商业虚拟专用网络技术十 MPLS技术

一、MPLS协议

1、MPLS简介

在90年代传统路由器设备因其、转发性能低下，无法提供QOS保证。逐渐成为网络的瓶颈。为什么会出现这样的状况？

主要是因为路由器采用的转发效率不高，路由器使用的是IP转发，转发原则是最长匹配算法。路由器接入端口接收数据后，根据IP地址遍历路由表，在复杂网络中，这个表相当庞大，路由器需要耗费很长时间来完成。

ATM(Asynchronous Transfer Mode，异步传送模式)协议，采用定长的标签代替IP地址，数据包抵达ATM交换机后只需要一次查表，就能找出与其唯一匹配表项。确定报文的出接口。但是ATM控制信令实现复杂，并且ATM设备成本高昂，普及度不高，使得ATM技术没有被采用。

MPLS(Multiprotocol Label Switching，多协议标签交换)起源于IPv4，最初是为了提高转发速度而提出的，其核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPv6（Internet Protocol version 6，因特网协议版本6）、IPX（Internet Packet Exchange，网际报文交换）和CLNP（Connectionless Network Protocol，无连接网络协议）等。MPLS中的“M”指的就是支持多种网络协议。

MPLS原理是从原来的路由查找，改为简单快速的标签交换，使用一个短而定长的标签来封装网络层分组，并将封装后的报文转发到下一跳。化繁为简。

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。工作在2.5层即第二层和第三层之间。

MPLS有帧模式(Frame Mode)和信元模式(Cell Mode)两种工作模式。

承载的二层协议包含：PPP、以太网、帧中继的帧数据和ATM信元数据。
承载的三层协议包含：IPv4、IPv6报文。

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。

1.1、MPLS怎么选择路线

在网络中传输数据包从起始IP到目的IP路径常见的有三种方法：

• 广播方式：在广播域内把数据包发给每一站点。
• 路由协议：通过查找每个设备路由表逐跳查找和转发。
• 流量工程：走最优路由，还有空闲的路由。基本IP的流量工程是面向无连接的，就是没有根据源来选择路线，谁的metric值小就优选谁。但是对设备要求极高。

MPLS传输方法是跟着标签走，向导在走过的路上做好标记，你只要沿着标签的指示走就可以了。MPLS控制层(路由表)与数据层分离，没有路由表也能转发。无连接的控制平面实现路由信息的传递和标签的分发，面向连接的数据平面实现报文在建立的标签转发路径上传送。MPLS域内，交换机不需要查看每个报文的目的IP地址，只需要根据封装在IP头外面的标签进行转发即可，这样可以大大提高效率。

2、MPLS基本结构

2.1、MPLS的网络结构

LSR(Label Switching Router，标签交换路由器)：指进行MPLS标签交换和报文转发的网络设备。

LSP(Label Switched Path，标签交换路径):指IP报文在MPLS网络中经过的路径。**LSP是一条单向报文转发路径。**路径包含入节点—>中间节点—>出节点，也可以没有中间节点。在LSP中可以有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。

入节点(Ingress)：报文进入Ingress LSR(入节点标签交换路由器)的入口，Ingress LSR负责为进入MPLS网络的报文添加标签。

中间节点(Transit)：MPLS网络中内部的LSR，根据标签沿着由一系列LSR构成的LSP将报文传送给Egress LSR(出节点标签交换路由器)。

出节点(Egress)：带标签的报文进入Egress LSR(出节点标签交换路由器)的入口，Egress LSR负责剥离报文中的标签，并转发到非MPLS网络。

上游LSR、下游LSR：上下游是相对的，PLS报文由Ingress发往Egress，则Ingress是Transit的上游点，Transit是Ingress的下游节点。

FEC(Forwarding Equivalence Class，转发等价类)：MPLS将具有相同特征(目的地相同或具有相同服务等级等)的报文归为一类，称为FEC。可以通过地址、隧道、COS等来标识创建FEC。

不同目的地址(属于相同的网段)的IP报文，在ingress处被划分为相同的FEC，具有相同的标签，这样在LSR处，只需根据标签做快速的交换即可。而对于传统的IP路由，在每一跳处实际上都是一次重新划分FEC的过程。

对于FEC可以想象一条航行的客船，我们把到北京的目的地的乘客创建一个北京FEC，到南京的目的地的乘客创建一个北京FEC，也可以把一等舱的乘客创建一个FEC。

2.2、MPLS的标签结构

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。

特点：MPLS的标签转发，通过事先分配好的标签，为报文建立了一条标签转发通道（LSP），在通道经过的每一台设备处，只需要进行快速的标签交换即可（一次查找）。

每个MPLS标签有32bit，分成四个区域，每个区域都有独特的含义和作用。

(1)、Label：20bit，标签值域。是MPLS标签的核心内容，标签转发就是指根据MPLS标签的标签值查找标签转发表进行转发，它是标签转发表的关键索引。
(2)、EXP：3bit，用于扩展。用于标识报文QoS优先级，作用与Ethernet802.1P值或是IP包的DSCP值类似。
(3)、S：1bit,栈底标识，MPLS支持多层标签，即标签嵌套。用来标识在该MPLS标签后面是另一个MPLS标签还是载荷报文。S值为“1”时表明为最底层标签，后面是载荷报文；当S值为“0”时，表示该MPLS标签后面还有下一层MPLS标签。
(4)、TTL：8bit，存活时间与IP报文的TTL值相似。当报文进入MPLS网络时从该报文里的IP头复制出来，每经过一台LSR，MPLS标签的TTL值就减"1"，作用与IP报文的TTL相似也是为了防止环路，在网络时循环转发。

Label

• 0～15：特殊标签。如标签3，称为隐式空标签，用于倒数第二跳弹出；
• 16～1023：静态LSP和静态CR-LSP共享的标签空间；
• 1024及以上：LDP、RSVP-TE、MP-BGP等动态信令协议的标签空间。

MPLS标签嵌套，是指有多层MPLS标签，常见的MPLS应用中最多采用到三层MPLS标签嵌套。这是用于隧道、VPN等技术的基础。

外层MPLS标签(Outer MPLS label)：靠近二层首部的标签，或称为栈顶MPLS标签。
内层MPLS标签(Inner MPLS label)：靠近IP首部的标签，或称为栈底MPLS标签。
标签栈(Label Stack)是指标签的排序集合。标签栈按后进先出方式组织标签，从栈顶开始处理标签。

报文传输到达路由器，设备解析完报文的链路头部后，如何区分数据链路层以太网数据帧的报文的载荷是MPLS标签包还是普通的网络层封装包，是通过以太网数据帧类型字段来区分。为MPLS分配的标识如下：

二层封装协议	协议标识名称	值
PPP	PPP Protocol field	0x0281
Ethernet/802.3 LLC/SNAP	Ethertype	0x8847
HDLC	Protocol	0x8847
Frame Relay	NLPID	0x0080

2.3、MPLS的体系结构

MPLS的体系结构由两部分组成：

• 控制平面(Control Plane)：控制平面进行LSR之间的路由信息和标签信息的交换。MPLS是一个控制平面驱动的协议。控制平面协议组件包括：BGP、MP-BGP、IGP、RSVP-TE、LDP、TDP等。
  • 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(Forwarding Plane):负责普通IP报文的转发以及带MPLS标签报文的转发。包括标签的六种动作等。标签动作：(PUSH、SWAP、POP、untag、aggregate、recursive)。
  • 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。
    

Cisco定义：

LFIB：标签转发表。
LIB：标签信息数据库。
FIB：转发信息数据库。

华为定义：

FTN（FEC to NHLFE）：FIB。
NHLFE（Next hop lable forward entry）
ILM（Incoming lable map）：LFIB+LIB。

3、MPLS标签

3.1、MPLS标签分配协议分类

标签分配协议有很多种，目前应用较为广泛的有下面几种：
(1)、LDP(Label Disrtibution Protocol,标签分发协议)，最为通用的标签分配协议。
(2)、CR-LDP(Constraint-Based Label Disrtibution Protocol，路由受限的标签分发协议)，对 LDP 能力的扩展， 如设置路径，超出了路由协议可使用范围。例如，我们可以根据明确的路由约束、服务质量（QoS）约束及其它约束，建立一个 LSP （标签交换路径）。
(3)、RSVP-TE(Resource ReSerVation Protocol-Traffic Engineering，基于流量工程扩展的资源预留协议 )，用于为 MPLS 网络建立标签交换路径。这个 RSVP 扩展协议主要用于在有或者没有资源预留的情况下支持明确传送 LSP 的实例。同时它也支持 LSP 的平滑重新路由、优先权及环路监测。
(4)、MP-BGP(Multiprotocol-BGP，BGP多协议扩展)，该协议是对BGP的扩展，扩展的功能之一就是为BGP路由分配MPLS标签。

3.2、LDP标签分发协议

LDP（Label Distribution Protocol，标签分发协议）是多协议标签交换MPLS的一种控制协议，相当于传统网络中的信令协议，负责转发等价类FEC（Forwarding Equivalence Class）的分类、标签的分配以及标签交换路径LSP（Label Switched Path）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。

作用：通过LDP协议