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1. MultiProtocol Label Switching（多协议标签交换）特征

  • MPLS 起源于 IPv4，后续扩展到多种网络协议（IPv6、IPX、CLNP 等），最初是为了提高路由器的转发速度而提出的，引入了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，发挥了 IP 路由的灵活性和二层交换的简捷性。相比传统 IP 路由方式相比，在数据转发时，只在网络边缘分析 IP Header，而不用在每一跳都分析 IP Header，因此节约了数据转发的处理时间。，在 MPLS 之前还有一个 ATM 技术，采用定长标签，由于部署成本高和协议相对复杂而导致没有普及
  • MPLS 是一种 IP 骨干网技术，实际上是一种隧道技术（LSP 标签交换路径），可以通过多层标签形成标签栈。而且在专网属性上一定程度保证信息传输的安全性
  • 信元模式的 MPLS 已经被淘汰
  • 以太帧封装 Type 类型
    • 0x8847 MPLS 单播
    • 0x8848 MPLS 组播
  • PPP 封装 Type 类型
    • 0x8281 MPLS 单播
    • 0x8283 MPLS 组播
  • MPLS 现网的应用
    • MPLS VPN
    • MPLS TE（服务于 MPLS VPN）
    • MPLS MP
    • MPLS QoS（服务于 MPLS VPN）
  • 分发标签的协议
    • 静态方式分发标签
    • LDP（标签分发协议）：为 IGP 分发标签
    • RSVP（资源预留协议）：用于 MPLS TE（MPLS 流量工程）
    • MP-BGP 多协议 BGP：为 BGP 单播路由分发标签
    • SR（Segment Routing）：Cisco、Huawei 新的标签协议，标签是全局有效
  • MPLS 主要是实现了转控分离
    • 控制层面：路由协议、标签的分发协议
    • 转发层面：FIB（转发信息库）、LFIB（标签转发信息库）

      2. MPLS 结构

1）MPLS 网络结构

任何设备都有多个角色，要看数据传输到哪里（因为 MPLS 是单向的建立 LSP）

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MPLS Domain：由一系列连续的 LSR 构成 MPLS 域
LSR（Label Switch Router）：标签交换路由器，在网络中交换标签和报文转发的设备
Transit LSR（中转 LSR）：交换标签 Swap，查看LFIB转发标签
LER（Label Edge Router）：边缘路由器，在网络边缘执行压入标签或弹出标签处理的设备（有非 MPLS 邻居的设备）
Ingress LSR（入站 LSR）：压入标签 Push，查看FIB进行转发
Egress LSR（出站 LSR）：弹出标签 Pop，查看LFIB后移除标签再查FIB转发（会增加PE设备负担）
LSP（Label Switched Path）：标签交换路径，是标签报文到达目的地的转发路径（经过的设备）。LSP 是单方向的，没有入接口，只有出接口

2）MPLS 体系结构

FEC（转发等价类）：类似于目的 IP，对应的是一组相同特征的数据流，其实在这里就是指路由前缀（去往同一地址目的地的，具有相同转发性质的报文）。LDP 会为每个 FEC 分配一个 Label

MPLS - 图3

  • 控制平面：负责产生和维护路由信息以及标签信息
    • RIB（路由表）：由 IP 路由协议生成，用于选择路由
    • LDP（标签分发协议）：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，依赖 IGP 的路由表
    • LIB（标签表）：由标签分发协议生成，存储的是邻居分发的标签，包含所有标签，无论是优选的标签还是次优的标签（类似于 IGP 的 LSDB）
  • 转发平面：即数据平面，负责普通 IP 报文的转发以及带 MPLS 标签报文的转发
    • FIB（转发表）：由 RIB 和 LDP 协议共同组成，负责普通报文的转发，包含了出接口、下一跳地址、标签等。FIB 中 Tunnel ID ≠ 0 则用标签转发
    • LFIB（标签转发表）：由标签分发协议在 LSR 上建立，只负责带 MPLS 标签报文的转发

      3. MPLS 标签

MPLS 报文与普通的 IP 报文相比在二层和三层之间增加了 MPLS 标签信息，MPLS 标签的长度为「4」个字节（每层）。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 标签只有本设备有效

1）MPLS 标签格式

MPLS 支持多标签嵌套，当有多层标签封装时就构成了一个「标签栈」。靠近二层头部的标签称为「外层标签」，靠近 IP头部的称为「内层标签」

MPLS - 图4
MPLS 标签格式解析

  • Label：20bit，标签空间，就是标签的取值范围
  • Exp：3bit，用于做 CoS，对应 IP 报文中的 ToS 或 DSCP。当设备阻塞时，优先发送优先级高的报文
  • S：1bit，栈底标识
    • S =1：表示最后一层标签
    • S = 0：不是最后一层标签

  • TTL：8bit，和 IP 报文中的 TTL 意义相同，可以相互拷贝 TTL

    2）标签范围

  • 0 ～ 15：特殊标签

  • 16 ～ 1023：静态分配的标签
  • 1024 以上：标签分发协议动态产生

    3）特殊标签

    | 标签值 | 含义 | 描述 | | —- | —- | —- | | 0 | IPv4 显示空标签 | 表示该标签必须被弹出，且报文进行 IPv4 转发 | | 1 | 路由器警报标签 | 只有出现在非栈底时才有效 | | 2 | IPv6 显示空标签 | 表示该标签必须被弹出，且报文进行 IPv6 转发 | | 3 | 隐式空标签 | 表示在次末跳时弹出标签 | | 14 | OAM 路由器报警标签 | 通过发送 OAM 报文检测和通告 LSP 故障 |

4. LSP 的建立和转发

1）LSP 的建立

按照从下游 LSR 到上游 LSR 的方向分发 Label，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 LSR 建立 LFIB 和 LSP

  • 静态建立 LSP：手工定义的 LSP 转发路径
  • LDP 建立 LSP：根据 IGP、BGP 路由信息通过逐跳方式建立 LSP
  • RSVP 建立 LSP：用于建立基于约束的 LSP
  • MP-BGP 建立 LSP：是在 BGP 协议基础上扩展的协议，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

    2）LSP 的角色和转发

    • 把 IGP 下一跳的 Label 放入 LFIB，用于标签转发。一个设备可以可以有多种角色
    • FIB、ILM 和 NHLFE 表项是通过 Tunnel ID 关联的

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  • Tunnel ID：为使用隧道的上层应用（如VPN、路由管理）提供统一的接口，只本地有效
  • 下一跳标签转发表项（NHLFE）：用于指导 MPLS 报文的转发。包括 Tunnel ID、出接口、下一跳、出标签、标签操作类型等
  • 入标签映射（ILM）：入标签到一组下一跳标签转发表项，ILM 在 Transit 节点的作用是将标签和 NHLFE 绑定，通过标签索引 ILM 表，就相当于使用目的 IP 地址查询 FIB，能够得到所有的标签转发信息。包括 Tunnel ID、出接口、下一跳、出标签、标签操作类型等
  • 入口 PE 设备（Ingress）：标签行为是 PUSH「压入标签」。IP 报文进入 MPLS 域，查看 FIB，根据目的 IP 地址找到对应的 Tunnel ID，然后进行转发
  • 传输 P 设备（Transit）：标签行为是 SWAP「交换标签」，查看 LFIB 交换标签进行转发
  • 出口 PE 设备（Egress）：标签行为是 POP「弹出标签，隐式空标签」，每次只能弹出一层标签
  • Untag/No Label（没有标签）：出现问题，导致无法转发数据。在 MPLS VPN环境中只能丢弃报文
  • Aggregate（聚合）：把报文拿掉 MPLS 之后转发给一个 VRF 接口

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