MPLS(Multi-Protocol Label Switching)多协议标签交换

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什么是MPLS

MPLS是一种在骨干网上利用标签来指导数据报文高速转发的协议，相对于传统ip路由方式，提供了一种新的网络交换方式，它将ip地址映射为简短且长度固定、只具有本地意义的标签，以标签交换替代ip查表，从而显著提升转发效率。同时该标签机制可以再ip网络中构筑逻辑上的隧道，因此可以为各种L2VPN、L3VPN及EVPN等业务提供公共隧道服务。

为什么需要MPLS

起初硬件技术限制，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。MPLS最初就是为了提升IP网络中路由设备的转发速率。

通过两种方式提升转发速率:

MPLS方式 IP路由方式
简洁的标签交换 庞大的路由表
中间节点无需解析IP报文头 每个节点都需要解析

后来，随着ASIC(Application Specific Intergrated Circuit, 专用集成电路)技术的发展，ip路由使用硬件来查表了，mpls不再具备优势。

但是，MPLS的本质是一种隧道技术，天然可以充当多个业务的公网隧道。且MPLS依靠固定的标签交换路径，是一种面向连接的转发技术，使得其在流量工程(Traffic Engineering, TE)、Qos等领域也有广泛应用。

MPLS有哪些特征

基本概念

FEC

MPLS是一种分类转发技术，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)。
划分灵活，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，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（负载分担）对应一个FEC可能会有多个MPLS标签，但一台设备上，一个MPLS只能代表一个FEC。

MPLS封装结构，长度4字节：

0~19 20~22 23 24~31
Label TC Bos TTL
  • Label: 20bit，标签值域
  • TC(Traffic Class): 3bit，原Exp，用于扩展。现在通常用来做Qos and ECN
  • BoS(Bottom of stack): 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 Time to Live (最大跳数)。

标签操作

MPLS标签位于链路层和网络层之间，支持多层标签（标签栈），靠近链路层的标签是栈顶标签（外层标签），靠近网络层的标签是栈底标签（内层标签），处理方式和栈一样，后进先出(Last in First out)。

标签操作示意

LSP

LSP(Label Switched Path, 标签交换路径)是指属于同一FEC的报文在MPLS域内转发所经过的路径。

  • 起始节点称为入节点(Ingress),一条LSP只能有一个Ingress，压入新的MPLS标签，封装成MPLS报文。
  • 中间节点(Transit)，通过查标签转发信息表，完成转发。
  • 末尾节点称为出节点(Egress)，弹出标签，恢复为原来的报文进行转发。

MPLS网络是怎么样的

标签操作示意

  • LSR(Label Switching Router，标签交换路由器)，基本组成单元。相邻点都运行MPLS则节点为Core LSR。
  • LER(Label Edge Router,标签边缘路由器),相邻节点存在不运行MPLS的LSR称为LER。

MPLS有什么价值

  • MPLS完全兼容IP网络，相当于在IP网络的基础上进行改进，建设成本低，易于推广。
  • MPLS的转发和控制平面是分离的，是面向连接的，可以有效实施流量工程和Qos。
    • 控制平面依靠IP路由建立LSP
    • 转发平面通过LSP传输报文
  • MPLS是一种与链路层无关的协议，位于2.5层。可以同时支持帧中继、ATM、PPP和SDH等协议，保证多中网络的互通，兼容性好。
  • MPLS网络支持层次化的拓扑结构，适合在IP骨干网中部署
  • MPLS标签栈支持无限嵌套，正好契合了VPN业务对公私网标签多层封装的要求。

MPLS是如何工作的

MPLS如何建立LSP

MPLS标签由下游分配，按照从下游到上游方向进行分发。
LSP建立过程示意图

LSP建立方式分为两种：

  • 静态LSP：手工按照上游出等于下游入的规则。
  • 动态LSP：依赖原IP路由，支持多种协议：
    • LDP(Label Distribution Protocol)
    • RSVP-TE(Resource Reservation Protocol Traffic Engineering)
    • MP-BGP(Multiprotocol Border Gateway Protocol)

报文如何通过LSP转发

单标签如何转发

多标签如何转发

对于IP1的报文来说，上层LSP就是由A->B组成。但是A并非直接转发给B的，而是通过另一个子LSP C1->C2->C3转发给的B。这么做，首先是因为A和B没有直接相连，没有办法直接转发。另一方面，因为IP1和IP2有一部分重合的路径，通过定义子LSP可以复用这部分路径。对于IP1和IP2来说，C1，C2，C3只需要存储一套标签转发表即可。

什么是MPLS VPN

MPLS VPN是目前应用最广泛的VPN技术。利用MPLS在IP骨干网上构建VPN。
基本模型有三个角色构成：

  • CE(Customer Edge)：用户边缘设备，VPN站点(site)通过CE连接到SP网络。CE感知不到VPN也不需要支持MPLS。
  • PE(Provider Edge)：服务提供商网络的边缘设备，与CE相连。在MPLS网络中，作为LSR，对MPLS和VPN的所有处理都在改设备上，性能要求较高。
  • P(Provider)：服务提供商的骨干设备。作为LSR设备，只需要处理MPLS，不处理VPN信息。

MPLSVPN基础模型

深入学习视频推荐

可以看华为的info-Finder中的在线课堂学习相关的网络技术
MPLS基础
MPLS-VPN基础-上

内容参考
https://info.support.huawei.com/info-finder/encyclopedia/zh/MPLS.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/27232535