BFD（双向转发检测）
一、背景
1、IGP路由的收敛时间构成：
（1）. 失效链路检测时间。
（2）. 报告拓扑变化的新LSA/LSP的泛洪时间。
（3）. 各路由器的路由表计算时间（包括SPF计算时间和路由表计算及线卡FIB更新时间）。
2、一般路由协议的慢Hello机制，故障检测只是其功能之一。比如ospf协议hello报文作用:
（1）、 发现 OSPF 邻居并建立相邻关系。
（2）、 通告两台路由器建立相邻关系所必需统一的参数。
（3）、 在以太网和帧中继网络等多路访问网络中选举指定路由器 (DR) 和备用指定路由器 (BDR)。
（4）、 故障检测。
hello报文作用多，以及hello包发送采用泛洪方式。因此该报文发送间隔不能到毫秒级。
二、BFD简介
从本质上讲，BFD是一种高速的独立HELLO协议。
与以往的其他“Hello”检测机制相比，BFD只检测下一跳设备连接状态，具有轻负荷、灵敏度高、适应范围广的检测特点。BFD能够在系统之间的任何类型通道上进行故障检测，这些通道包括直接的物理链路、虚电路、隧道、MPLS LSP、多跳路由通道，以及非直接的通道（如跨接二层以太网）。同时正是由于BFD实现故障检测的简单、单一性，致使BFD能够专注于转发故障的快速检测，帮助网络以良好QoS实现各类业务的传输。
目前BFD支持OSPF、ISIS、BGP等全部主流路由协议。当邻居关系建立后，路由器将告诉BFD协议去检测邻接连接状态。BFD检测报文在路由器的FIB表中具有高的优先级，并且通过unicast形式相互传播，可保证监测链路拥塞时也不会影响BFD报文的传送。
BFD能够与相邻系统建立对等关系，然后，每个系统以协商的速率监测来自其他系统的BFD速率。监测速率能够以毫秒级增量设定。当对等系统没有接到预先设定数量的数据包时，它推断BFD保护的软件或硬件基础设施发生故障，不管基础设施是标记交换路径、其他类型的隧道还是交换以太网络。BFD部署在路由器和其他系统的控制平面上。BFD检测到的网络故障可以由转发平面恢复或由控制平面恢复。
BFD提供了一个标准化的与介质和上层协议无关的快速故障检测机制，BFD具有以下优点：
1. 对两个网络节点之间的链路进行双向故障检测，链路可以是物理链路也可以是逻辑链路（如LSP、隧道等）
2. 可以为不同的上层应用（如MPLS、OSPF、IS-IS等）提供故障检测的服务，并提供相同的故障检测时间。
3. BFD的故障检测时间远小于1秒，可以更快地加速网络收敛，减少上层应用中断的时间，提高网络的可靠性和服务质量。
在BFD会话建立时，有两种建立模式和一种回声辅助功能：
- 异步模式： 在此模式下，网络节点双方会周期性地发送BFD控制报文，如果在检测时间内没有收到对端的BFD控制报文则认为对应的链路出现故障。
- 查询模式： 假定每个系统都有一个独立的方法，确认自己连接到其他系统。这样，只要有一个BFD会话建立，系统就停止发送BFD控制报文，除非某个系统需要显式地验证连接性。如果要显式地验证连接性，系统发送一个短系列的BFD控制包，如果在检测时间内没有收到返回的报文就宣布会话为Down；如果收到对端的回应报文，协议再次保持沉默。
回声功能：本地发送一系列的bfd回声报文，远端系统通过它的转发通道将它们环回回来，如果本
地连续几个回声报文没有收到，会话就会宣布down。
BFD报文格式：
BFD会话建立方式：
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。静态和动态创建BFD会话的主要区别在于本地标识符（Local Discriminator）和远端标识符（Remote Discriminator）的配置方式不同。BFD通过控制报文中的Local Discriminator和Remote Discriminator区分不同的会话。
1、静态建立BFD会话
静态建立BFD会话是指通过命令行手工配置BFD会话参数，包括配置本地标识符和远端标识符等，然后手工下发BFD会话建立请求。
2、动态建立BFD会话
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：
（1）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。
（2）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会话建立简介：
BFD在两台网络设备上建立会话，用来检测网络设备间的双向转发路径，为上层应用服务。BFD本身并没有邻居发现机制，而是靠被服务的上层应用通知其邻居信息以建立会话。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。下面以OSPF与BFD联动为例，简单介绍会话工作流程。
图：会话建立图
上图所示是一个简单的网络组网，两台设备上同时配置了OSPF与BFD，BFD会话建立过程如下所示：
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，并做出快速反应
图：BFD发现故障图
如上图所示：
被检测链路出现故障。
BFD快速检测到链路故障，BFD会话状态变为Down。
BFD通知本地OSPF进程BFD邻居不可达。
本地OSPF进程中断OSPF邻居关系。
BFD会话管理：
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。BFD状态机的建立和拆除都采用三次握手机制，以确保两端系统都能知道状态的变化。
三、应用场景
1、BFD检测IP链路
在IP链路上建立BFD会话，利用BFD检测机制快速检测故障。BFD检测IP链路支持单跳检测和多跳检测：
BFD单跳检测：
是指对两个直连系统进行IP连通性检测，“单跳”是IP链路的一跳。
BFD多跳检测：
是指BFD可以检测两个系统间的任意路径，这些路径可能跨越很多跳，也可能在某些部分发生重叠。
典型应用一：
图：BFD检测单跳链路
如图所示，BFD检测两台设备之间的IP单跳路径，BFD会话绑定出接口。
图：BFD检测多跳链路
如图所示，BFD检测SwtichA和SwtichC之间的IP多跳路径，BFD会话绑定对端IP但不绑定出接口。
2、BFD单臂回声功能
单臂回声功能是指通过BFD报文的环回操作检测转发链路的连通性。
在两台直接相连的设备中，其中一台设备支持BFD功能，另一台设备不支持BFD功能，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。
单臂回声功能只适用于单跳BFD会话中。
图：BFD单臂回声
如上图所示，SwitchA支持BFD功能，SwitchB不支持BFD功能。在SwitchA上配置单臂回声功能的BFD会话，检测SwitchA到SwitchB之间的单跳路径。
SwitchB接收到SwitchA发送的BFD报文后，直接在网络层将该报文环回，从而快速检测SwitchA和SwitchB之间的直连链路的连通性。
3、BFD与接口状态联动
BFD与接口状态联动提供一种简单的机制，使得BFD检测行为可以关联接口状态，提高了接口感应链路故障的灵敏度，减少了非直连链路故障导致的问题。
BFD检测到链路故障会立即上报Down消息到相应接口，使得接口进入一种特殊的Down状态：BFD Down状态。该状态等效于链路协议Down状态，在该状态下只有BFD的报文可以正常处理，从而使接口也可以快速感知链路故障
图：BFD与接口状态联动
如上图所示，链路中间存在其他设备，虽然三层仍是直连，但由于实际物理线路分段，一旦链路故障，两端设备需要比较长的时间才能检测到，导致直连路由收敛慢，网络中断时间长。
在SwitchA和SwitchB上配置BFD会话，配置接口联动后，当BFD检测到链路出现故障，立即上报Down消息到相应接口，使接口进入BFD Down状态。
4、BFD与静态路由联动
与动态路由协议不同，静态路由自身没有检测机制，当网络发生故障的时候，需要管理员介入。BFD与静态路由联动特性可为公网静态路由绑定BFD会话，利用BFD会话来检测静态路由所在链路的状态。
BFD与静态路由联动可为每条静态路由绑定一个BFD会话，当这条静态路由上绑定的BFD会话检测到链路故障（由Up转为Down）后，BFD会将故障上报路由管理系统，由路由管理模块将这条路由设置为“非激活”状态（此条路由不可用，从IP路由表中删除）。
当这条静态路由上绑定的BFD会话成功建立或者从故障状态恢复后（由Down转为Up），BFD会上报路由管理模块，由路由管理模块将这条路由设置为“激活”状态（此路由可用，加入IP路由表）。
5、BFD与OSPF联动
网络上的链路故障或拓扑变化都会导致路由的重新计算，要提高网络的可用性，缩短路由协议的收敛时间非常重要。由于链路故障无法完全避免，因此，加快故障感知速度并将故障快速通告给路由协议是一种可行的方案。
BFD与OSPF联动就是将BFD和OSPF协议关联起来，通过BFD对链路故障的快速感应进而通知OSPF协议，从而加快OSPF协议对于网络拓扑变化的响应。
图：BFD与OSPF联动
如上图所示，SwitchA分别与SwitchC和SwitchD建立OSPF邻居关系，SwitchA到SwitchB的路由出接口为Interface 1，经过SwitchC到达SwitchB。邻居状态到达FULL状态时通知BFD建立BFD会话。
当SwitchA和SwitchC之间链路出现故障，BFD首先感知到并通知SwitchA。SwitchA处理邻居Down事件，重新进行路由计算，新的路由出接口为Interface 2，经过SwitchD到达SwitchB。
6、BFD与IS-IS联动
通常情况下，IS-IS设定发送Hello报文的时间间隔为10秒钟，相邻设备失效的时间一般配置为Hello报文间隔的3倍。若在相邻设备失效时间内没有收到邻居发来的Hello报文，将会删除邻居。设备能感知到邻居故障的时间最小也是秒级。在高速的网络环境中，这将导致报文大量丢失。
BFD与IS-IS联动是指BFD会话由IS-IS协议动态创建，不再依靠手工配置，当BFD检测到故障时，通过路由管理通知IS-IS协议，由协议进行相应邻居Down处理，快速更新LSP信息和进行增量路由计算，从而实现IS-IS路由的快速收敛。
使用BFD并不是代替IS-IS协议本身的Hello机制，而是配合IS-IS协议更快的发现邻居方面出现的故障，并及时通知IS-IS重新计算相关路由以便正确指导报文的转发。
图：BFD与IS-IS联动
如上图所示，在各设备上使能了IS-IS功能，在SwitchA和SwitchB上配置了BFD与IS-IS联动。当SwitchA和SwitchB之间的链路故障时，BFD能够快速检测到故障并通告给IS-IS协议，IS-IS Down掉此接口的邻居，从而触发拓扑计算，同时更新LSP使得其他邻居（如SwitchB的邻居SwitchC）及时收到SwitchB的更新LSP，实现了网络拓扑的快速收敛。