IGP路由监测方法研究
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摘要:针对IP网络普遍运行主要路由协议igp，从管理平面和控制平面探讨了监测方法, 分析网络拓扑改变对互连网性能的影响，从而提高网络响应拥塞和拓扑改变的能力，为实施网络SLA提供有效的保障手段。
中图分类号：TP393 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)15-30704-02
Research on the Method of IGP Route Monitoring
QIAO Jun1,ZHANG Xian-hua2
(1.Department of Information Technology Hubei Three Gorges Vocational and Technical College, Yichang 443000,China;2.Yichang Institute of Automation,Yichang 443000,China)
Abstract:In view of the main route protocols of IGP (OSPF、IS-IS) running in IP network universally, this paper discusses the monitoring method from management plane and control plane, it can be analyzed how the network topology changes influence the performance of Internet. Thus enhances the network’s ability to response congestion and network topology changes, provides the effective safeguard method for implementation of network SLA.
Key words:Route;Monitor;Management plane;Control plane
1 引言
互连网的鲁棒性和可靠性与高效、稳定的路由密切相关。当前，IP网络正在被考虑成为各种通信业务统一承载的网络。当用户依赖这一基础设施来传输关键业务时，要求IP网络提供更加可靠的服务，诸如VPN、虚拟专线VLL、VoIP等新业务以及增值服务要求网络路由有更高的可预见性和可靠性。因此，IP网络服务提供商需要对网络路由进行有效的监测与分析。内部路由协议IS-IS和OSPF是目前广泛使用的域内路由协议。在大型的运营网络中，尤其是网络处在较大流量压力下，IS-IS和OSPF的行为没有很好的监测、了解与分析。内部路由监测方法主要有基于管理平面的方法和基于控制平面的方法。
2 基于管理平面路由监测方法
大量网络管理系统是基于SNMP来管理路由。由于SNMP在IP网络中的广泛使用，因而可以利用SNMP监测内部路由，IETF目前尚没有基于SNMP的标准来管理IS-IS路由信息，但可以利用SNMP来管理OSPF路由信息。
IETF在RFC1850中定义了OSPF SNMP MIB，这些MIB变量定义了指示OSPF邻接关系是处在正常连接还是连接断开状况，这些MIB变量由路由器维护，可以通过SNMP GET和SNMP GET-NEXT方法获取。
此外，SNMP也定义了TRAP消息，当OSPF状态发生改变时，例如发生端口生效/失效情况和邻居发现/断开等情况时，可以触发产生TRAP消息。在路由器中启动TRAP功能后，可以这些TRAP消息传送给指定的SNMP管理站。通过TRAP消息，可以较及时地发现路由改变情况。
3 基于控制平面路由监测方法
控制平面方法监测路由协议，是利用IGP路由协议的消息包来监测内部路由状况。IS-IS和OSPF协议是链路状态路由协议，它们通过泛洪（Flooding）将IS-IS的LSP (OSPF的LSA)传送至整个区域（Area），以保证整个网络中有统一的链路状态拓扑视图。可以在网络中加入路由探测设备，使这个设备地参与到这些IGP路由协议运行中，这样便可以获取网络的路由信息，实现对路由的监测。路由探测设备只是被动地参与路由运行中，即是只接收IGP的链路状态信息而不向网络中路由信息，这样对网络中的路由不会造成影响。
3.1 集中式IGP路由监测
监测IGP路由协议需要在网络中加入一个路由探测设备LSA汇聚器LSAG（LSA aggregator）。LSAG参与到直接相连Area的路由中；对于没有直接相连的区域，可以使LSAG与相应区域建立Tunnel方式，从而使LSAG也能参与到相应区域的IGP路由中。
实现被动参与OSPF路由有两种方法：
一是对连接LSAG的链路的Metric值赋予无限大（实际应用中赋予非常大的值），使路由计算不可能经过LSAG转发数据包。
二是对OSPF协议特征进行修改，使LSAG和路由器邻接关系处于一个中间状态，这种状态可以使两端进行数据库同步，但是没有达到完成状态。这样，邻接路由器不会将LSAG与路由器相连接的链路状态通告给网络中的其它路由器。因此，这条链路如果不稳定性，也不会影响网络中的其它路由器的路由计算。
实际应用中，我们推荐使用后一种方法。
集中式IGP路由监测的好处是在网络中部署的设备少，只需要一台主机来充当LSAG，比较适用于中等规模的网络。由于与非直接相连的区域需要建立Tunnel，因而需要对网络中一些路由器进行配置。
3.2 分布式IGP路由监测
基于控制平面分布式IGP路由监测与分析由如图3所示，图中考虑的是监测OSPF情况，对IS-IS路由监测类似。有两个主要的功能组件组成：LSA反射器LSAR (LSA Reflector)和LSA汇聚器LSAG（LSA aggregator）。LSAR是被动参与OSPF路由，它不是一个真正的路由器，它不充当转发数据包的功能。LSAR在每个AREA放置一个，与该区域内路由器建立邻接关系并收集LSA信息。收到的LSA信息可以可靠的TCP连接传送给LSAG，LSAG对整个网络的路由信息进行管理。
使用LSAR和LSAG分离的结构优点是，首先它提供了一定程度上的故障隔离，其次LSAR的功能得到简化并独立工作可增加全局的可靠性，LSAG也可根据情况只管理一部分LSAR。
基于控制平面的分布式IGP路由监测与分析方法适合于管理大型网络的链路状态IGP路由。
4 IGP路由监测方法比较
对于基于管理平面和基于控制平面的IGP路由监测方法，以下从操作性方面对它们进行比较。
从系统部署来看。采用控制平面方法，LSAR需要与每个区域一个路由器建立邻接关系，这意味者与这个路由器需要有物理或Tunnel连接。使用分布式控制平面方法监测IGP路由，需要部署多个LSAR才能覆盖整个路由域；使用管理平面方法，管理站不需要与被监测路由器建立邻接关系，但对于大型网络需要采用高性能管理站。
从使用方法所引起的开销来看。使用控制平面方法，与LSAR建立邻接关系的每个路由器需要维护一个额外的邻接关系，路由器需要将所有LSA传送给LSAR。此外，对于分布式监测方法，LSAR-LSAG通信也引入了额外的流量。使用管理平面方法，所有路由需要响应SNMP Query，当拓扑发生变化时路由器产生TRAP消息，这些也引入了额外的流量。
从消息的正确性来看。控制平面的正确性依赖于网络设备的IGP（IS-IS/OSPF）路由实现的好坏，IP网络经过多年发展，各厂商设备IGP路由的基本算法实现得较好。然而，厂商在SNMP支持上往往是非标准的、不完全的。OSPF MIB和TRAP在许多厂商的设备（包括CISCO路由器）中没有完全实现。
5 IGP路由分析
5.1 刷新LSA/LSP（Refresh LSA/LSP）分析
在OSPF和IS-IS等IGP中，有一类软状态刷新机制，每隔一定周期（缺省值为30分钟）路由器扫描整个路由数据库，将LSA/LSP泛洪通告至整个网络。如果网络中OSPF和IS-IS路由协议的刷新LSA/LSP出现同步，这样网络中所有的路由器几乎同时产生大量的刷新LSA流量。对于大型的运营商网络，这种同步现象尤其需要注意。因为，路由器在收到这些LSA时，需要消耗大量的路由器资源，影响路由器性能。
对刷新LSA/LSP进行监测后，对刷新LSA进行时序分析，由于刷新LSA是周期性的，正常情况下，这些刷新LSA/LSP随时间变化有一定的分布规律，这样可以建立起协议动态特性基线值。路由异常情况下，可能会严重偏离这个基线值。
5.2 更新LSA/LSP（Change LSA/LSP）分析
更新LSA/LSP是引起网络路由计算、路由变化的直接原因，需要对这些信息进行有效监测。需要对Change LSA/LSP进行分类研究，确定这些LSA/LSP是由于内部变化还是由于外部变化引起的。
内部变化是由于一个IGP（OSPF或IS-IS）路由域内的状态发生变化，产生相应的Change LSA/LSP。这些变化包括：一个区域的路由器或网络链路状态而产生的LSA/LSP统计、其它区域传送过来的Summary LSA发生变化的统计。
在广播网络中，特别需要监测Change LSA/LSP是否是与DR、BDR有联系，根据监测情况，要尽量避免有问题的路由器成为DR或BDR。
外部变化是由于一个IGP路由域外的状态发生变化，产生External LSA。统计这种路由信息可以判断由于外部变化所引起IGP变化的情况。
综合分析内部变化和外部变化的LSA/LSP，可以分析路由变化的根本起因。此外，还可以进一步分析内部LSA/LSP和外部LSA/LSP的比例，确定路由变化的主要因素。
5.3 重复LSA/LSP(Duplicate-LSA/LSP)分析
对重复LSA/LSP需要进行统计分析，这是由于对重复的LSA会浪费路由器的CPU资源。美国的一些研究机构曾经发现，即使在具有同样物理结构的网络，出现重复LSA/LSP的程度也相差很大。重复LSA/LSP产生的原因，需要仔细地分析。
5.4 IGP路由拓扑分析
通过IGP路由监测，可以得到网络链路状态数据库，也即得到网络的拓扑情况，及时发现拓扑变化情况。此外，依据链路状态数据库还可进行网络路由的对称性分析，路由优化分析，端到端路径分析，路由不稳定性频率分析。
6 IGP协议优化建议
对于链路状态路由协议IS-IS或OSPF，路由收敛时间是一个重要的参数。在路由收敛过程中，路由器对每个网络的视图存在不一致性，这时可能导致以下情况：路由环路、黑洞路由、非优化路由。
对于大型运营商网络，目前骨干链路带宽一般有几G，上面承载的业务流量已经很大。因此，路由收敛时间的长短对网络上所承载的业务有着很大的影响。如果路由收敛很快，则不存在上面所述的问题。然而，目前的IGP路由（IS-IS/OSPF）收敛速度并不是很快，一般需要几秒钟时间才能收敛。许多新网络业务如实时性要求高的网络流媒体业务，对网络延时要求很高，更是不能忍受长时间的路由中断。
由物理链路状态改变到形成新的路由表，所需要的时间一般受到以下几个方面影响：链路失效/修复检测所需时间; LSA/LSP传播时间;由SPF计算间隔所引起的延时;SPF计算时间。
针对这些IGP路由收敛时间影响因素，提出以下方面的IGP路由优化建议：
（1）寻找更快的链路失效检测方法
（2）快速发送检测链路失效信息
（3）放慢发送检测链路恢复正常信息
此外，建议设备厂商采用适应式过滤算法来克服链路频繁抖动。
7 结语
IS-IS和OSPF路由器在大型的运营网络中得到了广泛应用，然而其路由行为，尤其是网络处在较大流量压力下的路由行为并没有得到很好的监测与分析。通过对现有网络IGP路由协议的行为进行监测与分析，可以达到详细观测路由的动态特性、深入了解ISP周围网络中断的情况、分析网络拓扑改变对互连网性能的影响、分析网络基础设施对于某些关键路径的依赖性，从而提高网络响应拥塞和拓扑改变的能力。
参考文献：
[1]J.Moy RFC 2328 - OSPF Version 2 April 1998.
[2]Y.Rekhter T. Li RFC 1771-A Border Gateway Protocol 4 March 1995.
[3]杨锦亚,郭虹,胡捍英.自组网路由协议性能比较[J].微计算机信息, 2006, 8:196-198.