BFD

随着网络应用的广泛部署，网络发生故障极大可能导致业务异常。为了减小链路、设备故障对业务的影响，提高网络的可靠性，网络设备需要尽快检测到与相邻设备间的通信故障，以便及时采取措施，保证业务正常进行。

BFD（Bidirectional Forwarding Detection，双向转发检测）提供了一个通用的、标准化的、介质无关和协议无关的快速故障检测机制，用于快速检测、监控网络中链路或者IP路由的转发连通状态。

网络故障检测遇到的问题

在无法通过硬件信号检测故障的系统中，应用通常采用上层协议本身的Hello报文机制检测网络故障。

常用路由协议的Hello报文机制检测时间较长，检测时间超过1秒钟。当应用在网络中传输的数据超过GB/s时，秒级的检测时间将会导致应用传输的数据大量丢失。

在三层网络中，静态路由本身没有故障检查机制。

BFD概述

BFD提供了一个通用的、标准化的、介质无关的、协议无关的快速故障检测机制，有以下两大优点：

对相邻转发引擎之间的通道提供轻负荷、快速故障检测。

用单一的机制对任何介质、任何协议层进行实时检测。

BFD是一个简单的“Hello”协议。两个系统之间建立BFD会话通道，并周期性发送BFD检测报文，如果某个系统在规定的时间内没有收到对端的检测报文，则认为该通道的某个部分发生了故障。

由于同一个数据路径上只建立一个BFD会话，如果不同的应用使用的BFD参数不一致，则应该配置一个能满足所有应用要求的BFD参数。

BFD报文结构

BFD检测是通过维护在两个系统之间建立的BFD会话来实现的，系统通过发送BFD报文建立会话。

BFD控制报文根据场景不同封装不同，报文结构由强制部分和可选的认证字段组成。

Ver：BFD协议版本号，目前为1。

Diag：诊断字，标明本地BFD系统最近一次会话状态发生变化的原因。

P：参数发生改变时，发送方在BFD报文中置该标志，接收方必须立即响应该报文。

F：响应P标志置位的回应报文中必须将F标志置位。

C：转发/控制分离标志，一旦置位，控制平面的变化不影响BFD检测。

A：认证标识，置1代表会话需要进行验证。

D：查询请求，置位代表发送方期望采用查询模式对链路进行监测。

M：为BFD将来支持点对多点扩展而设的预留位。

Length：报文长度，单位为字节。

BFD会话建立

BFD会话的建立有两种方式，即静态建立BFD会话和动态建立BFD会话。BFD通过控制报文中的本地标识符和远端标识符区分不同的会话。静态和动态创建BFD会话的主要区别在于Local Discriminator和Remote Discriminator的配置方式不同。

动态建立BFD会话时，系统对本地标识符和远端标识符的处理方式如下：

动态分配本地标识符，当应用程序触发动态创建BFD会话时，系统分配属于动态会话标识符区域的值作为BFD会话的本地标识符。然后向对端发送Remote Discriminator的值为0的BFD控制报文，进行会话协商。

自学习远端标识符，当BFD会话的一端收到Remote Discriminator的值为0的BFD控制报文时，判断该报文是否与本地BFD会话匹配，如果匹配，则学习接收到的BFD报文中Local Discriminator的值，获取远端标识符。

BFD会话状态

BFD会话有四种状态：Down、Init、Up和AdminDown。会话状态变化通过BFD报文的State字段传递，系统根据自己本地的会话状态和接收到的对端BFD报文驱动状态改变，如左下图所示。BFD状态机的建立和拆除都采用三次握手机制，如右下图所示，以确保两端系统都能知道状态的变化。

BFD会话过程中包含有三个状态：init和up两个用来建立会话，down用来断开会话。建立和断开会话都需要三次握手确保两端系统都感知到。另外还有一个特殊状态：管理down，使会话可以通过管理手段down，在状态机中管理down也是down状态。每个系统通过报文中的sta域发送本端状态，接收报文中的sta域了解对端状态，综合起来决定状态机的跳转。

Down状态说明会话down。一个会话会维持在down状态直到收到对端的报文并且该报文的sta字段标志着对端状态不是up。如果收到的是down包，状态机将从down状态跳转到init状态，如果收到的是init包，状态机将从down状态跳转到up状态，如果收到的是up包，状态机维持down状态。

Init状态说明与远端正在通信，并且本地会话期望进入up状态，但是远端还没回应。一个init状态的会话会维持init状态直到收到对端的init包或者up包，就会跳转到up状态，否则等到检测时间超时以后，便会跳转到down状态，意味着与远端的通信丢失。

Up状态说明BFD会话成功建立，并且正在确认链路的联通性，会话会一直保持在up状态直到链路故障或者管理down操作。如果收到远端的down包或者检测时间超时会话就会从up状态跳转到down状态。

管理down意味着会话是被管理操作down的，这会导致远端系统会话进入down状态，并且一直保持down状态直到本端退出管理down。管理down并不意味着转发路径的连通性问题。

BFD会话迁移过程：

R1和R2各自启动BFD状态机，初始状态为Down，发送状态为Down的BFD报文。

R2收到状态为Down的BFD报文后，状态切换至Init，并发送状态为Init的BFD报文。

R2本地BFD状态为Init后，不再处理接收到的状态为Down的报文。

R1的BFD状态变化同R2。

R2收到状态为Init的BFD报文后，本地状态切换至Up。

R1的BFD状态变化同R2。

BFD检测模式

BFD的检测机制：两个系统建立BFD会话，并沿它们之间的路径周期性发送BFD控制报文，如果一方在既定的时间内没有收到BFD控制报文，则认为路径上发生了故障。BFD的检测模式有异步模式和查询模式两种。

异步模式和查询模式的本质区别：检测的位置不同，异步模式下本端按一定的发送周期发送BFD控制报文，检测位置为远端，远端检测本端是否周期性发送BFD控制报文；查询模式下本端检测自身发送的BFD控制报文是否得到了回应。

BFD检测时间

BFD会话检测时长由TX（Desired Min TX Interval），RX（Required Min RX Interval），DM（Detect Multi）三个参数决定。BFD报文的实际发送时间间隔，实际接受时间间隔由BFD会话协商决定。

本地BFD报文实际发送时间间隔＝MAX { 本地配置的发送时间间隔，对端配置的接收时间间隔 }
本地BFD报文实际接收时间间隔＝MAX { 对端配置的发送时间间隔，本地配置的接收时间间隔 }
本地BFD报文实际检测时间：
- 异步模式：本地BFD报文实际检测时间＝本地BFD报文实际接收时间间隔×对端配置的BFD检测倍数
- 查询模式：本地BFD报文实际检测时间 = 本地BFD报文实际接收时间间隔×本端配置的BFD检测倍数

BFD缺省时间参数

BFD报文发送间隔默认1000毫秒，接受间隔默认1000毫秒，本地检测倍数3次。

BFD会话等待恢复时间0秒，会话延迟Up时间0秒。

检测超时倍数，用于检测方计算检测超时时间。

查询模式：采用本地检测倍数。

异步模式：采用对端检测倍数。

BFD Echo功能

BFD Echo功能也称为BFD回声功能，是由本地发送BFD Echo报文，远端系统将报文环回的一种检测机制。

在两台直接相连的设备中，其中一台设备支持BFD功能（R1）；另一台设备不支持BFD功能（R2），只支持基本的网络层转发。为了能够快速的检测这两台设备之间的故障，可以在支持BFD功能的设备上创建单臂回声功能的BFD会话。支持BFD功能的设备主动发起回声请求功能，不支持BFD功能的设备接收到该报文后直接将其环回，从而实现转发链路的连通性检测功能。

联动功能简介

监测模块负责对链路状态、网络性能等进行监测，并将探测结果通知给Track模块。

Track模块收到监测模块的探测结果后，及时改变Track项的状态，并通知应用模块。

应用模块根据Track项的状态，进行相应的处理，从而实现联动。

静态路由与BFD联动

静态路由自身没有检测机制，如果静态路由存在冗余路径，通过静态路由与BFD联动，当主用路径故障时，实现静态路由的快速切换。

静态路由与BFD联动应用广泛，如下图中R1是园区网的出口路由器，R1通过两条链路分别连接ISP1和ISP2，正常情况下默认路由经过的链路为指向ISP1的链路，当通往ISP1的链路出现故障的时候，BFD会话能够快速感知，并通知路由器将流量切换到指向ISP2的链路。

OSPF与BFD联动

(1)

OSPF在未绑定BFD的情况下，链路故障检测时间由协议Hello机制决定，通常是秒级。通过绑定BFD，可以实现毫秒级故障检测。

BFD与OSPF联动就是将BFD和OSPF协议关联起来， BFD将链路故障的快速检测结果告知OSPF协议。

OSPF通过自己的Hello机制发现邻居并建立连接。

OSPF在建立了新的邻居关系后，将邻居信息（包括目的地址和源地址等）通告给BFD。

BFD根据收到的邻居信息建立会话，会话建立以后，BFD开始检测链路故障。

正常情况下，R1根据OSPF路径开销大小选择经过R2到达R4。

(2)

BFD会话建立后会周期性地快速发送BFD报文，如果在检测时间内没有收到BFD报文则认为该双向转发路径发生了故障，通知被服务的上层应用进行相应的处理。

当R1和R2之间链路出现故障，BFD首先快速检测到链路故障，BFD会话状态变为Down并通知R1。

R1处理邻居Down事件，通知本地OSPF进程邻居不可达，重新进行路由计算，选择通过R3到达R4。

BFD配置

开始pc1到pc2的最优路径是下一跳192.168.1.2

当R2到LSW1的链路故障，R2会切换路径，但是R1检测不到R2到LSW1的链路故障，于是不会切换路径走192.168.2.2。（除非R1和R2直连），配置BFD可以解决这个问题。

故障前

故障后

配置

必须绑定对端IP地址和本端相应接口

sys
bfd
ip route-sta 192.168.4.10 24 192.168.1.2
ip route-sta 192.168.4.10 24 192.168.2.2 prefer 70
int gi 0/0/0
ip ad 192.168.1.1 24
int gi 0/0/1
ip add 192.168.2.1 24
int gi0/0/2
ip add 192.168.3.1 24
bfd 1 bind peer-ip 192.168.1.2 interface GigabitEthernet 0/0/0
discr loc 10
discr rem 20
commit
ip route-sta 192.168.4.10 24 192.168.1.2 track bfd-session 1

sys
bfd
ip route-sta 192.168.3.10 24 192.168.1.1
ip route-sta 192.168.3.10 24 192.168.2.1 prefer 70
int gi 0/0/0
ip ad 192.168.1.2 24
int gi 0/0/1
ip add 192.168.2.2 24
int gi 0/0/2
ip add 192.168.4.1 24
bfd 1 bind peer-ip 192.168.1.1 interface GigabitEthernet 0/0/0
discr loc 20
discr rem 10
commit
ip route-sta 192.168.3.10 24 192.168.1.1 track bfd-session 1

BFD ospf 联动

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