MPLS基础和工作原理，看这一篇就够了！

Linux云计算网络 2021-12-21

什么是MPLS

简介

MPLS的工作原理

MPLS的实现原理

静态LSP的配置方法

简介

MPLS的起源

90年代中期，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。

如何结合IP与ATM的优点成为热门话题。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的定义

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，与ATM的VPI/VCI以及Frame Relay的DLCI类似。

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。MPLS起源于IPv4（Internet Protocol version 4），其核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPv6（Internet Protocol version 6）、IPX（Internet Packet Exchange）、Appletalk、DECnet、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，在一定程度上可以保证信息传输的安全性。

MPLS的工作原理

MPLS个工作原理主要包含两部分内容：

MPLS的体系结构是指运行MPLS的单个设备内部的独立工作原理。
MPLS的网络结构是指运行MPLS的多个设备互连的联合工作原理。

MPLS的体系结构

MPLS的体系结构由控制平面（Control Plane）和转发平面（Forwarding Plane）组成：

控制平面是无连接的，主要功能是负责标签的分配、LFIB（标签转发表，Lable Forwarding Information Base）的建立、 LSP（标签交换路径，Label Switched Path）的建立、拆除等工作。
转发平面也称为数据平面（Data Plane），是面向连接的，可以使用ATM、Ethernet等二层网络承载，主要功能是对IP包进行标签的添加和删除，同时依据标签转发表对收到的分组进行转发。

MPLS的体系结构如图1-1所示。

图1-1 MPLS体系结构示意图使用

A：IP路由协议建立邻居，交互路由信息，生成IP路由表。
B：标签交换协议从IP路由表中获取路由信息。IP路由表中的路由前缀匹配了FEC（转发等价类，Forwarding Equivalence Class），在传统的采用最长匹配算法的IP转发中，到同一条路由的所有报文就是一个FEC。
C：IP路由表中激活的最优路由生成IP转发表。
D：标签转换协议建立邻居，为FEC分配标签并发布给邻居，同时获取邻居发布的标签，生成标签转发表。

MPLS转发平面建立以后，设备中已经生成了IP转发表和标签转发表，就可以对于接收到的数据包进行转发，其过程如图1-2所示。

图1-2 MPLS转发数据包过程示意图

MPLS的网络结构

MPLS网络的典型结构如图1-3所示：

图1-3 MPLS网络结构示意图

MPLS网络的基本组成单元是标签交换路由器LSR（Label Switching Router）：

位于MPLS域边缘、连接其它网络的LSR称为边沿路由器LER（Label Edge Router），如果一个LSR有一个或多个不运行MPLS的相邻节点，那么该LSR就是LER。
区域内部的LSR称为核心LSR（Core LSR），如果一个LSR的相邻节点都运行MPLS，则该LSR就是核心LSR。

MPLS的实现原理

MPLS的实现原理是指：为FEC（转发等价类，Forwarding Equivalence Class）分配标签来建立LSP（标签交换路径，Label Switched Path）。

MPLS LSP

IP包在MPLS网络中经过的路径称为MPLS的LSP，即标签交换的路径，如图1-4所示。

图1-4 MPLS LSP

MPLS LSP是一个单向路径，与数据流的方向一致。

LSP的起始节点称为入节点（Ingress）：LSP的起始节点，一条LSP只能有一个Ingress。
Ingress的主要功能是给报文压入一个新的标签，封装成MPLS报文进行转发。
位于LSP中间的节点称为中间节点（Transit）：LSP的中间节点，一条LSP可能有0个或多个Transit。
Transit的主要功能是查找标签转发信息表，通过标签交换完成MPLS报文的转发。
LSP的末节点称为出节点（Egress）：LSP的末节点，一条LSP只能有一个Egress。
Egress的主要功能是弹出标签，恢复成原来的报文进行相应的转发。

其中Ingress和Egress既是LSR，又是LER；Transit是LSR。

根据数据传送的方向，LSR可以分为上游和下游。

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。

MPLS标签

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LSR上，一个标签只能代表一个FEC。

标签长度为4个字节，封装结构如图1-5所示。

图1-5 MPLS报文首部结构

标签共有4个域：

Label：20bit，标签值域。
Exp：3bit，用于扩展。现在通常用做CoS（Class of Service），其作用与Ethernet802.1p的作用类似。
BoS：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分组中的TTL（Time To Live）意义相同。

标签封装在链路层和网络层之间。这样，标签能够被任意的链路层所支持。标签在分组中的封装位置如图1-6所示。

图1-6 标签在分组中的封装位置

标签栈（Label stack）也称为多层标签，是指标签的排序集合，如图1-7所示。靠近二层首部的标签称为栈顶标签或外层标签；靠近IP首部的标签称为栈底标签，或内层标签。理论上，MPLS标签可以无限嵌套。

图1-7 标签栈

标签栈按后进先出（Last In First Out）方式组织标签，从栈顶开始处理标签。

标签的操作类型包括标签压入（Push）、标签交换（Swap）和标签弹出（Pop），它们是标签转发的基本动作，是标签转发信息表的组成部分。

Push：指当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报文的标签去掉；或者MPLS倒数第二跳节点处去掉栈顶标签，减少标签栈中的标签数目。

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。PHP在Egress节点上配置，通过分配特殊的标签值3来实现。标签值3表示隐式空标签（implicit-null），这个值不会出现在标签栈中。当一个LSR发现自己被分配了隐式空标签时，它并不用这个值替代栈顶原来的标签，而是直接执行Pop操作。Egress节点直接进行IP转发或下一层标签转发。

分配标签来建立LSP

MPLS需要为报文事先分配好标签，建立一条MPLS LSP，才能进行报文转发。标签由下游分配，按从下游到上游的方向分发。

如图1-8所示，由下游LSR在IP路由表的基础上进行FEC的划分，并将标签分配给特定FEC，再通过标签发布协议通知上游LSR，以便建立标签转发表和LSP。

图1-8 MPLS LSP的建立

LSP分为静态LSP和动态LSP两种：静态LSP由手工配置，动态LSP则利用路由协议和标签发布协议动态建立。

MPLS可以使用多种标签发布协议，例如LDP（Label Distribution Protocol）、RSVP-TE（Resource Reservation Protocol Traffic Engineering）和MP-BGP（Multiprotocol Border Gateway Protocol）。

LDP是专为标签发布而制定的协议，也是其中使用较广的一种。LDP规定了标签分发过程中的各种消息以及相关的处理过程。LSR之间将依据转发表中对应于一个特定FEC的入标签、下一跳节点、出标签等信息联系在一起，从而形成标签交换路径LSP。

参考来源：

https://support.huawei.com/enterprise/zh/doc/EDOC1100118965

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