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MPLS基础介绍

发布: 2023年2月14日 10:17:50

MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多协议标签交换）位于TCP/IP协议栈中的链路层和网络层之间，以标签交换替代IP转发。用于向IP层提供连接服务，同时又从链路层得到服务。

MPLS不局限于特定的链路层协议，能够使用任意二层介质传输网络分组。MPLS的核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPv6、IPX、Appletalk、DECnet、CLNP等。它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基本概念

MPLS网络结构

MPLS网络的典型结构如图1所示，其基本组成单元是标签交换路由器LSR（Label Switching Router）。LSR是指可以进行MPLS标签交换和报文转发的网络设备，也称为MPLS节点。

图1 MPLS网络结构

由LSR构成的网络区域称为MPLS域，根据LSR在MPLS域中位置的不同，可将LSR分为边沿路由器LER和核心LSR（Core LSR）。

  • LER：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有一个不运行MPLS的相邻节点，那么该LSR就是LER。

  • Core LSR：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。

转发等价类

转发等价类FEC（Forwarding Equivalence Class）是一组具有某些共性的数据流的集合。这些数据流在转发过程中被LSR以相同方式处理。

FEC可以根据地址、业务类型、QoS等要素进行划分。例如，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转发等价类。

标签

标签（Label）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，对应一个FEC可能会有多个入标签，但是一台路由器上，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2所示。

图2 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。

  • 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3所示。

图3 标签在分组中的封装位置

标签栈

标签栈（Label stack）是指标签的排序集合。MPLS报文支持同时携带多个标签，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4 标签栈

标签栈按后进先出方式组织标签，从栈顶开始处理标签。

标签操作类型

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）。

  • 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。

  • 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。

标签交换路径

标签交换路径：一个转发等价类在MPLS网络中经过的路径称为标签交换路径LSP（Label Switched Path）。

LSP是从入口到出口的一个单向路径。如图5所示，LSP中的LSR可以分为入节点、中间节点和出节点

图5 MPLS LSP

  • 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。

  • 中间节点（Transit）：LSP的中间节点，一条LSP可能有多个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。

  • 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；由此可见，由LER负责对进入MPLS域的报文划分FEC，并为这些FEC压入标签，进行MPLS转发。当报文离开MPLS域时弹出标签，恢复成原来的报文，再进行相应的转发。

倒数第二跳弹出

在最后一跳节点，标签已经没有使用价值，所以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，最后一跳节点直接进行IP转发或者下一层标签转发，从而减少最后一跳的负担。

PHP在Egress节点上配置。PHP的Egress节点分配给倒数第二跳节点一个特殊的标签：标签值3。当一个LSR发现自己被分配了标签值为3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。

上游和下游

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。

如图6所示，对于发往192.168.1.0/24的数据流来说，LSR-A是LSR-B的上游节点，LSR-B是LSR-A的下游节点。同理，LSR-B是LSR-C上游节点。LSR-C是LSR-B的下游节点。

图6 上游和下游概念

标签分发

将目的地址相同的分组报文划分为一个FEC，然后从MPLS标签资源池中取出一个标签，分配给这个FEC。LSR记录该标签和FEC的对应关系，并将该对应关系封装成消息报文，通告给上游的LSR，这个过程称为标签分发。

图7 标签分发示意图

如图7，LSR-B和LSR-C对去往192.168.1.0/24的报文划分为一个FEC，然后为该FEC分配标签，并向上游通告。由此可见，标签是由下游向上游分配的。

标签发布协议

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，例如LDP、RSVP-TE和MP-BGP。

  • LDP（Label Distribution Protocol）是专为标签发布而制定的协议。它利用沿途各LSR路由转发表中的信息来确定下一跳，通过逐跳方式建立LSP。

    虽然LDP是专门用来实现标签分发的协议，但LDP并不是唯一的标签分发协议。通过对BGP、RSVP等已有协议进行扩展，也可以支持MPLS标签的分发。

  • RSVP-TE(Resource Reservation Protocol Traffic Engineering）

    资源预留协议RSVP是为Integrated Service模型而设计的，用于在一条路径的各节点上进行资源预留。RSVP工作在传输层，但不参与应用数据的传送，是一种网络上的控制协议，类似于ICMP。

    为了能够建立基于约束的LSP，对RSVP协议进行了扩展。扩展后的RSVP信令协议称为RSVP-TE信令协议，主要用于建立TE隧道。它拥有普通LDP LSP没有的功能，如发布带宽预留请求、带宽约束、链路颜色和显式路径等。

  • MP-BGP（Multiprotocol Border Gateway Protocol）是在BGP协议基础上扩展的协议。MP-BGP引入Community属性，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。

MPLS的体系结构

MPLS的体系结构由控制平面和转发平面组成。MPLS体系结构如图8所示。

图8 MPLS体系结构示意图

  • 控制平面是依赖IP路由的，即控制协议报文是通过IP路由进行传输的，主要功能是负责标签的分配、标签转发表的建立、标签交换路径的建立、拆除等工作。

  • 转发平面也称为数据平面，是不依赖IP路由的，可以使用ATM、Ethernet等二层网络。转发平面的主要功能是对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。

LSP的基本建立过程

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。

标签由下游分配，按从下游到上游的方向分发。如图9，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9 LSP建立

LSP分为静态LSP和动态LSP两种。

  • 静态LSP由管理员手工配置

  • 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、RSVP-TE和MP-BGP。

MPLS转发

基本转发过程

以支持PHP的LSP为例，说明MPLS报文的基本转发过程。

图10 MPLS标签分发和报文转发
 

如图10，MPLS建立了一条LSP，其目的地址为3.3.3.3/32。则MPLS报文转发大体过程如下：

  1. Ingress节点收到目的地址为3.3.3.3/32的IP报文，添加标签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弹出，换成标签Y。

  3. 倒数第二跳Transit节点收到带标签Y的报文。因Egress分给它的标签值为3，进行PHP操作，弹出标签Y并转发报文。从倒数第二跳到Egress之间报文以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3.3.3.3/32。

具体转发流程

当IP报文进入MPLS域时，首先查看FIB表，检查目的IP地址对应的Tunnel ID值是否为0x0。

  • 如果Tunnel ID值为0x0，则进入正常的IP转发流程。

  • 如果Tunnel ID值不为0x0，则进入MPLS转发流程。

说明：

Tunnel ID:为了给使用隧道的上层应用（如VPN、路由管理）提供统一的接口，系统自动为各种隧道分配了一个ID，也称为Tunnel ID。该Tunnel ID只是本地有效。

图11 MPLS转发流程

MPLS转发流程如图11所示，报文转发过程如下：

1. 在Ingress，通过查询FIB表和NHLFE表指导报文的转发。

Ingress节点的处理流程如下：

  1. 查看FIB表，根据目的IP地址找到对应的Tunnel ID。

  2. 根据FIB表的Tunnel ID找到对应的NHLFE表项，将FIB表项和NHLFE表项关联起来。

  3. 查看NHLFE表项，可以得到出接口、下一跳、出标签和标签操作类型，标签操作类型为Push。

  4. 在IP分组报文中压入获得的标签，并根据QoS策略处理EXP，同时处理TTL，然后将封装好的MPLS分组报文发送给下一跳。

说明：

NHLFE（Next Hop Label Forwarding Entry）下一跳标签转发表项包括：Tunnel ID、出接口、下一跳、出标签、标签操作类型等信息，用于指导MPLS报文的转发。

2. 在Transit，通过查询ILM表和NHLFE表指导MPLS报文的转发。

Transit节点收到MPLS报文后的处理：

  1. 根据MPLS的标签值查看对应的ILM表，可以得到Token。

  2. 根据ILM表的Token找到对应的NHLFE表项。

  3. 查看NHLFE表项，可以得到出接口、下一跳、出标签和标签操作类型。

     如果标签值>＝16，则标签操作类型为Swap。

     如果标签值为3，则标签操作类型为Pop。

  4. MPLS报文的处理方式根据不同的标签值而不同。

    如果标签值>＝16，则用新标签替换MPLS分组报文中的旧标签，同时处理EXP和TTL，然后将替换完标签的MPLS分组报文发送给下一跳。

    如果标签值为3，则直接弹出标签，同时处理EXP和TTL，然后进行IP转发或下一层标签转发。

说明：

ILM（Incoming Label Map，入标签映射）：入标签到一组下一跳标签转发表项的映射，包括：Tunnel ID、入标签、入接口、标签操作类型等信息。

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。

3. 在Egress，通过查询ILM表指导MPLS报文的转发。

Egress节点收到MPLS报文后，查看ILM表获得标签操作类型，同时处理EXP和TTL。

  1. 如果标签中的S=1，表明该标签是栈底标签，直接进行IP转发。

  2. 如果标签中的S=0，表明还有下一层标签，继续进行下一层标签转发。

MPLS对TTL的处理

MPLS标签中包含一个8位的TTL域，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。

相关标准中定义了两种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Pipe。

Uniform模式

IP分组经过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。如图12所示。

图12 Uniform模式下TTL的处理

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。

图13 Pipe模式下TTL的处理

基于MPLS的VPN

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，如图14所示。基于MPLS的VPN还支持对不同VPN间的互通控制。图14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）是服务商边缘节点，位于骨干网络。

在骨干网络中，还存在P（Provider），是服务提供商网络中的骨干节点，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。

图14 基于MPLS的VPN

基于MPLS的VPN具有以下特点：

  1. PE负责对VPN用户进行管理、建立各PE间LSP连接、同一VPN用户各分支间路由分派。

  2. PE间的路由分派通常是用LDP或MBGP协议实现。

  3. 支持不同分支间IP地址复用和不同VPN间互通。

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