MPLS LDP原理
LDP协议基本概念
LDP是MPLS的一种控制协议，相当于传统网络中的信令协议，负责FEC的分类、标签的分配以及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的工作过程主要分为两部分
- LSR之间建立LDP会话
- LSR之间基于LDP会话动态交换标签与FEC的映射信息，并根据标签信息建立LSP
LDP会话、LDP邻接体、LDP对等体
LSR之间交互标签绑定消息之前必须建立LDP会话
- 本地LDP会话(Local LDP Session)：建立会话的两个LSR之间是直连的
- 远程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
两台LSR之间交互Hello消息之后，即建立起邻接体(Adjacency)关系
在建立邻接体关系的基础上，两台LSR之间交互LDP会话消息，建立起LDP会话，两台设备之间形成LDP对等体
LSR ID与LDP ID
每一台运行了LDP的LSR除了必须配置LSR ID，还必须拥有LDP ID
- LDP ID的长度为48bit，由32bit的LSR ID与16bit的标签空间标识符(Label Space ID)构成
- LDP ID以"LSR ID:标签空间标识"的形式呈现。例如2.2.2.2:0
标签空间标识一般存在两种形态：
- 值为0：表示基于设备(或基于平台)的标签空间
- 值非0：表示基于接口的标签空间
LDP消息
按照消息的功能，LDP消息一共可以分为四大类型：
- 发现消息(Discovery Message)：用来宣告和维护网络中一个LSR的存在
- Hello(UDP：646)：LDP发现机制中宣告本LSR并发现邻居
- 会话消息(Session Message)：用于建立、维护和终止LDP对等体之间的会话
- Initialization(TCP：646)：在LDP Session建立过程中协商参数
- KeepAlive(TCP：646)：监控LDP Session的TCP连接的完整性
- 通告消息(Advertisement Message)：用来生成、改变和删除FEC的标签映射
- Address(TCP：646)：宣告接口地址
- Address Withdrew(TCP：646)：撤销接口地址
- Label Mapping(TCP：646)：宣告FEC/Label映射信息
- Label Request(TCP：646)：请求FEC的标签映射
- Label Abort Request(TCP：646)：终止未完成的Label Request Message
- Label Withdraw(TCP：646)：撤销FEC/Label映射
- Label Release(TCP：646)：释放标签
- 通知消息(Notification Message)：用来宣告告警和错误信息
- Notification(TCP：646)：通知LDP Peer错误信息
LDP报文封装
LDP协议报文包括了LDP头部和LDP消息两部分
- LDP头部中携带了LDP版本、报文长度等信息
- LDP消息中携带了消息类型，消息长度等信息
LDP报文字段介绍：
- LDP头部长度为10Byte
- Version(2Byte)：表示LDP版本号，当前版本号为1
- PDU Length(2Byte)：以字节为单位表示除了Version和PDU Length以外的其他部分的总长度
- LDP Identifier(6Byte)：即LDP ID，长度6Byte，其中前4Byte用来唯一标识一个LSR，后2Byte用来标识LSR的标签空间
- LDP消息
- U占用1个bit，为Unknown Message bit。当LSR收到一个无法识别的消息时，该消息的U=0时，LSR会返回给该消息的生成者一个通告，当U=1时，忽略该无法识别的消息，不发送通告给生成者
- Message Length(2Byte)：以字节为单位标识Message ID、Mandatory Parameters和Optional Parameters的总长度
- Message ID(4Byte)：用来标识一个消息
- Mandatory Parameters和Optional Parameters分别为可变长的该消息的必须的参数和可选参数
- Message Type(2Byte)：表示具体的消息类型，目前LDP定义的常用消息有Notification、Hello、Initialization、KeepAlive、Address、Address Withdraw、Label Mapping、Label Request、Label Abort Request、Label Withdraw，Label Release
LDP工作原理
LDP会话建立
LDP会话状态机
如图所示，有5种状态
- Non-Existent状态：该状态为LDP Session最初的状态，在此状态双方发送Hello消息，选举主动方，在收到TCP连接建立成功事件的触发后变为Initialized状态
- Initialized状态：该状态下分为主动方和被动方两种情况
- 主动方将主动发送Initialization消息，转向OpenSent状态，等待回应的Initialization消息
- 被动方在此状态等待主动方发给自己的Initialization消息，如果收到的Initialization消息的参数可以接受，则发送Initialization和KeepAlive转向OpenRec状态。主动方和被动方在此状态下收到任何非Initialization消息或等待时间超时，都会转向Non-Existent状态
- OpenSent状态：此状态为主动方发送Initialization消息后的状态，在此状态等待被动方回答Initialization消息和KeepAlive消息，如果收到的Initialization消息中的参数可以接受在转向OpenRec状态，如果参数不能接受或Initialization消息超时则断开TCP连接转向Non-Existent状态
- OpenRec状态：在此状态不管主动方还是被动方都是发出KeepAlive后的状态，在等待对方回应KeepAlive，只要收到KeepAlive消息就转向Operational状态；如果收到其他消息或KeepAlive超时则转向Non-Existent状态
- Operational状态：该状态是LDP Session成功建立的标志。在此状态下可以发送和接收所有其它的LDP消息。在此状态如果KeepAlive超时或收到致命错误的Notification消息(Shutdown消息)或者自己主动发送Shutdown消息主动结束会话，都会转向Non-Existent状态
发现阶段与TCP连接建立
会话建立与保持
LDP邻居状态
LDP会话状态
LDP会话状态：
- Non-Existent：表示LDP会话的最初状态。在此状态双方互相发送Hello消息，在收到TCP连接建立成功事件的出发后变为Initialized状态
- Initialized：表示LDP会话处于初始化状态
- OpenSent：表示LDP会话进入初始化状态后，主动方给被动方发送了Initialized消息，并等待对方的回应
- OpenRecv：表示LDP会话进入初始化状态后，当双方都收到对方发送的KeepAlive消息后，LDP会话进入Operational状态
- Operational：表示LDP会话建立成功
LDP标签分发
标签的发布和管理
- 在MPLS网络中，下游LSR决定标签和FEC的绑定关系，并将这种绑定关系发布给上游LSR
- LDP通过发送标签请求和标签映射消息，在LDP对等体之间通告FEC和标签的绑定关系来建立LSP
标签的发布和管理由标签发布方式、标签分配控制方式和标签保持方式来决定
- 标签发布方式(Label Advertisement Mode)
- 下游自主方式(Downstream Unsolicited，DU)：对于一个特定的FEC，LSR无需从上游获得标签请求消息即进行标签分配与分发。(是默认方式)
- 下游按需方式(Downstream on Demand，DoD)：对于一个特定的FEC，LSR获得标签请求消息之后才进行标签分配与分发
- 标签分配方式(Label Distribution Control Mode)
- 独立方式(Independent)：本地LSR可以自主的分配一个标签绑定到某个FEC，并通告给上游LSR，而无需等待下游的标签
- 有序方式(Ordered)：对于LSR上某个FEC的标签映射，只有当该LSR已经具有此FEC下一跳的标签映射消息，或者该LSR就是此FEC的出节点时，该LSR才可以向上游发送此FEC的标签映射(是默认方式)
- 标签保持方式(Label Retention Mode)
- 自由方式(Liberal)：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(是默认方式)
- 保守模式(Conservative)：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
上游与下游
MPLS根据数据的转发方向确定上、下游关系。标签报文从上游LSR发出，被下游LSR接收并处理
如图：对于到达192.168.3.0/24的LSP而言，R3是R2的下游LSR，R1是R2的上游LSR
标签发布方式
DU模式
- 对于一个特定的FEC，LSR无需从上游获得标签请求消息即进行标签分配与分发
- LSR会主动将自己为FEC捆绑的标签通告给上游邻居，无需邻居先发起请求再通告
DoD模式
- 对于一个特定的FEC，LSR获得标签请求消息之后才进行标签分配与分发
- 一般情况下，对特定FEC的访问需求会触发标签请求消息
标签分配控制方式
独立模式(Independent Mode)
本地LSR可以自主地分配一个标签绑定到某个FEC，并通告给上游LSR，而无需等待下游的标签
有序模式(Ordered Mode)
对于LSR上某个FEC的标签映射，只有当该LSR已经具有此FEC下一跳的标签映射消息、或者该LSR就是此FEC的出节点时，该LSR才可以向上游发送此FEC的标签映射
标签保留
自由模式(Liberal Mode)
LSR收到的标签映射可能来自下一跳，也可能来自非下一跳。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
保守方式(Conservative Mode)
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
保持方式总结
当网络拓扑变化引起下一跳邻居改变时：
- 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
- 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
- 保守标签保持方式通常与DoD方式一起，用于标签空间有限的LSR
PHP特性
PHP(Penultimate Hop Popping，次末跳弹出)，如果激活了PHP特性，那么egress节点在位本地路由分配标签的时候，会分配一个特殊标签"3"，该标签被称为隐式空标签(Implicit NULL Label)。当LSR转发一个标签报文时，如果发现对应的出标签值为"3"，则LSR会将栈顶标签弹出，并将里面所封装的数据转发给下游LSR
如图所示：
- 在标签发布时，R3作为192.168.3.0/24这条FEC的Egress LSR。分配标签时，R3为该FEC分配了标签"3"并将该标签绑定信息通告给R2
- 在数据转发时，R2作为到达192.168.3.0的次末跳(倒数第二跳)，发现出标签值为"3"，于是将标签头部弹出，将IP报文转发给R3，而R3则仅需执行一次查询操作(查询FIB表)即可获得相应的转发信息，转发效率得到了提升
隐式空标签与显示空标签
缺省情况下，Egress节点向倒数第二跳分配隐式空标签(implicit-null)，即特殊标签"3"
但在部署QoS的场景下，标签被弹出后，其中的优先级也会一并丢失，这时候就要使用显示空标签。
显式空标签机制，Egress节点向倒数第二跳分配特殊标签"0"
如图所示：R3在转发标签报文时，若出标签封装为0，则不会将标签头部弹出，标签头部中的QoS信息得以保存。R4在收到带"0"标签的报文的时候，直接弹出标签，不用去查找ILM表项
根据参数的不同，可以配置Egress向倒数第二跳分配不同的标签：
- 缺省情况下，使用的是implicit-null，Egress向倒数第二跳节点分配隐式空标签，值为"3"
- 如果配置的是explicit-null，Egress节点向倒数第二跳分配显示空标签，值为"0"，当需要支持MPLS QoS属性时，可以选用explicit-null
- 如果配置的是non-null，Egress向倒数第二跳正常分配标签，即分配的标签值不小于"16"
LDP工作过程详情
组网介绍
- 网络中已经部署OSPF路由协议且各设备之间能够正常学习到对方的路由信息
- 已在各设备及相应接口上激活MPLS及LDP，且在相邻的设备之间已正常建立本地LDP会话
- 所有LSR均采用DU + Independent + Liberal方式
标签分发
Egress LSR
如图所示：R4直连网段192.168.4.0/24，R4将主动为到达该网络的路由分配标签，如1041，并主动通过LDP协议报文将标签映射通告给LDP对等体R2和R3
注：缺省情况下，根据32位的主机IP路由触发LDP建立LSP。可以通过手工配置触发非32位路由的LSP建立
Transit LSR
如图所示：以R2为例，在其路由表中，192.168.4.0/24路由的下一跳为R4，当它从R4收到关于192.168.4.0/24的标签映射通告时，由于该通告来自下游LDP邻居，因此这将触发它自己为该路由分配标签1021，并将标签映射通告给LDP邻居(如：R1)。R3同理
Ingress LSR
如图所示：R1收到LDP邻居R2及R3通告过来的关于192.168.4.0/24路由的标签映射后，将这两个标签都存储起来，但是由于在自己的路由表中，到达192.168.4.0/24的下一跳是R2，因此当前它只会使用R2所通告的标签1021
注：当R2发生故障时，OSPF路由将会重新收敛，此时R1的路由表中192.168.4.0/24路由的下一跳将会切换成R3，此时R1将启用R3所通告的，关于192.168.4.0/24的标签
标签转发
Ingress LSR
如图所示：当R1收到发往192.168.4.1的IP报文时，首先在其FIB表中查询该目的的IP地址，它发现所匹配的表项的Tunnel ID为非0，因此继续在NHLFE中查询该Tunnel ID，然后意识到需要对该IP报文压入标签并进行标签转发，出接口为GE0/0/0，下一跳为R2，出站标签为1021，于是为报文插入标签头部并转发出去
Transit LSR
当R2收到携带1021标签的标签报文时，查询ILM，根据ILM对应到NHLFE中的表项。于是，R2对该标签报文通过Swap操作将标签更换为1041，并从相应的接口转发出去
Egress LSR
当R4收到1041标签的标签报文时，查询ILM，根据ILM查询到操作为Pop。于是，R4对该标签报文通过Pop操作将最外层标签剥离，此时该报文已经变成了标准IP报文，R4对该IP报文执行标准的IP转发流程
在MPLS中，运行LDP协议的了SR的操作小结
- LSR首先通过运行IGP协议(例如OSPF、IS-IS等)来构建路由表、FIB表
- LDP根据相应的模式，为路由表中的路由前缀(FEC)分配标签
- LDP根据相应的模式，将自己为路由前缀分配的标签，通过LDP标签映射报文通告给LDP邻居
- LSR将自己为路由前缀分配的标签，以及LDP邻居为该路由前缀通告的标签存储起来，并与出接口、下一跳地址等信息形成关联(标签转发表项)
- 当LSR转发到达目的网络的标签报文时，所使用的出站标签总是下游LDP邻居所通告的标签，此处所指的下游邻居，是设备的路由表中到达该目的网络的下一跳设备
