MPLS技术基础

概述

MPLS（Multiprotocol Label Switching）也称作多协议标签交换，是一种IP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，其核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPv6、IPX和CLNP等。

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。

起源

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。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、QoS等方面得到广泛应用。

MPLS体系

一、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。

二、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，由标签分发协议建立LFIB，负责带MPLS标签报文的转发。

MPLS路由器上，报文的转发过程：

当收到普通IP报文时，查找FIB表，如果Tunnel ID为0x0，则进行普通IP转发；如果查找FIB表，Tunnel ID为非0x0，则进行MPLS转发。
当收到带标签的报文时，查找LFIB表，如果对应的出标签是普通标签，则进行MPLS转发；查找LFIB表，如果对应的出标签是特殊标签，如标签3，则将报文的标签去掉，进行IP转发。

MPLS报文格式

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

Label Value：标签的前20bit表示标签值（标签的数字标识)，所以标签值的范围为0到1048575，但是，标签值0到15是特殊用途的标签，这里列举几个常见的特殊标签的用途：

标签0:IPv4显式空标签;标签1:路由器报警标签;标签2:IPv6显式空标签。
标签3:隐式空标签。
标签14:OAM路由器报警标签。
其他0～15之间的被保留标签的功能目前暂时没有定义。

EXP：EXP是一个3bit的实验字段，之所以这么叫实验字段，是因为在 MPLS设计之初还没确定该字段的作用，现在主要用来做QoS。

S：S位叫栈底位（BoS，Bottom of Stack)。某些特殊应用场景（比如 MPLS VPN、AToM)下，需要一个 MPLS报文携带多个标签（理论上可携带的标签数量是没有限制的)。这些标签组成一个堆栈，堆栈底部的标签（紧挨着IP报头)S位的值为1，其他标签的S位的值都为0，如图所示：

TTL：最后8bit叫 TTL，作为报文的生存周期,作用跟IP报头中的TTL是一样的，在MPLS网络中每进行一次标签交换操作，最外层标签中的TTL就减1，TTL一旦减为0，报文就被丢弃，从而预防数据包的转发环路。IP报文进入MPLS网络后，标签的TTL值可以使用初始值255，也可以直接拷贝IP头中的TTL值

注意：数据链路层发现上层报文是0x8847表示上层为MPLS标签层。

MPLS网络整体模型

LSR(标签交换路由器)：运行了MPLS，具有标签分配和标签转发能力的路由器。
LER(标签边界路由器)：具有标签分配能力，并且同时连接IP和 MPLS 网络的路由器。分入站的LER和出站的LER。入站的LER负责对接收到的IP报文压入标签，然后转发进 MPLS 网络;出站的LER负责给离开MPLS网络的报文移除标签，然后根据IP转发表进行转发。
FEC(转发等价类)：用来描述具有相同特征的报文在转发过程中被LSR以相同方式处理。在MPLS 中，一个FEC使用同一个标签来标记（也就是说一个FEC 的报文走的是同一条LSP)。划分FEC的方式有很多，比如去往相同目的前缀的报文就是一个FEC，也可以使用源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议类型、VPN等要素任意组合来划分一个FEC。
LSP(标签转发路径)：MPLS报文经过的路径。一条LSP起始LSR 叫入站的LER,最后一台LSR叫出站的LER，可以把一条LSP理解为一个单向的隧道。LSP还支持嵌套，也就是一条LSP可以在另一条LSP内部，这被用于运营商的一些应用场景，比如CSC。

根据数据传送的方向，LSR可以分为上游和下游设备：

上游：以指定的LSR为视角，根据数据传送的方向，所有往本LSR发送MPLS报文的LSR都可以称为上游LSR。

下游：以指定的LSR为视角，根据数据传送的方向，本LSR将MPLS报文发送到的所有下一跳LSR都可以称为下游LSR。

建立LSP的方式

首先了解LSP中节点类型：（按标签转发功能划分）

Ingress：入节点，负责为接收到的IP报文压入标签并送入LSP隧道。
Transit：中间节点，节点负责以标签父撰的万式转发报文。
Egress：出节点，负责移除报文中的标签并将报文转发至IP网络。

一、静态LSP：

管理员通过手工方式为各个转发等价类分配标签建立转发隧道。（很少情况较少，标签使用范围16~1023）

建立静态LSP时，管理员为各LSR手工分配标签时需要遵循的原则是：前一节点(上游节点）出标签的值等于下一个节点（下游节点）入标签的值，具体要进行以下操作。在 Ingress节点配置此LSP的目的地址、下一跳和出标签的值。

在Transit配置此LSP的入接口、与上一节点出标签相等的入标签的值、对应的下一跳和出标签的值。在Egress配置此LSP的入接口及与上一节点出标签相等的入标签的值。

二、动态LSP：
通过标签发布协议（LDP）动态建立转发隧道。（一般使用，标签范围为1024即以上）

Egress路由器RTD为本地存在的路由分配标签，并将路由和标签的绑定关系主动发送给上游邻居路由器RTC。

路由器RTC收到下游邻居路由器RTD的路由和标签的绑定关系后，将其记录到LIB中，并将自己分配的标签和路由的绑定关系发送给上游邻居路由器RTB。

RTB执行相同的动作将标签和路由的绑定关系发送给上游邻居路由器RTA，RTA为Ingress路由器，没有上游邻居，因此动态的LSP完成建立。

参考资料：华为R&S培训资料、《HCIE路由交换培训指南》