2022-12- 05 网工进阶（三十七）MPLS--基本概念、转发过程、基本配置、配置静态LSR
MPLS概述
基本概念
MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多协议标签交换）位于TCP/IP协议栈中的数据链路层和网络层之间，可以向所有网络层提供服务。
通过在数据链路层和网络层之间增加额外的MPLS头部，基于MPLS头部实现数据快速转发。
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。
MPLS以标签交换替代IP转发。标签是一个短而定长的、只具有本地意义的标识符。
MPLS术语
MPLS域（MPLS Domain）
一系列连续的运行MPLS的网络设备构成了一个MPLS域。
LSR（Label Switching Router，标签交换路由器）
支持MPLS的路由器（实际上也指支持MPLS的交换机或其他网络设备）。
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），区域内部的LSR称为核心LSR（Core LSR）。
LSR分类
入站LSR（Ingress LSR）：通常是向IP报文中压入MPLS头部并生成MPLS报文的LSR。
中转LSR（Transit LSR）：通常是将MPLS报文进行例如标签置换操作，并将报文继续在MPLS域）-中转发的LSR。
出站LSR（Egress LSR）：通常是将MPLS报文中MPLS头部移除，还原为IP报文的LSR。
FEC（Forwarding Equivalence Class，转发等价类）
FEC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网络节点以相同方式处理。
在MPLS网络中，FEC可以通过多种方式划分，例如基于目的IP地址及网络掩码、DSCP等特征来划分。
数据属于哪一个LSP（Label Switched Path，标签交换路径），由数据进入MPLS域时的Ingress LSR决定。
MPLS标签通常是与FEC相对应的，必须有某种机制使得网络中的LSR获得关于某FEC的标签信息。
LSP（Label Switched Path，标签交换路径）
LSP是标签报文穿越MPLS网络到达目的地所走的路径。
同一个FEC的报文通常采用相同的LSP穿越MPLS域，所以对同一个FEC，LSR总是用相同的标签转发。
一条LSP包含一台入站LSR、一台出站LSR以及数量可变的中转LSR，因此LSP也可以看做是这些LSR的有序集合。
LSP需要在数据转发开始前建立完成，只有这样报文才能顺利穿越MPLS域。
LSP可通过静态和动态两种方式建立。
需要注意的是，LSP是一个从“起点”到“终点”的单向路径，若需要双向数据互通，则需要在双方之间建立双向的LSP。
MPLS标签
IP报文进入MPLS域之前，会被入站LSR压入MPLS头部（又叫MPLS标签），形成一个MPLS标签报文。一个标签报文可以包含一个或多个MPLS标签。
标签报文
字段解释：
标签（Label）：用于携带标签值，长度20bit。
EXP（Experimental Use）：主要用于CoS（Class of Service），长度3bit。EXP字段在早期的MPLS标准中被定义，意为试验性的字段，但实际上该字段主要被用于CoS。为了避免歧义，RFC5462重新定义了该字段，命名为流分类（Traffic Class）。
S（Bottom of Stack）：栈底位，用于指示该标签头部是否为最后一层标签，长度1bit。如果该字段为1，则表示当前标签头部为栈底；如果该字段为0，则表示当前标签头部之后依然还有其他标签头部。
TTL（Time To Live）：用于当网络出现环路时，防止标签报文被无限制转发，与IP报文头部中的TTL具有相同的意义，长度8bit。
抓包观察
1 标签值为200
2 扩展位为0
3 表示为底层标签
4 生存时间126
标签栈
MPLS支持一层或多层标签头部，这些标签头部的有序集合被称为标签栈（Label Stack）。
最靠近IP头部的标签是栈底标签，标签中的S字段为1。
当上层为MPLS标签栈时，以太网头部中的Type字段为0x8847，PPP头部中的Protocol字段为0x8281。
标签空间
标签是一个短而定长的、只具有本地意义的标识符。标签空间就是指标签的取值范围。
|
标签值 |
描述 |
|
0~15 |
特殊标签值。例如0被定义为IPv4显式空标签（IPv4 Explicit NULL Label），标签值3被定义为隐式空标签（Implicit NULL Label） |
|
16~1023 |
用于静态LSP、静态CR-LSP的共享标签空间 |
|
1024~1048575 |
LDP、RSVP-TE、MP-BGP等动态信令协议的标签空间； 动态信令协议的标签空间不是共享的，而是独立且连续的，互不影响 |
标签的处理
LSR对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）。
压入（Push）
IP报文进入MPLS域时，MPLS边界设备在报文二层头部和IP头部之间插入一个新标签；MPLS中间设备也可根据需要，在标签栈顶增加一个新的标签。
交换（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。
弹出（Pop）
当报文离开MPLS域时，将MPLS报文的标签去掉。
相关命令
配置LSR的ID号（必须配置）
[R1]mpls lsr-id 1.1.1.1全局下开启MPLS功能
[R1]mpls接口下开启MPLS功能
[R1-GigabitEthernet0/0/0]mpls查看LSP
[R1]display mpls lsp MPLS转发概述
MPLS转发的本质就是将数据归到对应的FEC并按照提前建立好的LSP进行转发。
对于整个MPLS域，LSP是某一给定的FEC进入域和离开域的路径，可以看成是LSR的有序集合。
对于单台LSR，需要建立标签转发表，用标签来标识FEC，并绑定相应的标签处理和转发等行为。
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 (Control Plane)
控制平面是无连接的，主要功能是负责产生和维护路由信息以及标签信息。
路由信息表RIB（Routing Information Base）：由IP路由协议（IP Routing Protocol）、静态路由和直连路由共同生成，用于选择路由。
标签信息表LIB（Label Information Base）：用于管理标签信息，LIB中的表项可由标签交换协议（LDP、RSVP等协议）或静态配置生成。
转发平面 (Forwarding Plane)
转发平面也称为数据平面，是面向连接的， 主要功能是负责普通IP报文的转发以及带MPLS标签报文的转发。
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。
标签转发信息表LFIB（Label Forwarding Information Base）：简称标签转发表，负责带MPLS标签报文的转发。
LSP建立原则
当网络层协议为IP协议时，FEC所对应的路由必须存在于LSR的IP路由表中，否则该FEC的标签转发表项不生效。
LSR用标签标识指定FEC，所以该FEC的数据被发送至LSR时，必须携带正确的标签，才能被LSR正确的处理。
对某一FEC，设备上存在进（In）标签和出（Out）标签，分别表示该FEC的数据接收时和发送时所携带的标签。
以R2转发到4.4.4.0/24的数据为例，R1为R2的上游（Upstream）LSR，R3为R2的下游（Downstream）LSR。为确保标签报文能被正确的处理和转发，那么R1发给R2的报文所携带的标签与R2上绑定到4.4.4.0/24的相同，即R1的出标签等于R2的入标签。同理，R2关于4.4.4.0/24这条FEC的出标签必须等于R3的入标签。
LSP建立方式
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。LSP分为静态LSP和动态LSP两种。
静态LSP
基本概念
静态LSP是用户通过手工为各个FEC分配标签而建立的。
静态LSP不使用标签发布协议，不需要交互控制报文，因此消耗资源比较小。
通过静态方式建立的LSP不能根据网络拓扑变化动态调整，需要管理员干预。
应用场景
适用于拓扑结构简单并且稳定的小型网络。
标签分配原则
前一节点出标签的值等于下一个节点入标签的值。
PS:由于静态LSP各节点上不能相互感知到整个LSP的情况，因此静态LSP是一个本地的概念。
动态LSP
基本概念
动态LSP通过标签发布协议动态建立。
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。
常用标签发布协议：标签分发协议 (LDP)
全称：Label Distribution Protocol。
定义
LDP是多协议标签交换MPLS的一种控制协议，负责转发等价类FEC的分类、标签的分配以及标签交换路径LSP的建立和维护等操作。LDP规定了标签分发过程中的各种消息以及相关处理过程。
应用场景
LDP广泛地应用在VPN服务上，具有组网、配置简单、支持基于路由动态建立LSP、支持大容量LSP等优点。
其他标签分布协议
RSVP-TE：Resource Reservation Protocol Traffic Engineering，它是对RSVP的扩展，用于建立基于约束的LSP。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，MP-BGP是在BGP协议基础上扩展的协议。MP-BGP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标签转发
LSR处理报文时主要根据FTN、 NHLFE和ILM。
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，系统自动为隧道分配了一个ID，也称为Tunnel ID。该Tunnel ID的长度为32比特，只是本地有效。在MPLS转发过程中，FIB、ILM和NHLFE表项是通过Tunnel ID关联的。
NHLFE
下一跳标签转发表项（Next Hop Label Forwarding Entry）：LSR对报文（MPLS或IP报文）进行MPLS转发时使用，NHLFE在Ingress和Transit存在。
NHLFE包括：Tunnel ID、出接口、下一跳、出标签、标签操作类型等信息。
FTN
FTN（FEC-to-NHLFE）：当LSR收到IP报文并需要进行MPLS转发时使用，FTN只在Ingress存在。
FTN包括：Tunnel ID、FEC到NHLFE的映射信息。
ILM
入标签映射（ILM，Incoming Label Map）：用于指导MPLS报文的转发（MPLS或IP转发），ILM只在Transit和Egress存在。
ILM包括：Tunnel ID、入标签、入接口、标签操作类型等信息。
MPLS详细转发过程
Ingress LSR（入站LSR）的处理
当IP报文进入MPLS域时：
1 Ingress LSR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）。
2 如果Tunnel ID值不为0x0，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。
4 在IP报文中压入出标签，同时处理TTL，然后将封装好的MPLS报文发送给下一跳。
Transit LSR的处理（中转LSR）的处理
当MPLS报文在MPLS域转发时：
5 Transit LSR根据MPLS的标签值查看对应的ILM表，得到Tunnel ID。
6 根据ILM表的Tunnel ID找到对应的NHLFE表项。
7 查看NHLFE表项，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Swap，则交换标签。
Egress LSR（出站LSR）的处理
当MPLS报文需要离开MPLS域时：
8 Egress根据ILM查询到该标签对应的操作为Pop，说明需要剥离该标签
9 根据当前标签头部的下一层报文头部进行下一步处理
相关命令
静态入站LSR配置
[R1]static-lsp ingress R1toR3 destination 192.168.1.0 24 nexthop 10.1.0.2 out-label 100 静态中转LSR配置
[R2]static-lsp transit R1toR3 incoming-interface GigabitEthernet 0/0/0 in-label 100 nexthop 10.1.1.3 out-label 200 静态出站LSR配置
[R3]static-lsp egress R1toR3 incoming-interface GigabitEthernet 0/0/0 in-label 200 查看静态LSP
<R1>display mpls static-lsp配置距离---单向静态LSR
需求：配置从路由器R1到路由器R3的静态LSP，反向不配置。使得PC1到PC2的报文通过MPLS进行转发。
路由器R1配置
#sysname R1
#
mpls lsr-id 1.1.1.1
mpls
#
interface GigabitEthernet0/0/0ip address 10.1.0.1 255.255.255.0 ospf enable 1 area 0.0.0.0mpls
#
interface GigabitEthernet0/0/1ip address 192.168.0.254 255.255.255.0 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface LoopBack0ip address 1.1.1.1 255.255.255.255 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 1.1.1.1 silent-interface GigabitEthernet0/0/1area 0.0.0.0
#
static-lsp ingress R1toR3 destination 192.168.1.0 24 nexthop 10.1.0.2 out-label
100
#路由器R2配置
#sysname R2
#
mpls lsr-id 2.2.2.2
mpls
#
interface GigabitEthernet0/0/0ip address 10.1.0.2 255.255.255.0 ospf enable 1 area 0.0.0.0mpls
#
interface GigabitEthernet0/0/1ip address 10.1.1.2 255.255.255.0 ospf enable 1 area 0.0.0.0mpls
#
interface LoopBack0ip address 2.2.2.2 255.255.255.255 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 2.2.2.2 area 0.0.0.0
#
static-lsp transit R1toR3 incoming-interface GigabitEthernet0/0/0 in-label 100 n
exthop 10.1.1.3 out-label 200
#路由器R3配置
#sysname R3
#
mpls lsr-id 3.3.3.3
mpls
#
interface GigabitEthernet0/0/0ip address 10.1.1.3 255.255.255.0 ospf enable 1 area 0.0.0.0mpls
#
interface GigabitEthernet0/0/1ip address 192.168.1.254 255.255.255.0 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface LoopBack0ip address 3.3.3.3 255.255.255.255 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 3.3.3.3 silent-interface GigabitEthernet0/0/1area 0.0.0.0
#
static-lsp egress R1toR3 incoming-interface GigabitEthernet0/0/0 in-label 200
#查看静态LSP
<R1>display mpls static-lsp
TOTAL : 1 STATIC LSP(S)
UP : 1 STATIC LSP(S)
DOWN : 0 STATIC LSP(S)
Name FEC I/O Label I/O If Status
R1toR3 192.168.1.0/24 NULL/100 -/GE0/0/0 Up 抓包查看
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