【SPOTO思博网络】网工基础知识！MPLS《MPLS基础》

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【SPOTO思博网络】网工基础知识！MPLS《MPLS基础》

MPLS是啥？

多协议标签交换MPLS（Multiprotocol Label Switching）是一种IP（Internet Protocol）骨干网技术。MPLS在无连接的IP网络上引入面向连接的标签交换概念，将第三层路由技术和第二层交换技术相结合，充分发挥了IP路由的灵活性和二层交换的简捷性。

MPLS起源于IPv4（Internet Protocol version 4），其核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPv6（Internet Protocol version 6）、IPX（Internet Packet Exchange）和CLNP（Connectionless Network Protocol）等。MPLS中的“Multiprotocol”指的就是支持多种网络协议。

由此可见，MPLS并不是一种业务或者应用，它实际上是一种隧道技术。这种技术不仅支持多种高层协议与业务，而且在一定程度上可以保证信息传输的安全性。

90年代中期，随着IP技术的快速发展，Internet数据海量增长。但由于硬件技术存在限制，基于最长匹配算法的IP技术必须使用软件查找路由，转发性能低下，因此IP技术的转发性能成为当时限制网络发展的瓶颈。

为了适应网络的发展，ATM（Asynchronous Transfer Mode）技术应运而生。

ATM采用定长标签，并且只需要维护比路由表规模小得多的标签表，能够提供比IP路由方式高得多的转发性能。然而，ATM协议相对复杂，且ATM网络部署成本高，这使得ATM技术很难普及。

传统的IP技术简单，且部署成本低。如何结合IP与ATM的优点成为当时热门话题。多协议标签交换技术MPLS就是在这种背景下产生的。

MPLS最初是为了提高路由器的转发速度而提出的。与传统IP路由方式相比，它在数据转发时，只在网络边缘分析IP报文头，而不用在每一跳都分析IP报文头，节约了处理时间。

随着专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）技术的发展，路由查找速度已经不是阻碍网络发展的瓶颈。这使得MPLS在提高转发速度方面不再具备明显的优势。但是MPLS支持多层标签和转发平面面向连接的特性，使其在VPN（Virtual Private Network）、流量工程、QoS（Quality of Service）等方面得到广泛应用。

MPLS基本结构

网络结构

MPLS网络的典型结构如图1所示。MPLS基于标签进行转发，图1中进行MPLS标签交换和报文转发的网络设备称为标签交换路由器LSR（Label Switching Router）；

由LSR构成的网络区域称为MPLS域（MPLS Domain）。位于MPLS域边缘、连接其他网络的LSR称为边缘路由器LER（Label Edge Router），区域内部的LSR称为核心LSR（Core LSR）。

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IP报文进入MPLS网络时，MPLS入口的LER分析IP报文的内容并且为这些IP报文添加合适的标签，所有MPLS网络中的LSR根据标签转发数据。

当该IP报文离开MPLS网络时，标签由出口LER弹出。

IP报文在MPLS网络中经过的路径称为标签交换路径LSP（Label Switched Path）。LSP是一个单向路径，与数据流的方向一致。

如图，LSP的入口LER称为入节点（Ingress）；

位于LSP中间的LSR称为中间节点（Transit）；

LSP的出口LER称为出节点（Egress）。

一条LSP可以有0个、1个或多个中间节点，但有且只有一个入节点和一个出节点。

根据LSP的方向，MPLS报文由Ingress发往Egress，则Ingress是Transit的上游节点，Transit是Ingress的下游节点。同理，Transit是Egress上游节点，Egress是Transit的下游节点。

体系结构

MPLS的体系结构如下图所示，它由控制平面（Control Plane）和转发平面（Forwarding Plane）组成。

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•控制平面：负责产生和维护路由信息以及标签信息。

■路由信息表RIB（Routing Information Base）：由IP路由协议（IP Routing Protocol）生成，用于选择路由。

■标签分发协议LDP（Label Distribution Protocol）：负责标签的分配、标签转发信息表的建立、标签交换路径的建立、拆除等工作。

■标签信息表LIB（Label Information Base）：由标签分发协议生成，用于管理标签信息。

•转发平面：即数据平面（Data Plane），负责普通IP报文的转发以及带MPLS标签报文的转发。

■转发信息表FIB（Forwarding Information Base）：从RIB提取必要的路由信息生成，负责普通IP报文的转发。

■标签转发信息表LFIB（Label Forwarding Information Base）：简称标签转发表，由标签分发协议在LSR上建立LFIB，负责带MPLS标签报文的转发。

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MLSP的建立

转发等价类

MPLS将具有相同特征的报文归为一类，称为转发等价类FEC（Forwarding Equivalence Class）。

属于相同FEC的报文在转发过程中被LSR以相同方式处理。

FEC可以根据源地址、目的地址、源端口、目的端口、VPN等要素进行划分。例如，在传统的采用最长匹配算法的IP转发中，到同一条路由的所有报文就是一个转发等价类。

标签

标签（Label）是一个短而定长的、只具有本地意义的标识符，用于唯一标识一个分组所属的FEC。

在某些情况下，例如要进行负载分担，对应一个FEC可能会有多个入标签，但是一台设备上，一个标签只能代表一个FEC。

MPLS报文与普通的IP报文相比增加了MPLS标签信息，MPLS标签的长度为4个字节。MPLS标签封装在链路层和网络层之间，可以支持任意的链路层协议。MPLS标签的封装结构如图所示。

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标签共有4个字段：

•Label：20bit，标签值域。

•Exp：3bit，用于扩展。现在通常用做CoS（Class of Service），当设备阻塞时，优先发送优先级高的报文.

•S：1bit，栈底标识。MPLS支持多层标签，即标签嵌套。S值为1时表明为最底层标签。

•TTL：8bit，和IP报文中的TTL（Time To Live）意义相同。

标签空间

标签空间就是指标签的取值范围。标签空间划分如下：

•0～15：特殊标签。

•16～1023：静态LSP和静态CR-LSP（Constraint-based Routed Label Switched Path）共享的标签空间。

•1024及以上：LDP、RSVP-TE（Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering）、MP-BGP（MultiProtocol Border Gateway Protocol）等动态信令协议的标签空间。

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LSP的建立

MPLS需要为报文事先分配好标签，建立一条LSP，才能进行报文转发。LSP分为静态LSP和动态LSP两种。

静态LSP的建立

静态LSP是用户通过手工为各个转发等价类分配标签而建立的。由于静态LSP各节点上不能相互感知到整个LSP的情况，因此静态LSP是一个本地的概念。

静态LSP不使用标签发布协议，不需要交互控制报文，因此消耗资源比较小，适用于拓扑结构简单并且稳定的小型网络。但通过静态方式分配标签建立的LSP不能根据网络拓扑变化动态调整，需要管理员干预。

动态LSP的建立

动态LSP的标签发布协议

动态LSP通过标签发布协议动态建立。标签发布协议是MPLS的控制协议（也可称为信令协议），负责FEC的分类、标签的分发以及LSP的建立和维护等一系列操作。

MPLS可以使用多种标签发布协议：

•LDP

LDP（Label Distribution Protocol）是专为标签发布而制定的协议。LDP根据IGP（Interior Gateway Protocol）、BGP（Border Gateway Protocol）路由信息通过逐跳方式建立LSP。

•RSVP-TE

RSVP-TE（Resource Reservation Protocol Traffic Engineering）是对RSVP的扩展，用于建立基于约束的LSP。它拥有普通LDP LSP没有的功能，如发布带宽预留请求、带宽约束、链路颜色和显式路径等。

•MP-BGP

MP-BGP（Multiprotocol Border Gateway Protocol）是在BGP协议基础上扩展的协议。MP-BGP支持为MPLS VPN业务中私网路由和跨域VPN的标签路由分配标签。

动态LSP的基本建立过程

标签由下游LSR分配，按从下游到上游的方向分发。如图，由下游LSR在IP路由表的基础上进行FEC的划分，并根据FEC分配标签，通告给上游的LSR，以便建立标签转发表和LSP。

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MPLS转发

MPLS基本转发过程

基本概念

在MPLS基本转发过程中涉及的相关概念如下：

标签操作类型包括标签压入（Push）、标签交换（Swap）和标签弹出（Pop），它们是标签转发的基本动作。

•Push：当IP报文进入MPLS域时，MPLS边界设备在报文二层首部和IP首部之间插入一个新标签；或者MPLS中间设备根据需要，在标签栈顶增加一个新的标签（即标签嵌套封装）。

•Swap：当报文在MPLS域内转发时，根据标签转发表，用下一跳分配的标签，替换MPLS报文的栈顶标签。

•Pop：当报文离开MPLS域时，将MPLS报文的标签剥掉。

在最后一跳节点，标签已经没有使用价值。

这种情况下，可以利用倒数第二跳弹出特性PHP（Penultimate Hop Popping），在倒数第二跳节点处将标签弹出，减少最后一跳的负担。最后一跳节点直接进行IP转发或者下一层标签转发。

默认情况下，设备支持PHP特性，支持PHP的Egress节点分配给倒数第二跳节点的标签值为3。

基本转发过程

以支持PHP的LSP为例，说明MPLS基本转发过程。

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如图，MPLS标签已分发完成，建立了一条LSP，其目的地址为4.4.4.2/32。则MPLS基本转发过程如下：

1.Ingress节点收到目的地址为4.4.4.2的IP报文，压入标签Z并转发。

2.Transit节点收到该标签报文，进行标签交换，将标签Z换成标签Y。

3.倒数第二跳Transit节点收到带标签Y的报文。因为Egress分给它的标签值为3，所以进行PHP操作，弹出标签Y并转发报文。从倒数第二跳转发给Egress的报文以IP报文形式传输。

4.Egress节点收到该IP报文，将其转发给目的地4.4.4.2/32。

MPLS详细转发过程

基本概念

在MPLS详细转发过程中涉及的相关概念如下：

•Tunnel ID

为了给使用隧道的上层应用（如VPN、路由管理）提供统一的接口，系统自动为隧道分配了一个ID，也称为Tunnel ID。该Tunnel ID的长度为32比特，只是本地有效。

•NHLFE

下一跳标签转发表项NHLFE（Next Hop Label Forwarding Entry）用于指导MPLS报文的转发。

NHLFE包括：Tunnel ID、出接口、下一跳、出标签、标签操作类型等信息。

FEC到一组NHLFE的映射称为FTN（FEC-to-NHLFE）。通过查看FIB表中Tunnel ID值不为0x0的表项，能够获得FTN的详细信息。FTN只在Ingress存在。

•ILM

入标签到一组下一跳标签转发表项的映射称为入标签映射ILM（Incoming Label Map）。

ILM包括：Tunnel ID、入标签、入接口、标签操作类型等信息。

ILM在Transit节点的作用是将标签和NHLFE绑定。通过标签索引ILM表，就相当于使用目的IP地址查询FIB，能够得到所有的标签转发信息。

详细转发过程

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MPLS详细转发过程如图所示。

当IP报文进入MPLS域时，首先查看FIB表，检查目的IP地址对应的Tunnel ID值是否为0x0。

•如果Tunnel ID值为0x0，则进入正常的IP转发流程。

•如果Tunnel ID值不为0x0，则进入MPLS转发流程。

在MPLS转发过程中，FIB、ILM和NHLFE表项是通过Tunnel ID关联的。

•Ingress的处理：通过查询FIB表和NHLFE表指导报文的转发。

1.查看FIB表，根据目的IP地址找到对应的Tunnel ID。

2.根据FIB表的Tunnel ID找到对应的NHLFE表项，将FIB表项和NHLFE表项关联起来。

3.查看NHLFE表项，可以得到出接口、下一跳、出标签和标签操作类型。

4.在IP报文中压入出标签，同时处理TTL，然后将封装好的MPLS报文发送给下一跳。

•Transit的处理：通过查询ILM表和NHLFE表指导MPLS报文的转发。

1.根据MPLS的标签值查看对应的ILM表，可以得到Tunnel ID。

2.根据ILM表的Tunnel ID找到对应的NHLFE表项。

3.查看NHLFE表项，可以得到出接口、下一跳、出标签和标签操作类型。

4.MPLS报文的处理方式根据不同的标签值而不同。

•如果标签值>＝16，则用新标签替换MPLS报文中的旧标签，同时处理TTL，然后将替换完标签的MPLS报文发送给下一跳。

•如果标签值为3，则直接弹出标签，同时处理TTL，然后进行IP转发或下一层标签转发。

•Egress的处理：通过查询ILM表指导MPLS报文的转发或查询路由表指导IP报文转发。

■如果Egress收到IP报文，则查看路由表，进行IP转发。

■如果Egress收到MPLS报文，则查看ILM表获得标签操作类型，同时处理TTL。

■如果标签中的栈底标识S=1，表明该标签是栈底标签，直接进行IP转发。

■如果标签中的栈底标识S=0，表明还有下一层标签，继续进行下一层标签转发。

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