MPLS

Why MPLS?

在20世纪90年代中期，随着IP网络的快速发展，Internet数据量急剧增长。由于当时的硬件技术存在限制，基于最长匹配算法的IP技术必须使用软件方法查找路由，转发性能低下，所以IP的转发性能成为当时限制网络发展的瓶颈。在这种背景下，IETF提出了MPLS协议。MPLS最初的目的就是为了提升IP网络中路由设备的转发速率。

IP路由与MPLS转发方式对比

与传统的IP路由方式相比，MPLS通过以下两种方式提升转发速率：

• 将查找庞大的IP路由表转化为简洁的标签交换，显著减少指导报文转发的时间。
• 当报文进入MPLS区域之后，只需在位于边缘的入、出节点解析IP报文头，封装或解封装标签，而在中间的所有节点上都无需解析IP报文头，只进行标签交换，进一步节约了转发报文的处理时间。

后来，随着ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）技术的迅速发展，IP路由表查找逐步改用硬件方法，处理速度大大提高，这使得MPLS在提高IP网络转发速率方面不再具备明显的优势。

但是，MPLS的标签转发本质上是一种隧道技术，它还支持封装多层标签，并且MPLS天然兼容多种网络层和链路层协议，因此，MPLS非常适合在各种VPN业务中充当公网隧道。此外，由于MPLS的报文转发依靠一条固定的标签交换路径，所以MPLS是一种面向连接的转发技术，这使得MPLS在流量工程（Traffic Engineering，TE）、QoS等领域也有着广泛的应用。

MPLS的基本概念

FEC

MPLS是一种分类转发技术，它将具有相同转发处理方式的数据分组归为一类，称为FEC（Forwarding Equivalence Class，转发等价类）。MPLS对相同FEC的数据分组采取完全相同的处理方式。

FEC的划分方式非常灵活，可以是源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议种类、业务类型等要素的任意组合。例如，在采用最长匹配算法的IP路由转发中，去往同一个目的地址的所有报文就是一个FEC。

MPLS标签

MPLS标签是一个简短且长度固定的标识符，它只具有本地意义，用于唯一标识一个分组所属的FEC。在某些情况下（例如，进行负载分担）对应一个FEC可能会有多个MPLS标签，但是在一台设备上，一个MPLS标签只能代表一个FEC。

MPLS标签长度为4个字节，封装结构如下图所示。

MPLS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，服务分类）。
• BoS：1bit，栈底标识。MPLS支持多层标签，即标签嵌套。BoS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。

MPLS标签封装在链路层和网络层之间，它在报文分组中的封装位置如下图所示。MPLS标签能够被任意的链路层协议所支持。

MPLS标签栈（Label stack）也称为MPLS多层标签，是指MPLS标签的排序集合，如下图所示。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。MPLS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。

标签操作

MPLS标签的基本操作包括标签压入（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。

MPLS标签的基本操作详解如下：

• 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倒数第二跳的节点处去掉栈顶标签，减少标签栈中的标签数目。

在最后一跳的节点上，MPLS标签实际已没有使用价值。这种情况下，可以利用PHP（Penultimate Hop Popping，倒数第二跳弹出）特性，在倒数第二跳的节点上就将标签弹出，这样最后一跳的节点可直接进行IP转发或者下一层标签转发，从而减少最后一跳的处理负担。

PHP特性是通过分配特殊的标签值3来实现的。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。当倒数第二跳节点发现自己被分配了标签值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，使最后一跳节点直接进行IP转发或下一层标签转发。

基本术语

1．LSR (Label Switch Router):标签交换路由器:

在MPLS域内承担标签产生，转发和移除任务的路由器。其共有3种类型：

• 入站LSR：可以认为是一个MPLS域的边界设备，这台设备的功能是接受还没有被打上标签的报文，在报文的前端打上标签后再将标签送出去。
• 链路LSR：可以认为是一个MPLS域内设备，其位于入站LSR与出站LSR之间，主要功能是将接收到的标签报文交换和发送出去到下一个LSR。
• 出站LSR：可以认为是一个MPLS域的边界设备，功能与入站LSR相反，其在接受到带标签的报文后将其标签移除后发送到MPLS域外。

2．负责分发标签的协议

• 标记分发协议（Tagging Distribution Protocol，TDP）：是思科专有的标记分发协议。
• 标签分发协议（Label Distribution Protocol，LDP）:是IETF开发的用于标签分发的协议

3．LSR维护的三张表

• FIB表：即CEF表。
• LIB表（标签信息库）： LSR把自己本地生成的标签和相邻的LSR发过来的标签（远程标签），无论标签是否有用，都会将标签信息保存在这一张标签表中。
• LFIB(标签转发信息库): LSR会把所在MPLS域内真正在用的标签（真正在用的标签是指LSR会从路由条目信息中的多个标签中选择一个最优的使用，选择方法是通过IGP路由表中的下一跳信息来决定使用对应下一跳设备发来的标签）全部都放在LFIB表里。

4．标签交换路径(label switching path，LSP)：

指的是在MPLS域内，一个数据报文从源头到目的地所需要经过的具体路径，在该路径中所传输的数据报文是要被多次修改标签的。LSP是LSR在MPLS网络中转发标签数据后产生的，是标签报文穿越MPLS网络的路径。

LSP是一条从入口到出口的单向通道，包含以下角色：

• LSP的起始节点称为入节点（Ingress），一条LSP只能有一个Ingress。Ingress的主要功能是给IP报文压入一个新的MPLS标签，将其封装成MPLS报文。
• 位于LSP中间的节点称为中间节点（Transit），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的末尾节点称为出节点（Egress），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。

MPLS是如何建立LSP的？

MPLS是一种依靠标签交换来指导转发的技术，因此，LSP的建立过程实际上就是沿途LSR为特定FEC确定标签的过程。

MPLS标签由下游分配，按照从下游到上游的方向进行分发。如下图所示，下游LSR根据IP路由的目的地址进行FEC划分，并将标签分配给对应指定目的地址的FEC，再将标签发送给上游LSR，触发上游LSR建立标签转发信息表，最终使一系列LSR形成一条LSP。

LSP按建立方式可以分为静态LSP和动态LSP两种：

• 静态LSP是管理员通过手工为各个FEC分配标签而建立的LSP。手工分配标签需要遵循的原则是：上游LSR出方向的标签的值等于下游LSR入方向的标签值。
• 动态LSP是各LSR通过标签发布协议动态的生成和发布标签而建立的LSP，下游LSR向上游LSR发送标签时需要依赖IP路由。MPLS支持多种标签发布协议，例如：LDP（Label Distribution Protocol）、RSVP-TE（Resource Reservation Protocol Traffic Engineering）和MP-BGP（Multiprotocol Border Gateway Protocol）。

报文是如何通过LSP转发的？

以支持PHP特性的LSP为例，MPLS报文在该LSP中的基本转发过程描述如下：

• Ingress收到目的地址为192.168.1.1/24的IP报文，压入标签Y（Push），封装为MPLS报文并继续转发。
• Transit收到该MPLS报文，进行标签交换（Swap），将标签Y换成标签X。
• 倒数第二跳的Transit收到该MPLS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X并继续将IP报文转发给Egress。
• Egress节点收到该IP报文，将其转发给目的地192.168.1.1/24。

MPLS控制层面（Control Plane）：

主要是来控制三层路由信息（比如EIGRP,OSPF,BGP等）和标签（比如TDP,LDP,BGP等）。

MPLS数据层面（DATA Plane）：

主要是以标签为基准来进行数据转发。MPLS两个层面的具体工作流程可以通过图2.2来详细说明：

部分参考自： https://info.support.huawei.com/info-finder/encyclopedia/zh/MPLS.html