MPLS：多协议标签交换

概述

MPLS的历史背景

  1. 早期：90年代初期，由于硬件性能限制，路由器采取最长掩码匹配算法逐跳转发IP报文，当路由器表项过于庞大时，检索速度受限于硬件性能，短时间内无法得到提升，导致转发效率低，于是IETF组织提出MPLS作为快速转发技术
  2. 后期：硬件性能得到巨大的提升，MPLS快速转发的优势不再明显，MPLS逐渐被淘汰，但是由于MPLS支持多层嵌套和设备内转空分离的特点，再新兴领域得到广泛应用，如VPN、TE（流量工程）等而被保留下来

MPLS的网络架构

MPLS域：由一组连续的运行了MPLS的路由器集合构成的网络

LSR：标签交换路由器，运行了MPLS的路由器

LSR的角色

  1. 根据LSR位于MPLS域的未知，将LSR分为：

    • LER：标签边缘路由器，位于MPLS域边缘的LSR，连接了其他网络，主要负责标签的压入和弹出
    • core LSR：核心标签骄傲换路由器，位于MPLS域内的LSR主要负责标签的交换
  2. 根据对数据的处理的方式，将LSR分为
    • ingress LSR：入站LSR（入节点）

      • 对普通IP报文职系那个标签压入的动作，形成MPLS报文
    • transit LSR：中转LSR（中间节点）
      • 对MPLS报文进行标签交换
    • egress LSR：出站LSR（出节点）
      • 对MPLS报文执行标签弹出的动作，形成普通LIP报文

FEC：转发等价类

定义

  • 具有相同在那发特征的数据流，转发路径上的设备对于相同特性的数据流采用相同的处理方式

转发特征

  • 数据流的五元组、DSCP、目的IP地址和掩码等等参数
  • 在MPLS网络中，对FEC的划分方式为
    • 对于到达同一目的地的所有报文就是一个FEC，也就是一条路由条目就是一个FEC

LSP：标签交换路径

定义

  • 到达同一目的地的报文（FEC）在MPLS网络中经过的转发路径

    • 一条FEC对应一条LSP，数据转发前需要先建立好LSP

特点

  1. LSP是单向的，是一组有序的标签的集合
  2. LSP的方向与数据流的方向一致

LSP的建立方式

  1. 静态LSP

    • 手工配置

      • 优点：无需交互协议报文，开销小且稳定
      • 缺点：配置工作量大，无法适应网络变化，需要管理员手工干预，灵活性差，后期维护复杂
    • 动态LSP
      • 通过动态标签分发协议动态建立LSP

        1. LDP：标签分发协议
        2. MP-BGP：应用于MPLS VPN，为VPNv4路由分发标签
        3. RSVP-TE：应用于流量工程，RSVP的扩展协议（本课程不涉及）

MPLS标签

  • MPLS头部封装在数据链路层和网络层中间，称为2.5层协议

  • MPLS头部参数：占32bit

    1. label：标签值，20bit取值范围0~（2^20）-1

      1. 特殊标签

        • 0~15

          • 0：显示空标签，IPv4路由

          • 2：显示空标签，IPv6路由

            • 需要通告显示空标签时，配置命令：

            • 在MPLS视图配置

              label advertise explicit-null

          • 3：隐式空标签，缺省通告

      2. 静态LSP使用

        • 16~1023

      3. 动态LSP使用

        • 1024~1048575

    2. EXP：3bit，优先级字段，取值0~7，值越大优先级越高，越优先先被处理，用于QOS

    3. s：1bit，栈底标识

      • s=0时，表明该标签不是最后一个标签
      • s=1时，表明该标签为栈底标签（最接近IP头部）

    4. TTL：8bit，取值0~255，用于MPLS防环

MPLS标签的处理动作

  1. push：压入标签

    • 入节点在二层和三层头部之间插入MPLS标签的行为，中间节点根据需要也可以执行该动作，在栈顶位压入一个新的标签
  2. swap：交换标签
    • 中间节点根据标签在转发表，用下一跳分配的标签替换栈顶标签（最接近二层头部的标签）
  3. pop：弹出标签
    • 出节点上将MPLS标签去掉

MPLS体系结构

  1. 控制平面

    • 产生和维护路由信息和标签信息

      • RIB：路由信息表，通过运行路由协议学习到的路由存放在RIB中

      • LIB：标签信息表，通过LDP（标签分发协议）动态学习到的标签信息存放在LIB中

        • 查看命令
        display LDP LSP//查看LIB表信息

  2. 转发平面

    • 负责转发普通IP报文和MPLS标签报文

      • FIB：转发信息表，由RIB映射生成，负责IP报文转发

      • LFIB：标签转发信息表，由ILM和NHLFE关联形成，负责MPLS标签报文转发

        • 查看命令
        display mpls lsp
//查看LFIB表

MPLS转发的三张表

  1. FTN：FEC to NHLFE

    • 由FIB和NHLFE关联产生，只在入节点存在，接收到的IP报文需要MPLS转发时，查该表以获得tunnel id
    • 表中内容为
      • FEC和tunnel id的映射关系
  2. NHLFE：下一跳标签转发表项
    • 存在于入节点和中间节点，用于指导MPLS报文转发
    • 表中内容为
      • tunnel id、出接口、下一跳地址、出标签、标配前操作类型等
  3. ILM：入标签映射
    • 存在于中间节点和出节点上，用于指导MPLS报文转发

      • 表中内容为

        • tunnel id、入标签、入接口、变迁操作类型等

MPLS数据标签转发的详细过程

  • 当数据进入MPLS域时：

    1. 先查看FIB表项，找到对应的转发条目（FEC），查看转发条目包含的tunnel id字段

      1. 如果为0x0，则IP转发
      2. 如果为非0，则MPLS转发
    2. ingress的处理
      • 通过查找FIB和NHLFE表项指导报文转发

        1. 先查找FIB，找到对应的tunnel id；
        2. 根据tunnel id查找到对应的NHLFE表项，将FIB和NHLFE关联起来（FTN）
        3. 查看NHLFE表项可以得出出接口、下一跳地址、出标签、和标签操作类型等信息
        4. 在IP报文中压入标签，同时处理TTL，封装MPLS报文后发送给下一跳
    3. transit的处理
      • 通过查看ILM和NHLFE指导MPLS报文转发

        1. 根据MPLS的标签查看对应的额ILM表项，得到tunnel id；
        2. 根据获得的tunnel id找到对应的NHLFE表项
        3. 通过NHLFE表项可以的出处接口、下一跳地址、出标签和标签操作类型等信息
        4. MPLS报文的处理方式根据不同的出标签而不同
          • 如果label>16，则用新标签替换MPLS报文中的旧标签
          • 如果label=0，则用0标签替换MPLS报文中的旧标签（swap）
          • 如果label=3，则直接弹出标签，同时哦处理TTL，封装好发送给下一跳（次末跳弹出）
    4. egress的处理
      • 查询ILM指导MPLS报文或者FIB表指导IP报文转发

        1. 如果出节点接收到IP报文，则查FIB表转发
        2. 如果出节点接收到MPLS报文，则差ILM表获得标签操作类型，同时处理TTL（pop）
          1. 如果标签中s=1：表明该标签为占比标签，直接查FIB表IP转发
          2. 如果标签中s=0：表明还有下一层标签，则进行下一层标签转发

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