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(guò)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(gè)自治系統(tǒng)的 網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；并通過(guò)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(gè)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(diǎn)到點(diǎn)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(hào)協(xié)議數(shù)據(jù)包(CSNP)；部分序列號(hào)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(duì)協(xié)議報(bào)文及時(shí)處理負(fù)載和路由抖動(dòng)因素相關(guān)，如果處理器對(duì)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(shí)就可能出現(xiàn)問(wèn)題。路由抖動(dòng)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(huì)產(chǎn)生過(guò)多的鏈路狀態(tài)包，還增加了SPF 計(jì)算 的數(shù)量。本文對(duì)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(gè)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(huì)在網(wǎng)絡(luò)中引起一序列的數(shù)據(jù)包收發(fā)過(guò)程以及路由的重新計(jì)算。如果這種新LSP的產(chǎn)生過(guò)于頻繁，無(wú)疑會(huì)增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸和處理負(fù)擔(dān)。當(dāng)IS某個(gè)端口處于不穩(wěn)定狀態(tài)，端口UP/DOWN頻繁時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。一個(gè)較簡(jiǎn)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(gè)LSP產(chǎn)生之后，下一個(gè)LSP的產(chǎn)生要等待此間隔超時(shí)。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(shí)，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(shí)后，IS要對(duì)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(huì)包含在新產(chǎn)生的LSP中。 2.2 最大LSP序列號(hào)的高效處理 LSP序列號(hào)表示了IS產(chǎn)生本地LSP的先后次序，同時(shí)也是比較LSP新舊的重要參數(shù)。序列號(hào)為4個(gè)字節(jié)，協(xié)議要求IS產(chǎn)生LSP序號(hào)從1開始，順序遞增，直至最大值。當(dāng)序列號(hào)取最大值時(shí)，本地IS需要強(qiáng)制復(fù)位，重啟后序列號(hào)又從1開始。為了保證網(wǎng)絡(luò)中原有最大序列號(hào)LSP能被所有IS從數(shù)據(jù)庫(kù)中超時(shí)清除，本地IS重啟后要延遲足夠的時(shí)間。如果LSP保持時(shí)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(dòng)。 對(duì)于序列號(hào)復(fù)位可以采用另一種更為有效的處理方法：當(dāng)序列號(hào)取最大值后，由本地IS主動(dòng)進(jìn)行老化處理，也就是產(chǎn)生一個(gè)新LSP，其序列號(hào)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(kù)中帶有最大序列號(hào)LSP，只保留該LSP的一個(gè)摘要，同時(shí)啟動(dòng)零生命期。零生命期超時(shí)后，LSP被徹底刪除。這樣本地IS只需等待零生命期超時(shí)稍長(zhǎng)的時(shí)間，就可以重新起用序列號(hào)1來(lái)產(chǎn)生新的LSP。與前一種方式相比，此種方法等待時(shí)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(kù)，而又與DIS有所不同，就會(huì)發(fā)生LSP重復(fù)廣播現(xiàn)象。當(dāng)DIS A廣播CSNP時(shí)，多個(gè)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(kù)的差異，同時(shí)發(fā)出LSP更新對(duì)方或本地的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，形成不必要的重復(fù)廣播，這種情況在新啟動(dòng)路由器被選舉成DIS時(shí)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(shí)間再發(fā)送 LSP。在此時(shí)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(shí)間越長(zhǎng)，多個(gè)IS同時(shí)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(shí)間會(huì)加長(zhǎng)。為便于分析，令隨機(jī)等待時(shí)間 ，其中k取0到n的一個(gè)隨機(jī)整數(shù)值(均勻分布)， 為一個(gè)時(shí)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(shí)。若處于相同(或近似)狀態(tài)的IS有m個(gè)，則P、 T可分別計(jì)算如下： 設(shè)P為IS在某一特定時(shí)刻產(chǎn)生響應(yīng)的概率，由于IS在任一時(shí)刻(0， ，2 ，n )響應(yīng)是概率分布，所以 p=1/(n+1)。 0時(shí)刻有且只有一個(gè)IS首次響應(yīng)的概率： ； 時(shí)刻有且只有一個(gè)IS首次響應(yīng)的概率： ； (n-1) 時(shí)刻有且只有一個(gè)IS首次響應(yīng)的概率： ； n 時(shí)刻有且只有一個(gè)IS首次響應(yīng)的概率： 任一時(shí)刻有且只有一個(gè)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(shí)刻沒(méi)有一個(gè)IS響應(yīng)的概率 ，至 時(shí)刻沒(méi)有一個(gè)IS響應(yīng)的概率 ，至 (n-1) 時(shí)刻沒(méi)有一個(gè)IS響應(yīng)的概率 ，至n 時(shí)刻沒(méi)有一個(gè)IS響應(yīng)的概率P n =0； 0時(shí)刻有IS響應(yīng)的概率為1- P 0 ， 時(shí)刻有IS首次響應(yīng)的概率為P 0 - P 1 ， (n-1) 時(shí)刻有IS首次響應(yīng)的概率為P n-2 - P n-1 ，n 時(shí)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(shí)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(shí)圖 當(dāng)處于相同狀態(tài)IS個(gè)數(shù)m(m>1)一定時(shí)，IS允許等待時(shí)間越長(zhǎng)，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(zhǎng)時(shí)間一定時(shí)，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(huì)逐漸趨緩。當(dāng)n大到一定程度后，對(duì)于避免重復(fù)廣播已不會(huì)有太大的改善，如圖1所示，當(dāng)n取值為m的2倍時(shí)，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(shí)，n越大，平均響應(yīng)延遲越大；n取值一定時(shí)，m越大，平均響應(yīng)延遲越大。當(dāng)n取值較大時(shí)，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(zhǎng)。 通過(guò)以上 計(jì)算 分析我們知道，采用隨機(jī)延時(shí)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(shí)間越長(zhǎng)越好。當(dāng) 值較大時(shí)，對(duì)減少重復(fù)廣播已無(wú)多大改善，相應(yīng)延遲卻仍按比例增加，響應(yīng)延遲增加會(huì)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(shí)間不宜過(guò)大，小于CSNP發(fā)送周期(10秒)，這樣可以保證在下一個(gè)CSNP到來(lái)之前完成本次同步過(guò)程。 4 集成IS-IS協(xié)議LSP重傳問(wèn)題 在點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上，IS發(fā)出LSP包后，對(duì)方要根據(jù)收到LSP更新其數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)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(huì)被再次發(fā)送，直至收到對(duì)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(guò)于頻繁，其二是若對(duì)方出現(xiàn)故障無(wú)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(shí)期，主要擁塞原因之一是反復(fù)重傳LSP。通過(guò)指數(shù)退避算法動(dòng)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(duì)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(shí)的RxmtInterval值。使用如下算法計(jì)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(cè)算法 如果路由器發(fā)生控制信息擁塞時(shí)，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(cè)出來(lái)。如果這個(gè)值超過(guò)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(duì)于每個(gè)鄰居獨(dú)立運(yùn)用，適用于發(fā)送到鄰居的IS-IS單播的LSP分組。整個(gè)算法描述如下： U(t)=t時(shí)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(shí)刻連續(xù)發(fā)送LSP到鄰居的時(shí)隙； F=時(shí)隙增長(zhǎng)(擁塞情況下)或者降低(擁塞之后)的系數(shù)； T=時(shí)隙改變的最短間隔； G min =時(shí)隙最小值；G max =時(shí)隙最大值。下述方程式表明了時(shí)間T后時(shí)隙的改變：

4.2 重傳時(shí)間間隔設(shè)置對(duì)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(huì)受到影響。如果傳輸延遲超過(guò)了設(shè)置的重傳時(shí)間間隔，有可能造成鄰居失效或LSP分組的重傳，實(shí)驗(yàn)?zāi)M當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生LSP擁塞時(shí)，重傳時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。 表1 實(shí)驗(yàn)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(shí)，適當(dāng)延長(zhǎng)重傳時(shí)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(duì)集成IS-IS協(xié)議的路由穩(wěn)定性進(jìn)行了研究并對(duì)針對(duì)相關(guān)問(wèn)題提出了改進(jìn)方案。本文通過(guò)對(duì)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(hào)的問(wèn)題，通過(guò)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(cè)機(jī)制研究了減少LSP重傳的問(wèn)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