MPLS

MPLS基础

基础简介

　　定义：多协议标签交换MPLS（Multiprotocol Label Switching）是一种IP骨干网技术。MPLS位于TCP/IP协议栈中的链路层和网络层之间，用于向IP层提供连接服务，同时又从链路层得到服务。MPLS以标签交换替代IP转发，标签是一个短而定长的、只具有本地意义的连接标识符。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。

　　IP技术凭借技术简单和成本低廉实现快速发展，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（即信元），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ATM技术很难普及。多协议标签交换技术MPLS（Multiprotocol Label Switching）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（Virtual Private Network）、流量工程、QoS（Quality of Service）等方面得到广泛应用。　　

　　MPLS起源于IPv4，其核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPv6、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。　　

　　MPLS不局限于任何特定的链路层协议，能够使用任意二层介质传输网络分组。

基本概念

1. 转发等价类，FEC（Forwarding Equivalence Class）
　　MPLS作为一种分类转发技术，将具有相同转发处理方式的分组归为一类，称为FEC。相同FEC的分组在MPLS网络中将获得完全相同的处理。

　　FEC的划分方式非常灵活，可以是以源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议类型或VPN等为划分依据的任意组合。例如，在传统的采用最长匹配算法的IP转发中，到同一个目的地址的所有报文就是一个FEC。

2.标签（Label）

　　标签是一个短而定长的、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标签的封装结构如下图所示。

　　　　

　　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。
　　标签栈（Label Stack）是指标签的排序集合。如上图所示，靠近二层首部的标签称为栈顶MPLS标签或外层MPLS标签（Outer MPLS label）；靠近IP首部的标签称为栈底MPLS标签或内层MPLS标签（Inner MPLS label）。理论上，MPLS标签可以无限嵌套。目前MPLS标签嵌套主要应用在MPLS VPN中。

　　标签栈按后进先出方式组织标签，从栈顶开始处理标签。

3. 标签交换路由器，LSR（标签交换路由器）
　　LSR是进行MPLS标签交换和报文转发的网络设备，也是MPLS网络中的基本元素。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）。
4. 标签交换路径，LSP（Label Switched Path）
　　一个转发等价类在MPLS网络中经过的路径称为LSP。在一条LSP上，沿数据传送的方向，相邻的LSR分别称为上游LSR和下游LSR。
　　LSP在功能上与ATM和帧中继（Frame Relay）的虚电路相同，是从MPLS网络的入口到出口的一个单向路径。LSP中的每个节点由LSR组成。
5. 标签分发协议，LDP（Label Distribution Protocol）
　　LDP是MPLS的控制协议，它相当于传统网络中的信令协议，负责FEC的分类、标签的分配以及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，包括专为标签发布而制定的协议，例如：LDP、CR-LDP（Constraint-Based Routing using LDP，基于约束路由的LDP）；也包括现有协议扩展后支持标签发布的，例如：BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）、RSVP（Resource Reservation Protocol，资源预留协议）。同时，还可以手工配置静态LSP。
6. LSP隧道技术
　　MPLS支持LSP隧道技术。
　　一条LSP的上游LSR和下游LSR，尽管它们之间的路径可能并不在路由协议所提供的路径上，但是MPLS允许在它们之间建立一条新的LSP，这样，上游LSR和下游LSR分别就是这条LSP的起点和终点。这时，上游LSR和下游LSR间的LSP就是LSP隧道，它避免了采用传统的网络层封装隧道。
　　如果隧道经由的路由与逐跳从路由协议中取得的路由一致，这种隧道就称为逐跳路由隧道（Hop-by-Hop Routed Tunnel）；否则称为显式路由隧道（Explicitly Routed Tunnel）。
7. 多层标签栈
　　如果分组在超过一层的LSP隧道中传送，就会有多层标签，形成标签栈（Label Stack）。在每一隧道的入口和出口处，进行标签的入栈（PUSH）和出栈（POP）操作。
　　标签栈按照“后进先出”（Last-In-First-Out）方式组织标签，MPLS从栈顶开始处理标签。
　　MPLS对标签栈的深度没有限制。若一个分组的标签栈深度为m，则位于栈底的标签为1级标签，位于栈顶的标签为m级标签。未压入标签的分组可看作标签栈为空（即标签栈深度为零）的分组。

原理描述

1.基本结构

　　1）网络结构

　　MPLS网络的典型结构如下所示。

　　　　

　　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。

　　如上图，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。

　　2）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。

　　 　　

　　※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。

2.MPLS标签的发布和转发

　　1）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。

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

　　 

　　2）MPLS 转发

　　MPLS 基本转发过程

　　MPLS标签转发的3个基本动作：包括标签压入（Push）、标签交换（Swap）和标签弹出（Pop）。

• 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。

　　以支持PHP的LSP为例，说明MPLS基本转发过程。

　　 　　

　　如上图，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。

LDP

　　LDP是标签发布协议的一种，用来动态建立LSP。通过LDP，LSR可以把网络层的路由信息映射到数据链路层的交换路径上。

1.基本概念

• LDP会话：LDP会话建立在TCP连接之上，用于在LSR之间交换标签映射、标签释放、差错通知等消息。

• LDP对等体：LDP对等体是指相互之间存在LDP会话，并通过LDP会话交换标签－FEC映射关系的两个LSR。

2.LDP协议的四类消息：

• 发现（Discovery）消息：用于通告和维护网络中LSR的存在；
• 会话（Session）消息：用于建立、维护和终止LDP对等体之间的会话；
• 通告（Advertisement）消息：用于创建、改变和删除“标签—FEC”映射关系；
• 通知（Notification）消息：用于提供建议性的消息和差错通知。

　　为保证LDP消息的可靠发送，除了发现消息使用UDP传输外，LDP的会话消息、通告消息和通知消息都使用TCP传输。

3.LDP工作过程的四个阶段：

　　1）发现阶段

　　所有希望建立LDP会话的LSR都周期性地发送Hello消息，通告自己的存在。通过Hello消息，LSR可以自动发现它的LDP对等体。

　　LDP对等体发现机制分为两种：

• 基本发现机制：用于发现本地的LDP对等体，即通过链路层直接相连的LSR，并与其建立Link hello邻接关系。这种方式下，LSR周期性地向“子网内所有路由器”的组播地址224.0.0.2发送LDP链路Hello消息，以便链路层直接相连的LSR发现此LDP对等体。
• 扩展发现机制：用于发现远端的LDP对等体，即不通过链路层直接相连的LSR，并与其建立Targeted hello邻接关系。这种方式下，LSR周期性地向指定的IP地址发送LDP目标Hello消息，以便指定IP地址对应的LSR发现此LDP对等体。

　　两个LSR为基本发现机制和扩展发现机制配置的传输地址（用来建立TCP连接的源IP地址）相同时，这两个LSR之间可以同时建立Link hello邻接关系和Targeted hello邻接关系，并且Link hello邻接关系和Targeted hello邻接关系关联到同一个会话。在LDP对等体之间存在直连（只有一跳）和非直连（多于一跳）多条路径的组网环境中，同时建立Link hello邻接关系和Targeted hello邻接关系可以实现利用扩展发现机制来保护与对等体的会话。当直连链路出现故障时，Link hello邻接关系将被删除。如果此时非直连链路正常工作，则Targeted hello邻接关系依然存在，因此，LDP会话不会被删除，基于该会话的FEC—标签绑定等信息也不会删除。直连链路恢复后，不需要重新建立LDP会话、重新学习FEC—标签绑定等信息，从而加快了LDP收敛速度。

　　两个LSR为基本发现机制和扩展发现机制配置的传输地址不同时，如果在这两个LSR之间已经建立了一种邻接关系，则无法再建立另一种邻接关系。

　　2）会话建立与维护

　　发现LDP对等体后，LSR开始建立会话。这一过程又可分为两步：

• 建立传输层连接，即在LSR之间建立TCP连接；
• 对LSR之间的会话进行初始化，协商会话中涉及的各种参数，如LDP版本、标签发布方式、Keepalive定时器值等。

　　会话建立后，LDP对等体之间通过不断地发送Hello消息和Keepalive消息来维护这个会话。

　　3） LSP建立与维护

　　LDP通过发送标签请求和标签映射消息，在LDP对等体之间通告FEC和标签的绑定关系，从而建立LSP。

　　4）会话撤销

　　在以下情况下，LSR将撤销LDP会话：

• LSR通过周期性发送Hello消息表明自己希望与邻居LSR继续维持这种邻接关系。如果Hello保持定时器超时仍没有收到新的Hello消息，则删除Hello邻接关系。一个LDP会话上可能存在多个Hello邻接关系。当LDP会话上的最后一个Hello邻接关系被删除后，LSR将发送通知消息，结束该LDP会话。
• LSR通过LDP会话上传送的LDP PDU（LDP PDU中携带一个或多个LDP消息）来判断LDP会话的连通性。如果在会话保持定时器（Keepalive定时器）超时前，LDP对等体之间没有需要交互的信息，LSR将发送Keepalive消息给LDP对等体，以便维持LDP会话。如果会话保持定时器超时，没有收到任何LDP PDU，LSR将关闭TCP连接，结束LDP会话。
• LSR还可以发送Shutdown消息，通知它的LDP对等体结束LDP会话。因此，LSR收到LDP对等体发送的Shutdown消息后，将结束与该LDP对等体的会话。

基于MPLS的VPN

　　传统VPN一般是通过GRE（Generic Routing Encapsulation）、L2TP（Layer 2 Tunneling Protocol）、PPTP（Point to Point Tunneling Protocol）等隧道协议来实现私有网络间数据在公网上的传送，而MPLS LSP是通过标签交换形成的隧道，数据报文不再经过封装或者加密，因此，用MPLS实现VPN具有天然的优势。

　　基于MPLS的VPN可以创建一个安全性类似于FR（Frame Relay）网络的专用网。用户设备无需为VPN配置GRE、L2TP等隧道，网络时延被降到最低。

　　基于MPLS的VPN通过LSP将私有网络的不同分支联结起来，形成一个统一的网络，如下图所示。基于MPLS的VPN还支持对不同VPN间的互通控制。下图中：

• CE（Customer Edge）是用户边缘设备，可以是路由器，也可以是交换机或主机。

• PE（Provider Edge）是IP/MPLS骨干网的边缘设备。

• P（Provider）是IP/MPLS骨干网的骨干设备，不与CE直接相连。P设备只需要具备基本MPLS转发能力，不维护VPN信息。

　　

　　基于MPLS的VPN具有以下特点：

• PE负责对VPN用户进行管理、建立各PE间LSP连接、同一VPN用户各分支间路由信息发布。

• PE之间发布VPN用户路由信息通常是用MP-BGP协议实现。

• 支持不同分支间IP地址复用和不同VPN间互通。

MPLS 对TTL 的处理
　　MPLS对TTL的处理模式
　　MPLS标签中包含一个8比特的TTL字段，其含义与IP头中的TTL域相同。MPLS对TTL的处理除了用于防止产生路由环路外，也用于实现Traceroute功能。RFC3443中定义了两种MPLS对TTL的处理模式：Uniform和Pipe。缺省情况下，MPLS对TTL的处理模式为Uniform。　　

　　Uniform模式
　　IP报文经过MPLS网络时，在入节点，IP TTL减1映射到MPLS TTL字段，此后报文在MPLS网络中按照标准的TTL处理方式处理。在出节点将MPLS TTL减1后映射到IP TTL字段。如下图所示。

　　  

 　　Pipe模式

　　在入节点，IP TTL值减1，MPLS TTL字段为固定值，此后报文在MPLS网络中按照标准的TTL处理方式处理。在出节点会将IP TTL字段的值减1。即IP分组经过MPLS网络时，无论经过多少跳，IP TTL只在入节点和出节点分别减1。如下图所示。

　　

 　　在MPLS VPN应用中，出于网络安全的考虑，需要隐藏MPLS骨干网络的结构，这种情况下，对于私网报文，Ingress上使用Pipe模式。　　

　　ICMP响应报文

　　在MPLS网络中，当LSR收到TTL为1的含有标签的MPLS报文时，LSR生成ICMP的TTL超时消息。

　　LSR将TTL超时消息回应给报文发送者的方式有两种：

• 如果LSR上存在到达报文发送者的路由，则可以通过IP路由，直接向发送者回应TTL超时消息。
• 如果LSR上不存在到达报文发送者的路由，则ICMP响应报文将按照LSP继续传送，到达LSP出节点后，由Egress节点将该消息返回给发送者。

　　通常情况下，收到的MPLS报文只带一层标签时，LSR可以采用第一种方式回应TTL超时消息；收到的MPLS报文包含多层标签时，LSR采用第二种方式回应TTL超时消息。

　　但是，在MPLS VPN中，ASBR（Autonomous System Boundary Router，自治系统边界路由器），接收到的承载VPN报文的MPLS报文可能只有一层标签，此时，这些设备上并不存在到达报文发送者的路由，则采用第二种方法回应TTL超时消息。 

　　LSP连通性检测

　　在MPLS网络中，如果通过LSP转发数据失败，负责建立LSP的MPLS控制平面将无法检测到这种错误，加大了网络维护的难度。MPLS Ping/MPLS Tracert为用户提供了发现LSP错误、并及时定位失效节点的机制。

　　MPLS Ping主要用于检查LSP的连通性。MPLS Tracert在检查LSP的连通性的同时，还可以分析网络什么地方发生了故障。类似于普通IP的Ping/Tracert，MPLS Ping/MPLS Tracert使用MPLS回显请求（Echo Request）报文和MPLS回显应答（Echo Reply）报文检测LSP的可用性。这两种消息都以UDP报文格式发送，其中Echo Request的UDP端口号为3503，该端口号只有使能MPLS功能的设备才能识别。

　　MPLS Echo Request中携带需要检测的FEC信息，和其他属于此FEC的报文一样沿LSP发送，从而实现对LSP的检测。MPLS Echo Request报文通过MPLS转发给目的端，而MPLS Echo Reply报文则通过IP转发给源端。另外为了防止LSP断路时Echo Request进行IP转发，从而保证LSP的连通性测试，将Echo Request消息的IP头中目的地址设置为127.0.0.1/8（本机环回地址），IP头中的TTL值为1。

　　MPLS Ping 

　　

　　如上图，LSR_1上建立了一条目的地为LSR_4的LSP。从LSR_1对该LSP进行MPLS Ping时的处理如下：

1. LSR_1查找该LSP是否存在。如果不存在，返回错误信息，停止Ping。如果存在，则继续进行以下操作。
2. LSR_1构造MPLS Echo Request报文，IP头中的目的地址为127.0.0.1/8，IP头中的TTL值为1，同时将4.4.4.4填入Echo Request报文中的目的FEC中。然后查找相应的LSP，压入LSP的标签，将报文发送给LSR_2。
3. 中间节点LSR_2和LSR_3对MPLS Echo Request报文进行普通MPLS转发。如果中间节点MPLS转发失败，则中间节点返回带有错误码的MPLS Echo Reply报文。
4. 当MPLS转发路径无故障，则MPLS Echo Request报文到达LSP的出节点LSR_4。然后检查目的FEC中包含的目的地址4.4.4.4是否为自己的Loopback接口地址，以此来确认LSR_4是该FEC的真正出口后，返回正确的MPLS Echo Reply报文。至此整个MPLS Ping过程结束。

　　MPLS Tracert

　　如上图，从LSR_1对4.4.4.4/32进行MPLS Tracert时的处理如下：

1. LSR_1检查LSP是否存在。如果不存在，返回错误信息，停止Tracert，否则继续进行如下处理。
2. LSR_1构造MPLS Echo Request报文，IP头中的目的地址为127.0.0.1/8，同时将4.4.4.4填入MPLS Echo Request报文中的目的FEC中，然后查找相应的LSP，压入LSP的标签并且将MPLS TTL设置为1，将报文发送给LSR_2。此MPLS Echo Request报文中包含Downstream Mapping TLV（用来携带LSP在当前节点的下游信息，主要包括下一跳地址、出标签等）。
3. LSR_2收到LSR_1发送来的报文后，将MPLS Echo Request中MPLS TTL减1为0后发现TTL超时，然后LSR_2需要检查是否存在该LSP，同时检查报文中Downstream Mapping TLV的下一跳地址、出标签是否正确，如果两项检查都正确，返回正确的MPLS Echo Reply报文，并且报文中必须携带LSR_2本身的包含下一跳和出标签的Downstream Mapping TLV给LSR_1。如果检查有不正确，则返回错误的MPLS Echo Reply报文。
4. LSR_1收到正确的MPLS Echo Reply报文后再次发送MPLS Echo Request报文，报文的封装方式跟步骤2类似，只是将LSP标签的MPLS TTL设置为2，此时的MPLS Echo Request报文中的Downstream Mapping TLV是从MPLS Echo Reply报文中复制过来的。然后LSR_2收到该报文后进行普通MPLS转发。LSR_3收到此报文，标签的TTL超时，跟步骤3同样的处理方式后返回MPLS Echo Reply报文。
5. LSR_1收到正确的MPLS Echo Reply报文后重复步骤4把LSP标签的MPLS TTL设置为3，复制Downstream Mapping TLV后发送MPLS Echo Request报文。LSR_2和LSR_3对该报文进行普通MPLS转发。LSR_4收到此报文，重复步骤3处理方式对报文进行处理，同时检查目的FEC中包含的目的IP 4.4.4.4为自己的Loopback接口地址，以此来发现已经是该LSP的出节点，因此返回不带下游信息的MPLS Echo Reply报文，至此整个MPLS Tracert过程结束。

　　通过上述步骤中返回携带下游信息的MPLS Echo Reply报文，在LSR_1上就获取了该LSP沿途每一个节点信息。