LDP基础详解

概述：

标签分发协议LDP是多协议标签交换MPLS的一种控制协议，相当于传统网络中的信令协议，负责转发等价类FEC（一条路由）的分类、标签的分配以及标签交换路径LSP的建立和维护等操作。LDP规定了标签分发过程中的各种消息以及相关处理过程。

LDP术语：

1. LDP对等体
   LDP对等体是指相互之间存在LDP会话、使用LDP来交换标签消息的两个LSR。LDP对等体通过它们之间的LDP会话获得对方的标签。
2. LDP邻接体
   当一台LSR接收到对端发送过来的Hello消息后LDP邻接体建立。LDP邻接体存在两种类型∶
   • 本地邻接体(Local Adjacency ):以组播形式发送Hello消息（即链路Hello消息）发现的邻接体叫做本地邻接体。
   • 远端邻接体(Remote Adjacency ) ∶以单播形式发送Hello消息（即目标Hello消息）发现的邻接体叫做远端邻接体。
   LDP通过邻接休来维护对等体的存在，对等体的类型取决于维护它的邻接体的资型。一个对等体可以由多个邻接体来维护，如果由本地邻接体和远浣邻接体两者来维护，则对等体类型为本远共存对等体.
3. LDP会话
   LDP会话用于LSR之间交换标签映射、释放等消息。只有存在对等体才能建立LDP会话，LDP会话分为两种类型∶
   • 本地LDP会话(Local LDP Session ):建立会话的两个LSR之间是直连的。
   • 远端LDP会话(Remote LDP Session)∶建立会话的两个LSR之间可以是直连的，也可以是非直连的。
   本地LDP会话和远端LDP会话可以共存。
4. 标签空间
   一种是基于接口的标签空间:每个接口通告的标签范围是唯一的，如图所示,LER1为同一条FEC在不同接口通告的标签是不同的：
   
   二是基于平台的标签空间:标签分配时并不是在每个接口下唯一，而是从整台LSR中来分配标签的，如图所示，LER1为同一条FEC通告一个标签：
   
   华为设备默认采用平台方式分配标签。

标签空间的取值范围如下划分如下：

1. 0～15：特殊标签。如标签3，称为隐式空标签，用于倒数第二跳弹出（后面详细分析）；标签0，称为显示空标签，如果标签为0，则倒数第二跳LSR需要将值为0的标签正常压入报文标签值顶部，转发给出节点。出节点发现报文携带的标签值为0，则直接将标签弹出（和普通标签不同的地方在于，这里不用查看LFIB表进行操作，节约了对应的时间），使用显示空标签的目的是做Qos。
2. 16～1023：静态LSP和静态CR-LSP（共享的标签空间）。
3. 1024及以上：LDP、RSVP-TE、MP-BGP等动态信令协议的标签空间。

报文格式分析：

LDP协议主要使用四类消息：

1. 发现（Discovery）消息：用于通告和维护网络中邻居的存在，如Hello消息。
2. 会话（Session）消息：用于建立、维护和终止LDP对等体之间的会话，如Initialization消息、Keepalive消息。
3. 通告（Advertisement）消息：用于创建、改变和删除FEC的标签映射，如Address消息、Label Mapping消息。
4. 通知（Notification）消息：用于提供建议性的消息和差错通知。

LDP PDU报头格式：

LDP报文是基于TCP的（Hello报文基于UDP)，端口号为646，并且报文格式是!
于TLV的方式来封装的,LDP报文分为头部和报文内容两部分，LDP报头格式如图所示：

对其中的字段解释如下：

1. Version:2Byte无符号整数值，表示 LDP协议版本号，目前LDP协议版本号为Ox01。
2. PDU Length: 2Byte整数值，以字节为单位表示PDU长度，不包括版本号和PDU长度字段。PDU最大长度在会话初始化时协商确定，默认最大长度为4096Byte。
3. LDP ldentifier: 6Byte，唯一标识 PDU所属发送LSR的标签空间。前4Byte表示LSR-ID地址，后2Byte指定LSR中的特定标签空间。

LDP报文格式如图所示：

对其中的字段解释如下：

1. U: 1bit，未知 TLV bit，U=0返回通知，U=1忽略该报文。
2. Message Type: 14bit，表示报文所属的类型。
3. Message Length: 2Byte，以字节为单位表示报文长度，包括报文标识符、必选参数、可选参数等几部分。
4. Message ID:报文标识符，4Byte，用于标识报文。
5. Mandatory Parameters:必选参数可变长度，必选参数集。Option Parameters:可选参数可变长度，可选参数集。

一、hello报文
LDP的Hello报文用于发现邻居并用作后期邻居关系的维护，基于UDP来发送，发送的目标地址是224.0.0.2，在启用了LDP 的接口上会周期性地发送（默认周期=5s)。格式如下：

Hello包携带了一些通用参数，比如保持时间等，还有发送方的传输地址。保持时间是删除一个邻居前的等待时间，默认是15s (Hello*3)，如果双方设置的保持时间不一样,则使用较短的那个时间。传输地址是用来建立TCP连接的地址，默认是跟LSR-ID一样的，所以默认情况下，两台LSR 要能成功建立LDP邻居会话关系，各自的LSR-ID一定要路由可达。传输地址可以修改成其他地址，华为设备修改方法如下:
[LSR1-GigabitEthernet0/0/0]mpls ldp transport-address interface

但是，在修改传输地址时会导致LDP 邻居关系中断，会影响上层的业务，所以要谨慎配置。可以使用下面的方式来查看保持时间和传输地址，如下输出所示：

二、Initialization报文
Initialization报文用来协商LDP 邻居会话参数，包括标签的分发方式、防环机制和标签空间，如图所示：

标签分发方式后续进行分析。

三、Address报文
Address报文用来向LDP邻居通告本端的所有接口IP地址，以便邻居可以通过IP转发表的下一跳地址来决定出站标签，如图所示：

如果一台LDP路由器从不同邻居接收到相同FEC的标签映射，那么需要为该FEC
先择一个最佳的out标签，这时就需要综合查看IP转发表和标签表的信息来决定out标签。

四、标签通告报文
标签通告报文用来向LDP邻居发布FEC和标签的绑定内容，一个标签通告可以发布多个标签信息，如图所示：

标签通告报文还包括了标签请求、标签撤销和标签释放报文，这里就不一一赘述。

五、Keepalive报文
LDP邻居会话建立后，双方会定期地交互KeepAlive报文，用来对TCP会话的保活检测，默认检测周期为15s，超时时间为45s。KeepAlive报文没有具体内容，格式非常简单，如图所示：

六、Notification报文
通知报文分为错误通知或查询通知。在发生以下事件时会发出通知报文:收到的数据包格式错误、无法识别的TLV、会话超时等，报文中会向邻居报告具体的差错类型,如图所示：

报文使用流程图如下：

LDP邻接关系建立过程：

一、发现邻居：
本地LDP会话(Local LDP Session)：建立会话的两个LSR之间是直连的。

在启动LDP协议后，路由器发出Hello报文，相邻路由器之间会通过交换Hello报文来完成相互“问候”，通过Hello报文可以获知邻居的基本信息，比如用来建立会话的地址（传输地址）等。

LDP的Hello消息使用UDP封装。UDP是无连接的协议，为了保证邻居的有效性和可靠性，Hello消息周期发送，发送周期为5s，使用组播224.0.0.2作为目的IP地址，意思是“发送给网络中的所有路由器”。

然后，由地址大的一方发起TCP连接并最终建立邻居会话，这种方式的LDP会话就叫本地会话。如果以手工的方式指定邻居地址，然后建立的会话称为远端的LDP会话。

远端LDP会话(Remote LDP Session)：建立会话的两个LSR之间可以是直连的，也可以是非直连的。

如果邻居是非直连的设备，Hello会以单播的方式来交换，用于完成远端LDP会话的建立，如上图图所示。

二、会话建立：
LDP邻居之间相互发现或直接指定了邻居地址后，开始建立TCP连接，建立完TCP连接后，相互发送初始化报文进行参数协商，如图所示：

如果接受对方的参数，则会回复KeepAlive报文，完成LDP会话的建立;如果期间发生错误，则会发送Notification报文来报告相应的错误，最终导致连接被关闭。可以通过以下命令检查LDP会话的建立情况：
状态为Operational表示 LDP会话已经建立成功，邻居之间可以交换标签通告等报文了。在会话建立后，双方会定期发送Hello报文以检测邻居状态，也会定期发送KeepAlive报文来检测 TCP连接状态。

LDP状态机：

LDP协议从邻居发现到会话建立过程历经了4个状态，状态之间的切换如下图所示：

1. Non Existent状态：LDP协议的初始状态，类似BGP的IDLE状态。开始时双方用组播地址224.0.0.2发送Hello报文，并且选举主动方和被动方(LSR IP地址高的被选为主动方)。双方收到对方的Hello报文后，则开始建立TCP连接，接着是建立TCP连接三次握手的过程，当TCP会话建立成功后，双方进入到Initialized状态。
2. Initialized 状态：该状态下主动方和被动方的工作有点不同。主动方先发送Initialization报文，随后便转入Opensent状态，并等待被动方回应Initialization报文。被动方在这个状态下会等待主动方发送Initialization报文过来，如果收到的Initialization 报文中的参数都能接受，会给主动方回应Initialization和 KeepAlive报文，随后便转入Openrec状态。主动方和被动方在该状态下收到非Initialization报文或等待超时都会跳转至Non Existent状态。
3. Opensent 状态：这个状态是主动方发出 initialization报文后的状态，该状态下还会等待邻居的initialization和KeepAlive报文。如果收到的 initialization报文中的参数都能接受，则会向邻居回应KeepAlive报文，并且状态跳变至Openrec状态;如果参数不能接受或等待时间超时，则会断开TCP会话连接而进入到Non Existent状态。
4. Openrec状态：不管是主动方还是被动方，在收到参数正确的initialization报文后都会转入此状态，并且在该状态下已经向对方回应了KeepAlive报文并等待着邻居回应KeepAlive报文。如果从邻居那边按时接收到了KeepAlive报文，则转入Operational状态;如果收到其他报文或等待时间超时，则转入Non Existent状态。
5. Operational状态：到达此状态就意味着LDP会话已经建立成功，可以发送和交换所有其他的LDP报文了。在该状态下双方通过周期性KeepAlive报文交换来维护邻居会话，如果KeepAlive超时，则立刻断开LDP会话并进入Non Existent状态;当收到错误通知报文时,也会断开LDP会话并转入Non Existent状态。

LSP的建立与维护：

LSP的建立过程实际就是将FEC和标签进行绑定，并将这种绑定通告LSP上相邻LSR。这个过程是通过LDP实现的，以DU模式、有序标签控制方式为例，主要步骤如下：

如图所示拓扑，LDP动态建立LSP的过程如下：

1. RTD上存在100.1.1.1/32的主机路由，因为RTD是Egress节点，所以直接向自己上游邻居RTC发布100.1.1.1/32与标签的绑定关系。
2. RTC收到下游邻居RTD分配的100.1.1.1/32与标签的绑定关系后，将标签记录在自己的LIB表中，并向上游邻居RTB发布100.1.1.1/32与标签的绑定关系，同时RTC查看自己IP路由表中到达100.1.1.1/32的下一跳是否为RTD，如果IP路由表中的下一跳为RTD，则RTC使用RTD分配的标签封装到达100.1.1.1/32的数据；如果IP路由表中的下一跳不是RTD，则RTC保留RTD分配的标签作为备用标签。
3. RTB收到下游邻居RTC分配的100.1.1.1/32与标签的绑定关系后，执行与RTC相同的动作。
4. RTA收到下有邻居RTB分配的100.1.1.1/32与标签的绑定关系后，查看自己IP路由表中到达100.1.1.1/32的下一跳是否为RTB，如果IP路由表中的下一跳为RTB，则RTA使用RTB分配的标签封装到达100.1.1.1/32的数据；如果IP路由表中的下一跳不是RTB，则RTA保留RTB分配的标签作为备用。因为RTA为Ingress，最终到达100.1.1.1/32的LSP完成建立。

会话撤销：

LDP通过检测Hello消息来判断邻接关系；通过检测Keepalive消息来判断会话的完整性。

LDP在维持邻接关系和LDP会话时使用不同的定时器：

1. Hello保持定时器：LDP对等体之间，通过周期性发送Hello消息表明自己希望继续维持这种邻接关系。如果Hello保持定时器超时仍没有收到新的Hello消息，则删除Hello邻接关系。
2. Keepalive定时器：LDP对等体之间通过LDP会话连接上传送的Keepalive消息来维持LDP会话。如果会话保持定时器超时仍没有收到任何Keepalive消息，则关闭连接，结束LDP会话。

可以看出来Hello报文控制邻居关系，Keepalive控制会话关系。

LDP标签分发的基本规则：

LDP LSP的建立是通过接收下游设备为FEC（一般为一条路由表项）分配的标签，建立FEC与MPLS标签、出接口之间映射关系后完成的。所以要建立基于FEC的LSP，首先就要为对应FEC分配标签。标签的分配必须符合以下原则：

1. 入标签的分配是按由大到小（最小值1024）的顺序分配的，分配当前未分配的最小标签。
2. 同一链路下游设备为FEC分配的入标签一定要与上游设备的出标签对应。
3. 在一台设备上针对同一FEC所接收的出标签可能有多个（它们之间可以相同，也可以不同），分别来自不同下游对等体，也就是一个FEC可以映射多个出标签和出接口。
4. 在一台设备上针对同一FEC只会分配一个入标签，即对于入标签，每个FEC在同一设备上是唯一的。
5. 在直接连接某FEC对于的网段（缺省仅为32位掩码的主机路由，可以使用lsp-trigger命令修改，后续笔记补充）的节点上会为该FEC仅创建一个包含入标签的LSP。此LSP并无出标签，也无出接口，因为这是此LSP隧道的终点。
6. 在其他节点上都会对非直连网段FEC同时创建两个LSP：其中一个是用于指导从本地节点访问FEC所代表的目的主机的LSP，仅包括出标签和出接口；另一个则是以本地节点为中间节点（Transit）的LSP，用于指导上游设备访问FEC所代表的目的主机，同时包括入标签、出标签和出接口。

LDP的标签发布和管理：

一、标签的发布方式：
DU（Downstream Unsolicited，下游自主方式）：对于一个到达同一目地址报文的分组，LSR无需从上游获得标签请求消息即可进行标签分配与分发。

DoD（Downstream on Demand，下游按需方式）：对于一个到达同一目的地址报文的分组，LSR获得标签请求消息之后才进行标签分配与分发。

如图所示拓扑：

1. 采用DU方式分发标签，对于目的地址为100.1.1.1/32的分组，下游RTD（Egress）通过标签映射消息主动向上游RTC（Transit）通告自己主机路由100.1.1.1/32的标签。
2. 采用DoD方式分发标签，对于目的地址为100.1.1.1/32的分组，上游RTC（Transit）向下游发送标签请求消息，下游RTD（Egress）收到标签请求消息后，才会向上游发送标签映射消息。

华为设备默认采用DU的方式发布标签。DU无需等待上游的请求消息，可以直接向邻居分配标签。在网络拓扑发生变化时，采用DU方式可以快速反应为新的拓扑分发标签，收敛时间相对于DoD方式较短。

二、标签的分配控制方式：
Independent（独立标签分配控制方式）：本地LSR可以自主地分配一个标签绑定到某个IP分组，并通告给上游LSR，而无需等待下游的标签。

Ordered（有序标签分配控制方式）：只有当该LSR已经具有此IP分组的下一跳的标签，或者该LSR就是该IP分组的出节点时，该LSR才可以向上游发送此IP分组的标签。

如图所示拓扑：

采用Independent方式：

1. 如果标签发布方式为DU，且标签分配控制方式为Independent，则RTC（Transit）无需等待下游RTD（Egress）的标签，就会直接向上游RTB分发标签。
2. 如果标签发布方式为DoD，且标签分配控制方式为Independent，则发送标签请求的RTB（Transit）的直连下游RTC（Transit）会直接回应标签，而不必等待来自下游RTD（Egress）的标签。

采用Ordered方式：

1. 如果标签发布方式为DU，且标签分配控制方式为Ordered，则RTC（Transit）只有收到下游RTD（Egress）的标签，才会向上游RTB分发标签。
   2.如果标签发布方式为DoD，且标签分配控制方式为Ordered，则发送标签请求的RTB（Transit）的直连下游RTC（Transit）只有收到下游RTD（Egress）的标签，才会向上游RTB分发标签。

华为设备默认采用Ordered的方式分配标签。采用Ordered方式，只有当该LSR已经具有此IP分组的下一跳的标签时，才能向上游分发标签，这样是为了避免下游IP分组的标签未分配或收敛时间较长，上游的标签已分配，数据开始转发造成的数据丢失。

三、标签的保持方式：

Liberal（自由标签保持方式）：对于从邻居LSR收到的标签映射，无论邻居LSR是不是自己的下一跳都保留。（但是最后组成LSP的时候只会使用自己下一跳发送来的标签）

Conservative（保守标签保持方式）：对于从邻居LSR收到的标签映射，只有当邻居LSR是自己的下一跳时才保留。

如图所示拓扑，当网络拓扑变化引起下一跳邻居改变时：

1. 使用自由标签保持方式，LSR可以直接利用原来非下一跳邻居发来的标签，迅速重建LSP，但需要更多的内存和标签空间。
2. 使用保守标签保持方式，LSR只保留来自下一跳邻居的标签，节省了内存和标签空间，但LSP的重建会比较慢。

华为设备默认采用自由标签保持方式保存标签。

目前华为设置支持如下组合方式：

1. 下游自主方式（DU）+有序标签分配控制方式（Ordered）+自由标签保持方式（Liberal），该方式为默认方式。也就是LSR在收到下游标签映射后，可自主向上游分配标签，且收到的标签全保留。（灵活但是资源消耗较多）
2. 下游按需方式（DoD）+有序标签分配控制方式（Ordered）+保守标签保持方式（Conservative）。即LSR在同时收到上游标签请求和下游标签映射后，才向上游分配标签，且只保留自己下一跳分配的标签。（消耗资源较少但不灵活）

整理资料来源：《HCIE路由交换学习指南》、华为HCIE培训资料