行路由选择。这种基于链路状态的路由选择算法使得IS-IS能够快速、可靠地找到最佳路径，同时也具有较好的收敛性能。

#### 4. IS-IS协议的工作原理

IS-IS协议是一种基于链路状态的路由协议，它通过交换链路状态信息来构建路由拓扑，并把最优的路由信息广播到整个网络。本章将介绍IS-IS协议的工作原理，包括Hello消息的发送与接收、邻居建立过程以及LSP（Link State PDU）的生成和更新。

##### 4.1 Hello消息的发送与接收

Hello消息是IS-IS协议中用于发现邻居并建立邻居关系的重要消息。当一个IS-IS路由器启动时，它会周期性地发送Hello消息，并监听其他路由器发送的Hello消息。

Hello消息中包含了发送路由器的系统ID（System ID）、接口IP地址、所属区域ID等信息。当一个路由器接收到Hello消息后，它会检查消息中的系统ID和区域ID等信息，来确定是否可以与对方建立邻居关系。

##### 4.2 邻居建立过程

邻居建立过程是IS-IS协议中的一个重要步骤，它是建立和维护IS-IS邻居关系的基础。当两台IS-IS路由器相互发送Hello消息，并且满足特定条件时，它们就可以建立邻居关系。

邻居建立过程包括以下几个步骤：

1. 发送Hello消息：两台路由器互相发送Hello消息，消息中包含了双方的系统ID、接口IP地址等信息。
2. 验证Hello消息：接收到对方的Hello消息后，路由器会验证对方的信息，包括系统ID、接口IP地址等，以确定对方的身份和所属区域。
3. 配对与认证：路由器会对接收到的Hello消息进行配对和认证。配对是指检查对方的Hello消息中的信息与自身是否匹配；认证是指校验对方发送Hello消息的合法性。
4. 邻居状态转换：当配对和认证通过后，路由器会将对方添加到邻居列表中，并根据邻居建立的状态进行状态转换。

##### 4.3 LSP（Link State PDU）的生成和更新

LSP是IS-IS协议中的重要数据单元，它包含了路由器的链路状态信息，用于构建整个网络的拓扑。每个IS-IS路由器会生成自己的LSP，并将LSP发送给邻居路由器，从而实现拓扑信息的传递和更新。

LSP的生成和更新过程包括以下几个步骤：

1. 更新链路状态：当一个路由器的链路状态发生变化时，例如新增了一个邻居、链路断开等，它会更新自己的链路状态信息。
2. 生成LSP：路由器根据自己的链路状态信息生成新的LSP，并将LSP发送给邻居路由器。
3. LSP的派发与更新：邻居路由器收到LSP后，会根据LSP的版本号和序列号等信息，判断是否更新自己的链路状态信息，并将LSP转发给其他邻居路由器。

通过以上步骤，IS-IS协议可以动态地更新网络的链路状态信息，并实现最短路径的计算和路由的选择。

### 5. IS-IS协议的配置与验证

#### 5.1 IS-IS的配置参数介绍

在配置IS-IS协议之前，我们需要了解一些基本的配置参数。以下是常见的IS-IS配置参数：

- **Router ID（路由器标识）**：每个IS-IS路由器都需要具有唯一的Router ID。可以手动配置Router ID，也可以由系统自动分配。
- **Network Entity Title（网络实体标识）**：每个区域和领域都需要分配一个网络实体标识。它由一个层次结构的地址组成，用于唯一标识网络实体。
- **Hello Timer（Hello定时器）**：Hello消息是IS-IS路由器之间用于建立邻居关系的重要消息。Hello Timer用于控制Hello消息的发送频率。
- **Hold Timer（保持定时器）**：Hold Timer用于确定邻居路由器是否可靠。如果在Hold Timer的时间内未收到邻居路由器的Hello消息，那么该邻居路由器将被认为是不可靠的。

#### 5.2 IS-IS邻居关系的配置与验证

IS-IS协议的邻居关系配置主要包括以下步骤：

1. 配置Router ID和网络实体标识。
2. 配置接口和相关参数。
3. 配置邻居路由器的地址。
4. 确认邻居关系建立。

以下是一个示例配置IS-IS邻居关系的代码（以Python语言为例）：

import os

# 配置Router ID和网络实体标识
os.system("isis router-id 10.0.0.1")
os.system("isis net-entity-title 49.0001.0000.0000.0001.00")

# 配置接口和相关参数
os.system("interface ethernet 0/1")
os.system("isis enable")

# 配置邻居路由器的地址
os.system("isis neighbor 10.0.0.2")

# 确认邻居关系建立
os.system("show isis neighbors")

通过以上配置和验证步骤，可以建立IS-IS邻居关系并确认其状态。

#### 5.3 IS-IS路由表的查看与验证

为了查看IS-IS路由表并验证IS-IS协议的配置是否正确，可以使用以下命令：

os.system("show isis routes")

该命令将显示IS-IS路由表，包括目的网络、下一跳信息和路由类型等。通过查看IS-IS路由表，可以判断IS-IS协议的正常运行和路由信息的正确性。

### 6. IS-IS的应用案例

IS-IS在大规模企业网络中的应用

在大规模企业网络中，IS-IS作为一种内部网关协议（IGP），被广泛应用于构建企业级网络。其稳定性和可扩展性使得IS-IS成为了企业级网络的首选路由协议。通过IS-IS协议，企业可以实现灵活的网络拓扑设计，快速的收敛时间和高效的路由选择，从而确保了网络的稳定性和高性能。

IS-IS在互联网服务提供商网络中的应用

在互联网服务提供商（ISP）网络中，IS-IS经常被用作核心路由协议。其快速的收敛能力和灵活的网络设计使得IS-IS成为了构建大规模ISP网络的理想选择。同时，IS-IS支持多种网络类型和多种链路技术，包括以太网、ATM和光纤等，适用于各种不同的网络环境和需求。

IS-IS与SDN的结合

随着软件定义网络（SDN）的兴起，IS-IS作为一种灵活而且可扩展的路由协议，与SDN技术的结合也逐渐受到关注。通过IS-IS协议的灵活性和对网络拓扑的全局洞察力，可以更好地支持SDN控制器对网络的编程和流量的管理，从而实现更智能、灵活的网络控制与管理。