高性能路由器中集成IS-IS協(xié)議路由穩(wěn)定性研究

1 引言 集成IS-IS( Intermediate System to Intermediate System)協(xié)議 [1] 是一種域內(nèi)路由協(xié)議，通過與自治系統(tǒng)(AS)內(nèi)其它路由器交互已知的路由信息，學(xué)習(xí)到整個自治系統(tǒng)的 網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；并通過自治系統(tǒng)邊界的路由器注入的其它自治系統(tǒng)的路由信息，得到整個Internet的路由信息。IS-IS [2] 所使用的協(xié)議數(shù)據(jù)包有以下幾種：點到點HELLO包；廣播網(wǎng)HELLO包；鏈路狀態(tài)協(xié)議數(shù)據(jù)包(LSP)；完全序列號協(xié)議數(shù)據(jù)包(CSNP)；部分序列號協(xié)議數(shù)據(jù)包(PSNP)。HELLO包用于發(fā)現(xiàn)、建立和維護(hù)鄰居關(guān)系，LSP、CSNP、PSNP則主要用于鏈路狀態(tài)信息的交換、更新和擴(kuò)散。 路由軟件的穩(wěn)定性主要與處理器對協(xié)議報文及時處理負(fù)載和路由抖動因素相關(guān)，如果處理器對路由信息處理的負(fù)載很高，那么將意味著網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不夠，在網(wǎng)絡(luò)有突發(fā)流量時就可能出現(xiàn)問題。路由抖動則是由于網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定而不斷地進(jìn)行路徑的更替，不僅會產(chǎn)生過多的鏈路狀態(tài)包，還增加了SPF 計算 的數(shù)量。本文對集成IS-IS的路由穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究，并提出優(yōu)化改進(jìn)方案。 2 集成IS-IS協(xié)議鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)包處理 2.1 抑制不穩(wěn)定鏈路LSP的產(chǎn)生 當(dāng)IS產(chǎn)生一個新LSP后，就要向外進(jìn)行擴(kuò)散，刷新原有的鏈路狀態(tài)通告，這樣就會在網(wǎng)絡(luò)中引起一序列的數(shù)據(jù)包收發(fā)過程以及路由的重新計算。如果這種新LSP的產(chǎn)生過于頻繁，無疑會增加整個網(wǎng)絡(luò)的傳輸和處理負(fù)擔(dān)。當(dāng)IS某個端口處于不穩(wěn)定狀態(tài)，端口UP/DOWN頻繁時，就會出現(xiàn)這個問題。一個較簡單方法是設(shè)定本地LSP最小產(chǎn)生間隔(如30秒)，也就是一個LSP產(chǎn)生之后，下一個LSP的產(chǎn)生要等待此間隔超時。如果在此間隔內(nèi)本地IS狀態(tài)已經(jīng)出現(xiàn)了變化，應(yīng)產(chǎn)生新LSP通告，那么就設(shè)置變化標(biāo)志，等到間隔超時，再由此標(biāo)志觸發(fā)新LSP的產(chǎn)生。若在此期間有多次狀態(tài)變化，則在間隔超時后，IS要對各端口和其它路由信息進(jìn)行檢查，最終的狀態(tài)結(jié)果會包含在新產(chǎn)生的LSP中。 2.2 最大LSP序列號的高效處理 LSP序列號表示了IS產(chǎn)生本地LSP的先后次序，同時也是比較LSP新舊的重要參數(shù)。序列號為4個字節(jié)，協(xié)議要求IS產(chǎn)生LSP序號從1開始，順序遞增，直至最大值。當(dāng)序列號取最大值時，本地IS需要強制復(fù)位，重啟后序列號又從1開始。為了保證網(wǎng)絡(luò)中原有最大序列號LSP能被所有IS從數(shù)據(jù)庫中超時清除，本地IS重啟后要延遲足夠的時間。如果LSP保持時間為1200秒，再加上60秒的零生命期，那么本地IS至少要等待1260秒才能重新啟動。 對于序列號復(fù)位可以采用另一種更為有效的處理方法：當(dāng)序列號取最大值后，由本地IS主動進(jìn)行老化處理，也就是產(chǎn)生一個新LSP，其序列號為最大值，并且剩余生存期置為0，向所有接口網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散。網(wǎng)絡(luò)中其它IS收到此LSP后，按照協(xié)議規(guī)定，清除數(shù)據(jù)庫中帶有最大序列號LSP，只保留該LSP的一個摘要，同時啟動零生命期。零生命期超時后，LSP被徹底刪除。這樣本地IS只需等待零生命期超時稍長的時間，就可以重新起用序列號1來產(chǎn)生新的LSP。與前一種方式相比，此種方法等待時間明顯縮短，并且路由軟件還不需復(fù)位重啟。 3 集成IS-IS協(xié)議鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)包交互研究 只要某些IS具有相似的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，而又與DIS有所不同，就會發(fā)生LSP重復(fù)廣播現(xiàn)象。當(dāng)DIS A廣播CSNP時，多個非DIS路由器都發(fā)現(xiàn)自己與DIS間鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的差異，同時發(fā)出LSP更新對方或本地的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，形成不必要的重復(fù)廣播，這種情況在新啟動路由器被選舉成DIS時更明顯。 為避免或減少這種重復(fù)發(fā)生，一種可行處理方法是采用隨機(jī)延遲策略。在收到DIS的CSNP包后，非DIS若需響應(yīng)則應(yīng)隨機(jī)等待一段時間再發(fā)送 LSP。在此時間段內(nèi)，如果有IS廣播了 LSP，其它非DIS接收判別后就不必再作相同的廣播，從而有效地減少了數(shù)據(jù)包重復(fù)發(fā)送。 隨機(jī)等待的時間越長，多個IS同時響應(yīng)的概率越小，產(chǎn)生重復(fù)發(fā)送的可能性就越小，但平均響應(yīng)時間會加長。為便于分析，令隨機(jī)等待時間 ，其中k取0到n的一個隨機(jī)整數(shù)值(均勻分布)， 為一個時間常數(shù)。P表示不產(chǎn)生重復(fù)發(fā)送的概率，T表示平均響應(yīng)延時。若處于相同(或近似)狀態(tài)的IS有m個，則P、 T可分別計算如下： 設(shè)P為IS在某一特定時刻產(chǎn)生響應(yīng)的概率，由于IS在任一時刻(0， ，2 ，n )響應(yīng)是概率分布，所以 p=1/(n+1)。 0時刻有且只有一個IS首次響應(yīng)的概率： ； 時刻有且只有一個IS首次響應(yīng)的概率： ； (n-1) 時刻有且只有一個IS首次響應(yīng)的概率： ； n 時刻有且只有一個IS首次響應(yīng)的概率： 任一時刻有且只有一個IS首次響應(yīng)(不產(chǎn)生重復(fù)發(fā)送)的概率： 根據(jù)上式得出概率P的曲線如圖1所示。 圖1 不產(chǎn)生包重復(fù)發(fā)送概率圖 在0時刻沒有一個IS響應(yīng)的概率 ，至 時刻沒有一個IS響應(yīng)的概率 ，至 (n-1) 時刻沒有一個IS響應(yīng)的概率 ，至n 時刻沒有一個IS響應(yīng)的概率P n =0； 0時刻有IS響應(yīng)的概率為1- P 0 ， 時刻有IS首次響應(yīng)的概率為P 0 - P 1 ， (n-1) 時刻有IS首次響應(yīng)的概率為P n-2 - P n-1 ，n 時刻有IS首次響應(yīng)的概率為P n-1 。 IS平均響應(yīng)延遲：

根據(jù)上式可畫出平均響應(yīng)延時T的曲線(縱坐標(biāo)單位為 )如圖2所示。 圖2 平均響應(yīng)延時圖 當(dāng)處于相同狀態(tài)IS個數(shù)m(m>1)一定時，IS允許等待時間越長，避免數(shù)據(jù)包重復(fù)廣播概率越大；當(dāng)IS允許等待的最長時間一定時，m越大，避免數(shù)據(jù)包重復(fù)廣播概率越小。隨著n取值的增大，不出現(xiàn)重復(fù)廣播的概率增大，但增大的程度會逐漸趨緩。當(dāng)n大到一定程度后，對于避免重復(fù)廣播已不會有太大的改善，如圖1所示，當(dāng)n取值為m的2倍時，P都達(dá)到0.8左右，n值再增大，P變化不明顯。當(dāng)m數(shù)一定時，n越大，平均響應(yīng)延遲越大；n取值一定時，m越大，平均響應(yīng)延遲越大。當(dāng)n取值較大時，平均響應(yīng)延遲T與n近似成線性關(guān)系，隨著n的增加，T將線性增長。 通過以上 計算 分析我們知道，采用隨機(jī)延時等待策略可以有效地減少或避免LAN上重復(fù)廣播的出現(xiàn)，但這并不意味著允許最大等待時間越長越好。當(dāng) 值較大時，對減少重復(fù)廣播已無多大改善，相應(yīng)延遲卻仍按比例增加，響應(yīng)延遲增加會影響鏈路狀態(tài)包在 網(wǎng)絡(luò) 中的同步和擴(kuò)散，影響協(xié)議性能。因此最大允許等待時間不宜過大，小于CSNP發(fā)送周期(10秒)，這樣可以保證在下一個CSNP到來之前完成本次同步過程。 4 集成IS-IS協(xié)議LSP重傳問題 在點到點鏈路上，IS發(fā)出LSP包后，對方要根據(jù)收到LSP更新其數(shù)據(jù)庫，同時返回PSNP作為確認(rèn)，發(fā)送方接收到確認(rèn)后，才把LSP在此鏈路上的發(fā)送標(biāo)志SRM清除，否則此LSP會被再次發(fā)送，直至收到對方的確認(rèn)。這里存在兩種可能：其一是在未收到確認(rèn)前，LSP的重復(fù)發(fā)送過于頻繁，其二是若對方出現(xiàn)故障無法應(yīng)答，則在鄰接關(guān)系解除之前，LSP可能要多次傳送。在協(xié)議信息流已使網(wǎng)絡(luò)處于擁塞的時期，主要擁塞原因之一是反復(fù)重傳LSP。通過指數(shù)退避算法動態(tài)調(diào)整LSP的重傳速率，可以減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，使網(wǎng)絡(luò)盡早恢復(fù)正常。在對方發(fā)生故障情況下，也能減少重傳。R(i)表示第i 次LSP重傳時的RxmtInterval值。使用如下算法計算：

其中k、R min 和 R max 是常量。

4.1 基于未確認(rèn)的LSP數(shù)量檢測算法 如果路由器發(fā)生控制信息擁塞時，其鄰居并不能顯式知道。但能夠從路由器未被確認(rèn)的LSP的數(shù)量隱式檢測出來。如果這個值超過一定的“最高閾值”，則LSP發(fā)送到該路由器的速率應(yīng)當(dāng)使用指數(shù)退避算法逐步降低，但不能低于最小速率。如果未確認(rèn)的LSP的數(shù)量降到“最低閾值”，則LSP發(fā)送到該路由器的速率應(yīng)當(dāng)使用指數(shù)退避算法逐步提高，但不能高于最高速率。算法對于每個鄰居獨立運用，適用于發(fā)送到鄰居的IS-IS單播的LSP分組。整個算法描述如下： U(t)=t時刻到鄰居的未確認(rèn)LSP數(shù)量；H =最高閾值(未確認(rèn)LSP數(shù)量)；L =最低閾值(未確認(rèn)LSP數(shù)量)；G(t)=t時刻連續(xù)發(fā)送LSP到鄰居的時隙； F=時隙增長(擁塞情況下)或者降低(擁塞之后)的系數(shù)； T=時隙改變的最短間隔； G min =時隙最小值；G max =時隙最大值。下述方程式表明了時間T后時隙的改變：

4.2 重傳時間間隔設(shè)置對網(wǎng)絡(luò)的影響 網(wǎng)絡(luò)處于LSP擁塞狀態(tài)下，協(xié)議分組傳輸會受到影響。如果傳輸延遲超過了設(shè)置的重傳時間間隔，有可能造成鄰居失效或LSP分組的重傳，實驗?zāi)M當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生LSP擁塞時，重傳時間間隔參數(shù)不同的設(shè)置值情況下，網(wǎng)絡(luò)的某一接口在3分鐘內(nèi)收發(fā)的協(xié)議分組總數(shù)，實驗數(shù)據(jù)見表1。 表1 實驗數(shù)據(jù)表 次數(shù) 重傳間隔(秒) 接收協(xié)議分組數(shù)量 1 1 552 2 4 144 3 8 75 4 16 46 5 32 31 從表1中接口協(xié)議分組收發(fā)數(shù)量可以看出，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生LSP擁塞時，適當(dāng)延長重傳時間間隔參數(shù)的值，可以降低網(wǎng)絡(luò)中傳輸協(xié)議分組的數(shù)量，使網(wǎng)絡(luò)盡快擺脫LSP擁塞狀態(tài)，恢復(fù)正常。

5 結(jié)論 本文以高性能路由器集成IS-IS協(xié)議的研究為基礎(chǔ)，對集成IS-IS協(xié)議的路由穩(wěn)定性進(jìn)行了研究并對針對相關(guān)問題提出了改進(jìn)方案。本文通過對協(xié)議包處理流程的優(yōu)化有效地減少了不穩(wěn)定鏈路上LSP的產(chǎn)生，高效地處理了最大LSP順序號的問題，通過理論分析得出了LSP交互的優(yōu)化方案，利用基于未確認(rèn)的LSP檢測機(jī)制研究了減少LSP重傳的問題。

參考 文獻(xiàn)

[1]D. Oran.OSI IS-IS Intra-domain Routing Protocol[S]，Request for Comments：1142，1990

[2]R. Callon.Use of OSI IS-IS for Routing in TCP/IP and Dual Environments[S]，Request for Comments：1195，1990

[3]Jeff Doyle著，葛建立，吳建章譯．Routing TCP/IP Volume 1[M]．人民郵電出版社，2002