MPLS LDP原理与配置
MPLS LDP原理与配置
MPLS是一种根根据标签报文中携带的短而定长的标签来转发数据的技术。
MPLS的一个基本概念就是两台LSR必须对在它们之间转发的数据的标签使用上“达成共识”。LSR之间可以运行标签分发协议（Label Distribution Protocol，LDP）来告知其他LSR本设备上的标签绑定信息，从而实现标签报文的正确转发。
本课程将介绍LDP基本工作原理与特性，以及LDP的基本配置。
一、LDP基本概念
LDP协议概述
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：
1.LSR之间建立LDP会话。
2.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。LDP会话可以分为：
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对等体关系；
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
运行LDP协议的LSR之间通过交换LDP消息来实现邻居发现、会话建立与维护以及标签管理等功能。
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），会话消息（Session Message），通告消息（Advertisement Message）和通知消息（Notification Message）。
发现消息：用来宣告和维护网络中一个LSR的存在；用于通告和维护网络中LSR的存在，如Hello报文。
会话消息：用于建立、维护和终止LDP对等体之间的会话，如Initialization报文、KeepAlive报文。
通告消息：用来生成、改变和删除FEC的标签映射；
通知消息：用来宣告告警和错误信息。
LDP消息承载在UDP或TCP之上，端口号均为646 。其中发现消息用来发现邻居，承载在UDP报文上。其他消息的传递要求可靠而有序，所以LDP使用TCP建立会话，会话、通告和通知消息都基于TCP传递。
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头部长度为10Byte，包括Version，PDU Length和LDP Identifier三部分。
Version占用2Byte，表示LDP版本号，当前版本号为1。
PDU Length占用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，即LDP ID，长度6Byte，其中前4Byte用来唯一标识一个LSR，后2Byte用来表示LSR的标签空间。
LDP消息包含五个部分。
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占用2个bytes，以字节为单位表示Message ID、Mandatory Parameters和Optional Parameters的总长度。
Message ID占用32个bit，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的参数。
Message Type表示具体的消息类型，目前LDP定义的常用的消息有Notification，Hello，Initialization，KeepAlive，Address，Address Withdraw，Label Mapping，Label Request，Label Abort Request，Label Withdraw，Label Release。
LDP会话状态机
LDP使用5种状态描述LDP会话状态机。
LDP Session协商过程可以通过状态机来描述。如图所示，有5种状态。分别是Non-Existent，Initialized，OpenRec，OpenSent，Operational。
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消息或等待超时时，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则转向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；如果收到其它消息或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。
LDP状态切换信息可以通过指令debug mpls ldp session看到。
LDP会话建立 - 发现阶段与TCP连接建立
除了基本发现机制外，可以通过拓展发现机制发现非直连的远端邻接体，该内容不属于课程的重点，详细内容可以查阅RFC5036相关内容。
LDP的传输地址用于与邻居建立TCP连接。
两台LSR之间在建立LDP会话之前，需要先建立TCP连接，以便进行LDP协议报文的交换。
设备的传输地址被包含在LDP Hello报文中，LSR通过Hello报文知晓邻居的传输地址。
在使用Hello报文发现邻居并且知道了对方的传输地址后，邻居之间就会开始尝试TCP三次握手（基于传输地址），并且交互LDP的初始化报文、标签映射报文等，这些报文都使用双方的传输地址作为源、目的IP地址。
LSR必须拥有到达邻居的传输地址的路由。
缺省情况下，公网的LDP传输地址等于设备的LSR ID，私网的传输地址等于接口的主IP地址。
LDP会话建立 - 会话建立与保持
LDP邻居状态
LDP会话状态
LDP会话的状态：
NonExistent：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触发后变为Initialized状态。
Initialized：表示LDP会话处于初始化状态。
Open Sent：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。
Open Recv：表示LDP会话进入初始化状态后，当双方都收到了对方发送的KeepAlive消息后，LDP会话进入Operational状态。
Operational：表示LDP会话建立成功。
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。
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。
如图所示，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
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。
标签分配：LSR从本地标签空间中取出一个标签与FEC绑定。
标签分发：LSR将标签与FEC的绑定关系通知给上游LSR。
标签发布方式为DU时，系统默认支持LDP为所有对等体分标签，即每个节点都可以向所有的对等体发布标签映射关系，不再区分上下游关系。因为在只给上游对等体分标签情况下，发送标签映射消息的时候，要根据路由信息对会话的上下游关系进行确认。
标签发布方式 - DoD模式
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。
只有上游邻居向自己请求标签映射时，LSR才会通告标签映射给该邻居
标签分配控制方式 - 独立模式
独立（Independent）模式
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。
标签分配控制方式需要与标签发布方式结合使用：
在使用DU作为标签分发方式的情况下，如图所示，R2和R3对192.168.4.0/24这条FEC，可以在上游LSR无请求，且自身没有收到下游LSR的标签绑定信息的情况下，主动向上游LSR通告标签绑定信息。
采用DoD作为标签发布方式时，如图所示，R2和R3对192.168.4.0/24这条FEC，只要收到上游LSR的标签请求消息，可以在自身没有收到下游LSR的标签绑定信息的情况下，向上游LSR通告标签绑定信息。
标签分配控制方式 - 有序模式
有序（Ordered）模式
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。
当标签控制方式为Ordered，只有当LSR收到特定FEC下一跳发送的特定FEC标签映射消息或者LSR是LSP的出口节点时，LSR才可以向上游发送标签映射消息。
当标签分发方式为DU时，如图所示，对于192.168.4.0/24这条FEC，不论上游LSR是否有请求，必须收到下游LSR对此FEC的标签绑定信息才向上游LSR发布标签绑定信息，所以必须由Egress LSR，也就是R4作为LSP建立的“起点”。
当标签发布方式采用DoD时，如图所示，对于192.168.4.0/24这条FEC，只有收到上游LSR请求的请求，且自身已经收到下游LSR的标签绑定信息的情况下，才向上游LSR通告标签绑定信息。因此，必须由Ingress LSR（R1）发起请求，逐跳请求到Egress LSR（R4），最终由R4开始，向上游建立LSP。
标签保留 - 自由模式
自由（Liberal）模式
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。
当基于IP网络部署MPLS时，LSR根据IP路由表判断接收到的标签映射是否来自下一跳。
Liberal方式的最大优点在于路由发生变化时能够快速建立新的LSP进行数据转发，因为Liberal方式保留了所有的标签。缺点是需要分发和维护不必要的标签映射。
DU标签分发方式下，如果采用Liberal保持方式，则R3保留所有LDP邻居 R2和R5发来的关于192.168.1.0/24这个FEC的标签，无论该R2和R5是否是IP路由表中到达192.168.1.0/24的下一跳。
DoD标签分发方式下，如果采用Liberal保持方式， LSR会向所有LDP邻居请求标签。但通常来说，DoD分发方式都会和Conservative保持方式搭配使用。
标签保留 - 保守模式
保守（Conservative）模式
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。
Conservative方式的优点在于只需保留和维护用于转发数据的标签，以达到节约标签的目的。
当使用DU标签分发方式时，LSR可能从多个LDP邻居收到到同一网段的标签映射消息，如图中R3会分别从R2和R5收到网段192.168.1.0/24的标签映射消息。如果采用Conservative保持方式，则R3只保留下一跳R2发来的标签，丢弃非下一跳R5发来的标签。
当使用DoD标签分发方式时， LSR根据路由信息只向它的下一跳请求标签。
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节点在为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。
在标签发布时，R3为作为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。
隐式空标签与显式空标签 (1)
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。
隐式空标签与显式空标签 (2)
显式空标签机制，Egress节点向倒数第二跳分配特殊标签0。
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。
缺省情况下，Egress分配的是隐式空标签，通过label advertise explicit-null使能Egress节点向倒数第二跳分配显式空标签。
在MPLS视图下，执行命令label advertise { explicit-null | implicit-null | non-null }，配置向倒数第二跳分配的标签。
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式空标签，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。
二、LDP工作原理
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。
华为设备目前缺省模式为下游自主方式（DU）＋ 有序标签分配控制方式（Ordered）＋ 自由标签保持方式（Liberal）。
对于从R1进入，到达192.168.4.0/24的数据，R1为Ingress LSR，R4为Egress LSR。
标签分发 - Egress LSR
R4直连网段192.168.4.0/24，R4将主动为到达该网段的路由分配标签，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。
标签分发 - Transit LSR
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。
标签分发 - Ingress LSR
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至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
R1作为Ingress LSR，需要对接收的IP报文执行Push操作压入标签，并进行标签转发。
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，然后意识到需要将对该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。
标签转发 - Transit LSR
R2作为Transit LSR，需要对接收的IP报文执行Swap操作交换标签，并进行标签转发。
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。
标签转发 - Egress LSR
R4作为Egress LSR，需要对接收的IP报文执行Pop操作交换标签，并进行IP转发。
当R4收到携带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将对该IP报文执行标准的IP转发流程。
R4在转发该报文时分别查询了LFIB和FIB表，作为最后Egress LSR，其存在转发效率提升的可能性，怎么做？
在MPLS中，运行LDP协议的LSR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。
三、LDP基本配置
LDP基本配置命令 (1)
1、使能LDP
[Huawei] mpls ldp
mpls ldp命令用来使能本节点的LDP能力，并进入LDP视图。
[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] mpls ldp
在接口视图下，使能当前接口的LDP功能。需先使能全局LDP能力后才能执行接口下的LDP使能命令。
2、配置LDP远端会话
[Huawei] mpls ldp remote-peer remote-peer-name
mpls ldp remote-peer命令用来创建远端对等体并进入远端对等体视图。
[Huawei-mpls-ldp-remote-PeerName] remote-ip ip-address
remote-ip命令用来配置LDP远端对等体的IP地址。
LDP基本配置命令 (2)
3、配置触发LSP的策略
[Huawei-mpls] lsp-trigger { all | host | ip-prefix ip-prefix-name | none }
lsp-trigger命令用来指定哪些静态路由及IGP路由会触发LDP LSP的建立，缺省情况下，根据32位地址的IP路由触发LDP建立LSP。
all：所有静态路由和IGP路由项触发建立LSP。配置该命令后，所有静态路由及IGP路由会触发LDP建立LSP，会导致LSP数量庞大，占用过多的标签资源，以及整网LSP收敛速度变慢。故一般情况下不推荐配置此命令。
host：32位地址的IP路由触发建立LSP。
ip-prefix ip-prefix-name：根据IP地址前缀列表触发建立LSP。
None：不触发建立LSP。
4、配置LDP标签发布模式
[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] mpls ldp advertisement { dod | du }
缺省情况下，标签发布模式为下游自主标签分发（Downstream Unsolicited）。
如果标签分配方式为DU，则标签保持模式为Liberal。
如果标签分配方式为DOD，则标签保持模式为Conservative。
BGP路由也可以触发LDP LSP的建立，但此部分内容不在本课程的讨论范围内。
LDP基本配置命令 (3)
5、配置LDP标签分配控制方式
[Huawei-mpls-ldp] label distribution control-mode { independent | ordered }
缺省情况下，LDP标签分配控制方式为有序标签分配控制（Ordered）。
6、配置PHP特性
[Huawei-mpls] label advertise { explicit-null | implicit-null | non-null }
缺省情况下，出节点向倒数第二跳分配隐式空标签（implicit-null）。
explicit-null：出节点向倒数第二跳分配显式空标签。
implicit-null：出节点向倒数第二跳分配隐式空标签。
non-null：出节点向倒数第二跳正常分配标签。
MPLS体系有多种标签分配协议，LDP标签分配协议是这些协议中使用较广的一种。
LDP是LSR之间协商标签含义的过程。LDP协议使用发现、会话、通告、通知四类报文进行会话的建立和标签的分发。
LDP通过标签发布方式、标签分配控制方式和标签保持方式来决定标签的发布和管理。华为数通产品默认的方式为：下游自主标签发布方式+有序标签分配控制方式+自由标签保持方式。
利用LDP可以实现将网络层的路由信息直接映射到标签信息，进而建立起标签交换路径（LSP）。LSR之间将依据本地转发表中对应于一个特定FEC的入标签、下一跳节点、出标签等信息连接在一起，从而形成跨越整个MPLS域的标签交换路径。
