网络通信协议基础（ISIS）——架构
时隔多年，我已经不在ISIS开发部了，突然看到居然有人评论了我的文章，很高兴。
本来的想法，是把ISIS事无巨细的都写一下，但是一方面是工作量太大，另一方面还涉及信息安全，最重要的是，现在关于ISIS协议自身机制的文章还是很多的，所以，姑且写一下架构吧，期望从一个较高的角度描述一下ISIS协议，期望对大家有所帮助。
首先，大家需要知道的是，所有的三层协议基本上都差不多，比如BGP、ISIS、OSPF、PIM、LDP。三层协议的作用是打通IP层。简单的说，就是让IP流量能够顺利的从网络中的任意点A，达到任意点B。
当然，随着大众需求的日趋复杂与苛刻，我们会在这基础上，添加更多的功能。比如，限制目的地B点的范围，比如某些敏感地方不想让你到达；又比如，限制到B点的路径，A->B不能经过某个特别的点C。在满足这些需求以后，又有人要求网络发生故障的时候，几乎不能丢包，要求时延必须在任何情况下稳定在某个值等等。
这些需求成功的使得本来就复杂的三层协议变的更加臃肿。另一方面，错综复杂的协议规则形成了强大的商业壁垒，宽阔的护城河，让无数该产业的新玩家望而却步。而三层协议是否有必要真的这么复杂，这需要大家思考。
让我们去除这些杂音，看看三层协议的初衷是什么。
再说一次，三层协议的最初（基本）职责就是让网络中的任意点A，能够到达任意点B。不要拿特殊场景来抬杠，我说的是最基础的功能。当然，你非说LDP是MPLS转发，不是IP层，嗯，你说的对，领会精神就好，要不然交流起来真的很累。
那么，三层协议的实现方式，就是在协议内部构建一个拓扑，然后用一个算法找出报文转发的路径，就这么简单，三层协议就是在画拓扑图。（注意，路由学习方向和报文转发方向是相反的，不理解也没关系，就是顺便提一句）
拓扑是什么，就是图。一个图的基础元素就俩，点和线。
- 点：一般是网元，路由器，一个网络节点，怎么说它都行。不同协议有不同的说法，BGP叫对等体，OSPF叫router，ISIS叫IS，LDP的忘记了（好像也叫对等体），其实都是一个东西。他们的含义，就是在本协议内表达一个该协议认可的拓扑点。
- 线：就是点和点之间的连接，一般我们叫邻居。BGP叫peer、OSPF叫neighbor，ISIS叫adjacency。不同的协议，有的邻居要求必须是直接连接的，有的邻居可以是TCP这种跨越多台网元的。
所有的三层协议，都通过hello报文（所有协议差不多都叫这个名字）来从无到有的发现邻居，并协商各种参数。然后，在邻居的基础上互相传递彼此所知道的所有（是所有）网络信息，这样当所有的网元都完成了彼此间信息的传递，那么该网络的所有网元就都拥有了该网络的全貌，也就是拓扑图。最后，根据各自协议的特点，计算出路由（或者说流量）的路径，生成路由信息，IP层通了。
举例：彼此间的信息传递是这样的，A-B-C三个网元串联，A-B发现彼此并建立邻居后，A和B互通拓扑信息。此时，A的拓扑信息里有A/B两个点，A和B是直连的，即A-B。当B-C发现彼此并建立邻居后，B和C互通拓扑信息，此时B会把A和B的拓扑信息都告诉C，同时，B也会把C的拓扑信息发给A。在互相都发送/接收/处理完信息后，大家的拓扑信息里都有A/B/C三个点，A、B和C是串联的，即A-B-C。
好，接下来进入正题，ISIS架构，其实上面说的基本上都适用于ISIS。
我们分析问题通常都要关注两个事情：
- 我们有什么
- 我们要达到什么目标
ISIS协议有什么？也就是说，ISIS的环境是什么样的？
作为一个ISIS网元，初始状态，即需要面对的问题如下：
- 此时IP路由表里没东西。（这是当然了，ISIS就是负责打通IP层的，IP路由表等着ISIS填呢）
- 不知道周边都有谁。（谁知道对端有没有网元，有没有配置ISIS）
- 不知道周边的变化。（对端网元死机、重启、断电、程序实现错误等，本地都是不知道的，没手段传递过来）
对于问题1，决定了ISIS只能在本地接口上发送单跳hello报文（hello报文不能转发，只用来在直连链路上发现彼此）。
对于问题2，决定了ISIS只能摸黑的在所有本地接口周期（注意，是周期，一直不停）的发送hello报文。
对于问题3，因为始终不知道对端情况，对端随时有可能不理你、突然出现、实现错误、发送了错误的协议报文，等等。所以，ISIS的hello必须是随时发送的，并且要随时判断对端的状态是否正确。除了对端设备故障，还需要防范恶意破坏，设备实现错误，同时，还要识别设备正常连接。
所以说，ISIS的生存环境挺恶劣的。
为了应对这种情况，ISIS的最基础层就是hello层。关于hello的机制，这里就不说了。整套hello机制，配合一些扩展协议就能应对上面的3个问题，为ISIS上层提供安全可信的连接。
hello机制可以自动发现直连邻居，也能监控邻居状态，可以在对端不通知自己的情况下，识别出对端故障，还能在对端无法出示有效安全证明的情况下，断开邻居。当然，当对端有能力通知自己断邻居时，也能立刻断开邻居。对端能够满足己方邻居建立要求的时候，也能恢复邻居建立。
hello机制还可以识别链路MTU，抛弃掉MTU不满足流量要求的链路。配合BFD协议，还能实现邻居故障的快速发现（从30秒的故障检测周期提高到毫秒级）。配合DR机制（不懂也没关系，不是重点）可以大幅简化拓扑复杂度。配合GR机制（非重点），能够做到一定程度的设备重启不丢包等。
总之，作为ISIS架构的基础层，hello完成了与链路/邻居有关的动作，最终能够给出所有与该设备直接连接的所有其他ISIS设备的信息。可以认为，hello完成了以自己为中心，周边一跳范围内（与自己直连）的拓扑收集与描绘。
此部分内容，参见协议ISO 10589的第8章。注意，ISIS协议有个伴生协议叫ISES。ES可以简单理解为PC，ISES就是路由器与PC之间连接的协议。目前大部分厂商没实现这个。可以先放放再说，包括ESH、ISH啥的，都可以先放放，先关注IIH。
好了，我们现在有了自己周围的拓扑，那么ISIS第二层LSDB就是负责在网络范围内互相传递自己hello层收集的拓扑。大家都把自己的拓扑发出去，同时都收到了其他人的拓扑信息，每个网元就能组装出全网拓扑了。
LSDB面对的现状：
- 每个人都有自己的拓扑
- 每个人都与自己周围的网元建立了邻居
- 每个人看不到远端的网元
LSDB层的ISIS协议报文叫LSP（和LDP协议中的标签交换路径的缩写相同）。这个大家想一想就知道，LSP肯定不能只传递一跳，因为它要负责在网络内互相传递信息。
但是，前文说过，现在IP层没通，LSP怎么发送到远端网元呢？目前还没有跨两个网元以上的路径呢，大家都只知道自己周围的情况。
那么，我们拥有什么？我们就拥有自己周围的情况。那就只能用这个信息了呗。
LSP的传递方法如下：A-B-C串联，A的LSP发给B，B把A的LSP再发给C，就行了。
总结：网元A从接口1收到了网元D的LSP，A会把LSP从所有接口（除了接口1）转发出去。全网都这么做，最终LSP会像洪水一样发送到全网。这个动作，在协议里被形象的说成泛洪（flood）
经过思考的读者会说，这样不会传来传去，永无止境了么？思考的对，ISIS有机制保证了这一点。这里就不展开了。
LSDB层能够在全网范围内（ISIS中area、level的概念会导致我这句话描述的不准确，嗯，大家领会精神）将彼此的本地拓扑信息泛洪。LSDB支持在任意情况（只要不是永久故障）下，保证网络内的所有网元的信息是一致的。所有网元都拥有网络内其他网元的全部信息。各个网元因为是完全松散的集合，可以将LSDB看成是一个高可靠性的分布式数据库系统。LSDB能够支持网络中任意网元的故障，上线，邻居中断，设备频繁变更，仿冒入侵，恶意攻击等场景。
总结：LSDB层，能够时刻（有点夸张，不是真的是时刻）维持全网的信息同步，让网络内所有网元的拓扑信息得到及时同步。
说到这里，要提一个概念，叫收敛。大家也知道，不管是hello还是LSDB，在网络发生变化的时候，都需要一丢丢时间来恢复。我们认为，从网络变化（任何变化）引起的丢包开始，到ISIS下发新的路由，从而不再丢包结束，这段丢包时间（现在各厂商都是秒/毫秒级）称为收敛时间，这期间的一系列动作，称为收敛。
本文说的时刻啊、立即啊啥啥的，都是忽略收敛时间的哈。实际情况是，每次网络变化，都会伴随着收敛，从而导致可能的少量丢包。这个是所有三层协议不可避免的。所以，本文中不要较真，我说时刻啊，立即啊，意思是收敛时间足够短，在一定时间内能办到的意思。
到LSDB为止，网络中的所有网元都拥有的全网的拓扑图。按照上文的说法，ISIS协议，按照自己的算法计算出了一条路径。而这条路径，就决定了IP路由表中的表项的下一跳。
那你问我路由表项中的目的地（Destination IP，简称DestIP）是咋生成的呢？DestIP就是hello阶段收集到的本地接口的IP地址（可能是网段地址，也可能是主机地址）。我们可以粗略的说，全网路由的本源就两个，一个是直连路由（接口上的IP），一个是静态路由（管理员手工配置的）。
好，下面我们说第三层SPT。
SPT就是最短路径树，SPT算法就是那个迪杰斯特拉算法。这个东西能算出从本地出发，到拓扑中任意节点的最短路径。另外，如果全网所有网元的拓扑都一样，那么SPT算法还能保证每个网元以自己为根计算出的SPT，不会让流量绕圈（环路，就这样：A->B->C->A）。
- 所有网元计算SPT所基于的拓扑一样
- 以自己为根
要说数学家很伟大呢。
ISIS基础协议ISO10589用巨大的篇幅（学习ISIS的话，3/4的时间在看LSDB）设计了LSDB，就是为了保证上面的1：所有网元的拓扑一样。
如果不一样呢？那就可能产生环路、黑洞，反正就有可能丢包。这个也是收敛过程中不可避免的现象。因为网络某处故障的时候，总有些网元先知道（比如与其直连的），有些后知道。这一瞬间，网络中网元的拓扑不一致了（当然，很快又会一样了），会有可能产生不好的事情，我们叫它微环。
SPT模块很简单，计算出个树就行。
有了树，本地网络就知道，到达网络内任意点A，从接口1出去最近，并且沿途所有网元都会按照这个路径来转发。
那么如何从拓扑路径生成路由呢？很简单，我知道到达网元A的路径了，那么我自然知道了网元A上所有直连路由（网元A发布的路由）的路径（和网元A的路径相同，到了网元A就等于到了网元A所发布的路由）。
于是DEC（Decision）模块就干了这个，ISIS的第四层。
当然，DEC模块在实际实现的时候功能很多，其他各层都有自己的扩展特性。以便于让ISIS协议承担更多的功能，或者表现出更加良好的性能、可靠性等DFX质量属性。但这些都不是本文想要描述的内容，因为如果展开说的话，估计要出书了，内容太多，哈哈。
总的来说，ISIS有如下四层：
- Hello
- LSDB
- SPT
- 路由计算
当然，你非说我要按照其他分发来分，也可以。反正功能上大体是这样。
而其他协议呢，其实也差不多，比如BGP里的第二层是UPDATE，并且它没有第三四层，因为BGP没有复杂的路由计算，所以UPDATE直接就给搞了。
OSPF呢，和ISIS一样，也这四层。
当然，本文有好多细节没说，也有一些特例存在（不遵从这四层）。
本文希望以这些文字，让大家对ISIS整体结构，以及背后的设计思路有个初步的了解。期待对你有些帮助，谢谢。