HCIE Routing&Switching之MPLS基础理论

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技术背景

90年代初期，互联网流量快速增长，而由于当时硬件技术的限制，路由器采用最长匹配算法逐跳转发数据包，成为网络数据转发的瓶颈；于是快速路由技术成为当时研究的一个热点；在各种方案中，IETF确定了MPLS协议作为标准的协议；MPLS采用短而定长的标签进行数据转发，大大提高了硬件限制下的转发能力（当然现在硬件已经没有限制，MPLS更多用于营运商做MPLS VPN，流量工程和服务质量）；而且MPLS可以扩展到多种网络协议；

传统IP转发示意图

提示：如上图所示，用户A想要和用户B通信，首先数据包发送R1以后，路由器会根据数据包的目标ip地址进行路由查找，从而实现将数据包最终转发到用户B；这种ip转发采用最长匹配原则，需要多次查表，算法效率不高；况且当时路由器多采用CPU进行转发处理，这意味着来一个数据包都会上交给cpu处理，很显然这会额外带来性能上的开销；从而影响路由器性能；

ATM转发示意图

提示：如上图所示，用户A想要和用户B通信，首先用户A将数据包发送给R1，R1收到用户数据包，通过查看数据包携带的标签，从而在ATM转发表里查找对应标签表项，然后将对应数据包，从对应接口转发出去并打上对应标签；这种ATM转发采用唯一匹配，一次查表，很显然比上述的ip转发效率要高；但是ATM控制指令复杂，成本高昂，难以普及；所以ATM技术没能成功得到推广；

ATM技术虽然没能成功，但其中的心法口诀却属创新；首先ATM摒弃了繁琐的路由查找，改为简单快速的标签交换；即通过标签交换来实现数据包的转发；其次ATM将具有全局意义的路由表改为只有本地意义的标签表；

MPLS简介

MPLS借鉴了ATM的思想，用标签交换来实现快速路由；MPLS是Multi-Protocol Label Switching的首字母缩写，翻译成中文就是多协议标签交换；该协议是一种根据标签转发的技术；可承载在各种链路层协议之上（如，ppp、ATM、帧中继、以太网）；同时它还能承载各种网络层报文，如ipv4、ipv6；采用无连接的控制平面，实现路由信息的传递和标签的分发，采用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；所以MPLS定义为2.5层，又称2.5层技术；如下图所示

提示：MPLS协议工作在二层之上三层之下的中间层，主要可以起到承上启下的作用；即它能够工作在很多二层协议之上，同时承载三层网络协议；

MPLS数据转发过程

提示：如上图所示，用户A和用户B通信，首先用户A发送IP数据报文给用户端的网关，用户端网关收到数据报文以后，根据路由将对应数据包转发给营运商的边界网关，营运商的边界路由器收到对应数据包会根据规则（lsp）给对应数据打上对应的标签；随后从对应的接口发送给下一个路由器；在营运商的内部路由器中传输用户A的数据，路由器不再根据目标ip地址来查找路由表项进行数据转发，而是根据数据包的标签和LSP（标签路径）来进行转发；最终数据包在来到营运商靠近B用户侧的边界网关，此时边界网关会根据标签路径表将对应数据中的标签剥离，然后发送给用户；从而实现用户A和用户B的数据通信；从上述过程来看，MPLS协议只关心对应数据包的标签，根据标签和结合标签路径表来转发对应数据包；并不会关心对应目标ip地址是多少，是否有路由等；所以标签的分发和lsp的建立就显得尤为重要；

MPLS实际应用场景

随着硬件技术的发展，ip转发性能也大大提高，MPLS在这方面并未发挥优势，但由于MPLS结合了IP网络强大的三层路由功能和二层网络高效的转发机制，所以目前MPLS主要应用于VPN技术，TE（Traffic Engineering，流量工程）以及QOS（Quality of Service，服务质量）；

MPLS VPN应用

提示：基于MPLS的VPN通过LSP将私有网络的不同分支连接起来，形成一个统一的网络，用户设备无需为VPN配置GRE、L2TP等隧道；网络延时也会被降至最低；

MPLS TE应用

提示：所谓流量工程是通过动态监控网络的流量和网络单元的负载，实时调整流量管理参数、路由参数和资源约束参数等；使网络运行状态迁移到理想状态，优化网络资源的使用，避免负载不均衡导致的拥塞；

MPLS报文结构

提示：Label字段主要用于报文转发，占20bits；exp(experimental Use)字段主要用于承载IP报文中的优先级，占3位二进制，即有8个优先级别，0-7；S字段表示栈底标志，占1位，即表明是否是最后一个标签（MPLS标签可以多层嵌套），如果是最后一个标签，对应s字段会置为1，否则为0；TTL字段类似ip头部的TTL字段，用来防止报文环路，占8位二进制；

MPLS标签

MPLS标签有较短，定长，自由本地意义的特点，主要用于唯一标识去往同一目的地址的报文分组，标签控件如下；

所谓标签空间就是指标签的取值范围，不同取值范围，对应作用不同；

0-15是特殊保留标签

0：IPv4 Explicit NULL Label（显示空标签），表示该标签必须被弹出（即标签被剥掉），且报文的转发必须基于IPv4。如果出节点分配给倒数第二跳节点的标签值为0，则倒数第二跳LSR需要将值为0的标签正常压入报文标签值顶部，转发给最后一跳。最后一跳发现报文携带的标签值为0，则将标签弹出；

1：Router Alert Label 路由告警标签，只有出现在非栈底时才有效。类似于IP报文的“Router Alert Option”字段，节点收到Router Alert Label时，需要将其送往本地软件模块进一步处理。实际报文转发由下一层标签决定。如果报文需要继续转发，则节点需要将Router Alert Label压回标签栈顶；

2：IPv6 Explicit NULL Label，表示该标签必须被弹出，且报文的转发必须基于IPv6。如果出节点分配给倒数第二跳节点的标签值为2，则倒数第二跳节点需要将值为2的标签正常压入报文标签值顶部，转发给最后一跳。最后一跳发现报文携带的标签值为2，则直接将标签弹出。

3：Implicit NULL Label（隐式空标签），倒数第二跳LSR进行标签交换时，如果发现交换后的标签值为3，则将标签弹出，并将报文发给最后一跳。最后一跳收到该报文直接进行IP转发或下一层标签转发；

14：OAM Router Alert Label，MPLS OAM（Operation Administration & Maintenance）通过发送OAM报文检测和通告LSP故障。OAM报文使用MPLS承载。OAM报文对于Transit LSR和倒数第二跳LSR（penultimate LSR）是透明的；

4-13、15：保留；

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；

MPLS标签多层嵌套

提示：对于一个LSR（标签路由器）来说，只处理第一个（最顶层）标签；多层标签主要应用于MPLS VPN、MPLS TE；

提示：MPLS在二层以太网网络协议号中使用8847或8848，IP协议号为0800；

MPLS标签转发行为

提示：报文进入MPLS网络，Ingress LSR设备（LSR1）发现报文的目标ip地址与其关联的标签转发表项，遂进行标签压入(push)操作，即打标签；报文在MPLS网络中间进行转发时，在LSR2上进行标签交换（SWAP），设备只需要查询标签转发表项即可完成报文转发；报文在转出MPLS网络时，LSR3发现自己为该LSP的最下游设备，完成弹出标签（POP）操作，即剥离标签，还原为最初数据包的结构；随后通过ip路由转发数据包到达用户主机，完成数据通信；简单讲就是靠近发送端用户的MPLS路由器为ingress，做标签压入操作，中间路由器做标签交换操作，靠近接收端的MPLS路由器做标签剥离操作；通过上述的压入，交换，弹出标签的操作来达到数据包的转发；

LSP的建立

提示：LSP是Label Switched Path的缩写，标签交换路径；即MPLS标签路径；作用类似ip路由表；LSP的建立有两种方式，一种是静态LSP，即通过手动方式为各个FEC分配标签建立转发隧道，类似静态路由；一种是动态LSP，即通过标签发布协议动态建立转发隧道；动态标签发布协议类似动态路由协议；

提示：标签分配的方向和数据流的方向相反；

静态LSP

提示：所谓静态LSP是指不使用标签发布协议，不需要交互控制报文，资源消耗较小；通过静态方式建立的LSP不能根据网络拓扑变化动态调整，需要管理员手动调整；这种方式适用于拓扑结构简单且稳定的小型网络；配置静态LSP原则是上游节点出标签等于下游节点入标签；配置之前应提前规划好，避免出错；

动态LSP

提示：动态LSP是指通过标签发布协议（LDP、MP-BGP、RSVP-TE）动态建立，类似动态路由协议；管理员只需要配置好标签发布协议即可实现对FEC的分类、标签的分配以及LSP的建立和维护；这种方式组网配置简单，易于管理和维护，能够根据网络拓扑变化而即时做出对应的调整；标签由下游LSR分配，按从下游到上游的方向分发；

MPLS转发过程

提示：Tunnel ID是为了给使用隧道的上层协议（如VPN、路由管理）提供统一的接口；系统自动为隧道分配一个ID，也称为Tunnel ID；该Tunnel ID的长度为32比特，只是本地有效；NHLFE是下一跳标签转发表项；主要用于指导MPLS报文的转发；该表项包括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的映射成为FTN（FEC-To-NHLFE）；FIB表中的Tunnel ID值不为0x0的表项，能够获取FTN的详细信息；FTN只在ingress存在；ILM,Incoming Label Map，入标签映射；入标签到一组下一跳标签转发表项的映射；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做绑定；通过标签索引ILM表，就相当于使用目标ip地址查询FIB，能够得到所有的标签转发信息；MPLS转发就是通过上述三张表项进行数据转发；

MPLS环路检测机制

MPLS环路检测可以通过IGP环路检测机制，如RIP，OSPF等各自的防环机制；除此之外也可以通过TTL环路检测，其中帧模式的MPLS中使用TTL，信元模式的MPLS中没有TTL，使用LDP环路检测机制；而LDP环路检测机制中有两种方式，一种是距离向量法，一种最大跳数法；

MPLS对TTL的处理模式

Uniform模式