MPLS基础总结

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出现背景:

MPLS(Multiprotocol Label Switching)多协议标签交换,mpls的出现主要是因为上世纪90年代传统ip路由转发出现瓶颈,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,所以才想到了使用标签转发来替代传统的ip查表转发。但是随着硬件工艺的发展,逐渐出现的硬件转发和芯片转发,之前ip转发查表慢的问题已经不复存在。

由于mpls标签转发的思想在mpls vpn和mpls TE(流量工程)方面的应用也使得这一技术得以存在并且大放异彩,MPLS vpn在企业网和运营商中运用的都比较多,MPLS TE主要在运营商中应用。本篇先介绍MPLS,mpls vpn随后介绍。

相关概念:

MPLS基础总结
mpls域:由mpls协议转发数据的区域。
LSR:Label Switching Router,标签交换路由器,在mpls域中负载标签交换操作的路由器。
LER:Label Edge Router,标签边缘路由器,在mpls域的边缘负责标签的压人或者弹出,连接其它网络的路由器。
LSP:Label Switched Path,标签转发路径,IP报文在MPLS网络中经过的路径,LSP是一个单向路径,与数据流的方向一致。
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。

体系结构:

mpls的体系结构如图所示,mpls把控制平面和转发平面分开,控制平面负载计算路由,转发平面负责利用FIB表转发数据。这种控转分离的思想十分重要,现在的SDN也正是应用了这种思想。
MPLS基础总结

控制平面:负责产生和维护路由信息以及标签信息。

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

  1. 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。

  2. 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。

mpls标签结构:

MPLS基础总结

标签结构如上图,mpls中最重要的东西就是标签,标签的建立直接关系着报文的转发。mpls会为一个转发等价类分配相同的标签。

转发等价类:mpls将以相同方式处理的一组报文分为一个转发等价类,转发等价类的区分方式可以是路由,也可以是其他东西。但是目前用到的都是以路由来区分的,即将到达同一目路由的所有报文都会打上相同的标签。

标签栈:
标签栈即mpls的标签可以有多层,但是一般只用到二层或者三层。这里先提一下,在随后介绍到的mpls vpn中还会用到。
MPLS基础总结

标签空间
标签空间就是指标签的取值范围。标签空间划分如下:
0~15:特殊标签。
16~1023:静态LSP和静态CR-LSP(Constraint-based Routed Label Switched Path)共享的标签空间。
1024及以上:LDP、RSVP-TE(Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering)、MP-BGP(MultiProtocol Border Gateway Protocol)等动态信令协议的标签空间。

mpls的转发:

mpls的转发依赖ip网络的连通性,因为需要为ip网络中路由来分配标签后按照标签来转发报文。
为不同的路由分配不同的标签后,就会为一个转发等价类(FEC)建立起一条LSP。建立LSP或者说分配标签的方式有两种:
静态建立LSP,即手动为不同的FEC分配不同的标签。
动态建立LSP,使用LDP,MP-BGP等协议来划分FEC和分配标签。

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。

MPLS基础总结

当标签分配完成,LSP确定之后,就开始了数据包的在mpls和ip网络中的传递。这时候就会涉及到标签的转发方式。

标签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。

  • 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。标签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。

详细转发过程这里就不写了,请参考产品文档。

MPLS对TTL的处理:

mpls也可以使用TTL来防环,mpls对TTL的处理方法分为两种:
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。

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。

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