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。

1. 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。

2. 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。

3. 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。

1. 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。
2. 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：

1. 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。
2. 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：

1. 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。
2. 标签3:隐式空标签。
3. 标签14:OAM路由器报警标签。
4. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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》